文字| 星澜世说
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结构和设计工程师非常清楚，碳纤维复合材料根本不是“黑色金属”，将复合材料像金属一样处理结可能会导致灾难性后果。
然而，复合材料的电性能与金属材料的电性能差异往往不是那么明显，人们总是认为碳纤维复合材料可以像金属材料一样自动满足结构的电性能要求。
然而事实并非如此，这并不是因为碳纤维复合材料难以处理电性能，它们只是需要不同的加工方法。
复合材料结构的电性能要求
基本结构部件是否具有电气特性并不总是显而易见的，通常是因为金属结构由于其对电气重叠的敏感性，无需采取任何特殊的预防措施即可满足电气特性。
类似的处理方法不适用于复合材料，必须积极考虑对结构的电气要求。 这些要求包括防雷击保护，每种雷击都会向结构中引入非常高的脉冲电流； 任何暴露的复合结构，从船舶的桅杆或天线组件到飞机的翼尖，都是危险的。
其他电气特性要求安全消除空气或液体流经罐体或导管中复合材料表面时产生的静电，并实施电磁屏蔽措施。
这不仅适用于复杂的复合材料军用飞机，也适用于安装在复合材料或塑料盒中的耗电设备。 碳纤维复合材料的导电性能。 由绝缘树脂基体和石墨化细碳纤维组成的复合材料的导电率是各向异性的。
沿纤维方向导电比垂直于纤维方向导电容易得多，垂直于纤维方向导电仅通过相邻纤维之间的意外接触发生。
在纤维含量为0.60至0.65的结构单向复合材料中，垂直纤维方向的电阻率比平行纤维方向的电阻率高400倍。
在具有多向叠层的复合材料中，相邻叠层之间的泄漏往往会减小电阻率的差异，直到可以宏观地认为四个方向上的准各向同性叠层位于复合材料的平面内。 其内部的电特性是各向同性的。
由于相邻叠层之间存在残留树脂，因此厚度方向的电阻率始终高于复合材料平面的电阻率。 在填充短纤维的复合材料中，纤维彼此接触的次数（称为电阻率）取决于碳含量和纤维的长度。
尽管碳纤维的电阻率比铝高三个数量级，但通过适当的设计方法，仍然可以满足结构的电性能。
然而，如果复合结构之间的接头是电阻性的，则将无法满足这些电气要求，并且部件的结构安全性将受到损害。
闪电可能会导致电阻连接过热和爆炸。 如果燃油-空气界面处出现静电，则会通过低电阻连接产生电弧并爆炸，并在其他地方产生电噪声。
如果屏蔽板彼此绝缘，可能会出现屏蔽不良的情况，危及军用飞机的任务和安全，并破坏战场或附近电视的军事通信系统的安全！ 因此，制造具有良好电气特性的接头是最重要的。
机械固定接头
由于碳纤维复合材料中的所有传导都发生在纤维内部钢结构通讯设计钢结构通讯设计，因此要使接头导电，流经接头中一半纤维的电流必须通过接头另一半中的纤维传导。
通过监测复合材料各层电位的电位测绘，可以找到电流通过接头的路径，从而识别电流通过的障碍物的位置。
使用这种方法，发现很少有电流从一个板直接穿过界面流到另一块板。 这是因为表面层中多余的树脂在固化过程中从复合材料中挤出并分离成两组导体。
因此，所有电流都必须通过紧固件本体流过接头。 金属紧固件的体积电阻非常低（少数例外），可以忽略不计。
因此，决定接头总电阻的因素是电流通过复合材料-金属界面和金属-复合材料界面的困难程度。 因此，特别复杂的紧固件将具有与类似尺寸的螺栓或铆钉相同的接头传导性。
图 1 显示了螺栓拧紧扭矩对某些钛螺栓接头中电流传导的影响。 电流传导是衡量电流能否轻松通过接头的指标。 良导体具有更大的电流传导能力。
测量结果以西门子每米接头长度为单位表示，仅给出接头的电流导通情况，忽略材料各面的影响。 结果取自用单排间隔 28 毫米的紧固件连接的面板的测量结果。
如有必要，可以推断与不同间距的紧固件连接的接头的电流传导。 所有接头（钻孔质量差的接头除外，其导通不良或不稳定）很快获得稳定的电流导通值。
假设钻孔正确，达到这个稳定值的螺栓拧紧扭矩远小于实际使用的拧紧扭矩，因此按照结构技术要求固定的螺栓将达到稳定的电气值。
意想不到的结果是，使用六角头螺栓代替沉头螺栓可以获得更好的导电性，并且安装在大面积机加工碳纤维复合材料上的沉头螺栓预计比安装在有残留树脂的表面层上的六角头螺栓具有更好的导电性。 乖一点。
电势图显示电流通过埋头螺栓底部周围的小环而不是通过整个表面进入埋头螺栓。 六角头螺栓头下方的拧紧压力似乎足以破坏表面上剩余的树脂层，同时允许电流轻松流过更大的区域。
因此，六角螺栓接头的电流传导优于沉头螺栓接头。 类似的作用原理也适用于接头另一侧的螺母下方。
螺栓头下方产生的压力会损坏剩余的树脂层，并因电流的通过而产生局部加热，去除相当一部分的表面层以利于导电。 据认为损坏不会到达光纤本身。
因此，如果复合材料表面有玻璃保护层，不合理的压力会损坏玻璃层，而导电性必须依赖于螺栓孔壁中的杂散纤维与螺栓体的意外接触。
如果较大的密封压力作用在紧固件上，可能会导致复合材料失效。 尽管这在结构上是不希望的，但这意味着紧固件与碳纤维紧密接触并产生良好的电性能。
举个特例，虽然钛铆钉的接触面积比螺栓小很多，但如果间距相同，接头电流传导约为每米180西门子，钛铆钉接头就能传导电流。
这种改进可能归因于铆钉尾部与其周围受损的碳纤维之间的良好接触。 实际上，使用垫圈可以限制对铆钉尾部的损坏，从而可能导致电流传导减少。
如果说复合材料与金属之间的界面是决定接头总电流传导的主导因素，那么界面上影响最大的因素就是金属表面的氧化膜。
去除钛螺栓上的氧化层可将接头电流传导从每米 15 西门子增加到每米 120 西门子。 由不同金属制成的一些附加相同接头的电流传导。
如上所述，这些铆钉会造成太多的结构损坏，无法保证飞机的质量，但它们证明了材料可以对其他相同的紧固件产生不同的影响。
特别值得注意的是铝铆钉的性能较差，其具有坚韧的氧化膜，阻碍了碳和铝之间的良好接触。 这种氧化膜会给金属紧固件带来困难。
可拆卸紧固件的示意性剖视图。 紧固件的一部分是轻合金螺母盖。 由于紧固件的结构，该外壳是电流通过连接器的主要路径，当测量连接器传导电流时，
可以发现其变化很大，从每米 90 西门子到每米 210 西门子。 仔细检查发现，问题出在轻合金螺母外壳和钢螺母镀层之间的金属与金属界面处，螺母外壳的阳极氧化层阻碍了电流。
这是一个严重的问题，因为良好的导电性完全局限于氧化膜受损的部分。 如果有雷击，很大的电流会试图通过这个接头，所有的电流都会被引导到这些导电性好的点。 这会导致加热问题。
有多种方法可以提高机械紧固接头的电气性能，而对结构强度的影响很小。 如果六角头螺栓和螺母安装在覆盖有玻璃布或其他非导电材料的结构表面上，它们不会对接头连接提供良好的导电效果。
如果结构表面必须使用玻璃布，设计应允许去除紧固件周围的玻璃布。 安装紧固件后，如有必要，可以重新密封这些表面。
改善连接器中电流传导的另一种方法是增加接触面积。 这可以通过使用较大直径的紧固件或具有较大头部和尾部的连接器来实现，但这种方法会增加额外的重量和费用。
目前使用的紧固件的接触面积可以通过使用更严格的钻头配合公差来改善。 这将接头的电导率提高到每米约 400 西门子。 然而，按照这种精度公差钻孔的生产成本很高。
显然，按照这种精度公差钻出的孔的表面非常脆弱，即使在最终组装之前对螺栓尺寸进行测试配合也足以损坏表面。
结果，与未损坏孔的电性能相比，此类螺栓的电性能劣化至其值的 1/5 或 1/10。 自由尺寸压配合孔的表面不太精细，具有良好的电性能，但由于复合材料中会产生环向应力，其应用受到限制。
改善接头电气特性（也可用于修复上述损坏情况下的接头）的更有效方法是在任何紧固件孔的内表面涂上导电涂层。
这样，紧固件孔周围的所有碳纤维都相互连接，因此接触一点就接触了所有碳纤维。 尽管金属镀层是导电性最强的，但可以使用任何导电镀层。
对于5毫米以下的螺栓孔，电镀铜可以将沉头螺栓的电流传导从每米60西门子提高到每米5000西门子以上。 其他金属电镀方法也取得了成功，包括热喷涂和化学镀。
另外，更合适的生产方法是利用悬浮在载体中的导电颗粒。
虽然这种方法的效果不是很好，接头达到的导电率是每米200到400西门子，但是这种涂敷方法可以在现场使用，并且可以由非专业人员手工涂漆或喷涂。 如果需要，这种方法也可以自动化。
胶接
由于没有合适的金属紧固件作为电流流经接头的捷径，一般来说，胶合接头的电气特性比机械紧固件接头差很多。
主要的例外是同时固化的接头，其电气性能不明显。 这种接头的电导率本质上是散装材料的电导率，其电性能取决于结构的几何形状。
一般来说，其他粘合接头的电气特性取决于粘合材料的特性。 冷固化树脂一般为绝缘材料，体积电导率约为10-13西门子/米。
用这种粘合剂粘合的接头在电路中是开路的，电流不能流过这些接头。 然而，一些热固化粘合剂本身含有金属颗粒以增加其热强度。
结论
不幸的是，提高胶合接头的电气性能并不那么容易。 增加粘合剂中的金属含量可以提高接头的电导率，但即使是银含量为70%的粘合剂也只能达到每米125西门子的电导率。
不幸的是，如此高的金属含量会损害粘合剂的性能，使其不适合粘合结构应用。
在不影响接头强度的情况下提高胶合接头导电性的一种方法是使用胶膜填料。 它有一个尼龙网用于控制胶缝的厚度，可以将其从粘合膜上取下并更换为相同厚度的金属网。
尽管这种方法仍在研究中，但迄今为止已经实现了高达每秒 20 西门子的电导。
参考
1.韩洪波，王立勇。 树脂基碳纤维复合材料网格天线反射器制造技术[J]. 电子机械工程，2007，23(5)：41-43。
2. 杜彪, 吴阳, 张一凡, 等. 大口径反射面天线技术综述[J]. 无线电通信技术，2016，42(1)：1-8。
3.方方。 先进复合材料在雷达中的应用[J]. 电子机械工程, 2013, 29(1): 31-35.
