CN105461949A - 用于减轻边缘辉光的方法 - Google Patents

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Abstract

用于减轻在包含碳纤维增强塑料部件的复合材料结构上的闪电雷击所导致的边缘辉光的复合材料结构和方法，其中所述复合材料结构诸如航空航天结构。一个或更多个导电涂层材料薄层被施加在碳纤维增强塑料部件的切割边缘或斜降之上以降低碳纤维增强塑料部件的复合材料层之间的层间电压电势。导电涂层材料由分散在载体介质中的导电掺杂材料制成。

Description

用于减轻边缘辉光的方法
技术领域
本发明大体涉及用于由复合材料制成的结构的闪电雷击保护，并且更具体地，涉及用于减轻边缘辉光的方法，这通常是在由碳纤维增强塑料制成的结构中的碳纤维的暴露末端上观察到的由闪电诱导的现象。
背景技术
在需要优秀的强度重量比和强度硬度比的结构中的复合材料的使用已经增加。例如，在航空航天工业，复合材料正在被广泛地用于生产航空航天结构，诸如飞行器肋、翼梁、面板、机身、机翼、机翼翼盒、燃料箱和尾部组件，并由于其重量轻且坚固，因此提供燃料经济性和其他益处。
通常用在航空航天工业中的一种类型的复合材料是碳纤维增强塑料(“CFRP”)。CFRP通常包含层压在一起的一个或更多个复合材料层或层片以形成板、层压件或铺层。复合材料层或层片中的每个均包含增强材料和基体材料。基体材料环绕、结合并支撑增强材料。增强材料对基体材料和CFRP提供结构强度。基体材料通常为非导电聚合物，诸如环氧树脂。增强材料通常由导电的碳纤维股线组成。
如本文所使用的，术语“复合材料结构”意味着全部或部分由一个或更多个由CFRP制成的部件(即，CFRP部件)生产、制造或组装的结构，其中所述部件包括但不限于航空航天结构，诸如飞行器肋、翼梁、面板、机身、机翼、机翼翼盒、燃料箱和尾部组件。为了生产、组装、形成或制造复合材料结构，在复合材料层或层片被铺放、层压和固化后，CFRP板、层压件或铺层可以被切割或修整为期望形状或尺寸以形成CFRP部件。
切割典型的CFRP板、层压件和铺层导致复合材料层中的每层内的增强材料(即，导电碳纤维)的尖端或末端变为在切割或修整边缘处暴露于环境。增强材料的尖端或末端也可以变为在CFRP部件的外部斜降(dropoff)或倾斜上表面处暴露于环境。例如，CFRP部件可以被形成为第一端具有第一厚度且第二端具有小于第一厚度的第二厚度，并且在第一端和第二端之间具有过渡区域，该过渡区域具有倾斜上表面。在层压过程期间，通过在彼此的顶部铺放具有逐渐减小的长度的复合材料层，使得逐渐减小长度的复合材料层的末端形成具有向下斜坡或斜降的倾斜上表面，可以形成这种变化的厚度。这种斜降可以被定位在沿着CFRP部件的长度的任意位置处。形成斜降的复合材料层的末端可以不被基体材料覆盖，从而使得增强材料(即，导电碳纤维)的尖端或末端暴露于环境。未被基体材料覆盖的切割的或修整的边缘和斜降在这里被共同地称为“暴露的纤维表面”。
碳纤维通常比在航空航天工业中传统使用的结构材料(诸如铝)具有更大的电阻。因而，使用CFRP部件制成的复合材料结构比传统使用的材料制成的结构更易于受闪电雷击的损坏，这是因为CFRP不容易导电和耗散由闪电雷击产生的200kA范围内的电流。在从闪电雷击观察到的物理现象的一种现象被公知为“边缘辉光”，其描述了其中电光与粒子或等离子体喷射的结合出现在复合材料结构中的CFRP部件的暴露纤维表面中的碳纤维尖端或末端处的情况。边缘辉光由CFRP的导电复合材料层之间的电压差导致，并通常发生在电压电势在其最大值处的由于闪电雷击的高电流密度区，诸如暴露纤维表面。当其发生在包含燃料或燃料蒸汽的区域中时边缘辉光是潜在的燃料着火源，其中所述包含燃料或燃料蒸汽的区域诸如在燃料箱中或靠近燃料管路(本文共同称之为“燃料环境”)。
航空航天工业中防止边缘辉光点燃燃料环境中的燃料或燃料蒸汽的大体设计方法是屏蔽或密封暴露于燃料环境的所有暴露的纤维表面，因而屏蔽在暴露的纤维表面处的任意边缘辉光。一种方法是使用阻止辉光的传送且/或物理地包含来源于离开燃料环境的边缘辉光的喷射的粒子的不导电或绝缘材料(诸如聚硫密封剂)密封暴露的纤维表面。即，绝缘材料防止边缘辉光穿透绝缘材料并进入燃料环境。这种绝缘材料通常手工应用于两层总厚度大约0.130至0.250英寸。大约0.002英寸厚的第一层低粘度聚硫密封剂被应用并被允许固化。然后，大约0.130至0.250英寸厚的与第一层中的密封剂具有类似化学性质的第二层密封剂被应用到第一层上。这两层组合以屏蔽任意边缘辉光。防止复合材料结构中的紧固接头和CFRP部件的修整边缘周围的边缘辉光、火花和等离子体排放的另一种公知方法是将绝缘盖放置在切割边缘或紧固接头的上方。
前述方法仅屏蔽或遮蔽暴露的纤维表面处的边缘辉光，但不防止、减少或消除边缘辉光。而且，这些方法是劳动密集型并需要过多的生产流程时间，这是因为制备暴露的纤维表面以用于成功的密封剂粘附所需的大量工作和与密封剂相关联的长的固化时间的原因。这些方法也因为密封剂的所需厚度和/或多层的原因而给复合材料结构添加了很大的重量，增加了飞行器燃料消耗并降低了有效载荷。
因此，期望拥有一种用于减轻边缘辉光的劳动较不密集的、较少时间消耗且提供重量节约的方法。如本文所使用的，术语“减轻边缘辉光”意指减小边缘辉光的强度或消除边缘辉光强度。
发明内容
前述目的以及将显而易见的其他目的大体通过在复合材料结构中的碳纤维增强塑料部件的暴露纤维表面(即，切割边缘或斜降)之上施加一个或更多个导电涂层材料薄层以减小在闪电雷击期间可能存在于碳纤维增强塑料复合材料层之间的任意层间电压电势。一个或更多个导电涂层材料层被施加成大约0.001英寸至0.003英寸的总厚度以提供在通常不光滑的切割或修整边缘和斜降之上的连续覆盖。导电涂层材料具有至少大约10西门子/米(Siemens/meter)的导电率以将边缘辉光强度减小大约1/2，以及具有至少大约104西门子/米以消除边缘辉光强度。导电涂层材料是包含分散在载体介质中的导电掺杂材料的混合物。导电掺杂材料可以是固体、悬浮在液体中的固体或液体。当结合附图考虑具体实施方式时，本公开的其他目标、特征和优点将是显而易见的。
附图说明
为了说明本公开的前述方面和其他方面的目的，以下参考附图描述各种实施例。
图1是图示说明用于制造复合材料结构的方法的步骤的流程图。
图2是图示说明用于减轻边缘辉光的方法的步骤的流程图。
图3是具有由导电涂层材料层覆盖的切割边缘的碳纤维增强塑料部件的横截面视图。
图4是具有由导电涂层材料层覆盖的斜降的碳纤维增强塑料部件的横截面视图。
图5是复合材料结构的图示说明。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，描述了用于减轻复合材料结构中的边缘辉光的方法的各种实施例以说明本公开的大体原理，其中所述复合材料结构包含具有暴露的纤维表面(即，切割边缘或斜降)的碳纤维增强塑料(CFRP)部件。本领域技术人员应当认识到本公开可以在其他类似的应用或环境和/或结合说明性实施例的其他类似或等价变体被实行。例如，该方法可以用于具有边缘辉光风险的任意类型的复合材料，且可以使用任意类型的导电涂层材料以提供在复合材料的复合层之间的期望的导电率，只要导电涂层材料满足预期用途所需的导电率和其他性能即可。还应当注意，对于本公开的本领域普通技术人员普遍熟知的那些方法、过程、部件或功能在此不再详细描述。
在所公开的方法中，一层或更多层导电涂层材料(优选地，单个薄层)被施加在CFRP部件的暴露的纤维表面之上。所述一层或更多层导电涂层材料被施加成大约为0.001英寸至0.003英寸的总厚度，优选为0.002英寸，以便在通常不平滑的暴露的纤维表面上提供连续覆盖层。所述一层或更多层导电涂层材料具有至少大约10西门子/米的导电率以将边缘辉光强度减少大约1/2，以及具有至少大约104西门子/米以消除边缘辉光强度。
导电涂层材料在暴露的纤维表面处形成桥接以电连接在CFRP部件的复合材料层或层片中的每个内的碳纤维材料的尖端或末端。这种桥接促进了在复合材料层之间的电流流动并降低了复合材料层之间的层间电压电势，从而减轻边缘辉光。例如，通过降低在复合材料层的暴露的纤维表面中的碳纤维的末端或尖端之间存在的层间电压电势，具有大约10西门子/米的导电率的大约0.002英寸厚的一层导电涂层材料将在暴露的纤维表面处的边缘辉光的强度至少减小1/2。通过增加导电涂层材料的导电率可以进一步减小边缘辉光强度。例如，具有104西门子/米的导电率的导电涂层材料将近似达到CFRP部件中的碳纤维的导电率水平，并因此将复合材料层之间的层间电压电势降低至将大体消除边缘辉光强度的水平。具有大于104西门子/米的导电率的导电涂层材料也可以被用于进一步降低在复合材料层之间的层间电压电势。因此，取代物理屏蔽边缘辉光的当前双层不导电密封方法，所公开的方法通过减轻边缘辉光以便显著降低或消除在燃料环境中点燃燃料或燃料蒸汽的可能性且同时有利地实现制造和成本效率并降低重量，从而允许改进设计性能。
导电涂层材料是由分散在载体介质中的导电掺杂材料组成的混合物。载体介质可以是适合施加到暴露于燃料环境的CFRP部件的液体，例如树脂系统。具体地，载体介质在燃料环境中不应当劣化或溶解且不应当与燃料或燃料蒸汽以有害于CFRP的方式相互作用。如果用在航空航天工业，则载体介质必须是“航空航天级”的，即，其必须满足用在航空航天结构中的航空航天工业需求。例如，可以使用航空航天级密封剂。载体介质应当具有大约60至90厘泊(centipoise)的粘度。这允许导电涂层材料具有良好的加工性，即，能够通过使用传统工业涂层施加方法(诸如刷涂、喷涂和浸渍)被施加到暴露纤维表面且同时确保暴露的纤维表面具有足够的厚度、粘附性和覆盖度。载体介质还应当具有机械硬度和抗冲击性且在航空航天应用中的抗射流和液压流体和在航空航天操作环境中的耐用性的质量，其中航空航天操作环境包括暴露于腐蚀性元素、热、湿和高度循环。
合适的载体介质的示例是通常应用在航空航天工业中用于密封或屏蔽切割边缘和斜降的聚硫密封剂，例如，来自宾夕法尼亚州匹兹堡的PPG工业有限公司(PPGIndustries,Inc.)的PR-1776和PRO-SEAL870和890。可替代地，载体介质能够是环氧树脂涂层或通常用在航空航天工业中的胶粘材料类型，诸如双酚-A二缩水甘油醚、哔呔克-对氨基苯酚、N,N,N,N-四缩水甘油基-4,4-二苄胺基系统和聚氨酯涂层系统(诸如与聚亚安酯一起固化的聚酯多元醇)。
导电掺杂材料是适用于燃料环境中且必要时是航空航天级的导电固体物质、悬浮在液体物质中的固体物质或液体物质。导电掺杂材料应当能够在载体介质中形成稳定散布。同样，导电掺杂材料不应当与载体介质的期望性能相互作用、使其劣化或抵消载体介质的期望性能，诸如机械强度、耐溶剂性、耐用性和加工性。导电掺杂材料还应当具有大纵横(长度与直径)比，优选地大于150，使得在较低渗流阈值处能够实现期望导电率并且不干扰载体介质的性能。渗流阈值表示聚合物基体中的临界填料含量极值，超出该极值会形成导体网络以允许导电率的大小增加几个量级。
合适的导电掺杂材料的示例是铟锡氧化物溶液、碳纳米管、金属(例如银、镍和铜)或半导体(例如，硅和氮化镓)纳米线、碳黑、石墨烯和本征导电聚合物(例如，聚苯胺和聚磺苯乙烯)。碳黑是通过在不足的空气中燃烧碳氢化合物制成的微细碳粉。石墨烯是以非常薄的几乎透明板(一个原子层厚度)的形式的纯碳。合适的本征导电聚合物的一种示例是由德国勒沃库森的HeraeusPreciousMetalsGmbH&Co.KG生产的CLEVIOSTM导电聚合物。
导电涂层材料可以通过如下方式被制备，即选择合适的载体介质和合适的导电掺杂材料，控制载体介质和导电掺杂材料的需求量的添加，以及然后将他们混合或结合到一起以产生导电涂层材料。添加到载体介质的导电掺杂材料的量应当小于载体介质重量的大约1％至2％，且混合物应当具有不大于大约1.65的比重。导电掺杂材料和载体介质通过使用在工业中通常用于制备涂层材料的方法被结合到一起。其他物质可以根据期望终端使用或应用被添加到导电涂层材料，假设所述其他物质没有显著降低或干扰期望的导电率、强度、耐溶剂性、耐用性和加工性。
一旦已经制备或选择了合适的导电涂层材料，则CFRP部件的暴露的纤维表面通过使用工业中公知的方法被制备以用于导电涂层的施加。通常，暴露的纤维表面被溶剂砂磨和擦拭。在暴露的纤维表面已经被制备后，一个或更多个导电涂层材料薄层可以通过使用刷子或滚子被手工施加成大约0.001至0.003英寸的总厚度。优选一层以最小化涉及的劳动量。可替代地，可以通过在工业中大体公知的自动化方法(诸如喷涂或浸渍)施加导电涂层材料。
在暴露的纤维表面的斜降类型的情况下，在复合材料层已经被层压在一起以创建具有斜降的CFRP部件后，导电涂层材料被施加于斜降。对于暴露的纤维表面的切割边缘类型，在CFRP板、层压件或铺层已经被形成并被切割或修整至期望尺寸或形状以形成CFRP部件后，导电涂层材料可以被施加于切割边缘。一旦被施加于暴露的纤维表面的导电涂层材料已经固化，则CFRP部件为后续的处理步骤做好准备，所述后续的处理步骤诸如测试、组装或制造成复合材料结构。例如，一个或更多个CFRP部件可以被组装在一起以形成限定燃料环境的复合材料结构，诸如飞行器燃料箱或包含燃料管路的机翼翼盒。
可替代地，在复合材料结构的组装或制造后导电涂层材料可以被施加于暴露的纤维表面。例如，在用于制造复合材料结构的方法的一种实施例(见图1)中，在步骤100中至少一个CFRP板、层压件或铺层被修整以形成具有至少一个切割边缘的CFRP部件。在步骤102中由所述至少一个CFRP部件形成复合材料结构并且在步骤104中导电涂层材料被施加到切割边缘。
在另一种实施例中，用于减轻由具有暴露的纤维表面的至少一个CFRP部件制成的复合材料结构中的边缘辉光的方法在图2中被图示说明。在步骤200中选择载体介质并且在步骤202中选择导电掺杂材料。在步骤204中载体介质和掺杂材料被结合以形成导电涂层材料，并且在步骤206中将导电涂层材料施加在暴露的纤维表面之上。如以上所解释的，在复合材料结构(例如，机翼或燃料箱)被组装或制造之前导电涂层材料能够被施加于暴露的纤维表面，或者在组装或制造复合材料结构之后导电涂层材料能够被施加于暴露的纤维表面。
图3示出具有切割边缘302类型的暴露的纤维表面303和相反表面304、306的CFRP部件300的示例。包含在载体介质312中的导电掺杂材料310的导电涂层材料308被施加到切割边缘302和相反表面304、306中的每个邻近切割边缘302的至少一部分，使得导电涂层材料308覆盖切割边缘302且叠覆于相反表面304、306中的每个邻近切割边缘302的至少一部分。具体地，导电涂层材料308包括重叠部分308a和308b。重叠部分308a和308b的宽度X、X’取决于具体应用和切割边缘302的尺寸，不过应当足以确保通过导电涂层材料308粘附和覆盖切割边缘302。导电涂层材料308和导电涂层材料308的重叠部分308a、308b具有大约0.001英寸至0.003英寸、优选0.002英寸的厚度。最小厚度确保足够的覆盖而最大厚度阻止会导致应力且呈现重量损害的过厚涂层材料。
图4示出具有包含在上表面406和下表面408之间的倾斜表面404的斜降402类型的暴露的纤维表面303的CFRP部件400的示例。包含在载体介质312中的导电掺杂材料310的导电涂层材料308被施加于倾斜表面404、至少一部分上表面406和至少一部分下表面408，使得导电涂层材料308覆盖倾斜表面404且叠覆于邻近倾斜表面404的上表面406和下表面408的至少一部分。类似于图3的导电涂层材料308，图4的导电涂层材料308包括分别在上表面406和下表面408上的重叠部分308c和308d。虽然重叠部分308c的上表面被示为具有圆角形状，不过根据具体应用和斜降的尺寸，上表面也可以是平的或任意其他形状。优选地，上表面的形状不具有尖头或尖锐过渡。重叠部分308c和308d的宽度Y、Y’取决于具体应用和斜降402的尺寸，不过应当足以确保通过导电涂层材料308粘附和覆盖斜降。导电涂层材料308和重叠部分308c和308d具有大约0.001英寸至0.003英寸、优选0.002英寸的厚度。
图5示出由具有切割边缘504和斜降506类型的暴露的纤维表面的CFRP部件502制成的复合材料结构500的示例。导电涂层材料308被施加在暴露的纤维表面之上。
不像已有的用于保护复合材料结构免受由边缘辉光导致的危险的方法，所公开的方法省时间且劳动较不密集，这是因为其与已有的方法所需要多个较厚层相反，仅需要施加薄的优选的单层导电涂层材料，并且减小加到复合材料结构的重量。这在航空航天工业尤其有利，因为较小量意味着较少燃料消耗和更大效载荷。虽然所公开的方法在航空航天工业特别有用，不过其在使用必须被保护以免受由边缘辉光导致的危险的复合材料结构的其他工业也可以是有用的。
另外，本公开包含根据以下条款的实施例：
1.一种用于减轻在复合材料结构的碳纤维增强塑料部件中的暴露的纤维表面处的边缘辉光的方法，所述方法包含：在所述暴露的纤维表面之上施加导电涂层材料。
2.根据条款1所述的方法，其中所述导电涂层材料具有至少大约10西门子/米的导电率。
3.根据条款1所述的方法，其中所述导电涂层材料具有至少大约104西门子/米的导电率。
4.根据条款1所述的方法，其中所述导电涂层材料被施加成具有大约0.001至0.003英寸总厚度的一个或更多个层中。
5.根据条款1所述的方法，其中所述导电涂层材料被施加成具有大约0.002英寸厚度的一层中。
6.根据条款1所述的方法，其中所述导电涂层材料包含导电掺杂材料和载体介质。
7.根据条款6所述的方法，其中所述导电掺杂材料是选自由如下材料构成的组的一种材料：铟锡氧化物溶液、碳纳米管、金属纳米线、半导体纳米线、碳黑、石墨烯和本征导电聚合物。
8.根据条款6所述的方法，进一步包含如下步骤：
选择所述载体介质；
选择所述导电掺杂材料；
将所述载体介质和掺杂材料结合以形成导电涂层材料。
9.一种制造复合材料结构的方法，其包含：
形成具有至少一个暴露的纤维表面的至少一个碳纤维增强塑料部件；
由所述至少一个碳纤维增强塑料部件形成所述复合材料结构；以及
在所述暴露的纤维表面之上施加导电涂层材料。
10.根据条款9所述的方法，其中所述导电涂层材料具有至少大约10西门子/米的导电率。
11.根据条款9所述的方法，其中所述导电涂层材料具有至少大约104西门子/米的导电率。
12.根据条款9所述的方法，其中导电涂层材料被施加成一个或更多个层、大约0.001至0.003英寸的总厚度。
13.根据条款9所述的方法，其中所述导电涂层材料包含载体介质和导电掺杂材料。
14.根据条款13所述的方法，其中所述导电涂层材料是选自由如下材料构成的组的一种材料：铟锡氧化物溶液、碳纳米管、金属纳米线、半导体纳米线、碳黑、石墨烯和本征导电聚合物。
15.根据条款9所述的方法，其中所述复合材料结构限定燃料环境。
16.一种包括碳纤维增强塑料部件的复合材料结构，该碳纤维增强塑料部件具有至少一个暴露的纤维表面以及被施加在所述至少一个暴露的纤维表面之上的导电涂层材料。
17.根据条款16所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料具有至少大约10西门子/米的导电率。
18.根据条款16所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料具有至少大约104西门子/米的导电率。
19.根据条款16所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料具有大约0.001至0.003英寸的总厚度。
20.根据条款16所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料包含导电掺杂材料和载体介质，所述导电掺杂材料选自由如下材料构成的组：铟锡氧化物溶液、碳纳米管、金属纳米线、半导体纳米线、碳黑、石墨烯和本征导电聚合物。
虽然参照某些示例性实施例已经描述了本发明，不过这些实施例是为了说明的目的而不具有限制性。本领域的技术人员应当理解可以做出各种变化并且等价物可以替代这些实施例的元件，而不脱离本发明的范围。此外，许多改进可以被做出以使得本文的教导适应于具体情形而不脱离本发明的范围。因此，权利要求不局限于本文公开的具体实施例。在权利要求中提出的方法权利要求不应该被解释为要求所叙述的那些步骤按字母顺序(在权利要求中使用字母顺序的目的只是为了参考之前所叙述的步骤)或者按所叙述的顺序执行，也不应该被解释为排除在至少所述步骤之一的期间的一部分期间同时地被执行的两个或更多个步骤中的任何部分。

Claims (13)

1.一种用于减轻在复合材料结构的碳纤维增强塑料部件中的暴露的纤维表面(303)处的边缘辉光的方法，所述方法包含：在所述暴露的纤维表面之上施加导电涂层材料(308)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电涂层材料(308)具有至少大约10西门子/米的导电率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电涂层材料(308)具有至少大约104西门子/米的导电率。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述导电涂层材料(308)被施加成具有大约0.001至0.003英寸总厚度的一个或更多个层。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述导电涂层材料(308)被施加成具有大约0.002英寸厚度的一层。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述导电涂层材料(308)包含导电掺杂材料(310)和载体介质(312)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述导电掺杂材料(310)是选自由如下材料构成的组的一种材料：铟锡氧化物溶液、碳纳米管、金属纳米线、半导体纳米线、碳黑、石墨烯和本征导电聚合物。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步包含步骤：
选择所述载体介质(312)；
选择所述导电掺杂材料(310)；
将所述载体介质和掺杂材料结合以形成所述导电涂层材料(308)。
9.一种包括碳纤维增强塑料部件的复合材料结构，该碳纤维增强塑料部件具有至少一个暴露的纤维表面(303)以及被施加在所述至少一个暴露的纤维表面之上的导电涂层材料(308)。
10.根据权利要求9所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料(308)具有至少大约10西门子/米的导电率。
11.根据权利要求9所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料(308)具有至少大约104西门子/米的导电率。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料(308)具有大约0.001至0.003英寸的总厚度。
13.根据权利要求9至11中的任一项所述的复合材料结构，其中所述导电涂层材料(308)包含导电掺杂材料(310)和载体介质(312)，所述导电掺杂材料选自由如下材料构成的组：铟锡氧化物溶液、碳纳米管、金属纳米线、半导体纳米线、碳黑、石墨烯和本征导电聚合物。
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