BR102017025692B1 - Método para alteração de resistividade elétrica - Google Patents
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Abstract
elemento de aquecimento de alótropo de carbono, sistema de aquecimento, e, método. um elemento de aquecimento de alótropo de carbono inclui uma resistividade elétrica entre 0,005 ohms por quadrado (o/sq) e 3,0 o/sq. um sistema de aquecimento inclui um componente e um elemento de aquecimento de alótropo de carbono com uma resistividade elétrica entre 0,005 o/sq e 3,0 o/sq. um método inclui a modificação de um elemento de aquecimento de alótropo de carbono para ter uma resistividade elétrica entre 0,005 o/sq e 3,0 o/sq e a aplicação do elemento de aquecimento de alótropo de carbono a um componente de uma aeronave.
Description
[001] Nanotubos de carbono (CNTs) são alótropos de carbono com uma nanoestrutura geralmente cilíndrica. Eles têm propriedades incomuns que os tornam valiosos para muitas tecnologias diferentes. Por exemplo, alguns CNTs podem ter alta condutividade térmica e elétrica, tornando-os adequados para substituir elementos de aquecimento metálicos. Devido a sua massa muito mais leve, a substituição de CNTs por componentes de aquecimento metálicos pode reduzir significativamente o peso total de um componente de aquecimento. Isso faz com que o uso de CNTs seja de interesse particular para aplicações onde peso é crítico, tais como em tecnologias aeroespaciais e de aviação.
[002] Nanotubos de carbono estão comercialmente disponíveis em diversas formas diferentes; no entanto, esses CNTs comuns não são adequados para todas as aplicações de proteção de aeronaves contra gelo. Uma dessas formas é como CNT em fios. Os nanotubos de carbono em fios incluem feixes alinhados de CNTs com centenas de mícrons de diâmetro e milímetros de comprimento. Em um CNT em fios, os nanotubos de carbono são transformados em fibras longas e podem ser empilhados em conjunto ou esticados para prover o comprimento e as propriedades mecânicas desejados. No entanto, embora CNT em fios tenham sido usados em elementos de aquecimento, eles foram primeiramente incorporados em um filme de substrato. A incorporação do CNT em fios em um filme reduz em parte a flexibilidade que os CNTs proveem. Por exemplo, filmes de CNT tipicamente contêm vazios de ar que aumentam a resistividade elétrica (e reduzem a condutividade) do filme de CNT. Como resultado, CNT em fios incorporados em um filme podem não prover o nível de resistividade elétrica necessário para muitas aplicações de aquecimento aeroespaciais (por exemplo, antigelo e degelo). Assim, a formação de um filme com um CNT em fios comercialmente disponível não pode ser usada atualmente como um substituto de elementos de aquecimento metálicos.
[003] Outras formas incluem material em folha não tecido de nanotubos de carbono puros (CNT-NSM) e filmes termoplásticos preenchidos com CNT. Em um CNT-NSM, nanotubos de carbono são arranjados em conjunto para formar uma folha. Nenhum adesivo ou polímero é usado tipicamente para afixar os CNTs uns aos outros em um CNT-NSM. Ao invés disso, partículas de CNT são afixadas umas às outras através de forças de Van der Waals. Em um filme termoplástico preenchido com CNT, partículas individuais de CNT são distribuídas ao longo do filme. Infelizmente, esses materiais de CNT comercialmente disponíveis não oferecem resistividades elétricas imediatas que permitam seu uso em diferentes aplicações de proteção contra gelo. Por exemplo, a resistividade elétrica de filmes termoplásticos preenchidos com CNT comercialmente disponíveis está geralmente na faixa de 3 x 10-4 ohms-cm (Q-cm) ou mais e a condutividade elétrica de CNT- NSMs comuns comercialmente disponíveis geralmente está na faixa de 350400 S/cm ou menos. Esses níveis de resistividade elétrica não são adequados para muitas aplicações de aquecimento aeroespacial. Assim, filmes termoplásticos preenchidos com CNT e CNT-NSMs comercialmente disponíveis não podem ser usados atualmente como um substituto de elementos de aquecimento metálicos.
[004] Um elemento de aquecimento de alótropo de carbono inclui uma resistividade elétrica entre 0,005 ohms por quadrado (Q/sq) e 3,0 Q/sq.
[005] Um sistema de aquecimento inclui um componente e um elemento de aquecimento de alótropo de carbono com uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 3,0 Q/sq.
[006] Um método inclui a modificação de um elemento de aquecimento de alótropo de carbono para ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 3,0 Q/sq e a aplicação do elemento de aquecimento de alótropo de carbono a um componente de uma aeronave.
[007] A presente invenção provê elementos de aquecimento de alótropo de carbono com resistividades elétricas aceitáveis para uso em aplicações de proteção de aeronaves contra gelo. Elementos de aquecimento de alótropos de carbono com as resistividades elétricas divulgadas podem ser usados como substituições para elementos de aquecimento resistivos de liga metálica e outros aquecedores convencionais. Alótropos de carbono comercialmente disponíveis podem ser modificados pelos métodos descritos neste documento para possuir as resistividades elétricas divulgadas.
[008] Materiais de alótropo de carbono, tais como nanotubos de carbono (CNTs), podem ser usados como elementos de aquecimento para proteção de aeronaves contra gelo (por exemplo, antigelo e degelo). Materiais de alótropo de carbono comercialmente disponíveis geralmente incluem CNT em fios, folhas de CNT (CNT-NSMs) e filmes preenchidos com CNT. Esses materiais de alótropo de carbono tipicamente requerem uma ou mais modificações para torná-los adequados para a proteção de aeronaves contra gelo. Por exemplo, os materiais de alótropo de carbono devem ser afixados ou inseridos no componente de aeronave que receberá proteção contra gelo. Em alguns casos, isso pode ser feito simplesmente através da adesão dos materiais de alótropo de carbono ao componente, ou pode incluir a inserção de materiais de alótropo de carbono em uma ou mais camadas de um sistema laminado de compósito que está afixado ao componente.
[009] Outra modificação inclui a conexão dos materiais de alótropo de carbono a uma fonte de energia e outros elementos de aquecimento de forma que corrente elétrica possa ser passada através dos materiais de alótropo de carbono para gerar calor. O Pedido No. de Série15/368.255, o qual foi depositado em 2 de dezembro de 2016, intitulado "Method to Join Nano Technologies Heaters for Ice Protection"("Método para unir aquecedores de nanotecnologia para proteção contra gelo"), e incorporado neste documento por referência em sua totalidade, descreve formas de conectar eletricamente elementos de aquecimento de CNT.
[0010] Uma modificação adicional é o ajuste da resistividade elétrica dos materiais de alótropo de carbono de forma que eles sejam adequados para prover proteção contra gelo ao componente de aeronave desejado. Diferentes componentes de aeronave podem ter diferentes necessidades de proteção contra gelo. Por exemplo, devido a restrições de tamanho, pás de ventilador podem incluir somente elementos de aquecimento de CNT, enquanto uma asa pode incluir elementos de aquecimento de CNT adicionalmente a outros meios para prevenir e reduzir o acúmulo de gelo. Os elementos de aquecimento de CNT nas pás do ventilador terão resistividades elétricas para assegurar que acúmulo de gelo não ocorra em nenhum dos aerofólios. Enquanto isso, pode ser necessário que os elementos de aquecimento de CNT na asa provejam somente proteção contra gelo em uma zona em particular, enquanto outros sistemas proveem proteção contra gelo em geral. Uma vez que os elementos de aquecimento de CNT nesses componentes podem servir para diferentes fins, suas resistividades elétricas também podem diferir.
[0011] Diferentes tipos de aeronaves também podem ter tipos variados de fontes de energia disponíveis para a execução de sistemas de proteção contra gelo. Pequenas aeronaves e veículos aéreos não tripulados (UAVs) tipicamente usam energia de corrente contínua (DC) de 28 volts (V). Helicópteros frequentemente usam energia de corrente alternada (AC) de 115 V ou energia de DC de 270 V, e aeronaves comerciais com motores do tipo turbofan e turbopropulsores tipicamente usam energia de AC de 115 V, energia de AC de 230 V ou energia de DC de 208 V. Conceitos de Aeronave Mais Elétrica (More Electric Aircraft - MEA) também exploraram o uso de energia de DC de 270 V e de energia de DC de 540. A resistividade elétrica dos materiais de alótropo de carbono usada em elementos de aquecimento pode ser modificada de forma que eles sejam compatíveis com a fonte de energia existente em uma dada aeronave. Por exemplo, uma faixa adequada de resistividades elétricas para elementos de aquecimento de alótropos de carbono usada para a proteção de pás de rotor contra gelo em uma aeronave comercial está entre cerca de 0,01 ohms por quadrado (Q/sq) e cerca de 0,05 Q/sq. Uma faixa adequada de resistividade elétrica para elementos de aquecimento de alótropo de carbono usados para a proteção da asa contra gelo em uma aeronave comercial é de cerca de 0,05 Q/sq e cerca de 3,0 Q/sq. Uma faixa adequada de resistividade elétrica para elementos de aquecimento de alótropo de carbono usada para a proteção da hélice contra gelo em uma aeronave comercial está entre cerca de 0,06 Q/sq e cerca de 0,75 Q/sq. Uma faixa adequada de resistividade elétrica para elementos de aquecimento de alótropo de carbono usados em aeronaves pequenas (de passageiros) e UAVs está entre cerca de 0,005 Q/sq e cerca de 1,0 Q/sq.
[0012] A resistividade elétrica de alótropos de carbono pode ser modificada para acomodar essas faixas de acordo com inúmeras divulgações complementares. Por exemplo, o Pedido No. de Série15/___.___, o qual foi depositado em 8 de dezembro de 2016, intitulado "Pressurized Reduction of CNT Resistivity" ("Redução pressurizada de resistividade de CNT"), e incorporado neste documento por referência em sua totalidade, descreve métodos para reduzir a resistividade elétrica de CNT-NSMs. O Pedido No. de Série15/___.___, o qual foi depositado em 8 de dezembro de 2016, intitulado "Reducing CNT Resistivity by Aligning CNT Particles in Films" ("Reduzindo a resistividade de CNT através do alinhamento de partículas de CNT em filmes"), e incorporado neste documento por referência em sua totalidade, descreve métodos para reduzir a resistividade elétrica de filmes termoplásticos contendo CNTs. O Pedido No. de Série15/___.___, o qual foi depositado em 8 de dezembro de 2016, intitulado "Carbon Nanotube Yarn Heater" ("Aquecedor de nanotubo de carbono em fios"), e incorporado neste documento por referência em sua totalidade, descreve elementos de aquecimento contendo CNT em fios e métodos para fazer os mesmos. O Pedido No. de Série15/___.___, o qual foi depositado em 8 de dezembro de 2016, intitulado "Adjusting CNT Resistance Using Perforated CNT Sheets" ("Ajuste da resistência de CNT usando folhas de CNT perfuradas"), e incorporado neste documento por referência em sua totalidade, descreve elementos de aquecimento com regiões perfuradas e métodos para fazer os mesmos, onde as perfurações são usadas para entubar a resistividade elétrica dos elementos de aquecimento. O Pedido No. de Série15/368.271, o qual foi depositado em 2 de dezembro de 2016, intitulado "Method to Create Carbon Nanotube Heaters with Varying Resistance"("Método para criar aquecedores de nanotubos de carbono com resistência variável"), e incorporado neste documento por referência em sua totalidade, descreve métodos para fazer montagens de aquecedores de CNT com resistência elétrica variável com base em mudanças na espessura e/ou curvatura localizada do aquecedor. Um ou mais desses métodos podem ser usados para sintonizar a resistividade elétrica de um elemento de aquecimento de alótropo de carbono, de forma que ele corresponda à faixa necessária para a aeronave e o componente que ele deve proteger.
[0013] Embora a presente invenção se refira particularmente a nanotubos de carbono em algumas modalidades, teoriza-se que materiais contendo outros alótropos de carbono eletricamente condutores (por exemplo, grafeno, nanofitas de grafeno, etc.) se comportariam de forma semelhante. Modalidades que contêm outros alótropos de carbono adequados estão dentro do escopo da presente invenção.
[0014] As estruturas e os métodos divulgados neste documento proveem meios para a preparação de elementos de aquecimento de alótropos de carbono adequados para aplicações de proteção contra gelo em aeronaves.
[0015] São apresentadas a seguir as descrições não exclusivas de possíveis modalidades da presente invenção.
[0016] Um elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,005 ohms por quadrado (Q/sq) e 3,0 Q/sq.
[0017] O elemento de aquecimento do parágrafo anterior pode opcionalmente incluir adicionalmente e/ou alternativamente qualquer uma ou mais das seguintes características, configurações e/ou componentes adicionais:
[0018] O elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ser um alótropo de carbono comercialmente disponível.
[0019] O elemento de aquecimento pode conter um número e/ou tamanho reduzido de vazios de ar do que o alótropo de carbono comercialmente disponível.
[0020] O elemento de aquecimento pode incluir uma pluralidade de perfurações.
[0021] O elemento de aquecimento pode incluir nanotubos de carbono alinhados em um filme termoplástico.
[0022] Um sistema de aquecimento pode incluir um componente e um elemento de aquecimento de alótropo de carbono com uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 3,0 Q/sq.
[0023] O sistema de aquecimento do parágrafo anterior pode opcionalmente incluir adicionalmente e/ou alternativamente qualquer uma ou mais das seguintes características, configurações e/ou componentes adicionais:
[0024] O componente pode ser uma pá de rotor e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,01 Q/sq e 0,05 Q/sq.
[0025] O componente pode ser uma asa e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,05 Q/sq e 3,0 Q/sq.
[0026] O componente pode ser uma hélice e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,06 Q/sq e 0,75 Q/sq.
[0027] O componente pode estar localizado em uma aeronave de passageiros e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 1,0 Q/sq.
[0028] O componente pode estar localizado em um veículo aéreo não tripulado e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 1,0 Q/sq.
[0029] Um método pode incluir a modificação de um elemento de aquecimento de alótropo de carbono para ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 3,0 Q/sq e a aplicação do elemento de aquecimento de alótropo de carbono a um componente de uma aeronave.
[0030] O método do parágrafo anterior pode opcionalmente incluir adicionalmente e/ou alternativamente qualquer uma ou mais das seguintes características, configurações e/ou componentes adicionais:
[0031] O componente pode ser uma pá de rotor e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,01 Q/sq e 0,05 Q/sq.
[0032] O componente pode ser uma asa e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,05 Q/sq e 3,0 Q/sq.
[0033] O componente pode ser uma hélice e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,06 Q/sq e 0,75 Q/sq.
[0034] O componente pode estar localizado em uma aeronave de passageiros e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 1,0 Q/sq.
[0035] O componente pode estar localizado em um veículo aéreo não tripulado e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 1,0 Q/sq.
[0036] A etapa de modificar o elemento de aquecimento de alótropo de carbono pode ser selecionada dentre o grupo consistindo em reduzir um número e/ou tamanho de vazios de ar no elemento de aquecimento de alótropo de carbono, perfurar o elemento de aquecimento de alótropo de carbono, alinhar nanotubos de carbono no elemento de aquecimento de alótropo de carbono por joule de aquecimento do elemento de aquecimento de alótropo de carbono, ajustar uma espessura do elemento de aquecimento de alótropo de carbono e combinações dos mesmos.
[0037] Embora a invenção tenha sido descrita em referência a um ou mais exemplo(s) de modalidade(s), será compreendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material em particular aos ensinamentos da invenção sem se afastar de seu escopo essencial. Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitada à(s) modalidade(s) divulgada(s) em particular, mas que a invenção inclua todas as modalidades abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas.
Claims (7)
1. Método para alteração de resistividade elétrica, caracterizadopelo fato de que compreende: reduzir um número e/ou tamanho de vazios de ar em um elemento de aquecimento de alótropo de carbono para ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 3,0 Q/sq; e aplicar o elemento de aquecimento de alótropo de carbono a um componente de uma aeronave.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o componente é uma pá de rotor e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono tem uma resistividade elétrica entre 0,01 Q/sq e 0,05 Q/sq.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o componente é uma asa e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono tem uma resistividade elétrica entre 0,05 Q/sq e 3,0 Q/sq.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o componente é uma hélice e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono tem uma resistividade elétrica entre 0,06 Q/sq e 0,75 Q/sq.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o componente está localizado em uma aeronave de passageiros e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono tem uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 1,0 Q/sq.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o componente está localizado em um veículo aéreo não tripulado e o elemento de aquecimento de alótropo de carbono tem uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 1,0 Q/sq.
7. Método para alteração de resistividade elétrica, caracterizadopelo fato de que compreende: perfurar um elemento de aquecimento de alótropo de carbono para ter uma resistividade elétrica entre 0,005 Q/sq e 3,0 Q/sq; e aplicar o elemento de aquecimento de alótropo de carbono a um componente de uma aeronave.
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