CN107107493A - 用于安装在由复合材料制成的部件的表面上的导电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电装置（11），用于在由复合材料制成的结构件（15）的表面上形成电连接。导电装置包括：一个薄的界面层（13），其具有一个面，导电装置经由所述面固定到由复合材料制成的结构件（15）的表面；一个金属的导电元件（12），其放置在薄的界面层（13）的且与接触所述结构件（15）的表面的面相对的面上，金属的导电元件经构造以能够经受拉伸应力和压缩应力而不会损坏；以及一个保护层，其经构造以保护金属的导电元件（12）免受结构件（15）周围的环境的损害。布置以上各种元件，使得金属的导电元件（12）的长度能够根据温度而变化，而不取决于安装有导电装置的结构件的变化幅度。

Description

用于安装在由复合材料制成的部件的表面上的导电装置

技术领域

本发明涉及构件的一般领域，所述构件使得如电缆、金属编织物或金属箔条的导电元件能够集成到由复合材料制成的部件或结构件的表面上以产生电连接。

本发明还涉及这种结构件的完整性检查的领域以及撞击结构件的表面之后的损坏检测的领域。

背景技术

如今，非金属材料（复合材料、塑料等）在例如飞行器元件结构件的某些结构件中的集成越来越显著。应用此类材料的目的是相对于由金属制成的类似结构件，降低此类结构件的重量以及制造成本。

然而，这类替代材料产生了与所使用的复合材料的低导电性相关，或者甚至导电性缺失相关的问题。

因此，此类材料不能确保足够的可产生电连接的导电性，电连接确保如飞行器中电流返回的功能。为了克服这种功能缺陷，通常需要在复合结构件的表面上安装导体和元件，这些元件确保将这些导体固定到结构件上并且将这些导体与相邻结构件承载的导体互连。

然而，这种解决方案使得集成有结构件的设备在重量方面比较笨重，或生产时间较长。这些缺点在处理飞行器结构件时特别显著。

而且，将标准导电元件与由复合材料制成的结构件组装还可能产生施加在导电元件上的机械应力，这里的标准导电元件例如单片导体（如金属线或金属条）或例如是由一维布置的多个导体而形成的导体（如多股式电缆）。当结构件受到显著变化的温度时，组成其的各种元件的材料发生差异性膨胀，由此产生应力。例如，民用飞行器的结构件经受的温度从-45℃至+70℃的温度，或空间发射器的结构件经受的温度从-60℃至+200℃。不一定具有平面形状的结构件上安装导体也会较小程度地产生应力。

此外，这种替代材料也引起与结构件的完整性检查相关的问题。实际上，当复合材料结构件而遭受“低能量”冲击（例如是由工具掉落引起）时，由撞击引起的内部损坏可能明显地降低结构件的机械性能，即使通过简单的视觉检查，也几乎无法检测到这种损坏，这与金属结构的情况相反。

然而，迄今尚不存在任何已知的解决方案，使得可将导电元件直接集成到复合结构件中，同时限制施加在导体上的机械应力并且使得通过简单的视觉检查可注意到结构件的表面上可能存在冲击区，所述应力是在复合结构件热负荷时由其收缩或拉伸而产生的。

而且，设计部门会考虑复合材料结构元件的抗冲击性，但是仅考虑机械强度的要求，导致了结构件的尺寸过大。尺寸过大的目的是加强这些结构元件对冲击的抵抗性，但尺寸过大不允许对可能受到的低能量冲击而损坏的结构元件进行明确的视觉检测。

本概念旨在克服这些缺点。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种解决方案，使得导电元件能够安装在非导电结构件的表面上，而此安装不会产生上述缺陷。

为此目的，本发明的主题是在复合材料制成的结构件表面上建立电连接的导电装置，其包括以下元件：

-一个厚度薄的界面层，其具有一个面，导电装置经由所述面固定到复合材料结构件表面上；

-一个金属的导电元件，设置在界面层的且与接触结构件的表面的面相对的面上，所述金属的导电元件经构造以能够经受压缩应力和伸展应力而不会损坏；

-一个保护层，其经构造以保护导电元件免受结构件周围的介质的损害。

根据本发明，以上各种元件相对于彼此配置，配置方式使得导电元件的长度能够根据可影响界面层和保护层的长度的变化而变化。

根据可选地结合使用的各种规定，根据本发明的导电装置可具有不同的互补特征。因此：

根据本发明导电装置的一个特征，保护层由一个覆层组成，所述覆层覆盖导电装置的与外部介质接触的部分，所述覆层与界面层界定容纳有导电元件的一个内部空间。

根据另一个特征，保护层通过应用于导电元件上的表面处理形成。

根据另一个特征，界面层由复合材料或弹性体制成。

根据另一个特征，保护层由弹性体制成。

根据另一个特征，保护层由复合材料制成以在低能量冲击的情况下在冲击区中呈现出观察者可观察到的变形。

根据另一个特征，导电元件为金属编织物。

根据另一个特征，导电元件为一组叠加的箔片材料。

根据另一个特征，界面层和保护层由复合材料制成，装置的制造包括一个预聚合操作，使得在制造结束时，所述装置呈半成品柔性产品的形式，所述半成品柔性产品的完全聚合可在将装置安装在复合材料制成的结构件上之后进行。

根据另一个特征，界面层由弹性体制成，装置的制造包括一个硫化操作，使得在制造结束时，所述装置呈柔性产品的形式，可通过适当的组装方式将所述柔性产品安装在复合材料制成的结构件上。

本发明能够使电流或信号尽可能靠近所关注结构件来循环，同时确保冲击被展现，并且限制热机械负荷或安装于非平面结构件期间产生的机械应力。本发明有利地适用于任何复合材料或塑料部件，更具体地适用于飞行器或发射器的组成元件。

附图说明

通过基于附图的以下说明可更好地理解本发明的特征和优点：

-图1是根据本发明的装置的一种实施例的从上方看的纵向视图；

-图2是图1的实施例的横向立体图；

-图3是根据本发明的第一实施方式的装置的局部细节视图；

-图4是根据本发明的第二实施方式的装置的局部细节视图；

-图5是根据图4的本发明的实施方式的装置的立体视图，其中保护性覆层被部分纵向切除；

-图6是根据图4和图5的实施方式的本发明装置的结构特性的示意图。

具体实施方式

根据本发明的装置11以以下元件组成的半成品的形式呈现：

-具有给定的横截面的导电元件12；

-绝缘材料制成的界面层13，其上放置有导电元件12；

-形成保护的表面覆层14，其覆盖装置11与外部介质直接接触的外表面的部分。

本发明装置的整体呈厚度相对于长度较小的导电条的形式，所述厚度主要取决于导电元件12的横截面。

这里，半成品理解为将装置11设想为不单独使用，而是如图1和图2所示，与功能基本上互补的支撑性结构件15从电学观点角度集成。结构件15例如是复合材料元件，如飞行器的结构元件。

用于固定到复合的结构件15上的装置11的界面层13的面设计为，根据本发明的装置11一旦生产可通过任何适当的方式固定到复合的结构件15的表面上、通过冷胶或热胶固定到已制造的结构件15上、或者通过此结构件的制造期间的表面集成固定。

根据本发明，导电元件是相对于其横截面，导电元件长度较长的金属元件，并且经构造和配置以能够经受由温度变化而产生的伸长或收缩所必须承受的机械应力并不被损坏。

为此目的，导电元件优选地由如图4所示的金属编织物组成，或由金属箔片叠加形成的导体组成，或者由如图3所示的导线并置组成。然而，导电元件还可替代地由其他导电元件组成，例如为此目的而配置于界面层13上的多股式电缆（铜、铝等）。

材料制成的界面层13使得能够将装置11与结构件15连接，同时隔离复合材料的导电元件12（编织物或电缆），从而避免可能出现在复合材料（特别是基于碳纤维的材料）与构成导电元件12的材料（特别是铝）之间的电耦合问题。

进一步有利地，材料制成的界面层将形成装置11的导体12与可能位于其附近或与其交叉的另一导体分开，因此保护导体12免受干扰元件的影响并确保与周围元件维持电磁兼容性（EMC）。

根据形成结构件15的复合材料的性质和机械特性，界面材料层13可由呈现出给定的机械特征和/或温度行为特征的弹性体材料组成，或者由一层或多层复合材料组成，所述复合材料根据其电绝缘特征或者其与构成结构件15的复合材料的温度行为的相似性来选择，所述结构件15上安装有装置11。

就保护层14而言，其能够保护导电元件12免受外部环境造成的各种损害（磨损、腐蚀等）。

因此，根据一种实施方式，如图3和图4的局部视图更具体地所示，保护层14可由一个实际的覆层组成，该覆层由弹性体材料或复合材料制成，所述覆层与界面层13一起界定一个容纳有导电元件的空间，界定方式使得导电元件长度增加或收缩时不受到限制。

在图3的范围内，导电元件由多根电线构成，所述电线设置在由覆层14和界面层13界定的空间中。

在构成根据本发明装置的优选实施方式的图4的情况下，导电元件12由金属编织物组成。

或者，覆层14可通过简单化学表面处理（沉积或上清漆）构成导电元件12的材料形成，然后导电元件12通过与界面层13接触的面而固定到界面层13。

此外，还可为表面覆层14选择特定类型的应用，以由于其性质和厚度使得能够展现结构件15使用过程中受到的撞击。在此情况下，覆层14由能够因撞击（尤其因低动能撞击）而在冲击区（标记表面冲击）变形的材料组成。为此目的，覆层14可由相对薄的层状刚性材料层组成，例如涂布有树脂的玻璃或涂布有树脂的复合材料层。

应注意，将导电元件12（编织物、箔片或电缆）与其他电元件连接可有利地通过现有连接件实现，并且这将使适应材料（铝、铜等）、环境（认证、现有连接等）及需求（根据电流强度的变化而变化的横截面等）成为可能。

如上文所述，根据本发明的装置具有许多优点。因此：

-根据本发明的装置能够免除在结构件15的表面上保持导体所需的固定元件，从而能够有利地腾出空间，并且减轻重量且节省安装时间。将用于将导体12保持在载体结构件上的元件去除，能够有利地为所有制造并装配的结构件显著减少装配导体的参考件的数量。

-根据本发明的装置还能够限制固定有导电元件12的复合材料制成的的结构件15可能施加在导电元件12上的机械应力，通过尤其使导电元件12根据温度变化而伸长或收缩，复合材料制成的结构件15在相同温度变化的作用下不会随之发生的相应收缩或膨胀运动，或者根据尤其与将装置安装在复合材料制成的结构件15上相关的机械应力而伸长或收缩。通过根据导电元件的结构（尤其编织物41的可弯曲性，或各种导线31的滑动或对相互叠加的箔片的滑动）以及导电元件12在装置内的配置进行作用，可能有利地在此处实现施加在导体12上的机械应力进行限制。

-在以这种意图（复合材料层）制造覆层14的情况下，根据本发明的装置进一步能够通过视觉检查来展现显示存在小于30 J的低能量撞击（工具掉落等）的冲击，所述冲击可能通过形成导电元件12的编织物或金属箔片的变形以及保护层14的断裂和/或损坏而影响复合材料制成的结构件15。

-根据本发明的装置进一步能够增强对低能量撞击期间冲击能量的吸收能力，界面层13的材料和导电元件12的结构有助于吸收冲击能量。因此，可调整对导电元件12进行支撑的结构件15的尺寸，以优化装置11在结构件中的集成，从而减轻重量并且更容易在组装线外集成装置11。

根据本发明的装置还能够以有利的方式维持标准连接，以将安装在结构件上的导电元件连接到其他结构件的导电元件上。

根据本发明的装置进一步能够通过叠加层来叠加多个导体，从而在同样小的体积下，大大增加可传输的电信号和/或所传送的电力的量。以类似的方式且为了达到相同的目的，根据本发明的装置还能够并置几个导体，每个导体与其相邻的导体电绝缘并机械分离。

图5和图6示出了根据本发明的装置的示例性实施方式的有利的机械特性，所述装置包括一个界面层13、一个由金属编织物组成的导电元件12、以及一个由材料层组成保护层14。保护层14与界面层13一起界定容纳有导电元件12的纵腔。在图5的图示中，起保护作用的层的表面被部分切除，以使导电编织物12可见。

因此导电编织物12定于装置11内形成装置11的部分，导电编织物12可自由地形成拉伸或压缩位置而不会遭受损坏，压缩或拉伸的位置例如是由温度变化引起的。

图6示出了证明根据本发明的装置的优点的各种构造。

视图6-a以示意性方式表示了在环境温度下的情况，在所述情况下编织物的长度和结构件的长度原则上彼此适应。

视图6-b表示结构件15和编织物12在温度升高的作用下膨胀的情况。结构件15沿着编织物的轴线的膨胀基本上等于构成编织物（金属）的材料的膨胀。在此情况下，编织物仅通过其网格单元的变宽而长伸长度，所述伸长本身吸收金属膨胀的影响。

视图6-c表示结构件15和编织物12在温度升高的作用下膨胀的情况。结构件15沿着编织物的轴线的膨胀小于构成编织物（金属）的材料的膨胀。在此情况下，编织物12同时长度伸长并压缩，长度伸长部分地吸收金属膨胀的影响，而这种压缩体现为网状单元的变窄，并且该压缩使编织物12吸收而结构件15的复合材料与构成其的金属之间的膨胀间隙且不造成损坏。通过根据本发明的装置的结构件内的编织物12可获得的相对移动自由度，可有利地实现此变窄的变化。

视图6-d表示在温度降低的作用下结构件15和编织物12已收缩的情况。在此情况下，根据编织物12的金属的收缩的程度与结构件15的复合材料的收缩的程度是否相似，构成编织物12的金属收缩和/或压缩，其中收缩导致编织物12的长度缩短；压缩表现为网格单元的变窄。

因此，通过使用根据本发明的装置，导电元件12与复合结构件15连接的同时能够使其尺寸适应膨胀和收缩，所述膨胀和收缩因温度变化而造成，但不取决于结构件本身所历经的变化。

从实现的角度讲，根据本发明的装置构成的半成品形成一种制造方法的主题，所述方法主要包括以下步骤：

-第一步，生产界面层，此界面层从电学观点上是绝缘的，且根据所寻求的机械特性，由复合材料（玻璃纤维）或者聚合物材料（弹性体、聚酰胺等）制成；

-第二步，将导电元件（例如金属箔的网或条）集成到界面层上；

-第三步，安装保护层，此层根据所寻求的机械特性，可呈由聚合物材料制成的保护膜的形式，或者呈由复合材料制成的层的形式。

应注意，根据用于形成界面层和保护层、复合材料层或聚合物材料层的材料，聚合或硫化操作可在第二步或第三步完成后进行。

因此，如果界面层和保护层由复合材料制成，则聚合操作可在第三步骤完成后进行。在此情况下，根据是否希望装置保持柔性结构，聚合可为部分聚合（预聚合）或完全聚合。

因此，如果界面层和保护层由弹性体材料制成，则硫化操作可在第三步完成后进行。

因此，如果界面层由复合材料制成且界面层由弹性体材料制成，则聚合操作可在第二步完成后进行，并且硫化操作可在第三步完成后进行。

还应注意，在根据本发明的装置的制造过程中发生的聚合和/或硫化操作过程中，在某些情况下，界面层13和/或保护层14可能与导电元件12的表面粘附，这种粘附可能以不利的方式限制导电元件12的自由移动。因此，为了防止这种粘附，可插入防止导电元件的表面与界面层和保护层直接接触的隔离层。此隔离层可例如由覆盖导体的适当材料的膜组成，或者通过对导电元件的表面进行适当处理形成。

应进一步注意，安装保护层的第三步可包括对导电元件进行表面处理、对与外部介质接触的装置的表面进行化学处理或沉积保护性清漆。在此情况下，可在将装置安装在复合材料制成的结构件15上的同时进行第三步。

在完成上述步骤后，如此获得的半成品可配备有适合的连接。

如此生产的装置形成包围覆盖导电元件的导电结构件，此结构件构成可保存且随后用于制造集成有表面电导体的复合结构件的半成品。

根据组装在制造复合材料部件时进行还是在制造之后进行，将根据本发明的装置11安装到复合材料制成的结构件15并将其固定到所述结构件可通过各种手段进行。

因此，使用界面层由预聚合的复合材料或弹性体材料制成的装置11例如能够在生产复合材料制成的结构件15结束后，将根据本发明的装置组装到复合材料制成的结构件15上，然后完全聚合界面层13与聚合结构件15本身同时进行。聚合操作使得界面层粘附到复合材料制成的结构件，因此确保装置固定到结构件。

然而，将根据本发明的装置安装到复合材料制成的结构件上可进一步在分开完成两个元件的制造并且通过任何合适的已知手段组装之后进行，手段例如通过胶膜将装置11粘合到结构件15上。

应注意，制造根据本发明的装置，包括制造绝缘界面层113、导电元件12（编织物或箔）及展现冲击的保护层14，以及将装置固定到复合材料制成的结构件15，这些操作使用已知的且被证实的工艺（例如：RTM注塑、烘箱聚合、粘合、卷边等），而无工业风险（当前产品，非常广泛的方法）。

从以上说明中可看出，根据本发明的装置可有利地用于许多领域，例如飞行器（航空、航空航天）、火车、汽车的建造，或例如建筑行业，或电子封装制造，用于需要集成电功能与非导电结构件（塑料中的信号通路等）的应用。

根据本发明的装置可尤其用于生产上述领域中的结构元件或覆盖元件以替代现有系统。尤其在飞行器结构件领域中，根据本发明的装置可替代传统的ESN（“电结构网络”）网络，其由一组电缆、金属部件和夹持套环组成，并且能够减轻重量，节省组件的安装时间，从而降低成本。

Claims (5)

1.一种用于在复合材料制成的结构件（15）的表面上建立电连接的导电装置（11），包括：

-一个厚度薄的界面层（13），其具有一个面，所述导电装置经由所述面固定到所述复合材料制成的结构件（15）的所述表面上；

-一个金属的导电元件（12），设置在所述界面层（13）与接触所述复合材料制成的结构件（15）的所述表面的面相对的面上，所述金属的导电元件经构造以能够经受压缩应力和伸展应力而不会损坏；

-一个保护层，其经构造以保护所述金属的导电元件（12）免受所述复合材料制成的结构件（15）周围的介质的损害，

其特征在于，所述界面层由复合材料制成，所述导电装置的制造包括一个预聚合操作；或者所述界面层（13）由弹性体制成，所述导电装置的制造包括一个硫化操作；从而在制造结束时，所述导电装置（11）呈一个半成品柔性产品的形式，所述半成品柔性产品的完全聚合可在将所述导电装置（11）安装在所述复合材料制成的结构件（15）上之后进行。

2.根据权利要求1所述的导电装置，其特征在于，所述保护层（14）由一个覆层组成，所述覆层覆盖所述导电装置（11）的与外部介质接触的部分，所述覆层（14）与所述界面层（13）界定容纳有所述金属的导电元件（12）的一个内部空间。

3.根据权利要求1或2所述的导电装置，其特征在于，所述保护层由复合材料制成以在低能量冲击的情况下在冲击区中呈现出观察者可观察到的变形。

4.根据前述权利要求中任一项所述的导电装置，其特征在于，所述金属的导电元件（12）为一个金属编织物。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的导电装置，其特征在于，所述金属的导电元件（12）为一组叠加的箔片材料。