CN102695610B - 复合材料的电磁危害防护装置 - Google Patents

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Abstract

一种可固化柔性抗电磁危害层压体，包括导电金属材料和热固性树脂的层，其中所述层压体的第一外表面包括与树脂接触的可剥离背衬片，所述层压体的第二外表面包括树脂，其中所述第二外表面与移去的背衬片之间的粘附性比所述第一外表面与移去的背衬片之间的粘附性大。

Description

复合材料的电磁危害防护装置
技术领域
本发明涉及电磁危害防护装置，具体而言涉及适合在自动铺带叠放设备(automatictapelay-upapparatus)之中使用的复合材料的防雷击装置。
背景技术
复合材料具有诸多经证实优于传统结构材料的优点，特别是以极低的材料密度提供了优异的机械性能。因而，复合材料的使用日益广泛，其应用领域涵盖“工业”及“运动休闲”直至高性能航空部件。
常见的复合材料由夹有树脂层的多个纤维层的层压体构成。尽管碳纤维具有一定的导电性，但夹层的存在意味着仅在层压体所在平面的方向上显现出导电性。在垂直于层压体表面的方向上，即所谓的z方向上导电性低。
通常认为z方向上导电性的缺乏导致复合层压体易受到电磁危害例如雷击的侵害。雷击会对复合材料造成破坏，这种破坏的影响可能十分深远，如果在飞行中发生在飞机构件上这种破坏可能是灾难性的。因而，对于由这种复合材料制成的航空构件而言，此问题尤为突出。
解决所述问题的公知方法是在复合材料外表面处或附近包含有导电部件，例如金属网或金属箔。
这种导电部件的常见施用方式是熟练技工用手将导电部件手动放置于航空构件的塑模的表面上。随后，将通常为预浸料形式的包含结构纤维和热固性树脂的片层的复合材料放置于所述导电部件之上。然而，倾向于通过所谓的自动铺带叠放设备或ATL以自动的方式放置所述结构层。
典型的ATL设备需要卷材，所述卷材装载于心轴之上并经由一系列滚轴输送至ATL机头(head)。通常，该流程工艺会包括切割步骤和任选的加热步骤。切割步骤确保材料尺寸严格符合要求，因为任何偏差都可能致使产生不合格的最终制品。在ATL机头处，通常有两种施用方法，即ATL的“鞋(shoe)”或者ATL机头的“压辊(compactionroller)”。无论采用哪种方法，均使材料与表面接触并将压力施加于最上面的背衬剥离纸。粘性下表面在压力作用下粘附在一起，并且自动移去背衬片。在ATL工艺过程中，材料在300mm的典型制品宽度之上经受了极高的张力(50至300N)。
经过叠放工艺之后，使经布置得到的制品经受高温及任选的高压作用而固化，从而制成固化复合层压体。将固化层压体从塑模中取出，导电部件作为航空构件的一部分处于该构件的外部(即该导电部件所形成的外部)。
已成功证实复合材料为航空应用提供了牢固、质轻且可靠的构件。因而，存在使用日益增多并逐渐取代传统金属构件之趋势。因此，正有越来越多的飞机部位由复合材料制造。由此，放置导电部件所需的劳动付出正成为制造所述构件日益增加的成本和时间负担。
理想的是，像放置复合材料那样，自动放置这种导电的电磁危害防护装置，但这充满了困难且还没有已知的令人满意的自动化解决方案。
发明内容
本发明的发明人经研究发现提供下述电磁危害防护装置尤为困难：该防护装置能够粘附于塑模表面并与其背衬片分离，同时该防护装置在自动叠放过程中保持粘结并结合在一起。
主要困难在于：为使所形成的任意制品能够容易移开，塑模表面被设计为不易粘附。因而，开发一种粘附于塑模的物质是具有挑战性的。此外，这种物质不仅必须粘附于塑模，还必须比粘附于其所附着的任何背衬片更强地粘附于塑模。
因此，第一方面，本发明涉及包括导电金属材料和热固性树脂的层的可固化柔性抗电磁危害层压体，其中该层压体的第一外表面包括与树脂接触的可剥离背衬片，该层压体的第二外表面包括树脂，其中所述第二外表面与所述第一外表面相比与移去的背衬片之间的粘附性更大。
已发现所述抗电磁层压体粘附于塑模表面并能够与背衬片分离，因而能够在自动化过程中令人满意地进行放置。
另一方面，本发明涉及可固化柔性抗电磁危害层压体与塑模的组合，所述层压体包括导电金属材料和热固性树脂的层，其中所述层压体的第一外表面包括与树脂接触的可剥离背衬片，所述层压体的第二外表面包括与塑模的模塑表面接触的树脂，其中所述第二外表面与模塑表面之间的粘附力大于所述第一外表面之上背衬片与树脂之间的粘附力。
由于所述层压体为常规复合材料的防护装置并意图与所述复合材料相结合，因而这样的复合构件无需处于所述层压体本身之中。因此，通常所述层压体不含不连续纤维(例如沿单一方向放置在一起的单纱纤维)层或编织形成复合结构层。
此外，所述层压体通常包括贯穿该层压体厚度的连续树脂通道来提供这种粘结性。换言之，所述层压体的上述两种外表面优选经由树脂连通。
自动铺带叠放设备通常使用专门针对该设备制作的卷材。因而，所述层压体优选具有足够的柔性以便能够成卷(直径小于20cm，优选小于10cm)。
已知的自动叠放设备要求卷材符合特定的尺寸。因而，将卷材缠绕于内径为254mm或295mm的轴心之上(公差均在0.5mm以内)，卷材的长度为300mm或150mm(公差均在0.050mm以内)。
因而，所述层压体优选不会厚至不能够轻松卷起。从而，通常所述层压体的厚度为0.5-5.0mm，优选为0.5-4.0，最优选为1.0-3.0mm。
导电金属材料通常为片状，可以是多孔或非多孔的，例如网形金属箔。优选所述金属材料是多孔的，其中孔可以是微观的或者大的开孔。在一种优选实施方式中，所述金属材料为网形金属箔，呈丝网材料形态。如果所述金属材料为非多孔的，那么其通常包括分散的条带，使得树脂可从所述金属材料的两侧将所述层压体结合在一起。
所述金属材料可包括各种导电金属，例如青铜、铝、铜、银、金、镍、锌和钨。铜因其优异的导电性而获优选。
根据需要重型还是轻型雷电防护装置，所述导电金属材料的厚度和重量可明显不同。本发明在一定的厚度和重量范围内均工作良好，因而所述导电金属材料的单位面积重量优选为50-1000gsm。然而，本发明尤其适于重量较轻的金属材料，因而所述金属材料的单位面积重量优选为50-500gsm，更优选为50-200gsm。
由于所述导电金属材料可在宽泛的重量范围内进行选择，因而所述层压体的重量可相应变化。然而，除去所述金属材料之外，所述层压体的重量通常得到较严格地控制。因而，除去所述金属部件之外所述层压体的单位面积重量优选小于800gsm，更优选小于500gsm，最优选小于300gsm。
此外，发现在使用自动铺带叠放设备过程中施加于所述抗电磁危害层压体的高压可能造成导电部件的变形、拉伸或再成形，特别是所述导电部件为高延展性金属例如铜时尤为突出。
因而，优选的是所述层压体还包括基本上不能够再成形的固体材料片。
基本上不能够再成形意味着在置于自动铺带叠放应用过程中受到的张力之下时，平面方向不发生明显拉伸，保持其原始形状。因而所述固体材料可等同地描述为基本上不能够伸长或基本上不能够拉伸。所述固体材料无疑是柔性可弯曲的，但在不改变其形状的情况下实现。描述该性质的另一术语是所述固体材料是不易延展的。
“基本上不可再成形”是指：在将宽2.54cm、长33.0cm的材料带从一端挂起，使500g的质量加载并均匀分布于该材料带的另一端持续1分钟时，材料伸长小于1.0%。优选的是材料伸长小于0.5%。
所述基本上不能够再成形的固体材料可以是多孔或非多孔的。然而，多孔材料是有利的，因其在制造过程中使未固化的树脂得以从孔中流过，从而确保所述固体材料有效包埋于树脂之中形成粘结在一起的层压体。
所述固体材料可以是导电的或电绝缘的。然而，如果所述固体材料是电绝缘的，对于抗雷击可能是有利的。
所述固体材料的构成材料可从多种可行材料中选用，例如玻璃纤维(如织物或面纱)以及绝缘聚合物(如聚酯和尼龙)。
包含材料短纤维并无规则地形成在一起构成毡的面纱为基本上不能够再成形的材料提供了优异的排列布置。
由于所述层压体的重量减轻具有重要意义，因而所述固体材料的单位面积重量通常极低。所述固体材料的单位面积重量通常为5-100gsm，优选为5-50gsm，更优选为5-40gsm，最优选为5-20gsm。
所述背衬片可以是预浸料制造中本领域常用的几种背衬片之一。通常所述背衬片由纸制成，但可由其他材料制成。
所述热固性树脂可选自本领域已知的用于复合物制造的那些，例如酚醛树脂，脲醛树脂，1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺(三聚氰胺)，双马来酰亚胺，环氧树脂，乙烯基酯树脂，苯并恶嗪树脂，聚酯，不饱和聚酯，氰酸酯树脂或它们的混合物。
特别优选的是环氧树脂，例如单官能、双官能、三官能或四官能环氧树脂。优选的双官能环氧树脂包括双酚F的二缩水甘油醚(例如AralditeGY281)、双酚A的二缩水甘油醚、二缩水甘油基二羟基萘及它们的混合物。极为优选的环氧树脂是骨架上具有至少一个间位取代苯环的三官能环氧树脂，例如AralditeMY0600。优选的四官能环氧树脂是四缩水甘油基二氨基二苯基甲烷(例如AralditeMY721)。双官能环氧树脂和三官能环氧树脂的共混物也是极为优选的。
所述热固性树脂还可包含一种或多种固化剂。适宜的固化剂包括：酐类，特别是多元羧酸酐；胺类，特别是芳族胺，例如1,3-二氨基苯、4,4'-二氨基二苯基甲烷；特别是砜类，例如4,4'-二氨基二苯基砜(4,4'DDS)和3,3'-二氨基二苯基砜(3,3'DDS)；以及酚醛树脂。优选的固化剂是氨基砜，特别是4,4'DDS和3,3'DDS。
所述热固性树脂通常还存在于多个分散的层中，可能包含一个或多个金属和包埋于其中的固体材料(若存在固体材料时)的多孔片。因此，金属材料以及通常还有固体材料(若存在固体材料时)一般与两个树脂层相邻接，即夹于所述两个树脂层之间，所述两个树脂层通过金属材料中的孔或开口经由树脂相互连通。
在一种优选实施方案中，所述基本上不能够再成形的固体材料片位于导电金属材料和背衬片之间。已发现，在所述固体材料片为多孔的情况下树脂倾向于优先向层压体内部迁移，因而降低了包括(多孔)固体材料片的一侧上的树脂表面的粘性。通过将所述固体材料布置在背衬片一侧，降低了该外表面的粘附性或粘性。
因此，在一种优选实施方案中，所述层压体包括从背衬层起按如下次序排列的材料层：树脂层、固体材料片、树脂层、金属材料和树脂层，具有贯穿所述层压体的厚度连续不间断的树脂通路。
然而，还发现了所述基本上不能够再成形的固体材料在位于未覆盖于背衬片之中的金属材料一侧时可提供良好的表面光洁度。这是因为所述固体材料覆盖了金属材料的有时粗糙面(sometimescoarsesurface)并提供了均匀性和降低的树脂流动性。
因而，在一种进一步优选的实施方案中，所述层压体包括第二个基本上不能够再成形的固体材料片。在该实施方案中，发现了在金属材料任一侧具有一个固体材料片是特别优选的，这是因为材料的表面光洁度得以改善，同时仍适于自动叠放，并提供了抗再成形拉伸方面的进一步改善。
为了有助于确保获得相对粘附性，优选的是树脂在不包含背衬片的金属材料一侧比在包含背衬片的一侧要多。因而，优选的是无背衬片一侧与背衬片一侧的树脂量之比大于1∶1但小于10:1，优选为1.1:1至5:1，更优选为1.3:1至3:1。
本发明的层压体可以各种方式制造。然而，优选通过将多个材料层置于一起进行连续制造。
因此，另一方面，本发明涉及本文所述抗电磁层压体的制造方法，该方法包括：连续地供给导电金属材料片，并使该材料的外表面与两个背衬材料片相接触，所述两个背衬材料片中的至少一个包覆于热固性树脂之中，随后将所述片压制在一起，然后移去背衬材料片。
若存在基本上不能够再成形的固体材料，则所述基本上不能够再成形的固体材料优选与所述金属材料同时供给。
通常，所述片的压制通过使所述片经过一个或多个辊来进行，例如从两个沿相反方向旋转的压带辊之间经过。在压制步骤过程中，通常对所述层压体进行加热，以便在不引发固化的情况下降低树脂的粘度，例如加热至40-150°C。
在一种优选实施方案中，所述两个背衬材料片均包覆于热固性树脂之中。
所述基本上不能够再成形的固体材料片优选粘附于包覆背衬材料片的树脂包覆层。已发现由此提供了粘结在一起的层压体，因为在压制过程中树脂倾向于朝向内部向层压体迁移。
在一种优选实施方案中，第二个基本上不能够再成形的固体材料片同样粘附于包覆另一背衬材料片的树脂包覆层。
要指出的是，在上述方法中，移去的背衬片是从所述层压体的两个外表面之中粘附性较大的那个外表面移去。实际当中这看似不可行，因为进行这种尝试的任何连续工艺必然会得到所不期望的结果，即背衬片从粘附性较小的外表面移去。
本发明的发明人发现这事实上是能够实现的。优选地，通常同时将两个背衬片材都移去。已证实这是能够实现的，即使一个背衬片可能比另一背衬片与层压体外表面的粘附力大也是能够实现的。随后使层压体与粘附性较小的外表面即替代背衬片材相接触，通常在这之后将所述片材压制于所述层压体之上。
优选地，所移去的背衬材料(一片或两片)品质不佳。品质不佳的纸张是具有下述属性之中至少一种、优选至少两种、更优选至少三种甚或至少四种属性的纸张：按照PA3.1-20/Finat10剥离力大于15.5cN/10cm；强度差，根据ISO527-3/2/500拉伸强度小于20N/mm2；厚度小于90微米；重量小于80gsm。
优选地，未移去的背衬材料或替代背衬材料品质良好。品质良好的纸张是具有下述属性之中至少一种、优选至少两种、更优选至少三种甚或至少四种属性的纸张：按照PA3.1-20/Finat10剥离力小于15.5cN/10cm；良好的强度，根据ISO527-3/2/500拉伸强度大于20N/mm2；厚度为100-200微米；重量为100-200gsm。
然后，通常将所述层压体卷起形成卷，准备好通过自动铺带叠放设备放置于塑模表面之上。
因此，又一方面，本发明涉及将本文所述可固化柔性抗电磁危害层压体放置于塑模表面之上的方法，其中所述层压体的外表面包括与树脂接触的可剥离背衬片，其中通过模具头(toolhead)将所述层压体从辊自动送至塑模表面，使得层压体的包含可固化热固性树脂的更粘性外表面接触塑模表面，当模具(tool)放置所述层压体并移去所述背衬片时所述层压体粘附于所述塑模表面，所述层压体在没有背衬片的情况下就地滞留于所述塑模表面之上。
随后通常为下述步骤：将多个包含结构纤维和热固性树脂的预浸料放置于已放好的层压体的暴露表面之上。
所述预浸料一经放下，随即通过经受高温以及任选的高压使经布置得到的制品固化，从而制成抗电磁危害固化层压体。
因而，又一方面，本发明涉及可通过上述方法获得的抗电磁危害固化层压体。
所述固化层压体特别适于作为交通工具主体部件，特别是适于航空航天器主体部件。
现将通过实施例并参照下述附图对本发明进行阐释，其中：
图1a是落在本发明范围之外的电磁危害防护层压体的截面示意图。
图1b是图1a所示层压体的制造方法示意图。
图2a是一种本发明电磁危害防护层压体的截面示意图。
图2b是图2a所示层压体的制造方法示意图。
图3a是一种本发明电磁危害防护层压体的截面示意图。
图3b是图3a所示层压体的制造方法示意图。
图4a是一种本发明电磁危害防护层压体的截面示意图。
图4b是图4a所示层压体的制造方法示意图。
图5a是一种本发明电磁危害防护层压体的截面示意图。
图5b是图5a所示层压体的制造方法示意图。
图6a是本发明电磁危害防护层压体的截面示意图。
图6b是一种图6a所示层压体的制造方法示意图。
图7是适用于本发明的自动铺带叠放设备的模具头的图像。
实施例
制造了多个具有不同树脂含量的抗电磁层压体，所述层压体包括73gsm的网形铜箔作为金属部件。所述层压体包括一个、两个或零个12gsm的可获自TechnicalFibreProducts(Kendal,UK)名为Optimat的聚酯面纱，所述聚酯面纱构成基本上不能够再成形的固体材料。
所述层压体全部进行了使用自动铺带叠放设备放置于塑模表面之上之适宜度的检验并对它们的稳定性和剥离性进行了评分(采取5以内的任意标度)。
为了进行比较，同样采取5分制任意标度对表面光洁度的品质进行了评价。
ATL稳定性
1-层压体拉伸并且变形——不合格
4-极微小的拉伸——合格
5-无可察觉的拉伸
ATL剥离性
1-层压体完全无法从背衬片上剥离
3-仅在工艺速度方面小心谨慎的情况下层压体才能剥离至塑模上
4-在一定范围的工艺速度下均能够符合要求地剥离
5-普遍良好地剥离
表面光洁度
1-表面光洁度差-具有明显的针孔
2-针孔仍然可见
3-无针孔可见但树脂表面不均匀
4-光滑的表面光洁度
5-优良的表面光洁度
结果示于以下表1
表1
1 2 3 4 5 6 7
铜的重量 73 73 73 73 73 73 73
树脂1的重量 85 85 85 85 85 85 85
树脂2的重量 85 85 - 85 85 85 30
面纱1的重量 - 12 12 - 12 12 12
面纱2的重量 - - - 12 12 12 12
ATL结果-稳定性(5分制) 1 4 4 4 5 5 5
ATL结果-剥离性(5分制) - 1 1 4 3 5 5
表面光洁度结果(10分制) 1 4 3 2 4 4 5
所有重量均以克/平方米(gsm)为单位。位置1是指未覆盖于背衬纸的金属材料一侧，位置2是指覆盖有背衬纸的金属材料一侧。
实施例1-6分别按照工艺1b-6b进行。实施例7按照工艺6b进行。
转而参看附图，图1a-6a示出了抗雷击层压体的截面示意图，其中各层压体分别按照方法1b-6b制造。图1a为本发明范围之外的层压体，而图2a-6a为本发明的层压体。因而，图1b为本发明范围之外的方法，而图2b-6b为本发明的方法。在所述附图中等同的特征始终使用相同的标记。
所述层压体包括构成金属部件的网形铜箔10，所述金属部件的两侧均被热固性树脂层12包围并且一侧有背衬纸14作为背衬。
图2a示出了增加了聚酯/尼龙面纱16的上述布置，所述聚酯/尼龙面纱16构成基本上不能够再成形的固体材料并放置在远离所述背衬纸14的金属材料一侧。
图3a示出了图2a的布置，但其中在所述背衬纸一侧没有树脂层12。
图4a示出了图2a的布置，但其中所述面纱16位于所述金属材料10与树脂12和背衬片14之间。
图5a和6a示出了图2a的布置，但其中在所述金属材料10与树脂12和背衬片14之间放置了附加面纱。
图1b至6b示出了网形铜箔的卷轴20，所述网形铜箔送入热压辊28并最终卷在缠绕卷轴32之上。
在附图1b中，使所述网形铜箔在送入热压辊28之前两面与来自卷轴22和24的包覆有热固性树脂的背衬纸接触。压制之后，在图1a所示组合件送至缠绕卷轴32之前，移去上部的背衬纸，留下树脂，并使所述背衬纸占据于上部的纸张重卷轴30之上。
在图2b中，布置与图1b相同，不同的是卷轴22被卷轴23取代，所述卷轴23包括粘附于树脂层的面纱，所述树脂层顺次粘附于背衬纸。
在图3b中，布置与图2b相同，不同的是卷轴24被卷轴25代替，所述卷轴25仅包括背衬纸。
在图4b中，布置与图1b相同，不同的是卷轴24被卷轴26代替，所述卷轴26包括粘附于树脂层的面纱，所述树脂层顺次粘附于背衬纸。
在图5b中，布置与图4b相同，其中卷轴22被卷轴23取代，所述卷轴23包括粘附于树脂层的第二面纱，所述树脂层顺次粘附于背衬纸。
在图6b中，布置与图5b相同，其中同样地将上部的背衬纸移去，同时将下部的背衬纸也移去，并使所述下部的背衬纸占据下部的纸张重卷轴34。另外，随后使新的背衬纸片与来自重卷纸展开轴38的制成层压体接触。
图7示出了适用于本发明的自动铺带叠放设备的模具头50的图像。在经过辊56之后将层压体52送入放置头54。放置头54将层压体52压在塑模58的表面之上。当层压体52接触塑模表面时，由于层压体52与塑模58之间的粘附性大于层压体52与其背衬纸60之间的粘附性，因而在背衬纸60脱离并占据于辊(未示出)上时层压体52保持粘附于塑模上。

Claims (13)

1.用于自动铺带叠放设备的层压体，其中所述层压体包括
具有外表面和内表面的柔性背衬片，其上承载可固化柔性抗电磁危害层压体，所述可固化柔性抗电磁危害层压体包括
包括导电金属材料和热固性树脂的导电层，所述导电层包括第一侧面和紧靠近背衬片的第二侧面；
位于所述导电层的第二侧面上的面纱层，所述面纱层包括无规取向纤维的毡，所述面纱的单位面积重量为5-50gsm；
邻近所述导电层的第一侧面的第一未固化热固性树脂层，所述第一未固化热固性树脂层包括形成所述层合体的外表面的表面；
邻近所述面纱的第二未固化热固性树脂层，所述第二未固化热固性树脂层包括提供可固化柔性抗电磁危害层压体与背衬片的外表面的可分离粘合的表面，其中所述层压体的外表面的粘附性大于该提供可固化柔性抗电磁危害层压体与背衬片的外表面的可分离粘合的表面；
其中树脂在不包含背衬片的金属材料一侧比在包含背衬片的一侧要多。
2.权利要求1的层压体，所述层压体包括贯穿其厚度的连续树脂通路。
3.权利要求1的层压体，其中所述金属材料为网形金属箔，呈丝网材料形态。
4.前述任一权利要求的层压体，所述层压体还包括位于所述导电层的第一侧面的另外面纱层，所述另外面纱层包括无规取向纤维的毡，所述面纱的单位面积重量为5-50gsm。
5.权利要求1的层压体，其中所述面纱层包括选自聚酯纤维和尼龙纤维的纤维。
6.权利要求4的层压体，其中所述另外面纱层包括选自聚酯纤维和尼龙纤维的纤维。
7.权利要求1的层压体，其中第一未固化热固性树脂层和第二未固化热固性树脂层包括环氧树脂。
8.权利要求1的层压体，其中在导电层的第一侧面和层压体的外表面之间的树脂的量大于在导电层的第二侧面和背衬片之间的树脂的量。
9.权利要求3的层压体，其中丝网材料的单位面积重量为50-200gsm。
10.权利要求1的层压体，其中所述层压体不包括金属材料的重量小于300gsm。
11.权利要求8的层压体，其中在导电层的第一侧面和层压体的外表面之间的树脂的量与在导电层的第二侧面和背衬片之间的树脂的量的比例为1.3:1至3:1。
12.可固化柔性抗电磁危害层压体，其包括已经固化的权利要求1的层压体。
13.一种航空航天器主体部件，其包括权利要求12的固化层压体。
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