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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.18.009
摘 要：该文以复合材料电搭接问题实例为基础，分析搭接电阻数值超差原因，从导电通路、设计指标、标准件选择、工艺控制等方面提出降低搭接电阻的方法，提出对于开敞性较差区域的搭接电阻测量方法和后续提高电搭接阻值稳定性的建议。
关键词：复合材料 电搭接 测试
中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（c）-0009-02
Composite Electrical Bonding Problem Discussion
Chen Wen
（Shanghai Aircraft Design and Research Insitute，Shanghai，201210，China）
Abstract： A problem of electrical bonding in composite is discussed and analyzed， several methods to decrease the bonding resistance is given. Methods of electrical bonding in narrow space are given. Some suggestions on stability of bonding resistance are given.
Key Words： Composite； Electrical Bonding； Testing
随着玻璃纤维和碳纤维复合材料在民航飞机中的广泛使用，复合材料的搭接电阻成为一个越来越重要的问题，正确恰当的电搭接对于保证民航飞机的飞行安全正变得越来越重要。对复合材料进行电搭接，需要复合材料外表面导电，目前常用的方法是在复合材料表面喷涂金属铝层或在复合材料表面铺铜网，前者由于涂层质量轻且导电性优良，应用更为广泛。根据电搭接的定义，电搭接是需要将电传导至主结构上，因此搭接路线和搭接测试方法尤为重要。该文将对某喷铝的复合材料搭接测试方法做一些探讨。
1 电搭接通路
该复合材料零件由玻璃纤维面板和蜂窝芯组成的蜂窝夹层结构加上外表面喷涂铝涂层，当其装配至机身结构后设计的电搭接通路如图1所示。从图1中可以看出，设计电搭接的搭接通路有两条。
通路1：从喷铝层传至压窝垫圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11、托板螺母MS21059L3及支架本体。
通路2：从喷铝层传至压窝垫圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11和支架本体。
2 问题描述
在安装该零件到组件上进行电搭接电阻测量时发现以下问题。
（1）喷铝层至支架的电阻值为20～70 mΩ。
（2）此零件电搭接有4处，最终将形成封闭区域，因此在测量最后一处搭接电阻时测量表笔无法放置到支架上，没有测量通路。
通过检查相关工程文件要求后发现如下问题。
（1）该处的搭接电阻值应不大于10 mΩ[1]。
（2）工程文件中未规定开敞性不好区域的测量方法。
3 原因分析及测量方法改进
搭接电阻值超过设计要求，原因可能有两个，设计原因和制造原因。上述第一章节中已经分析其电搭接通路，可见电搭接通路是完整的，从电搭接通路的设计上来说没有问题，那么造成测试搭接电阻偏大的原因是什么？经过仔细分析发现：虽然电搭接通路是完整的，但忽视了一个细节设计，即搭接通路上的标准件是否选择合理？生产过程中的实现过程是否有漏洞？通过仔细从设计及工艺方面分析，发现造成该电搭接电阻值过大原因有如下几种。
（1）压窝垫圈的材质选用。
现有图纸所选垫圈为NAS1169C10，其材料为耐蚀钢。查询该压窝垫圈规范，如图2所示。经过查看该压窝垫圈可选材质中包括铝合金、钢和钛合金，从导电性上看，铝合金>钢>钛合金，铝合金密度仅为钢的1/3，因此从导电性要求和减轻重量角度来看，应该优选铝合金材质垫圈。该压窝垫圈有两种铝合金垫圈，D为5052-O垫圈，DD为2024-T42包铝垫圈，强度前者远低于后者，但前者使用的表面处理为化学转化膜，而后者使用的表面处理则为铬酸阳极化处理，根据表面处理经验，考虑到喷铝层表面并不光滑，如果垫圈材质较硬，则垫圈与喷铝层的有效接触面积较小，导致接触电阻增大；如果垫圈材质较软，则垫圈与喷铝层的有效接触面积可因较软材料填充间隙而增大，导致接触电阻减小，因此建议选用NAS1169D10作为垫圈较为合适。
（2）电搭接通路标准件选用。
通路1中目前选用的托板螺母为MS21059-L3，查看MS21059图纸：表面处理为镀镉和干膜润滑，镀镉的主要目的是电化学防腐蚀，干膜润滑的主要目的是便于安装。查询MS21059对应的采购规范NASM25027，其中规定：干膜润滑剂符合AS5272，I型标准。AS5272材料要求明确规定：符合AS5272规范的干膜润滑材料中无石墨、无粉末状金属等物质（这些物质导电性好），故托板螺母不导电，测量结果已经证实。但该托板螺母与支架连接部位的支架区域已经打磨出金属基体表面，如果托板螺母不导电，则该电搭接面没有起到电搭接作用，故该托板螺母必须导电。查询MS21059发现，该托板螺母还有一种无干膜润滑的构型，对同尺寸的该牌号托板螺母进行测量，结果表明：该托板螺母导电性良好，其电阻值为0.3 mΩ，两种托板螺母外观如图3所示。因此从增加导电性，降低搭接电阻方面考虑，应将该托板螺母从现有的MS21059-L3换成MS21059-3。
通路2中螺栓与支架孔为间隙配合（螺栓NAS1203-11的光杆直径为4.79～4.81 mm，支架上螺栓孔径为5.06～5.13 mm），因此该通路导电功能的实现靠螺栓与孔壁的接触来实现，而这种接触具有随机性，且无法保证稳定的接触面积，故接触电阻值波动较大，因此该通路不应当作为主要电搭接通路使用，只能作为辅助导电通路。 （3）电搭接工艺。
在使用电搭接相关标准件前，应对标准件中需要搭接的表面进行清洗，以保证标准件的搭接面是洁净表面，增大有效接触面积，降低搭接电阻。对于此处的电搭接，应该在安装托板螺母时，对该托板螺母的搭接表面采用异丙醇或丙酮进行清洗。
从上述3方面进行改进后，可以有效降低电搭接电阻值，但是仍然无法解决封闭区间无法测量的问题。笔者认为可以将该电搭接电阻分为以下3部分进行测量。
（1）托板螺母与螺栓的搭接电阻。
（2）托板螺母与支架的搭接电阻。
（3）螺栓与喷铝层之间的搭接电阻（通过压窝垫圈传递）。
因为螺栓与托板螺母之间是通过螺纹连接的，螺纹连接的接触面积是一定的，所以搭接电阻（1）是一定的，而托板螺母与支架的搭接电阻（2）是可以在安装前测量，螺栓与喷铝层之间的搭接电阻（3）可以在安装螺栓后进行测量，最后总的搭接电阻为上述3部分电阻加起来的总值。
4 结语
复合材料电搭接对于保证民航飞机飞行安全十分重要，因此必须从设计与工艺两方面保证电搭接阻值符合规范要求。对于该文中涉及的“表面喷铝层+压窝垫圈+螺栓+支架”搭接组合方式建立主要电搭接通路建议如下。
（1）压窝垫片应尽可能选择与喷铝层/铜网相近且电化学电位比较接近的金属垫圈，如果复合材料上是喷铝层，应尽量选择铝合金材质的压窝垫圈，当存在两种及以上铝合金压窝垫圈时，应优先考虑表面处理为化学转化膜，硬度较低的铝合金垫圈。
（2）在选择与支架等结构搭接面相连接的螺母类标准件时，在保证耐腐蚀设计要求的情况下，应优先选用导电性能较好的螺母类标准件。
（3）在做好结构件搭接面处理的同时，对于搭接标准件，尤其是搭接标准件的搭接面，在装配时应先做好清洗工作，不能认为新的标准件无须清洗，尽量增大有效搭接面积，降低搭接电阻。
（4）对开敞性较差区域的搭接电阻测量，可在已知某部分搭接电阻很小的情况下，分段测量其搭接电阻，间接得到总的搭接电阻值。
复合材料电搭接是一项复杂的工作，除在通路设计和工艺上采取措施尽量降低搭接电阻值外，还需要对典型搭接情况进行具有统计意义的试验，搜集不同工人进行电搭接操作时的差异信息，保证复合材料电搭接的工艺稳定性。
参考文献
[1] ARP1870A，Aerospace Systems Electrical Bonding and Grounding for Electromagnetic Compatibility and Safety [S].SAE COMMITTEE AE-4， ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY COMMITTEE，2012.
[2] MIL-STD-464， Electromangnetic Enviroment Effects Requirement for Systems [Z].1997.
摘 要：该文以复合材料电搭接问题实例为基础，分析搭接电阻数值超差原因，从导电通路、设计指标、标准件选择、工艺控制等方面提出降低搭接电阻的方法，提出对于开敞性较差区域的搭接电阻测量方法和后续提高电搭接阻值稳定性的建议。
关键词：复合材料 电搭接 测试
中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（c）-0009-02
Composite Electrical Bonding Problem Discussion
Chen Wen
（Shanghai Aircraft Design and Research Insitute，Shanghai，201210，China）
Abstract： A problem of electrical bonding in composite is discussed and analyzed， several methods to decrease the bonding resistance is given. Methods of electrical bonding in narrow space are given. Some suggestions on stability of bonding resistance are given.
Key Words： Composite； Electrical Bonding； Testing
随着玻璃纤维和碳纤维复合材料在民航飞机中的广泛使用，复合材料的搭接电阻成为一个越来越重要的问题，正确恰当的电搭接对于保证民航飞机的飞行安全正变得越来越重要。对复合材料进行电搭接，需要复合材料外表面导电，目前常用的方法是在复合材料表面喷涂金属铝层或在复合材料表面铺铜网，前者由于涂层质量轻且导电性优良，应用更为广泛。根据电搭接的定义，电搭接是需要将电传导至主结构上，因此搭接路线和搭接测试方法尤为重要。该文将对某喷铝的复合材料搭接测试方法做一些探讨。
1 电搭接通路
该复合材料零件由玻璃纤维面板和蜂窝芯组成的蜂窝夹层结构加上外表面喷涂铝涂层，当其装配至机身结构后设计的电搭接通路如图1所示。从图1中可以看出，设计电搭接的搭接通路有两条。
通路1：从喷铝层传至压窝垫圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11、托板螺母MS21059L3及支架本体。
通路2：从喷铝层传至压窝垫圈NAS1169C10、螺栓NAS1203-11和支架本体。
2 问题描述
在安装该零件到组件上进行电搭接电阻测量时发现以下问题。
（1）喷铝层至支架的电阻值为20～70 mΩ。
（2）此零件电搭接有4处，最终将形成封闭区域，因此在测量最后一处搭接电阻时测量表笔无法放置到支架上，没有测量通路。
通过检查相关工程文件要求后发现如下问题。
（1）该处的搭接电阻值应不大于10 mΩ[1]。
（2）工程文件中未规定开敞性不好区域的测量方法。
3 原因分析及测量方法改进
搭接电阻值超过设计要求，原因可能有两个，设计原因和制造原因。上述第一章节中已经分析其电搭接通路，可见电搭接通路是完整的，从电搭接通路的设计上来说没有问题，那么造成测试搭接电阻偏大的原因是什么？经过仔细分析发现：虽然电搭接通路是完整的，但忽视了一个细节设计，即搭接通路上的标准件是否选择合理？生产过程中的实现过程是否有漏洞？通过仔细从设计及工艺方面分析，发现造成该电搭接电阻值过大原因有如下几种。
（1）压窝垫圈的材质选用。
现有图纸所选垫圈为NAS1169C10，其材料为耐蚀钢。查询该压窝垫圈规范，如图2所示。经过查看该压窝垫圈可选材质中包括铝合金、钢和钛合金，从导电性上看，铝合金>钢>钛合金，铝合金密度仅为钢的1/3，因此从导电性要求和减轻重量角度来看，应该优选铝合金材质垫圈。该压窝垫圈有两种铝合金垫圈，D为5052-O垫圈，DD为2024-T42包铝垫圈，强度前者远低于后者，但前者使用的表面处理为化学转化膜，而后者使用的表面处理则为铬酸阳极化处理，根据表面处理经验，考虑到喷铝层表面并不光滑，如果垫圈材质较硬，则垫圈与喷铝层的有效接触面积较小，导致接触电阻增大；如果垫圈材质较软，则垫圈与喷铝层的有效接触面积可因较软材料填充间隙而增大，导致接触电阻减小，因此建议选用NAS1169D10作为垫圈较为合适。
（2）电搭接通路标准件选用。
通路1中目前选用的托板螺母为MS21059-L3，查看MS21059图纸：表面处理为镀镉和干膜润滑，镀镉的主要目的是电化学防腐蚀，干膜润滑的主要目的是便于安装。查询MS21059对应的采购规范NASM25027，其中规定：干膜润滑剂符合AS5272，I型标准。AS5272材料要求明确规定：符合AS5272规范的干膜润滑材料中无石墨、无粉末状金属等物质（这些物质导电性好），故托板螺母不导电，测量结果已经证实。但该托板螺母与支架连接部位的支架区域已经打磨出金属基体表面，如果托板螺母不导电，则该电搭接面没有起到电搭接作用，故该托板螺母必须导电。查询MS21059发现，该托板螺母还有一种无干膜润滑的构型，对同尺寸的该牌号托板螺母进行测量，结果表明：该托板螺母导电性良好，其电阻值为0.3 mΩ，两种托板螺母外观如图3所示。因此从增加导电性，降低搭接电阻方面考虑，应将该托板螺母从现有的MS21059-L3换成MS21059-3。
通路2中螺栓与支架孔为间隙配合（螺栓NAS1203-11的光杆直径为4.79～4.81 mm，支架上螺栓孔径为5.06～5.13 mm），因此该通路导电功能的实现靠螺栓与孔壁的接触来实现，而这种接触具有随机性，且无法保证稳定的接触面积，故接触电阻值波动较大，因此该通路不应当作为主要电搭接通路使用，只能作为辅助导电通路。 （3）电搭接工艺。
在使用电搭接相关标准件前，应对标准件中需要搭接的表面进行清洗，以保证标准件的搭接面是洁净表面，增大有效接触面积，降低搭接电阻。对于此处的电搭接，应该在安装托板螺母时，对该托板螺母的搭接表面采用异丙醇或丙酮进行清洗。
从上述3方面进行改进后，可以有效降低电搭接电阻值，但是仍然无法解决封闭区间无法测量的问题。笔者认为可以将该电搭接电阻分为以下3部分进行测量。
（1）托板螺母与螺栓的搭接电阻。
（2）托板螺母与支架的搭接电阻。
（3）螺栓与喷铝层之间的搭接电阻（通过压窝垫圈传递）。
因为螺栓与托板螺母之间是通过螺纹连接的，螺纹连接的接触面积是一定的，所以搭接电阻（1）是一定的，而托板螺母与支架的搭接电阻（2）是可以在安装前测量，螺栓与喷铝层之间的搭接电阻（3）可以在安装螺栓后进行测量，最后总的搭接电阻为上述3部分电阻加起来的总值。
4 结语
复合材料电搭接对于保证民航飞机飞行安全十分重要，因此必须从设计与工艺两方面保证电搭接阻值符合规范要求。对于该文中涉及的“表面喷铝层+压窝垫圈+螺栓+支架”搭接组合方式建立主要电搭接通路建议如下。
（1）压窝垫片应尽可能选择与喷铝层/铜网相近且电化学电位比较接近的金属垫圈，如果复合材料上是喷铝层，应尽量选择铝合金材质的压窝垫圈，当存在两种及以上铝合金压窝垫圈时，应优先考虑表面处理为化学转化膜，硬度较低的铝合金垫圈。
（2）在选择与支架等结构搭接面相连接的螺母类标准件时，在保证耐腐蚀设计要求的情况下，应优先选用导电性能较好的螺母类标准件。
（3）在做好结构件搭接面处理的同时，对于搭接标准件，尤其是搭接标准件的搭接面，在装配时应先做好清洗工作，不能认为新的标准件无须清洗，尽量增大有效搭接面积，降低搭接电阻。
（4）对开敞性较差区域的搭接电阻测量，可在已知某部分搭接电阻很小的情况下，分段测量其搭接电阻，间接得到总的搭接电阻值。
复合材料电搭接是一项复杂的工作，除在通路设计和工艺上采取措施尽量降低搭接电阻值外，还需要对典型搭接情况进行具有统计意义的试验，搜集不同工人进行电搭接操作时的差异信息，保证复合材料电搭接的工艺稳定性。
参考文献
[1] ARP1870A，Aerospace Systems Electrical Bonding and Grounding for Electromagnetic Compatibility and Safety [S].SAE COMMITTEE AE-4， ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY COMMITTEE，2012.
[2] MIL-STD-464， Electromangnetic Enviroment Effects Requirement for Systems [Z].1997.