近日，材料科学领域国际顶级期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》（中科院TOP一区，IF: 21.8）以“Multi-effects regulation of hybrid materials against strong electromagnetic damage”为标题在线发表了西北工业大学力学与交通运载工程学院王富生教授团队在复合材料雷电强电磁防护领域的最新研究成果（文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-026-01786-8）。

自然界中大量用于结构承载的绝缘材料具有较高的电阻率，在面对以雷电为代表的强电磁效应时容易损伤破坏。地面结构通常可借助功能装置实现雷电流的快速释放，但这对于空中飞行的航空交通运载结构是较难实现的。空气介质与结构材料的双重绝缘阻碍了雷电流的释放，这往往会导致灾难性的热损伤和机械损伤等，严重威胁飞行安全。

雷电防护的关键挑战在于使传统的承载结构能够调控和耗散极端电磁能量。现有的防护措施主要分为两类，即引入外部防护装置（如金属网、导电薄膜、分流条等）和通过纳米填料（如碳纳米管、石墨烯、导电树脂等）对材料进行改性。以往的研究表明，由导电添加剂或外部施加的电磁负载引起的电磁场变化与结构的承载性能之间存在复杂的动态关联。例如通过注入适当的脉冲电流可以改变材料/结构内的电磁环境，从而达到放大或抵消机械载荷的效果。雷击损伤源于强耦合的多物理场效应，其中的电、磁、热、力等物理场协同作用、相互影响。这促使研究人员关注人为调控与某些物理场效应之间的关系，并通过利用这些规律赋予材料/结构新的功能。

图1 主要雷电防护措施

该研究通过在传统的碳纤维增强/环氧树脂基复合材料（CFRP）中嵌入导电相（镍），将其转变为镀镍碳纤维增强/环氧树脂基复合材料（Ni-CFRP），结果发现能够用于调控雷电载荷效应。利用该特性成功实现了CFRP雷击损伤的抑制，同时改变了其在雷击作用下的力学特性。研究亮点及创新点体现在：

1. 揭示镍主导的细观雷击损伤抑制机制：结合扫描电子显微镜和X射线能谱等检测技术对复合材料雷击后的细观损伤模式与分布特征进行表征，明确了雷击过程中镍元素的迁移与富集规律；同时引入等效导电网络模型，将观测到的损伤特征与导电通路演化规律进行关联分析，从而揭示了镍主导的细观防护机制。

2. 揭示镍主导的宏观雷击多效应调控机制：通过建立雷击多物理场耦合模型，对雷电附着在复合材料结构上所引发的多种物理效应（如洛伦兹力、热应力、过压载荷等）进行量化表征和对比分析，揭示了通过镍的多效应调控实现损伤抑制的独特机制，为复合材料的雷电防护设计与性能优化提供了理论依据。

3. 量化镍的雷击损伤抑制及调控能力：通过在碳纤维表面镀镍，结构的雷击损伤面积降低了80.53%，损伤深度降低了51.24%；热应力诱导的结构最大位移降低了42.59%，过压诱导的结构最大位移降低了34.21%，洛伦兹力诱导的结构位移增大且方向相反，Ni-CFRP层合板表现出与CFRP层合板相反的法向位移。

工程实践中，在复合材料内掺入金属夹杂物常用于被动的电磁屏蔽性能增强。该研究确立了镍的多物理场效应调控潜力，使得Ni-CFRP有望成为一种具备电磁响应管理能力的防护材料，为未来研发具备抗极端电磁环境的飞行器材料、实现复合材料强电磁效应防护的材料-结构-功能一体化设计提供了新思路。

图2 Ni-CFRP雷击后扫描电镜结果和镍驱动下的多物理效应调控

该研究工作得到了国家重点研发计划课题（2023YFB3811301）、国家自然基金面上项目（52175147）等资助。西北工业大学力学与交通运载工程学院2023级博士研究生王少振为该文的第一作者，西北工业大学力学与交通运载工程学院王富生教授为该文的通讯作者，西北工业大学力学与交通运载工程学院黄晨光副教授、范志强副教授和黄涛副教授以及中国电子科技集团公司第三十三研究所王东红研究员、西安爱邦电磁有限责任公司熊秀正高级工程师、伦敦玛丽女王大学工程与材料科学学院刘涛博士为该文的共同作者。

（文字：王富生 图片：王少振 审核：巨维博）