CN111926321A - 在基板上制造导电体的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了在基板上制造导电体的方法和系统。通过冷喷涂在基板上制造导电体的方法包括：使用气体推进剂推进包括铜和高定向热解石墨的固体粉末组合物，以及将固体粉末组合物以足以引起固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到基板上以在其上沉积导电体的速度引导至基板。

Description

在基板上制造导电体的方法和系统
技术领域
本申请涉及用于在基板上制造导电体的方法和系统以及由此形成的产品。
背景技术
大多数电气互连都是使用高导电率金属制成的，例如铜(6×107S/m)，其密度约为9g/cm3。期望能够用一种材料来代替铜，这种材料提供与铜一样好或比铜好但密度低得多的电性能。
因此，本领域技术人员继续进行导电体制造领域的研究和开发。
发明内容
在一个示例中，公开了通过冷喷涂在基板上制造导电体的方法，其包括：加热气体推进剂；使用加热的气体推进剂推进包括铜和高定向热解石墨的固体粉末组合物；以及将固体粉末组合物以足以引起固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到基板上的速度引导至基板以在基板上沉积导电体。
在一个示例中，公开了用于将涂层材料喷涂到基板上的系统，该系统包括光学传感器、控制器、第一调节器、加热器、第二调节器和致动器。光学传感器被定位以监测涂布到基板上的涂层材料的厚度。控制器与光学传感器通信，并且基于所测量的厚度，产生对应于待加热的气体推进剂的量的第一命令信号，对应于气体推进剂将被加热到的温度的第二命令信号，对应于在喷嘴中与加热的气体混合的固体粉末组合物的量的第三命令信号，对应于喷嘴与基板之间的距离的第四命令信号。第一调节器接收第一命令信号并提供与第一命令信号相对应的一定量的气体推进剂。加热器接收从第一调节器供应的一定量的气体推进剂，接收第二命令信号，并将气体推进剂加热到与第二命令信号相对应的温度。第二调节器接收第三命令信号并将与第三命令信号相对应的一定量的固体粉末组合物提供给喷嘴。致动器接收第四命令信号，并在与第四命令信号相对应的喷嘴和基板之间的距离处，沿着基板移动喷嘴。
在一个示例中，公开了冷喷涂产品，其包括基板和通过冷喷涂沉积在基板上的导电体。导电体包括铜基质和分散在铜基质中的高定向热解石墨薄片。
通过以下详细描述、附图和所附权利要求，公开的方法、系统和产品的其他示例将变得显而易见。
附图说明
图1是示出所公开的用于在基板上制造导电体的方法的一个示例的流程图。
图2是所公开的用于将涂层材料喷涂到基板上的系统的一个示例的示意图。
图3是所公开的冷喷涂产品的一个示例的透视图。
图4是飞机制造和服务方法的流程图。
图5是飞机的框图。
具体实施方式
图1是描述用于通过冷喷涂在基板302(图3)上制造导电体304(图3)的公开的方法100的一个示例的流程图。方法100包括加热(102)气体推进剂；使用加热的气体推进剂对包括铜和高定向热解石墨(HOPG)的固体粉末组合物进行推进(104)；将固体粉末组合物以足以促使固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到基板302上的速度引导(106)至基板302以在基板上沉积导电体304。通过将固体粉末组合物推进(104)并引导(106)至基板302的步骤，方法100通过铜和高定向热解石墨在基板302上沉积导电体304。
加热(102)气体推进剂的步骤促进将固体粉末组合物推进(104)到足够速度的步骤。气体推进剂在被加热时膨胀，因此，增加了气体推进剂的加速度，从而增加了固体粉末组合物的速度。此外，加热气体推进剂也加热了固体粉末组合物。加热固体粉末组合物有利于固体粉末组合物的塑性变形和粘附到基板302(图3)上以在基板上沉积导电体304(图3)。
可以以任何方式执行加热气体推进剂的步骤102。在示例中，通过使气体推进剂穿过热交换器来将气体推进剂加热到合适的温度。在一个示例中，将气体推进剂加热到450至535℃范围内的温度。如果将气体推进剂加热到高于535℃，则会对固体粉末组合物产生不利影响。特别地，高定向热解石墨的性能变差。而且，在基板上沉积导电体304(图3)的过程中，基板302(图3)可能变差。如果将气体推进剂未充分加热而低于450℃，则可能无法获得足够的气体推进剂速度，并且固体粉末组合物可能不会塑性变形并粘附在基板302上。
使用气体推进剂推进包括铜和高定向热解石墨的固体粉末组合物的步骤(104)可以以任何方式进行。在示例中，通过从诸如高压气体状态、液体状态或固体状态的高压状态释放气体推进剂来将气体推进剂加速至高的速度。在气体推进剂加速之前、之后或期间，将气体推进剂与固体粉末组合物混合以推动固体粉末组合物。
将固体粉末组合物以足以促使固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到基板302上的速度引导(106)至基板302(图3)以在基板上沉积导电体304(图3)的步骤能够以任何方式执行。在示例中，使用诸如德拉瓦尔喷嘴的喷嘴将固体粉末组合物引向基板302。塑性变形是在固体中引起永久变形的过程。塑性变形在固体中产生永久性改变而不会破裂，而破裂是由于施加了超出弹性极限的应力而导致的。在本说明书中，将固体粉末组合物以使固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到基板302上的足够的速度引导至基板302以沉积导电体304。通过经历严重的塑性变形，固体粉末组合物粘附到基板302上。
在示例中，固体粉末组合物以500m/s-1,000m/s的速度被引导向基板302。如果速度低于500m/s，则固体粉末组合物可能不会经历塑性变形并且可能无法适当地粘附至基板302(图3)。如果速度高于1,000m/s，则基板302可能在受到冲击时损坏。
根据本公开，固体粉末组合物包含铜和高定向热解石墨。铜可以包括纯铜、铜基合金或包括铜的任何合金。通过选择固体粉末组合物以包括铜，该固体粉末组合物在冲击基板302(图3)时可以经历塑性变形并且可以粘附至基板302。此外，铜有助于所得的高导电率的导电体304(图3)沉积在基板302上。
在示例中，铜材料的电流密度约为每平方厘米500安培(500A/cm2)，这使其成为高导电率基质材料的理想材料，尤其是在飞机维护、飞机维修和飞机寿命监控应用中。
高定向热解石墨(HOPG)是合成石墨的高纯度和有序形式。它的特点由国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)化学术语汇编，是一种热解石墨，其晶体的c轴的角展度小于1度。高定向热解石墨具有高导电率。通过选择固体粉末组合物以包括高定向热解石墨，从固体粉末组合物沉积在基板302上的导电体304具有高导电率。
在示例中，高定向热解石墨包括插层的高定向热解石墨，例如溴插层的高定向热解石墨。由于石墨的分层形式，可以在石墨层之间插入不同的原子或分子种类。将这种掺杂剂物质插入石墨的过程称为插层。高定向热解石墨的插层对于改变高定向热解石墨的性质是有效的。已经确定溴插层的高定向热解石墨适合于包含在本公开的固体粉末组合物中，因为溴插层的高定向热解石墨长时间保持稳定。
在示例中，铜颗粒的含量为55-65％重量。如果铜颗粒的含量小于55％重量，则高定向热解石墨将不会被完全捕获在铜基质306(图3)中，并且导电体304对基板302(图3)的粘附性将变差。如果铜颗粒的含量大于65％重量，则导电体304(图3)的总导电率降低并且导电体304的重量增加。
在示例中，铜颗粒的平均粒径在15μm至25μm的范围内。如果平均粒径小于15μm，则铜颗粒可能不会粘附至基板302(图3)。如果平均粒径大于25μm，则基板302可能会在受到冲击时损坏。
在示例中，固体粉末组合物中包括许多高定向热解石墨薄片，其含量为35-45％重量。如果高定向热解石墨薄片以小于35％重量的量包含在固体粉末组合物中，则导电体304(图3)的总导电率将降低并且导电体304的重量将增加。如果高定向热解石墨薄片以大于45％重量的含量包含在固体粉末组合物中，则导电体304对基板302(图3)的粘附性将变差。
在另一个示例中，高定向热解石墨薄片具有在5μm至25μm范围内的平均薄片直径。确定该范围对于导电体304的最大粘附性和最大导电率是最佳的。
气体推进剂是适合于推进固体粉末组合物的任何气体推进剂。在示例中，气体推进剂是惰性气体推进剂。通过选择气体推进剂作为惰性气体推进剂，可以避免固体粉末组合物与气体推进剂之间的化学反应。
在另一示例中，惰性气体推进剂具有大于17的原子序数。通过选择气体推进剂作为原子序数大于17的惰性气体推进剂，惰性气体具有足以推动固体粉末组合物的合适高的密度。举例来说，惰性气体推进剂包括氩气，其原子序数大于17并且是高清洁度惰性气体，因此与氦气或氮气相比，当固体粉末组合物冲击基板302时，导致较少的氧化或较少捕获的氧气。氩气或原子序数大于17的其他气体推进剂的使用还降低了由于引入不同的金属(例如，将铜颗粒引入金属基板)而引起腐蚀的可能性，并且通过避免氧化而使高定向热解石墨的导电率最大化。
在另一示例中，导电体304(图3)具有100μm-200μm的平均厚度TE。如果平均厚度TE小于100μm，则导电体304(图3)的导电率将降低。如果平均厚度TE大于200μm，则导电体304(图3)的重量将增加，并且由于包含高定向热解石墨而产生的增强的导电率效应将开始下降。
图2是可用于实现图1中描绘的方法100的系统200的一个示例的示意图。
如图2中所示，系统200包括光学传感器216、控制器218、第一调节器204、加热器206、第二调节器210和致动器214。系统200可以进一步包括第三调节器222、第四调节器226和第五调节器230。在不脱离本公开的范围的情况下，诸如附加调节器的附加组件可以包括在系统200中。
光学传感器216通过通信线250与控制器218通信。通信线250，如系统200中的所有通信线251、252、253、254、255、260、262，可以是有线或无线的。光学传感器216可以将指示涂布到基板302的涂层材料303的厚度TC的数据传送到控制器218。至少基于涂布到基板302上的涂层材料303的测量厚度TC和操作员的输入，控制器218产生命令信号以控制待加热的气体推进剂的量、气体推进剂要加热到的温度、在喷嘴212中与加热的气体混合的固体粉末组合物的量、以及喷嘴212与基板302之间的距离M。
第一调节器204通过通信线251与控制器218通信。第一调节器204的控制可以控制供应给加热器206的气体推进剂的量。
加热器206接收由第一调节器204供应的气体推进剂，并将气体推进剂加热到所需温度，如控制器218经由通信线260所指示的。
第二调节器210通过通信线252与控制器218通信。第二调节器210的控制可以控制引入气体推进剂中的固体粉末组合物的量。
致动器214通过通信线262与控制器218通信。由致动器214从控制器218接收的命令信号可以使喷嘴212相对于基板302移动。例如，致动器214可以移动喷嘴212以实现喷嘴212和基板302之间的期望的距离M。
因此，系统200可以实时控制方法100以提供均匀的结果。
系统200还可包括罐202，罐202被配置为存储将由第一调节器204供应的气体推进剂。在一个实施例中，罐202供应惰性气体推进剂。在示例性实施例中，罐202存储原子序数大于17的惰性气体推进剂(例如，氩气)。
第一调节器204包括将流体的输出压力或流量控制到期望值的任何压力或流量调节器。例如，第一调节器204包括阀。第一调节器204的输出压力或流量可以基于通过通信线251从控制器218接收的命令信号进行调整。
加热器206包括能够将气体加热到受控温度的任何加热器。加热器206的温度可以基于通过通信线260从控制器218接收的命令信号进行调整。在示例中，加热器206是电加热器。在另一个示例中，加热器206是燃气加热器。
系统200可以进一步包括供给器208。供给器208被定义为用于存储固体粉末组合物的任何装置。在一个示例中，供给器208存储上述铜颗粒和高定向热解石墨薄片的混合物。这样，可以采用包括存储固体粉末组合物的供给器208的系统200来实践方法100。但是，系统200可以可选地包括存储液体组合物的供给器208，使得可以将系统200用于实践不同的方法。
第二调节器210包括将流体的输出压力或流量或固体粉末组合物的流量控制到期望值的任何压力或流量调节器。在一个示例中，第二调节器210包括阀和质量传感器。通过质量传感器，第二调节器210可以精确地测量通过第二调节器210的固体粉末组合物的量。可以基于经由通信线252从控制器218接收的命令信号来调整通过第二调节器210的固体粉末组合物的量。
系统200还包括喷嘴212。喷嘴212可以包括适合于使用来自加热器206的加热的气体推进剂将从供给器208供应的固体粉末组合物释放到基板302的任何装置。在一个示例中，喷嘴212包括德拉瓦尔喷嘴，其用于将通过其的热的加压气体加速到超音速。
致动器214可以包括适合于使喷嘴212在距离基板的预定距离M处沿着基板302移动的任何致动装置。在示例中，致动器214可包括机器人致动器，诸如六轴机器人致动器臂。使用致动器214移动喷嘴212有利于保持控制喷嘴212与基板302之间的距离M。例如，喷嘴212与基板302之间的距离M通常在1mm至100mm的范围内，优选地5mm至20mm。
光学传感器216包括能够监测涂布到基板302上的涂层材料303的厚度TC并与控制器218通信(经由通信线250)的任何光学传感器。光学传感器216单独地或与控制器218结合地产生基板302的表面的实时视觉材料厚度测量。特别地，通过从在后续扫描期间检测到的传感器216与沉积在基板302上的涂层材料303之间的距离LX减去在基板302的初始扫描期间获取的传感器216与基板302之间的检测距离L0，可以确定随时间推移沉积在基板302上的涂层材料303的厚度TC。例如，在初始扫描期间，初始距离L0将代表传感器216与基板302之间的距离，因为尚未在基板302上沉积涂层材料303。在后续的扫描中，距离LX将代表传感器216与涂层材料303的暴露表面305之间的距离。应当理解，随着在喷涂过程中涂层材料303的厚度TC增加，传感器214与涂层材料303的暴露表面305之间的距离LX将成比例地减小。
示例性光学传感器216可以是一个或多个光学距离传感器，其使用脉冲光信号来生成信号(输入到控制器218)，该信号表示从光学传感器到涂层材料303的暴露表面305的距离LX。光学距离传感器通过使发光二极管(LED)产生脉冲来照亮目标表面(该表面最初是基板302的表面，随后是涂层材料303的暴露表面305)并测量反射信号的强度而进行操作。随着目标表面的反射率变化，针对相同距离的返回值将会变化。当将涂层材料303涂覆到基板302上时，距离LX随着所涂覆的涂层材料的厚度TC的变化而变化。
控制器218可以是能够产生和传递命令信号以从受控设备获得期望结果的任何设备、系统、多个系统、或其组合(例如，微处理器)。如图2中的虚线所示，控制器218通信耦接到光学传感器216、第一调节器204、第二调节器210、加热器206和致动器214。
在示例中，供给器208包括存储铜颗粒的第一材料供给器220、控制来自第一材料供给器220的铜颗粒的量的第三调节器222、存储高定向热解石墨薄片的第二材料供给器224、控制来自第二材料供给器224的高定向热解石墨薄片的量的第四调节器226、以及混合器228，混合器接收并混合由第三调节器222提供的铜颗粒和由第四调节器226提供的高定向热解石墨薄片。因此，系统200可以调节从供给器208提供的铜颗粒和高定向热解石墨薄片的相对量。
第一材料供给器220包括适合于供应铜颗粒的任何装置。在示例中，第一材料供给器220是重力粉末供给器。
第三调节器222包括适合于将铜颗粒的流量控制到期望值的任何调节器。在示例中，第三调节器222包括阀和质量传感器。借助于质量传感器，第三调节器222可以准确地测量通过第三调节器222的铜颗粒的流量。
第二材料供给器224包括适合于存储高定向热解石墨薄片的任何装置。在示例中，第二材料供给器224是重力粉末供给器。
第四调节器226包括适合于将高定向热解石墨薄片的流量控制到期望值的任何调节器。在示例中，第四调节器226包括阀和质量传感器。借助于质量传感器，第四调节器226可以精确地测量穿过第四调节器226的高定向热解石墨薄片的流量。
混合器228包括适合于混合从第三调节器222传送的铜颗粒和从第四调节器226传送的高定向热解石墨薄片的任何装置。在示例中，混合器228是圆形混合器。
在另一个示例中，从罐202供应的气体推进剂的一部分穿过第五调节器230(例如，阀)并将从供给器208供应的固体粉末组合物输送到喷嘴212。
如系统200的以下操作步骤所述，通过使用控制器218基于由光学传感器216测量的涂层材料303的厚度TC来控制系统200的各种特征，系统200可以实时控制过程，以在使用方法100制造冷喷涂产品300时提供均匀的结果。
控制器218对系统200进行操作的方法包括：向控制器218(经由通信线250)传送指示涂布至基板302的涂层材料303的厚度TC的信号，例如，通过使用光学传感器216。基于测得的厚度TC和操作员的输入，以及其他可能的因素，控制器218生成命令信号，该命令信号控制要被加热的气体推进剂的量、气体推进剂将被加热到的温度、在喷嘴212中与加热的气体混合的固体粉末组合物的量、以及喷嘴212与涂层材料303的暴露表面305之间的距离M。第一调节器204接收命令信号并提供所需量的气体推进剂。加热器206接收从第一调节器供应的气体推进剂，并将气体推进剂加热到期望的温度。第二调节器210提供所需量的固体粉末组合物。致动器214按照控制器218的指示移动喷嘴212，以便于将涂层材料303沉积在基板302上。
举例来说，控制器218可以采用以下一种或多种关系来为系统200提供更均匀的结果。
Figure BDA0002457654470000121
Vg–喷嘴出口处的气体速度
T–气体到达喷嘴之前的温度。
R–理想气体常数＝8.31J/mol
Pe–喷嘴出口的气压＝1/5(Pi*Vi)/(Ve)，最适合金属基质碳基复合材料
Vi–进气口的体积
Ve–喷嘴出口处的体积
Pi–提供给喷枪的气压(氩气/复合材料颗粒的最佳压力为1-3MPa)
Mg–气体的分子量
γ–Cp/Cv(等熵膨胀系数)
Cp–恒定压力下气体的热容量(对于氩气Cp＝0.52)
Cv–恒定体积下的气体热容量(对于氩气，Cv＝0.312)
Figure BDA0002457654470000122
Vp–喷嘴出口处的颗粒速度
CD–在此等式中假设等于1的常数
ρg–气体密度
ρp–颗粒的平均密度
Dp–颗粒的平均直径
x–喷嘴到基板的距离M
ρp＝(％Wtm1*ρm1)+[(1-(％Wtm1))*ρm2]
％Wtm1–使用的材料1的重量百分比
ρm1–材料1颗粒的平均密度
ρm2–材料2颗粒的平均密度
Mfp＝(ρp*Ve)/t
Mfp–喷嘴出口处颗粒的质量流率
t–时间
对于本说明书中描述的系统200，将所有这些放在一起：
Figure BDA0002457654470000131
和
Figure BDA0002457654470000141
控制器218可以使用针对所使用的气体和材料的查找表来利用以上等式，并且控制器218可以实时地优化系统200的组件以满足期望的输出参数。
如下提供对系统200进行操作以产生冷喷涂产品的示例性具体方法。罐202装满预定量的推进剂气体(例如氩气)，并且供给器208存储电流密度为每平方厘米500安培的铜颗粒和溴插层的高定向热解石墨薄片的混合物。
操作员向控制器218输入各种初始输入。例如，操作员将第一材料供给器220中的材料(例如，铜)的化学成分和第二材料供给器224中的材料的化学成分(例如，高定向热解石墨)以及基板302的化学组成以及要在基板302上形成的导电体304(图3)的期望厚度TE(图3)输入控制器218。
在致动系统200时，光学传感器216开始监测基板302和涂覆到基板302的任何涂层材料303。光学传感器216实时地(经由通信线250)将表示基板302上的涂层材料303(如果有的话)的厚度TC的信号传送至控制器218。
基于基板302上的涂层材料303的实时测量的厚度TC，以及操作员输入的各种初始输入，控制器218生成各种命令信号，以在基板302上形成具有所需的厚度TE(图3)的导电体304(图3)。命令信号被传送到第一调节器204(经由通信线251)、第二调节器210(经由通信线252)、第三调节器222(经由通信线253)、第四调节器226(经由通信线254)、第五调节器230(经由通信线255)、加热器206(经由通信线260)和致动器214(经由通信线262)。
由控制器218传送到第一调节器204的命令信号(经由通信线251)控制由加热器206加热的气体推进剂(从罐202供应的)的量。例如，由第一调节器204接收的命令信号可以使第一调节器204部分地或完全地打开，从而允许推进剂气体(例如，氩气)流到加热器206。
由控制器218传送到第二调节器210、第三调节器222、第四调节器226和第五调节器230的命令信号(分别经由通信线252、253、254、255)控制与推进剂气体混合的固体粉末组合物的量，以及固体粉末组合物的化学成分。例如，在供给器208中，根据操作员输入到控制器218中的材料比，从第一材料供给器220向混合器228提供铜颗粒，并且从第二材料供给器224向混合器228提供高定向热解石墨薄片。作为示例，操作员可能希望制造具有55-65％重量的铜和35-45％重量的高定向热解石墨导体304(图3)。响应于操作员的输入，控制器218将命令信号(经由通信线253)发送到第三调节器222，并将命令信号(经由通信线254)发送到第四调节器226。命令信号(经由通信线253、254发送)用于分别操作第三调节器222和第四调节器226，以确保所需量的铜颗粒(在第一材料供给器220中)和高定向热解石墨薄片(在第二材料供给器224中)被提供给混合器228。当第二调节器210和第五调节器230至少部分地打开时，Cu/HOPG金属基复合材料与推进剂气体(例如，氩气)相遇并被供应到喷嘴212。
命令信号(经由通信线252发送)用于操作第二调节器210，以确保铜颗粒和高定向热解石墨薄片的混合物的适当量与通过第五调节器230的推进剂气体(例如氩气)混合并输送到喷嘴212。在喷嘴212处，所输送的铜颗粒和高定向热解石墨薄片的混合物与来自加热器206的加热的推进剂气体混合，使得铜颗粒和高定向热解石墨薄片的混合物加速至500m/s–1,000m/s的速度。因此，使用加热的气体推进剂推进铜颗粒和高定向热解石墨薄片的混合物，并由喷嘴212将该混合物以足以促使固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到基板302上的速度引导至基板302以在基板上沉积导电体304。
因此，通过将命令信号传送到第一调节器204、第二调节器210、第三调节器222、第四调节器226和第五调节器230，控制器218可以控制朝向喷嘴212移动的材料的输送和组成。
由控制器218传送到加热器206的命令信号(经由通信线260)控制气体推进剂被加热到的温度。例如，控制器218可以指示加热器206加热到450至535℃范围内的温度。因此，加热器206将推进剂气体(例如，氩气)加热到450至535℃范围内的温度，并且加热的推进剂气体进入喷嘴212。
由控制器218(经由通信线262)传送到致动器214的命令信号控制喷嘴212和基板302之间的距离M。
因此，控制器218从光学传感器216接收指示基板302上的涂层材料303的厚度TC的实时数据，并控制调节器204、210、222、226、230，加热器206和致动器214，等等。结果，形成了图3的冷喷涂产品300，其包括沉积在基板302上的导电体304。基板302上的导电体304具有期望的厚度TE(图3)，以及所需的化学成分。例如，导电体304包括铜基质306和分散在铜基质306中的高定向热解石墨薄片308。
图3是所公开的冷喷涂产品300的一个示例的透视图。该冷喷涂产品300包括基板302和例如通过使用系统200的方法100沉积在基板302上的导电体304。
基板302可以包括任何金属基板或任何非金属基板。优选地，基板302选自适合于抵抗由冷喷涂工艺施加的热量和冲击的材料。在一个示例中，基板302是金属基板。在另一个示例中，基板302包括铝、钛或钢。在其他示例中，基板302可以由铝合金7075或铝合金7050形成。
导电体304包括铜基质306和分散在铜基质306中的高定向热解石墨薄片308。因此，导电体304提供了对传统铜的适当替代，但是具有比铜更好的电性能并且具有更低的密度。
铜基质306包括纯铜、铜基合金或包括铜的任何合金。通过选择铜基质306作为基质，铜基质306有助于导电体304的高导电率。
在示例中，铜基质306的电流密度约为每平方厘米500安培(500A/cm2)，这使其成为高导电性基质材料的理想材料，尤其是在飞机维护、飞机维修和飞机寿命监控应用中。
在示例中，铜基质306以55-65％重量的含量包括在导电体304中。如果铜基质306的含量小于55％重量，则高定向热解石墨将不会被完全捕获在铜基质306(图3)中，并且导电体304对基板302(图3)的粘附性将变差。如果铜基质306的含量大于65％重量，则导电体304(图3)的总导电率降低并且导电体304的重量增加。
在示例中，高定向热解石墨薄片308以35-45％重量的含量包括在导电体304中。如果高定向热解石墨薄片308以小于35％重量的含量包含在导电体304中，则导电体304的总导电率(图3)将减小并且导电体304的重量将增加。如果高定向热解石墨薄片308以大于45％重量的含量包含在导电体304中，则导电体304对基板302(图3)的粘附性将劣化。
在示例中，高定向热解石墨薄片308包括插层的高定向热解石墨，例如溴插层的高定向热解石墨。由于石墨的分层形式，可以在石墨层之间插入不同的原子或分子种类。将这种掺杂剂物质插入石墨的过程称为插层。高定向热解石墨的插层对于改变高定向热解石墨的性质是有效的。已经确定溴插层的高定向热解石墨适合于包含在本公开的固体粉末组合物中。
在另一示例中，导电体304具有100-200μm的平均厚度TE。如果平均厚度TE小于100μm，则导电体304的导电率将降低。如果平均厚度TE大于200μm，则导电体304的重量将增加，并且由于包含高定向热解石墨而产生的增强的导电率效应将开始下降。
在示例中，导电体304的导电率超过7×107S/cm3，优选地超过1×108S/cm3，更优选地超过1.4×108S/cm3。在另一个示例中，导电体304的密度在1.0至8.0g/cm3的范围内，优选在2.0至6.0g/cm3的范围内，更优选在3.0至4.0g/cm3的范围内。因此，相对于纯铜，导电体304可以提供大得多的导电率和低得多的密度。
可以在如图4所示的飞机制造和服务方法1000以及如图5所示的飞机1002的上下文中描述本公开的示例。在预生产期间，飞机制造和服务方法1000可以包括飞机1002的规格和设计1004以及材料采购1006。在生产期间，进行飞机1002的部件/子组件制造1008和系统集成1010。此后，飞机1002可以经历认证和交付1012以便被投入使用1014。当由客户使用时，飞机1002被安排用于例行维护和维修1016，其也可以包括修改、重新配置、翻新等。
方法1000的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或操作员(例如，客户)执行或实施。为了便于说明，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主要系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的供应商、分包商和供应商；以及运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、维修组织等。
本公开的方法、系统和产品可以在飞机制造和服务方法1000的任何一个或多个阶段中采用，包括飞机1002的规格和设计1004、材料采购1006、部件/子组件制造1008、系统集成1010、认证和交付1012、将飞机投入使用1014、例行维护和维修1016。
如图5所示，通过示例方法1000生产的飞机1002可以包括具有多个系统1020和内部1022的机身1018。多个系统1020的示例可以包括推进系统1024、电气系统1026、液压系统1028和环境系统1030中的一个或多个。可以包括任何数量的其他系统。本公开的方法、系统和产品可以用于飞机1002的任何系统。
此外，本公开包括根据以下项的实施例：
项1.一种通过冷喷涂在基板(302)上制造(导电体)304的方法，该方法包括：
加热气体推进剂；
使用加热的气体推进剂推进包括铜和高定向热解石墨的固体粉末组合物；以及
将固体粉末组合物以足以促使固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到基板(302)上的速度引导至基板(302)以在基板上沉积导电体304。
项2.根据项1的方法，其中，铜的电流密度约为每平方厘米500安培(500A/cm2)。
项3.根据项1的方法，其中，高定向热解石墨包括溴插层的高定向热解石墨。
项4.根据项1的方法，其中，固体粉末组合物包括铜颗粒和高定向热解石墨薄片。
项5.根据项4的方法，其中，铜颗粒以55-65％重量的含量包含在固体粉末组合物中。
项6.根据项4的方法，其中，高定向热解石墨薄片以35-45％重量的含量包含在固体粉末组合物中。
项7.根据项4的方法，其中，铜颗粒具有15μm至25μm的范围内的平均粒径。
项8.根据项4的方法，其中，高定向热解石墨薄片具有5μm至25μμm的平均薄片直径。
项9.根据项1的方法，其中，气体推进剂是惰性气体推进剂。
项10.根据项9的方法，其中，惰性气体推进剂的原子序数大于17。
项11.根据项9的方法，其中，惰性气体推进剂包括氩气。
项12.根据项1的方法，其中，将气体推进剂加热到450℃至535℃范围内的温度。
项13.根据项1的方法，其中，导电体(304)的平均厚度TE为100μm-200μm。
项14.根据项1的方法，其中，将固体粉末组合物以500-1,000m/s的速度引向基板(302)。
项15.一种用于将涂层材料(303)喷涂到基板(302)上的系统(200)，该系统包括：
光学传感器(216)，其定位成监测施加到基板(302)上的涂层材料(303)的厚度(TC)；
与光学传感器(216)通信的控制器(218)，控制器被配置为至少基于厚度(TC)，生成对应于待加热的气体推进剂的量的第一命令信号(251)，对应于气体推进剂将被加热到的温度的第二命令信号(260)，对应于在喷嘴(212)中与加热的气体混合的固体粉末组合物的量的第三命令信号(252)，以及对应于喷嘴(212)与基板(302)之间的距离(M)的第四命令信号(262)；
第一调节器(204)，其接收第一命令信号(251)并提供与第一命令信号相对应的一定量的气体推进剂；
加热器(206)，其接收从第一调节器供应的一定量的气体推进剂，接收第二命令信号(260)，并将气体推进剂加热到与第二命令信号(260)相对应的温度；
第二调节器(210)，其接收第三命令信号(252)并将与第三命令信号(252)相对应的一定量的固体粉末组合物提供给喷嘴(212)；以及
致动器(214)，其接收第四命令信号(262)，并在与第四命令信号(262)相对应的喷嘴(212)和基板(302)之间的距离(M)处，沿着基板移动喷嘴(212)。
项16.根据项15的系统，还包括：罐(202)，其配置为存储由第一调节器(204)供应的气体推进剂。
项17.根据项16的系统，其中，罐(202)供应惰性气体推进剂。
项18.根据项16的系统，其中，罐(202)供应原子序数大于17的惰性气体推进剂。
项19.根据项16的系统，其中，罐(202)供应氩气。
项20.根据项15的系统，其中第一调节器(204)包括阀。
项21.根据项15的系统，其中第二调节器(210)包括阀和质量传感器。
项22.根据项15的系统，还包括供给器(208)，其被配置为存储将由第二调节器(210)供给的固体粉末组合物。
项23.根据项22的系统，其中，供给器(208)存储铜颗粒和高定向热解石墨薄片的混合物。
项24.根据项23的系统，其中，供给器(208)包括：
第一材料供给器(220)，其存储铜颗粒；
第三调节器(222)，其供应来自第一材料供给器(220)的一定量的铜颗粒；
第二材料供给器(224)，存储高定向热解石墨薄片；
第四调节器(226)，其供应来自第二材料供给器(224)的一定量的高定向热解石墨薄片；以及
混合器(228)，其接收并混合由第三调节器(222)提供的铜颗粒和由第四调节器(226)提供的高定向热解石墨薄片。
项25.根据项24的系统，其中，第三调节器(222)包括阀和质量传感器。
项26.根据项24的系统，其中，第四调节器(226)包括阀和质量传感器。
项27.根据项15的系统，其中，来自罐(202)的一部分气体推进剂通过第五调节器(230)，并将从第二调节器(210)供应的固体粉末组合物输送到喷嘴(212)。
项28.一种冷喷涂产品(300)，包括：
基板(302)；以及
通过冷喷涂沉积在基板(302)上的导电体(304)，导电体(304)包含铜基质(306)和分散在铜基质(306)中的高定向热解石墨薄片(308)。
项29.根据项28的产品，其中，基板(302)是金属基板。
项30.根据项28的产品，其中，基板(302)包括铝、钛或钢。
项31.根据项28的产品，其中，铜基质(306)的电流密度约为每平方厘米500安培。
项32.根据项28的产品，其中，导电体(304)中包含的铜基质(306)的含量为55-65％重量。
项33.根据项28的产品，其中，高定向热解石墨薄片(308)包括溴插层的高定向热解石墨薄片。
项34.根据项28的产品，其中，高定向热解石墨薄片(308)以35-45％重量的含量包含在导电体(304)中。
项35.根据项28的产品，其中，导电体(304)的平均厚度TE为100μm-200μm。
项36.根据项28的产品，其中，导电体(304)的密度在3.0至4.0g/cm3的范围内。
项37.根据项28的产品，其中，导电体(304)的导电率超过1.4×108S/cm3。
尽管已经示出和描述了所公开的方法、系统和产品的各种示例，但是本领域技术人员在阅读说明书之后可以进行修改。本申请包括这样的修改并且仅由权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种用于通过冷喷涂在基板(302)上制造导电体(304)的方法(100)，所述方法(100)包括：
加热(102)气体推进剂；
使用加热的气体推进剂推进(104)包括铜和高定向热解石墨的固体粉末组合物；以及
将所述固体粉末组合物以足以促使所述固体粉末组合物经历塑性变形并粘附到所述基板(302)上的速度引导(106)至所述基板(302)以在所述基板上沉积所述导电体(304)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，推进所述固体粉末组合物还包括推进包括电流密度为每平方厘米500安培的铜的所述固体粉末组合物。
3.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，推进所述固体粉末组合物还包括推进包括含有溴插层的高定向热解石墨的高定向热解石墨的所述固体粉末组合物。
4.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，推进所述固体粉末组合物还包括推进包括铜颗粒和高定向热解石墨薄片的所述固体粉末组合物。
5.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，推进所述固体粉末组合物还包括推进包括含量为55％-65％重量的铜颗粒和含量为35％-45％重量的高定向热解石墨薄片的所述固体粉末组合物。
6.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，推进所述固体粉末组合物还包括推进包含平均粒径在15μm至25μm范围内的铜颗粒的所述固体粉末组合物。
7.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，推进所述固体粉末组合物还包括推进包含具有平均薄片直径为5μm至25μm的高定向热解石墨薄片的所述固体粉末组合物。
8.一种用于将涂层材料(303)喷涂到基板(302)上的系统(200)，所述系统包括：
光学传感器(216)，定位成监测涂布到所述基板(302)上的涂层材料(303)的厚度(TC)；
与所述光学传感器(216)通信的控制器(218)，所述控制器被配置为至少基于所述厚度(TC)，生成对应于待加热的气体推进剂的量的第一命令信号(251)、对应于所述气体推进剂将被加热到的温度的第二命令信号(260)、对应于在喷嘴(212)中与加热的气体推进剂混合的固体粉末组合物的量的第三命令信号(252)、以及对应于所述喷嘴(212)与所述基板(302)之间的距离(M)的第四命令信号(262)；
第一调节器(204)，接收所述第一命令信号(251)并提供与所述第一命令信号相对应的所述量的气体推进剂；
加热器(206)，接收从所述第一调节器供应的与所述第一命令信号相对应的所述量的所述气体推进剂，接收所述第二命令信号(260)，并将所述气体推进剂加热到与所述第二命令信号(260)相对应的所述温度；
第二调节器(210)，接收所述第三命令信号(252)并将与所述第三命令信号(252)相对应的所述量的所述固体粉末组合物提供给所述喷嘴(212)；以及
致动器(214)，接收所述第四命令信号(262)，并在与所述第四命令信号(262)相对应的所述喷嘴(212)和所述基板(302)之间的距离(M)处，沿着所述基板移动所述喷嘴(212)。
9.根据权利要求8所述的系统(200)，还包括供给器(208)，所述供给器被配置为存储将由所述第二调节器(210)供应的所述固体粉末组合物，并且其中，所述供给器(208)包括：
第一材料供给器(220)，存储铜颗粒；
第三调节器(222)，供给来自所述第一材料供给器(220)的一定量的所述铜颗粒；
第二材料供给器(224)，存储高定向热解石墨薄片；
第四调节器(226)，供给来自所述第二材料供给器(224)的一定量的高定向热解石墨薄片；以及
混合器(228)，接收并混合由所述第三调节器(222)提供的所述铜颗粒和由所述第四调节器(226)提供的所述高定向热解石墨薄片。
10.使用权利要求1至7中任一项所述的方法(100)或权利要求8至9任一项所述的系统(200)制造的冷喷涂产品(300)，所述冷喷涂产品包括：
基板(302)；以及
通过冷喷涂沉积在所述基板(302)上的导电体(304)，所述导电体(304)包含铜基质(306)和分散在所述铜基质(306)中的溴插层的高定向热解石墨薄片(308)。
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