BR102018009336B1 - Sistema de proteção contra gelo, e, método para fabricação de um sistema de proteção contra gelo eletrotérmico - Google Patents

Sistema de proteção contra gelo, e, método para fabricação de um sistema de proteção contra gelo eletrotérmico Download PDF

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Abstract

folhas plásticas pré-fabricadas, flexíveis e termicamente estáveis são carregadas com aditivos de carbono, tais como nanotubos de carbono (cnts), grafeno, nanofibras de carbono, pós de grafite ou outros alótropos de carbono para ajustar a resistividade das folhas conforme desejado para proteção contra gelo. essas folhas são tanto conformáveis às superfícies desejadas quanto evitam problemas de migração de detritos de carbono em aquecedores de cnt tradicionais.

Description

ANTECEDENTES
[001] Uma aeronave que se move através do ar é frequentemente submetida a formação de gelo, e os dispositivos anti-gelo ou de degelo devem ser usados para remover ou evitar que o gelo se acumule nas superfícies exteriores da aeronave. Vários tipos de sistemas de proteção contra gelo foram desenvolvidos para proteger as aeronaves dos efeitos perigosos da crosta de gelo. Os sistemas de degelo eletrotérmicos usam tipicamente aquecedores de resistores de metal para fundir o gelo pela conversão de energia elétrica em energia térmica.
[002] Materiais de nanotubos de carbono (CNT) foram propostos como uma alternativa aos elementos de aquecimento de fio metálico ou folha em sistemas de proteção contra gelo. Os CNTs são alótropos de carbono com uma nanoestrutura em geral cilíndrica. Eles têm propriedades incomuns que os tornam valiosos para muitas tecnologias diferentes. Por exemplo, alguns elementos de aquecimento de CNT podem ter alta condutividade térmica e elétrica, tornando-os adequados para substituir elementos de aquecimento de metais. Devido à sua massa muito mais leve, substituir componentes de aquecimento de metais por CNTs pode reduzir o peso total de um componente de aquecimento significativamente. Além disso, os aquecedores de CNT têm massa térmica baixa, portanto, têm potencial para aquecer e esfriar rapidamente e economizar energia de pico. Isso torna o uso de CNTs de particular interesse para aplicações de degelo eletrotérmico aeroespacial.
[003] No entanto, os elementos de aquecimento de tecido à base de carbono para proteção contra gelo são sujeitos a migração de detritos de carbono através do elemento de aquecimento durante a fabricação do aquecedor. O aquecedor resultante pode apresentar curto circuito ou estar suscetível à degradação dielétrica devido à migração de partículas de CNT.
SUMÁRIO
[004] Um artigo de proteção contra gelo eletrotérmico inclui uma folha termoplástica estável termicamente contendo um aditivo de alótropo de carbono.
[005] Um método para fazer um sistema de proteção contra gelo eletrotérmico inclui criar uma mistura de polímero e aditivo de carbono, formar uma folha termoplástica a partir da mistura de polímero e aditivo de carbono e pós-tratar a mistura de polímero e aditivo de carbono.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[006] A Figura 1 é uma vista esquemática de um elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico carregado com aditivo de carbono.
[007] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de proteção contra gelo com elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico carregado com aditivo de carbono.
[008] A Figura 3 é um fluxograma que descreve um método para fabricação de um sistema de proteção contra gelo eletrotérmico carregado com aditivo de carbono.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[009] Os elementos de aquecimento de tecido à base de carbono para proteção contra gelo podem conter nanotubos de carbono, fibras de grafite, nanofibras de grafite ou grafeno. Estes tecidos podem ser preparados como tecidos pré-impregnados com polímeros termoendurecíveis, como resinas epóxi. Alternativamente, estes tecidos podem ser acoplados com adesivos de filmes termoendurecíveis para permitir múltiplas dobras ou fixações a películas metálicas. Esses elementos de aquecimento de tecidos de CNT podem formar conjuntos anti-gelo ou de degelo. Em um determinado elemento de aquecimento de camada compósita à base de fibra de carbono, os detritos de carbono têm uma tendência a migrar entre as dobras, por exemplo, entre camadas de um elemento de aquecimento e películas de perfil aerodinâmico, ou entre elementos de aquecimento, causando curto-circuito elétrico. Eles são adicionalmente suscetíveis a degradação dielétrica. Se esses tecidos à base de carbono são pré-curados como uma camada pré-impregnada antes de serem curados com outras dobras e camadas, o elemento de aquecimento de CNT geralmente tem uma falta de conformabilidade para superfícies de degelo. Além disso, os tecidos à base de carbono não podem ser adaptados à resistividade específica, uma vez curados.
[0010] A presente divulgação se refere ao uso de folhas termoplásticas estáveis termicamente contendo alótropos de carbono para elementos de aquecimento. Esta construção da folha evita a migração de detritos de carbono através de camadas dentro da estrutura de um sistema de proteção contra gelo compósito. A Figura 1 é uma vista esquemática de um elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico carregado com aditivo de carbono. O elemento de aquecimento 10 inclui o termoplástico 12 e os aditivos de carbono 14.
[0011] O termoplástico 12 é um plástico estável termicamente, como um poli-éter-éter-cetona (PEEK), poliéter imida (PEI), polietileno (PE), poliéter sulfona (PES), ácido poliláctico (PLA), Nylon®, naftalato de polietileno (PEN), polibenzimidazol (PBI), poli-imida (PI), poli(metacrilato de metila) (PMMA), ou combinações dos mesmos. O termoplástico 12 deve ser estável termicamente.
[0012] Os aditivos de carbono 14 podem ser nanotubos de carbono, grafeno, nanofibras de carbono, pó de grafite, nanofitas de grafeno ou outro material eletricamente condutivo adequado para elementos de aquecimento à base de carbono. Os aditivos de carbono 14 podem ser partículas soltas adicionadas ao termoplástico 12, ou podem ser um tecido de carbono ao qual o termoplástico 12 é aplicado.
[0013] O elemento de aquecimento resultante 10 é usado para proteção contra gelo. Devido à sua natureza termoplástica, o elemento de aquecimento 10 pode ser aplicado às superfícies com formatos variáveis, como perfil aerodinâmico, componentes de nacela e outras áreas de uma aeronave que necessite de proteção contra gelo. O elemento de aquecimento 10, quando usado como uma dobra em um elemento de aquecimento compósito, ou combinado com múltiplas camadas de elementos de aquecimento à base de carbono, limita a migração de detritos de carbono. A quantidade de aditivos de carbono adicionados ao elemento de aquecimento 10 e a quantidade de elementos de aquecimento de CNT e um conjunto podem ser prontamente variadas para alterar a resistividade ou a resistividade da folha. O termoplástico 12 mantém aditivos de carbono 14 no lugar, sejam os aditivos de carbono 14 tecidos, não tecidos, ou distribuído de modo aleatório. O elemento de aquecimento resultante pode ter resistividade de folha elétrica entre 0,005 ohms por quadrado (Q/sq) e 10 ohms por quadrado (Q/sq), de preferência entre 0,02 ohms por quadrado (Q/sq) e 3,0 Q/sq.
[0014] Finalmente, o manuseio do elemento de aquecimento 10 é atmosfericamente mais seguro para um usuário final que aplica o elemento de aquecimento 10 com uma finalidade de proteção contra gelo. Uma pessoa aplica o elemento de aquecimento 10 a uma superfície não está trabalhando diretamente com nanotubos de carbono, fibras de carbono ou outros aditivos de carbono como ele seria com tecidos de carbono usados em sistemas de aquecimento prévios. Em vez disso, um manuseador está trabalhando com uma folha ou tira de termoplástica. Assim, o manuseio do elemento de aquecimento 10 é mais seguro.
[0015] A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de proteção contra gelo 16 com um elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico carregado com aditivo de carbono. O sistema 16 inclui camadas de fibra de vidro 18, camadas adesivas de filme 20, elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico carregado com aditivo de carbono 22 e camada de película 24. O elemento de aquecimento 22 é similar ao elemento de aquecimento 10 da Figura 1 em sua composição. O elemento de aquecimento 10 é suportado por camadas de fibra de vidro 18 e a camada de película 24, que são aderidas ao elemento de aquecimento 22 pela camada de adesivo de filme 20. A camada de película 24 pode ser uma película metálica ou um compósito (como um compósito de fibra de vidro ou fibra de carbono) adequado para proteção contra gelo.
[0016] O elemento de aquecimento 22 é um aquecedor de carbono termoplástico e está sendo usado no sistema 16 como a subestrutura de um perfil aerodinâmico. O coeficiente de expansão térmica (CTE) do elemento de aquecimento 22 é compatível com outras camadas 18 e 24 para evitar a deslaminação sob ciclos térmicos, particularmente entre -55 e 85 graus Celsius. Além disso, o sistema 16 tem uma resistência ao cisalhamento de ao menos 1500 PSI e suficiente resistência ao ataque de aves e granizo.
[0017] A modalidade na Figura 2 é representativa de um esquema de conjunto de proteção contra gelo. Em outra modalidade, a fibra de vidro 18 pode ser substituída por, por exemplo, filmes dielétricos ou outros materiais pré-impregnados. Além disso, o número de camadas de fibra de vidro 18 pode ser aumentado ou diminuído com base nas necessidades de proteção contra gelo. Em algumas modalidades, as camadas adesivas de filme 20 não são necessárias porque as camadas pré-impregnadas são suficientemente adesivas ou se a aplicação de proteção contra gelo requer requisitos de ligação menos rigorosos. Dessa forma, o sistema de proteção contra gelo 16 pode ser alterado dependendo das necessidades de proteção contra gelo.
[0018] A Figura 3 é um fluxograma que descreve o método 30 para fabricação de um elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico carregado com aditivo de carbono. No método 30, uma mistura de carbono-polímero é feita na etapa 32, uma folha de carbono-polímero é formada na etapa 34 e a folha é pós-tratada na etapa 36.
[0019] Primeiro, na etapa 32, uma mistura de carbono-polímero é feita. A mistura contém um polímero, como uma poli-éter-éter-cetona (PEEK), poliéter imida (PEI), polietileno (PE), poliéter sulfona (PES), ácido poliláctico (PLA), Nylon®, naftalato de polietileno (PEN), polibenzimidazol (PBI), poli-imida (PI), poli(metacrilato de metila) (PMMA), ou combinações dos mesmos.
[0020] Um aditivo de carbono é integrado no polímero por métodos padrões, como por dissolução de uma resina de polímero básico e mistura em um alótropo de carbono. Alternativamente, um processo de composição de plástico tradicional, como extrusão ou mistura interna, pode ser usado. Os aditivos de carbono apropriados incluem, por exemplo, nanotubos de carbono, grafeno, nanofibras de carbono, pó de grafite, nanofitas de grafeno ou outro material eletricamente condutivo adequado para elementos de aquecimento à base de carbono.
[0021] Na etapa 34, uma folha é formada a partir da mistura carbono- polímero. Se um método como a dissolução de um polímero básico e a mistura com um alótropo de carbono for usado, a mistura pode ser formada em uma folha e o solvente restante pode ser removido. Se os processos de composição de plástico tradicionais forem usados, então uma folha pode ser criada a partir de um processo de extrusão de filme expandido ou moldado. Alternativamente, o polímero pode ser aplicado a uma folha de fibra de carbono tecido ou não-tecido. Além disso, o elemento de aquecimento 10 pode ser criado como um formato tridimensional em vez de uma folha por moldagem, permitindo adaptar a grandes faixas de resistividade elétrica.
[0022] Na etapa 36, a folha pode ser adaptada nos processos de pós- tratamento conforme desejado. O polímero carregado com aditivo de carbono resultante pode ter uma espessura entre 0,001 polegadas e cerca de 0,010 polegadas, dependendo de uma superfície à qual será aplicado para proteção contra gelo.
[0023] A folha de polímero carregada com aditivo de carbono resultante é leve, eletricamente condutiva e não causa problemas de migração de fibra de carbono quando usada em camadas compósitas e sua resistividade pode ser prontamente adaptada pelo carregamento de aditivos de carbono.
DISCUSSÃO SOBRE POSSÍVEIS MODALIDADES
[0024] As descrições a seguir são não exclusivas de possíveis modalidades da presente invenção.
[0025] Um artigo de proteção contra gelo eletrotérmico inclui uma folha termoplástica estável termicamente contendo um aditivo de alótropo de carbono.
[0026] O artigo do parágrafo anterior pode opcionalmente incluir, adicionalmente e/ou alternativamente, qualquer um ou mais dos recursos apresentados a seguir, configurações e/ou componentes adicionais:
[0027] A folha termoplástica estável termicamente é feita de um material selecionado do grupo consistindo em poli éter-éter-cetona, poliéter imida, polietilenos, poliéter sulfonas, ácido poliláctico, nylon, naftalato de polietileno, polibenzimidazol, poli-imidas, poli(metacrilato de metila) e combinações dos mesmos.
[0028] O aditivo de alótropo de carbono é selecionado do grupo que consiste em nanotubos de carbono, grafeno, nanofibras de carbono, pó de grafite e nanofitas de grafeno.
[0029] O artigo tem uma espessura uniforme entre 0,0005 polegadas e cerca de 0,010 polegadas.
[0030] O artigo tem uma espessura uniforme entre 0,001 polegadas e 0,003 polegadas.
[0031] O artigo tem uma espessura variável.
[0032] O artigo tem uma resistividade de folha elétrica entre 0,005 ohms por quadrado e 10,0 ohms por quadrado.
[0033] O artigo tem uma resistividade de folha elétrica entre 0,02 ohms por quadrado e 3,0 ohms por quadrado.
[0034] O artigo tem uma primeira resistividade elétrica em uma primeira porção do artigo e uma segunda resistividade elétrica em uma segunda porção dos artigos; e em que a primeira resistividade e a segunda resistividade diferem.
[0035] Um método para fazer um sistema de proteção contra gelo eletrotérmico inclui criar uma mistura de polímero e aditivo de carbono, formar uma folha a partir da mistura de polímero e aditivo de carbono e pós- tratar a mistura de polímero e aditivo de carbono.
[0036] O método do parágrafo anterior pode opcionalmente incluir, adicionalmente e/ou alternativamente, qualquer um ou mais dos recursos apresentados a seguir, configurações e/ou componentes adicionais:
[0037] Criação de uma mistura de polímero e aditivo de carbono que compreende dissolver uma resina de polímero básico e a mistura do aditivo de carbono na resina de polímero básico.
[0038] Criação de uma mistura de polímero e aditivo de carbono que compreende a mistura de uma resina de polímero e o aditivo de carbono em um processo de composição de plástico.
[0039] O processo de composição plástica compreende aquecer a resina de polímero para permitir a incorporação do aditivo de carbono para criar um filme.
[0040] Formação de uma folha termoplástica a partir da mistura de polímero e aditivo de carbono que é feito colocando o filmeem um molde para formar uma folha.
[0041] A folha termoplástica é feita de um material selecionado do grupo consistindo em poli-éter-éter-cetona, poliéter imida, polietilenos, poliéter sulfonas, ácido poliláctico, nylon, naftalato de polietileno, polibenzimidazol, poli-imidas, poli(metacrilato de metila) e combinações dos mesmos.
[0042] O aditivo de alótropo de carbono é selecionado do grupo que consiste em nanotubos de carbono, grafeno, nanofibras de carbono, pó de grafite e nanofitas de grafeno.
[0043] Formação de uma folha compreende moldar a mistura em um formato complexo.
[0044] Formação de uma mistura compreende a injeção do polímero com o aditivo de carbono.
[0045] Um sistema de proteção contra gelo inclui um elemento de aquecimento de carbono que compreende uma folha termoplástica estável termicamente contendo um aditivo de alótropo de carbono, uma primeira camada de fibra de vidro aderida ao elemento de aquecimento de carbono por um adesivo de filme, uma segunda camada de fibra de vidro aderida ao elemento de aquecimento de carbono oposta à primeira camada de fibra de vidro por um adesivo de filme, e uma camada de película aderida à segunda camada de fibra de vidro, oposta ao elemento de aquecimento de carbono por um adesivo de filme.
[0046] O sistema do parágrafo anterior pode opcionalmente, adicionalmente e/ou alternativamente incluir, qualquer um ou mais dos recursos, configurações e/ou componentes adicionais apresentados a seguir:
[0047] A camada de película compreende uma camada metálica ou uma camada compósita.
[0048] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a uma modalidade exemplificativa, será entendido pelos versados na técnica que várias alterações podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas alterações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material particular aos ensinamentos da invenção sem que se afaste do escopo essencial dos mesmos. Portanto, pretende-se que a invenção não se limite à(s) modalidade(s) particular(es) descrita(s), mas que inclua todas as modalidades que se enquadram no escopo das reivindicações anexas.

Claims (19)

1. Sistema de proteção contra gelo (16), caracterizado pelo fato de que compreende uma primeira camada (18) compreendendo fibra de vidro, um filme dielétrico ou um material pré-impregnado; um elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) compreendendo uma folha termoplástica (12) contendo um aditivo alótropo de carbono (14); uma segunda camada (18) compreendendo fibra de vidro, um filme dielétrico ou um material pré-impregnado, uma camada de película (24) compreendendo um material metálico ou fibra de vidro, e pelo menos uma camada adesiva (20) posicionada entre uma ou mais dentre a primeira camada (18) e o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22), o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) e a segunda camada (18), e a segunda camada (18) e a camada de película (24).
2. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a folha termoplástica (12) é feita de um material selecionado do grupo consistindo em poli-éter-éter- cetona, poliéter imida, polietilenos, poliéter sulfonas, ácido poliláctico, nylon, naftalato de polietileno, polibenzimidazol, poli-imidas, poli(metacrilato de metila) e combinações dos mesmos.
3. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aditivo de alótropo de carbono (14) é selecionado do grupo que consiste em nanotubos de carbono, grafeno, nanofibras de carbono, pó de grafite e nanofitas de grafeno.
4. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) tem uma espessura uniforme entre 0,0127 mm (0,0005 polegadas) e 0,254 mm (0,010 polegadas).
5. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) tem uma espessura uniforme entre 0,0254 mm (0,001 polegadas) e 0,0762 mm (0,003 polegadas).
6. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) tem uma espessura variável.
7. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) tem uma resistividade de folha elétrica entre 0,005 ohms por quadrado e 10,0 ohms por quadrado.
8. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) tem uma resistividade de folha elétrica entre 0,02 ohms por quadrado e 3,0 ohms por quadrado.
9. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) tem uma primeira resistividade elétrica em uma primeira porção do elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) e uma segunda resistividade elétrica em uma segunda porção do elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22); e em que a primeira resistividade e a segunda resistividade diferem.
10. Sistema de proteção contra gelo (16) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada adesiva (20) compreende uma primeira camada adesiva posicionada entre a primeira camada (18) e o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22), uma segunda camada adesiva posicionada entre o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) e a segunda camada (18), e uma terceira camada adesiva posicionada entre a segunda camada (18) e a camada de pele (24).
11. Método para fabricação de um sistema de proteção contra gelo eletrotérmico, caracterizado pelo fato de que compreende: construir um elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22), compreendendo: criar uma mistura de polímero e aditivo de carbono; formar uma folha termoplástica (12) da mistura de polímero e aditivo de carbono; e pós-tratar a mistura de polímero e aditivos de carbono; montar o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) em uma segunda camada (18) compreendendo fibra de vidro, um filme dielétrico ou um material pré-impregnado; montar uma primeira camada (18) compreendendo fibra de vidro, um filme dielétrico ou um material pré-impregnado no elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22); e aplicação de uma camada adesiva (20) entre uma ou mais da primeira camada (18) e o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22), o elemento de aquecimento de proteção contra gelo eletrotérmico (22) e a segunda camada (18), e a segunda camada (18) e uma camada de película (24).
12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que criar uma mistura de polímero e aditivo de carbono compreende dissolver uma resina de polímero básico e a mistura do aditivo de carbono na resina de polímero básico.
13. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que criar uma mistura de polímero e aditivo de carbono compreende a mistura de uma resina de polímero e o aditivo de carbono em um processo de composição de plástico.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o processo de composição plástica compreende aquecer a resina de polímero para permitir a incorporação do aditivo de carbono para criar um filme.
15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que formar uma folha termoplástica (12) a partir da mistura de polímero e aditivo de carbono é feita colocando o filme em um molde para formar uma folha.
16. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a folha termoplástica (12) é feita de um material selecionado do grupo consistindo em poli éter-éter-cetona, poliéter imida, polietilenos, poliéter sulfonas, ácido poliláctico, nylon, naftalato de polietileno, polibenzimidazol, poli-imidas, poli(metacrilato de metila) e combinações dos mesmos.
17. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o aditivo de alótropo de carbono (14) é selecionado do grupo que consiste em nanotubos de carbono, grafeno, nanofibras de carbono, pó de grafite e nanofitas de grafeno.
18. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que formar uma folha compreende moldar a mistura em um formato complexo.
19. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que formar uma mistura compreende injetar o polímero com o aditivo de carbono.
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