雷电、闪电、雷击，都是自然界中的一种巨大能量释放的过程，它的能量既体现在超高电压上，又体现在超高电流上，还体现在电压电流的快速变化上。雷电的电压最高可以达到亿伏以上的能量等级，而电流峰值达到200kA以上的雷电可占发生总数的 1/50。  山西避雷塔

统计表明，一架固定航线的飞机，平均每年要遭到一次雷击。一架军用飞机，在其寿命周期内，平均要遭到两次雷击。迄今为止，已有很多架飞机遭受雷击，并且造成了机毁人亡的事故，这些雷击事故严重影响着航空航天的安全。

为了减轻飞机重量，飞机设计公司对复合材料(CFRP，玻璃纤维等等)的需求与日俱增。在大量使用复合材料的同时也增大了其不利的安全隐患，其中最大的一个原因是复合材料不具备良好的导电性，当遇到雷电的攻击时，在机身通过的最高电流高达200kA，巨大的电流通过复合材料会引起燃烧并破坏复合材料结构使其破裂或分层，以致给飞机带来灾难性的危害，影响飞行安全。所以，在飞机防雷设计中需要在可能的雷击附着点和雷电流出口点之间设计充分的雷电流通路，以雷电流通过飞机结构时，不会引起灾难性损伤，这是飞机防雷保护的最基本原则。  山西避雷器

铝材一直作为过去60年来的飞机和航天建设中所用材料的主要原料，因为复合材料电流传导性是相对低的，对雷击保护的常规方法是在复合材料上增加导电性材料(涂层、箔，延长箔,等铝制材料)。金属涂层的使用势必会增加直升机整体重量。随着构建更高效的飞机越来越大的需求，制造商正在设计出更多基于轻质复合材料的组件。目前的复合材料结构包括发动机舱，襟翼，翼尖，甚至直升机和风力涡轮机旋转叶片。然而，复合材料并不是电的良导体。如果没有适当的保护，他们很容易受到雷击并造成严重损害。

目前将铝和铜的微型电网材料纳入到这些复合材料结构的表面，使得能够快速消散组件的表面雷击能量，以防止损害到微型电网下面的复合材料。精密微型金属网格是复合材料飞机结构中的防雷击保护的首选材料。全球大部分航空公司如波音、巴西航空工业公司等都会选择精密微型金属网格作为其防雷击保护的首选材料。飞机制造商正迅速地意识到微型金属网格材料的选择对于提高飞机整体性能和防雷安全的优越性。运城防雷检测

金属微网结构

复合材料防雷微网分层结构

在计算机技术飞速发展的今天，电磁工程师广泛地借助于计算机和软件来进行设计和优化。大多数电磁问题虽然最终可归结到求解某类强制边界条件的偏微分方程（组），但是很少实际问题可以离开计算机得到解决。在过去的许多年里，电磁计算方法有了长足的发展，这主要得益于新的高效精确算法的不断涌现和计算机硬件的快速发展。这门学科吸引了无数数学家、工程师、物理学家和计算机科学家们的注意力，促成了数学、物理与计算机等众多学科的联姻。计算电磁学已应用到高压设计、浪涌电流分析、雷电分区分析、复合材料分层结构分析等领域。太原防雷公司

2.1 试验研究 

无防护CFRP雷击损伤试验研究已开展多年，并取得丰富研究成果。

Hirano等[1]通过雷击试验发现复合材料的雷击损伤模式主要有纤维断裂、基体破坏和分层三种形式。Feraboli等[2]通过对含不锈钢紧固件的CFRP样件进行雷击试验，发现紧固件的存在会对试样的损伤状态产生显著影响。Li等[3]通过超声波扫描和电镜等观测手段研究CFRP铺层方向和铺层顺序对雷击损伤的影响，试验结果表面损伤受铺层方式影响较大。Hirano等[1]、Feraboli等[2]、Ogasawara等[4]发现CFRP雷击损伤面积和雷电流作用积分线性相关度较高。

对于有防雷金属网防护的CFRP的雷击损伤，肖尧等[5]发现0.25mm厚铜网在试验所加雷电流强度下位于1A区､2A区及1B区的含防护和无防护试件相比，雷击损伤程度较后者分别下降88.9%､53.9%和68.7%。Kawakami和Feraboli[6]发现遭受雷击后的金属网，如经过良好修复，仍能达到较优的防护效果。吕梁避雷检测

综上，仿真研究过程中应重点考虑：

造成纤维断裂、基体破坏和分层等主要损伤模式的物理因素。

CFRP各向异性特性。

特定工艺情况对损伤影响，例如紧固件结构和搭接结构等等。

作用积分较高的雷电流波形。

 2.2 仿真研究 

雷电流的直接效应对复合材料的影响是电、热、力等几种效应综合作用的结果，为了在前期设计优化阶段，预测CFRP在遭受雷击过程中可能引起的各类损伤形式，国内外自2010年起针对CFRP雷击损伤数值仿真分析展开了众多研究。目前研究方向主要为以下几点。朔州防雷检测

2.2.1 热效应

CFRP复合材料的导电性能较差，无防护的CFRP结构遭受雷击时，注入飞机复合材料表面的雷电流很难在短时间内泄放，这将在复合材料表面产生巨大的焦耳热。

Ogasawara等[4]于2010年首次进行模拟CFRP复合材料雷击损伤过程的电-热耦合分析，考虑材料温度依赖特性、热分解、热应力、分层和电击穿等多种因素，以温度场作为判据预测CFRP雷击损伤，为后续的雷击损伤仿真模拟奠定基础。  晋中避雷检测

Muñoz等[7]、姚雪玲等[8]、付尚琛等[9]、王富生等[10]、张纪奎等[11]和丁宁等[12]均使用电-热耦合方法分析雷电流参数对于CFRP雷击损伤的影响。 

Abdelal等[13]在仿真中进一步模拟材料热分解和升华过程。郭云力的博士论文[14]建立电-热耦合并加入热解动力学模型评估雷击损伤，发现使用温度场评估CFRP材料雷击过程面内损伤时与试验结果的吻合度较高。

目前的研究结果表明，对碳纤维复合材料造成损伤的主要因素是雷电流焦耳热效应[8]。临汾防雷检测

2.2.2 力效应

雷电过程的力效应主要包括热应力、冲击波和电磁力。 

2.2.2.1 热应力

热应力起源于雷电的热效应。在CFRP复合材料的雷击过程中，雷击附着区域的高温必然使该区域产生严重的热膨胀，从而形成局部的热应力。董琪的博士论文[15]通过建立电热-热分解-力耦合模型，发现热应力主导复合材料雷击过程中的表层鼓包和分层损伤。董琪[15]认为CFRP复合材料在雷电载荷结束后的一定时间内仍保持高温，热解损伤区域会进一步扩大，使得大部分力学损伤区域被热解损伤区域覆盖。长治避雷检测

2.2.2.2 冲击波

冲击波是等离子体爆炸产生的高压气体冲击引起，由于碳纤维复合材料具有较高的刚度和强度，冲击波产生的损伤并不十分显著。Foster等[16]建立了未考虑雷击效应的冲击压力动力学模型，发现由冲击压力引起的损伤面积大约占实验测得损伤面积的1%,对雷击损伤的贡献很小。 阳泉防雷检测

2.2.3 电磁效应

雷电电磁环境会使载流CFRP结构产生电磁力，其本质为洛伦兹力。刘志强的博士论文[17]发现，电磁力引起的复合材料结构响应相对于复合材料力学性能十分微弱，不至于引起复合材料损伤。对远离雷电流附着区域的复合材料结构响应的影响很小，甚至可以忽略。 

2.2.4 电介质击穿

如果结构某处的电场强度值超过该处的击穿场强，则会发生电击穿现象，被击穿的非导电介质会变为导电通路中的一部分。Wang Y[18]认为在热学和力学分析之前应分析结构的电击穿性能，如果材料会发生击穿，则会即时形成贯穿式损伤，有可能改变雷电流传导路径。Wang Y[18]亦承认尚未在文献中搜集到此类损伤类型的分析研究。 晋城防雷检测

 2.3 小结 

综合国内外仿真研究结果，可得出以下结论：

电-热耦合是主流的CFRP雷击损伤研究方法。后续研究多以此为基础开展。

雷击损伤主要由热效应主导，热效应严重时会引发热烧蚀、热应力。

CFRP遭受雷击后的面内损伤主要由热效应造成，可以使用温度场作为判据。

CFRP遭受雷击后的厚度损伤较为复杂，包括烧蚀和分层等现象，由热效应和力效应共同造成，需要根据实际工况具体考虑。

冲击波和电磁力对于CFRP雷击损伤贡献较小。大同防雷检测

国内外的仿真研究主要集中于无防护CFRP结构的雷击损伤，而对于拥有防雷措施的CFRP雷击损伤仿真研究较少。

雷击损伤主要由电-热耦合效应主导，受雷电流分布的影响极大。带防雷措施的CFRP结构遭受雷击时，防雷措施会泄放掉绝大部分的雷电流，如图4。雷击的电热效应主要由防雷措施承受。此时研究重点应着眼于防雷措施的通流能力，同时应重新评估各类研究因素对于雷击损伤的影响。朔州避雷检测

铺设防雷金属网的CFRP仿真建模

铺设防雷金属网的CFRP结构注入200kA雷电流时的电流比例