雷電、閃電、雷擊，都是自然界中的一種巨大能量釋放的過程，它的能量既體現在超高電壓上，又體現在超高電流上，還體現在電壓電流的快速變化上。雷電的電壓最高可以達到億伏以上的能量等級，而電流峰值達到200kA以上的雷電可占發生總數的 1/50。  山西避雷塔

統計表明，一架固定航線的飛機，平均每年要遭到一次雷擊。一架軍用飛機，在其壽命周期內，平均要遭到兩次雷擊。迄今為止，已有很多架飛機遭受雷擊，并且造成了機毀人亡的事故，這些雷擊事故嚴重影響著航空航天的安全。

為了減輕飛機重量，飛機設計公司對復合材料(CFRP，玻璃纖維等等)的需求與日俱增。在大量使用復合材料的同時也增大了其不利的安全隱患，其中最大的一個原因是復合材料不具備良好的導電性，當遇到雷電的攻擊時，在機身通過的最高電流高達200kA，巨大的電流通過復合材料會引起燃燒并破壞復合材料結構使其破裂或分層，以致給飛機帶來災難性的危害，影響飛行安全。所以，在飛機防雷設計中需要在可能的雷擊附著點和雷電流出口點之間設計充分的雷電流通路，以雷電流通過飛機結構時，不會引起災難性損傷，這是飛機防雷保護的最基本原則。  山西避雷器

鋁材一直作為過去60年來的飛機和航天建設中所用材料的主要原料，因為復合材料電流傳導性是相對低的，對雷擊保護的常規方法是在復合材料上增加導電性材料(涂層、箔，延長箔,等鋁制材料)。金屬涂層的使用勢必會增加直升機整體重量。隨著構建更高效的飛機越來越大的需求，制造商正在設計出更多基于輕質復合材料的組件。目前的復合材料結構包括發動機艙，襟翼，翼尖，甚至直升機和風力渦輪機旋轉葉片。然而，復合材料并不是電的良導體。如果沒有適當的保護，他們很容易受到雷擊并造成嚴重損害。

目前將鋁和銅的微型電網材料納入到這些復合材料結構的表面，使得能夠快速消散組件的表面雷擊能量，以防止損害到微型電網下面的復合材料。精密微型金屬網格是復合材料飛機結構中的防雷擊保護的首選材料。全球大部分航空公司如波音、巴西航空工業公司等都會選擇精密微型金屬網格作為其防雷擊保護的首選材料。飛機制造商正迅速地意識到微型金屬網格材料的選擇對于提高飛機整體性能和防雷安全的優越性。運城防雷檢測

金屬微網結構

復合材料防雷微網分層結構

在計算機技術飛速發展的今天，電磁工程師廣泛地借助于計算機和軟件來進行設計和優化。大多數電磁問題雖然最終可歸結到求解某類強制邊界條件的偏微分方程（組），但是很少實際問題可以離開計算機得到解決。在過去的許多年里，電磁計算方法有了長足的發展，這主要得益于新的高效精確算法的不斷涌現和計算機硬件的快速發展。這門學科吸引了無數數學家、工程師、物理學家和計算機科學家們的注意力，促成了數學、物理與計算機等眾多學科的聯姻。計算電磁學已應用到高壓設計、浪涌電流分析、雷電分區分析、復合材料分層結構分析等領域。太原防雷公司

2.1 試驗研究 

無防護CFRP雷擊損傷試驗研究已開展多年，并取得豐富研究成果。

Hirano等[1]通過雷擊試驗發現復合材料的雷擊損傷模式主要有纖維斷裂、基體破壞和分層三種形式。Feraboli等[2]通過對含不銹鋼緊固件的CFRP樣件進行雷擊試驗，發現緊固件的存在會對試樣的損傷狀態產生顯著影響。Li等[3]通過超聲波掃描和電鏡等觀測手段研究CFRP鋪層方向和鋪層順序對雷擊損傷的影響，試驗結果表面損傷受鋪層方式影響較大。Hirano等[1]、Feraboli等[2]、Ogasawara等[4]發現CFRP雷擊損傷面積和雷電流作用積分線性相關度較高。

對于有防雷金屬網防護的CFRP的雷擊損傷，肖堯等[5]發現0.25mm厚銅網在試驗所加雷電流強度下位于1A區?2A區及1B區的含防護和無防護試件相比，雷擊損傷程度較后者分別下降88.9%?53.9%和68.7%。Kawakami和Feraboli[6]發現遭受雷擊后的金屬網，如經過良好修復，仍能達到較優的防護效果。呂梁避雷檢測

綜上，仿真研究過程中應重點考慮：

造成纖維斷裂、基體破壞和分層等主要損傷模式的物理因素。

CFRP各向異性特性。

特定工藝情況對損傷影響，例如緊固件結構和搭接結構等等。

作用積分較高的雷電流波形。

 2.2 仿真研究 

雷電流的直接效應對復合材料的影響是電、熱、力等幾種效應綜合作用的結果，為了在前期設計優化階段，預測CFRP在遭受雷擊過程中可能引起的各類損傷形式，國內外自2010年起針對CFRP雷擊損傷數值仿真分析展開了眾多研究。目前研究方向主要為以下幾點。朔州防雷檢測

2.2.1 熱效應

CFRP復合材料的導電性能較差，無防護的CFRP結構遭受雷擊時，注入飛機復合材料表面的雷電流很難在短時間內泄放，這將在復合材料表面產生巨大的焦耳熱。

Ogasawara等[4]于2010年首次進行模擬CFRP復合材料雷擊損傷過程的電-熱耦合分析，考慮材料溫度依賴特性、熱分解、熱應力、分層和電擊穿等多種因素，以溫度場作為判據預測CFRP雷擊損傷，為后續的雷擊損傷仿真模擬奠定基礎。  晉中避雷檢測

Mu?oz等[7]、姚雪玲等[8]、付尚琛等[9]、王富生等[10]、張紀奎等[11]和丁寧等[12]均使用電-熱耦合方法分析雷電流參數對于CFRP雷擊損傷的影響。 

Abdelal等[13]在仿真中進一步模擬材料熱分解和升華過程。郭云力的博士論文[14]建立電-熱耦合并加入熱解動力學模型評估雷擊損傷，發現使用溫度場評估CFRP材料雷擊過程面內損傷時與試驗結果的吻合度較高。

目前的研究結果表明，對碳纖維復合材料造成損傷的主要因素是雷電流焦耳熱效應[8]。臨汾防雷檢測

2.2.2 力效應

雷電過程的力效應主要包括熱應力、沖擊波和電磁力。 

2.2.2.1 熱應力

熱應力起源于雷電的熱效應。在CFRP復合材料的雷擊過程中，雷擊附著區域的高溫必然使該區域產生嚴重的熱膨脹，從而形成局部的熱應力。董琪的博士論文[15]通過建立電熱-熱分解-力耦合模型，發現熱應力主導復合材料雷擊過程中的表層鼓包和分層損傷。董琪[15]認為CFRP復合材料在雷電載荷結束后的一定時間內仍保持高溫，熱解損傷區域會進一步擴大，使得大部分力學損傷區域被熱解損傷區域覆蓋。長治避雷檢測

2.2.2.2 沖擊波

沖擊波是等離子體爆炸產生的高壓氣體沖擊引起，由于碳纖維復合材料具有較高的剛度和強度，沖擊波產生的損傷并不十分顯著。Foster等[16]建立了未考慮雷擊效應的沖擊壓力動力學模型，發現由沖擊壓力引起的損傷面積大約占實驗測得損傷面積的1%,對雷擊損傷的貢獻很小。 陽泉防雷檢測

2.2.3 電磁效應

雷電電磁環境會使載流CFRP結構產生電磁力，其本質為洛倫茲力。劉志強的博士論文[17]發現，電磁力引起的復合材料結構響應相對于復合材料力學性能十分微弱，不至于引起復合材料損傷。對遠離雷電流附著區域的復合材料結構響應的影響很小，甚至可以忽略。 

2.2.4 電介質擊穿

如果結構某處的電場強度值超過該處的擊穿場強，則會發生電擊穿現象，被擊穿的非導電介質會變為導電通路中的一部分。Wang Y[18]認為在熱學和力學分析之前應分析結構的電擊穿性能，如果材料會發生擊穿，則會即時形成貫穿式損傷，有可能改變雷電流傳導路徑。Wang Y[18]亦承認尚未在文獻中搜集到此類損傷類型的分析研究。 晉城防雷檢測

 2.3 小結 

綜合國內外仿真研究結果，可得出以下結論：

電-熱耦合是主流的CFRP雷擊損傷研究方法。后續研究多以此為基礎開展。

雷擊損傷主要由熱效應主導，熱效應嚴重時會引發熱燒蝕、熱應力。

CFRP遭受雷擊后的面內損傷主要由熱效應造成，可以使用溫度場作為判據。

CFRP遭受雷擊后的厚度損傷較為復雜，包括燒蝕和分層等現象，由熱效應和力效應共同造成，需要根據實際工況具體考慮。

沖擊波和電磁力對于CFRP雷擊損傷貢獻較小。大同防雷檢測

國內外的仿真研究主要集中于無防護CFRP結構的雷擊損傷，而對于擁有防雷措施的CFRP雷擊損傷仿真研究較少。

雷擊損傷主要由電-熱耦合效應主導，受雷電流分布的影響極大。帶防雷措施的CFRP結構遭受雷擊時，防雷措施會泄放掉絕大部分的雷電流，如圖4。雷擊的電熱效應主要由防雷措施承受。此時研究重點應著眼于防雷措施的通流能力，同時應重新評估各類研究因素對于雷擊損傷的影響。朔州避雷檢測

鋪設防雷金屬網的CFRP仿真建模

鋪設防雷金屬網的CFRP結構注入200kA雷電流時的電流比例