CN105584616A - 使用集成雷电防护层的复合材料制备舱板的方法及其舱板 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种使用集成有雷电防护层的复合材料制备舱板的方法，其包括带导电层的条带。该方法特征在于其包括自动设置所述条带的步骤，所述条带(30、30’)宽度小于20mm，并且分成彼此平行且沿着第一设置方向设置的第一系列条带(30)和彼此平行且沿着与第一设置方向相交的第二设置方向设置的第二系列条带(30’)。本发明还旨在提供一种根据所述方法制备的由复合材料制成的舱板。

Description

使用集成雷电防护层的复合材料制备舱板的方法及其舱板
技术领域
本发明涉及一种使用集成雷电防护层的复合材料制备舱板的方法以及根据所述方法使用复合材料制成的舱板。
背景技术
已知的是，飞机机身包括并置的舱板或金属板材。在遭遇雷击的情况下，以法拉第笼的形式，该金属机身形成对设置在内部的元件(尤其是连接至飞机机身的电气系统)的保护，并且允许电流从机身前端流向后端。
为了减轻飞机的质量，机身舱板由复合材料制成，尤其是用CFRP或CRP(碳纤维加强的聚合物或碳纤维加强的塑料)型的碳纤维加强的复合材料。
复合材料制成的该舱板通过在模具上设置多层通常预浸润在支撑装置上的碳纤维而获得。一旦设置了所有层，随后使舱板进行固化或聚合。
除了质量增益之外，这种类型的复合材料具有良好的机械属性、不会腐蚀并且抗疲劳性能。
然而，与铝合金制成的金属舱板相反，复合材料制成的这些舱板具有弱导电性。
因此，需要向复合材料制成的这种舱板添加防雷电保护，称为LSP(雷电保护)。
这种雷电防护通常在固化或聚合之前进行，或者在设置纤维层之前直接位于模具上，或者在设置纤维层之后。
如图1B中所示，机身的舱板10包括沿着第一方向X的第一曲率半径以及沿着第二方向Y的第二曲率半径。
下文中，方向X对应于飞机的纵向(其从前向后延伸)，而方向Y对应于垂直于纵向X的横切方向。
复合材料制成的舱板10包括雷电防护层12。
根据一个实施方式，雷电防护层包括导电层(金属网、导电环氧树脂覆盖层或金属片)、支撑层和树脂薄膜。
根据一个操作方式，碳纤维层设置在第一位置处。随后，通过手动并置雷电防护条带14，而将雷电防护层设置在第二位置处。这些条带设置在单一方向上，并且边缘重叠以确保电连续性。
条带14在辊筒中切割，并且宽度可以达到900mm。
该操作模式能够控制将条带设置在具有曲率半径、甚至两个曲率半径的表面上，例如飞机机身舱板。
为了提高生产率，一种方案包括自动设置雷电保护条带。
第一方案包括使用ATL(“自动铺带”)型的自动铺设机。这种类型的机器能够设置宽度在150和300mm之间的条带。这种类型的机器能够确保条带边缘重叠，以确保电连续性。但是，其仅能用于将条带设置在平坦的支撑装置上，这并不是机身舱板的情况。即使能够预想将纤维层和雷电防护条带设置成平坦状，随后整体变形以获得弯曲舱板，但是在变形之后不再能够确保条带之间的电连续性。
第二方案包括使用AFP(“自动纤维设置”)类型的纤维设置机。这种类型的机器能够将条带设置在弯曲表面上，诸如机身舱板。但是，这种类型的机器仅能设置宽度不超过2英寸、约5cm的条带。
如图2中所示，雷电防护层包括设置在机身舱板10上的多根条带16，彼此平行并且沿着方向X设置。条带16的宽度不超过2英寸，以便于能够自动地设置在弯曲表面上。该情况下，沿着方向X的导电性与沿着方向Y的导电性不同(当导电性表达为单位面积的m欧姆时，比例为10)。这两个值之间的差值之大，减小了雷电防护的效率。此外，其不确保保护以该方式制备机身的飞机中的电气系统。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供了一种方案，能够自动设置雷电防护条带，同时在舱板的所有方向上具有导电性，足以传导在雷电袭击时产生的电流。
为此，本发明旨在提供一种使用集成雷电防护层的复合材料制备舱板的方法，其包括具有导电层的条带，所述方法特征在于其包括自动设置所述条带的步骤，所述条带宽度小于20mm并且分成彼此平行且沿着第一设置方向设置的第一系列条带以及彼此平行且沿着与第一设置方向相交的第二设置方向设置的第二系列条带。
该方法能够通过使用例如AFP类型的纤维设置机，而自动设置条带在包括至少一个曲率半径的表面上，同时在符合航空规定的所有方向上具有导电性。
优选地，第一设置方向和第二设置方向限定了呈平行四边形的图案。
根据一些结构，对于两个条带系列中之一，条带设置成边缘重叠。
根据其他结构，两个条带系列中的条带设置具有间隔。
根据一个优选实施方式，第一系列条带彼此的间距等于其宽度，而第二系列条带彼此的间距等于其宽度的四倍。该方案能够在导电性和雷电防护总体之间获得极好的折衷。
根据一个变化方案，第一设置方向和第二设置方向彼此垂直，并且一个设置方向平行于飞机的纵向。
根据另一变化方案，第一设置方向和第二设置方向限定呈菱形图案，其中一条对角线平行于飞机的纵向。
优选地，制备飞机机身舱板的方法包括将纤维设置在装置的凸起的设置表面上的第一步骤以及将雷电防护条带设置在同一装置的最后一层纤维上的第二步骤。
本发明还旨在提供一种复合材料制成的舱板，其集成有雷电防护层，包括带导电层的条带。该舱板其特征在于条带宽度小于20mm，并且分成彼此平行且沿着第一设置方向设置的第一系列条带以及彼此平行且沿着与第一设置方向相交的第二设置方向设置的第二系列条带。
优选地，第一设置方向和第二设置方向限定了呈平行四边形的图案。
根据一些结构，对于两个条带系列中之一，条带设置成边缘重叠。
根据其它结构，两个条带系列中的条带设置具有间隔。
根据一个优选实施方式，第一系列条带彼此的间距等于其宽度，而第二系列条带彼此的间距等于其宽度的四倍。
根据一个变化方案，第一设置方向和第二设置方向彼此垂直，并且一个设置方向平行于飞机的纵向。
根据另一变化方案，第一设置方向和第二设置方向限定呈菱形图案，其中一条对角线平行于飞机的纵向。
附图说明
参考随附附图，根据本发明的说明书，其它特征和优点将变得明显，所述说明书仅作为实例给出，在附图中：
图1A是飞机的透视图，
图1B是飞机机身舱板的透视图，
图2是根据现有技术覆有雷电防护条带的机身舱板的一部分的顶视图，
图3A至3E是示出本发明的根据不同结构、覆有雷电防护条带的机身舱板的部分的顶视图，
图4A至4D分别是示出图3A至3D中所示的舱板的部分的表面在经受雷击之后的视图，以及
图5是示出本发明的优选结构、覆有雷电防护条带的机身舱板的一部分的顶视图，
图6是根据图5所示的结构的覆有雷电防护条带的机身舱板的透视图，
图7是图6的面板的横截面视图。
具体实施例
如图6和7中所示，复合材料制成的舱板20包括浸润在树脂基质中的纤维。
根据该情况，树脂是热固性或热塑性树脂。纤维可以是玻璃纤维、碳纤维等。
根据一个实施方式，复合材料制成的舱板20是CFRP型(“碳纤维加强聚合物”)，并且包括碳纤维。
根据一个操作模式，预浸润树脂的纤维层设置在平坦支撑装置上，以便于获得纤维预成型。随后，该预成型在包括几何形状与希望获得的舱板相同的表面的装置上进行变形。
根据另一操作方式，AFP型纤维设置机用于将纤维束设置在包括几何形状与希望获得的舱板20相同的设置表面24的装置22上(图7中可见)。
纤维束包括至少一根纤维。一般，其包括多条纤维，呈细带状，宽度小于20mm。根据一个结构，束宽度为3.2mm、6.32mm或12.7mm。
当然，本发明不局限于这两种设置纤维的操作方式。优选地，纤维重组成层，彼此重叠以获得纤维预成型26，其中一层包括一个折叠或者重叠的折叠或重叠的束。
复合材料制成的舱板20包括雷电防护层28。
根据这些变化方案，雷电防护层28再设置在最后一层纤维上，在设置纤维层之前直接位于设置表面上或者插入两层纤维层之间。
根据一个优选实施方式，纤维设置在凸起的设置表面上，其对应于机身舱板的内表面(定向朝向飞机内部)，并且将雷电防护层28设置在最后一层纤维上。同样，雷电防护层28设置在机身外表面处。
根据另一实施方式，在首层纤维之前设置雷电防护层28，以便于设置在机身内表面上。
雷电防护层28包括至少一层导电层，诸如金属网、分离或未分离的金属片、拉伸的金属片。
根据一个实施方式，雷电防护层28包括导电层、支撑层和树脂薄膜。由于这些元件类似于现有技术的雷电防护元件，因此不再详述。
雷电防护层包括多个条带30、30’。每个条带具有平行的两边，并且间距等于条带的宽度。
根据本发明，每个条带的宽度小于20mm。优选地，条带30、30’的宽度数量级为3.2mm、6.32mm或12.7mm。
该宽度允许通过使用AFP型的纤维设置机器而自动设置条带位于包括至少一个曲率半径、甚至两个曲率半径的表面上，例如机身舱板或飞机机翼。
每个条带30、30’包括至少一层导电层。优选地，其包括与雷电防护层相同的重叠的层或薄膜。
根据本发明的特征，如图3A至3E中所示，雷电防护层28包括彼此平行且沿着第一设置方向L1设置的第一系列条带30，以及彼此平行且沿着与第一设置方向L1相交(因而不平行)的第二设置方向L2设置的第二系列条带30’。
第一设置方向L1平行于第一系列条带30的边。
第二设置方向L2平行于第二系列条带30’的边。
该结构允许在舱板的所有方向上的航空规定设定的阈值的导电性。
根据图3A至3D中所示的变化方案，第一设置方向L1和第二设置方向L2垂直。
有利的是，第一设置方向L1平行于飞机纵向X，而第二设置方向L2平行于横切方向Y。
在飞机机身舱板的情况下，第一系列条带30的第一设置方向L1平行于舱板的第一曲率半径，而第二系列条带30’的第二设置方向L2平行于舱板的第二曲率半径。该设置简化了条带的设置。
根据图3A中所示的第一结构，第一系列条带30设置为边对边且不间隔开，而第二系列条带30’设置为边对边且不间隔开。
根据图3B中所示的第二结构，第一系列条带30设置为边对边且不间隔开，而第二系列条带30’设置为间隔开且并非边对边。根据该第二结构，第二系列条带30’的间距等于其宽度。
根据图3C中所示的第三结构，第一系列条带30和第二系列条带30’间隔开，并且设置为并非边对边。根据该第三结构，第一系列条带30和第二系列条带30’间距等于其宽度。
根据图3D中所示的第四结构，第一系列条带30和第二系列条带30’间隔开，并且设置为并非边对边。根据该第四结构，第一系列条带30彼此的间距等于宽度，而第二条带系列彼此的间距等于宽度两倍。
图4A至4D中，示出了采取上述每种结构的雷电防护层保护的表面。
对于第一和第二结构，可以发现保护了舱板表面整体。
对于第三结构，可以发现未保护区域32，其直径最大为3至4mm。对于第四结构，可以发现未保护区域34，其直径最大为10mm。同样，在这种舱板上可能遭受雷电袭击的区域小于4000mm2。
两个系列的条带30、30’的厚度较薄，小于0.3mm，优选为0.1mm。
同样地，在至少一个系列的条带30和/或30’间隔开的情况下，表面的缺点对于机身舱板的再加工和图案的施加而言是可接受的。
根据图5中所示的优选结构，第一系列条带30和第二系列条带30’间隔开，并且设置边不对边。根据该优选结构，第一系列条带30彼此的间距等于其宽度，而第二条带系列彼此的间距等于其宽度的四倍。优选地，第一系列条带30沿着平行于飞机纵向X的第一设置方向设置，而第二系统条带30’沿着平行于横切方向(或者垂直于第一设置方向)的第二设置方向设置。作为实例，每个条带30、30’的厚度为18μm，并且浸渍在厚度45μm的树脂内。
该结构能够在导电性和雷电防护总体之间获得最好的折衷。
同样地，根据该优选结构，由沿着纵向X获得每单位面积2m欧姆的导电性，而沿着方向Y获得每单位面积5m欧姆的导电性(在根据现有技术手动设置大条带的情况下，分别是每单位面积1和4m欧姆，并且质量为160g/m2(在根据现有技术手动设置大条带的情况下为273g/m2)。
根据图3E中所示的另一变化方案，第一系列条带30沿着方向L1定向，而第二系列条带30’沿着第二方向L2定向，以便于限定菱形图案。优选的，菱形的一条对角线平行于飞机的纵向X。
优选地，第一系列条带30沿着方向L1定向，而第二系列条带30’沿着第二方向L2定向，以便于限定平行四边形图案。以图3A、3B、3C、3D和5中所示的结构，对于菱形结构，每个系列的条带设置边对边，或者或多或少地间隔开。
根据一个运作模式，两个系列的条带30、30’通过使用AFP型的纤维设置机而设置在合适的位置。
条带30、30’自位于支撑轴上的卷轴起编织，并且直至纤维设置机的设置头部。
有利的是，纤维束和条带通过使用相同的纤维设置机而设置在相同的装置上。该方案能够使制备舱板的方法合理化。同样地，不再需要移动第一装置的纤维预成型直至所配置的第二装置，以设置雷电防护层。
此外，舱板平面的每个方向上的导电性的值差别较小，在根据本发明的方法的设置纤维层的不同结构中，雷电防护层更有效。
在设置纤维和雷电防护层之后，装置整体固化或者聚合，以便于获得由集成雷电防护层的复合材料制成的舱板。

Claims (15)

1.一种使用集成雷电防护层的复合材料制备舱板的方法，其包括具有导电层的条带(30、30’)，其特征在于，所述方法包括自动设置所述条带的步骤，所述条带(30、30’)的宽度小于20mm并且分成彼此平行且沿着第一设置方向(L1)设置的第一系列条带(30)以及彼此平行且沿着与第一设置方向(L1)相交的第二设置方向(L2)设置的第二系列条带(30’)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一设置方向(L1)和第二设置方向(L2)限定平行四边形的图案。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两个系列条带中至少一个系列条带(30、30’)设置成边对边。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两个系列条带(30、30’)间隔开。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一系列条带(30)彼此的间距等于其宽度，而第二系列条带(30’)彼此的间距等于其宽度的四倍。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，第一设置方向(L1)和第二设置方向(L2)垂直，并且两个设置方向(L1、L2)中的一个设置方向平行于飞机的纵向(X)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，第一设置方向(L1)和第二设置方向(L2)限定菱形图案，其中菱形的一条对角线平行于飞机的纵向(X)。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，其包括将纤维设置在装置(22)的凸起的设置表面(24)上的第一步骤以及将雷电防护条带(30、30’)设置在同一装置的最后一层纤维上的第二步骤。
9.一种使用集成雷电防护层的复合材料制备的舱板，其包括具有导电层的条带(30、30’)，其特征在于，条带(30、30’)的宽度小于20mm并且分成彼此平行且沿着第一设置方向(L1)设置的第一系列条带(30)以及彼此平行且沿着与第一设置方向(L1)相交的第二设置方向(L2)设置的第二系列条带(30’)。
10.根据权利要求9所述的舱板，其特征在于，第一设置方向(L1)和第二设置方向(L2)限定平行四边形的图案。
11.根据权利要求9或10所述的舱板，其特征在于，两个系列条带中至少一个系列条带(30、30’)设置成边对边。
12.根据权利要求9或10所述的舱板，其特征在于，两个系列条带(30、30’)间隔开。
13.根据权利要求12所述的舱板，其特征在于，第一系列条带(30)彼此的间距等于其宽度，而第二系列条带(30’)彼此的间距等于其宽度的四倍。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的舱板，其特征在于，第一设置方向(L1)和第二设置方向(L2)垂直，并且两个设置方向(L1、L2)中的一个设置方向平行于飞机的纵向(X)。
15.根据权利要求9至13中任一项所述的舱板，其特征在于，第一设置方向(L1)和第二设置方向(L2)限定菱形图案，其中菱形的一条对角线平行于飞机的纵向(X)。
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