CN114127417A - 具有可变热输出的薄型电热膜加热器 - Google Patents

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卡梅伦·E·德里
兰吉特·迪维加尔皮蒂亚
保罗·罗卡
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Abstract

本文描述了一种具有可变热输出的电膜加热器。该电热膜加热器包括：基底，所述基底具有第一主表面和第二主表面，所述基底由长度和宽度表征；不均匀石墨涂层，所述不均匀石墨涂层设置在所述基底的至少一个主表面上，从而沿所述基底的所述长度和/或所述宽度中的至少一者在所述基底上产生可变电阻涂层；以及一对间隔开的汇流条，所述一对间隔开的汇流条设置在所述石墨涂层的顶部上。

Description

具有可变热输出的薄型电热膜加热器
发明背景
技术领域
本发明涉及一种具有可变热输出的电膜加热器。具体地，示例性电膜加热器包括不均匀石墨涂层，该不均匀石墨涂层在基底上产生具有可变电阻涂层的材料。
背景技术
在寒冷天气气候的冬季期间，风力涡轮叶片上冰积聚会因增加涡轮叶片和其它机械部件上的负载而导致显著的能量生产损失。另外，当冰脱离转动的涡轮叶片时，它会损坏其它叶片、涡轮机舱或地面水平结构。
防止涡轮叶片上冰累积的常规方法包括无源系统诸如施加到叶片的疏水性或红外吸收性涂层，或有源电热加热系统。当前电热加热系统可依赖于在通电时可加温叶片以防止冰积聚的结合到涡轮叶片中的电阻加热元件，或者可使用在叶片内的中空芯内部循环的加热的空气来防止结冰。电热加热系统的能量需求通常由加温涡轮叶片的尖端所需的能量设定，尖端在操作期间比更远离尖端的区域经历显著更高的风速，并且因此需要比涡轮叶片的其它区段更高的热通量。
当今市场上发现的电阻加热元件通常是电热膜或碳涂覆布。许多电热膜是基于涂覆到聚合物基底上的导电油墨，导电油墨最常见地包含碳黑。这些电热膜然后被设置在叶片表面之下，并且在结冰令人担忧时通电以加热涡轮叶片。碳涂覆布材料在涡轮叶片的制造期间结合在环氧树脂层之间。这两种常规电阻加热元件都被制造成具有限定的恒定电阻率。因此，系统的能量预算由涡轮叶片的尖端处除冰所需的热通量决定，但导致总体上更高的能量使用。
为了尝试解决这种缺陷，一些电热除冰需要沿叶片长度的多个电连接，这会使安装复杂化。另外，一些电阻元件(例如，电热膜)可能是脆性的且易碎的，这可能导致在安装期间对膜造成损坏，损坏将需要在投入使用之前进行修复，或者需要沿叶片长度的多个电连接，这会使安装复杂化。
风能发电行业已经表达出对可容易地且快速地安装在叶片上/中且具有最少电连接的便宜加热解决方案的需求。
发明内容
本发明涉及一种具有可变热输出的电膜加热器。具体地，示例性电膜加热器包括不均匀石墨涂层，该不均匀石墨涂层在基底上产生具有可变电阻涂层的材料。
在第一实施方案中，一种电热膜加热器包括：基底，该基底具有第一主表面和第二主表面，其中该基底由长度、宽度和基底厚度表征；不均匀石墨涂层，该不均匀石墨涂层设置在该基底的至少一个主表面上，从而沿该基底的该长度和/或该宽度中的至少一者在该基底上产生可变电阻涂层；以及一对间隔开的汇流条，该对间隔开的汇流条设置在该不均匀石墨涂层的顶部上。在示例性方面，该不均匀涂层沿该基底的该长度和/或该宽度中的至少一者具有可变受控厚度。
在第二实施方案中，描述了一种产生具有可变热输出的电膜加热器的方法。该方法包括：涂覆具有表面的聚合物基底以产生涂覆膜，该涂覆膜沿该被涂覆基底的至少一个主要尺寸具有受控的、不均匀的电阻分布，其中该主要尺寸是该基底的长度和/或宽度中的一者。更具体地，该方法包括以下步骤：在具有表面轮廓的工作表面上提供基底；将干燥不含粘结剂的微粒涂料组合物施加到该基底的一个表面；通过至少一个施加装置头相对于该基底的表面上的点在平行于该表面的平面中在多个方向上以轨道方式移动来将有效量的所述涂料粉末磨光到该表面上；以及在该磨光过程期间改变所述方法的至少一个过程变量，以在该基底的该表面上产生不均匀涂层，其中该过程变量沿该涂覆膜的至少主要尺寸改变以产生该不均匀表面特性分布，并且其中该至少一个过程变量选自施加时间、施加压力、涂覆温度、该工作表面的该轮廓和干燥不含粘结剂的微粒涂料组成。
在本申请中：
“均匀的”意指涂层在所涂覆膜的表面之上具有相对一致的表面特性。
“不均匀”意指跨所涂覆膜的表面具有以规定方式变化的表面特性。
“干燥”意指基本上不含液体。因此，本发明的涂覆材料的组合物以固体形式而不是以液体或糊剂形式提供。
“不含粘结剂的微粒涂覆材料”意指涂覆材料包含大于95％的微粒固体。
“灰度涂层”是指其中感兴趣的特性可从最大值(黑色)向下变化至最小值(白色)且在其间具有任何值(灰色阴影)的渐变涂层。例如，就本发明的电热涂层而言，最大电导率(最小电阻率)区域可被视为在灰度的黑色端上，最小电导率或无电导率(最大电阻率)区域可被视为在灰度的白色端上，并且具有介于这些极值之间的电导率(或电阻率)的区域可被视为灰度的灰色部分。
“数字涂层”是指其中感兴趣的特性是开或关(即，导电或不导电)的涂层。因此，电流将仅流过导电区域。
本发明的上述发明内容并非旨在描述本发明的每个例示的实施方案或每种实施方式。附图及其后的具体实施方式更特别地举例说明这些实施方案。
附图说明
将参考附图进一步描述本发明，其中：
图1A示出了附接在风力涡轮叶片的表面上的根据本发明的一个方面的电热膜加热器的横截面。
图1B示出了设置在风力涡轮叶片内的根据本发明的一个方面的电热膜加热器的横截面。
图2A和图2B示出了根据本发明的电热膜加热器的两个实施方案的横截面。
图3A和图3B示出了根据本发明的电热膜加热器的两个实施方案的示意性俯视图。
图4A和图4B示出了根据本发明的电热膜加热器的再两个实施方案的示意性俯视图。
图5A和图5B示出了将示例性电热膜加热器安装到风力涡轮叶片的表面上。
图6是可在根据本发明的一个方面的示例性涂覆系统中使用的纹理化基板的横截面。
图7A至图7C示出了根据本发明的示例性电热膜加热器的示意性俯视图、灰度热输出图和热输出轮廓图。
图8A至图8B示出了根据本发明的另一示例性电热膜加热器的灰度热输出图和热输出轮廓图。
图9A至图9C示出了根据本发明的又一示例性电热膜加热器的示意性俯视图、灰度热输出图和热输出轮廓图。
图10是可在根据本发明的一个方面的示例性涂覆系统中使用的纹理化基板的横截面。
图11A至图11C示出了根据本发明的示例性电热膜加热器的示意性俯视图、由二维图案化电热膜制成的加热器的灰度热输出图和热输出轮廓图。
虽然本发明可修正为各种修改和替代形式，但各种修改和替代形式的具体内容已在附图中以举例的方式示出，并且将被详细描述。然而，应当理解，本发明不将本发明限制于所描述的特定实施方案。正相反，本发明覆盖落入如由所附权利要求书所限定的本发明的范围内的所有修改、等同物和另选方案。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考了形成本文的一部分的附图，并且在附图中以举例说明的方式示出了其中可实践本发明的具体实施方案。就这一点而言，定向术语，例如，“顶部”、“底部”、“前”、“后”和“向前”等，应结合图示所描述的取向使用。因为本发明的实施方案的部件可定位成多个不同取向，所以方向性术语用于说明的目的，并且绝不是限制性的。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可利用其他实施方案，并且可进行结构性或逻辑性的改变。因此，不能认为以下的详细描述具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理特性的所有数在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望特性而变化。由端点表述的数值范围的使用包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
在第一实施方案中，本发明描述了一种用于电加热应用、特别是用于风力涡轮叶片的防冰应用的电热膜加热器。在示例性方面，电热膜加热器包括石墨涂层。电热膜加热器的特征在于沿电热膜加热器的长度和/或宽度中的至少一者变化以实现整个膜的多区热输出的薄层电阻或电阻率。电热膜加热器的薄层电阻的变化可以是膜的纵向和/或横向方向上的连续线性或非线性梯度或阶梯梯度。
电热加热膜用于风力涡轮中的防冰应用的能量使用由在涡轮叶片的尖端处产生足够热通量或输出所需的能量的量决定。叶片的尖端或远侧端部在操作期间比叶片更靠近涡轮机舱的部分经历显著更高的风速。增加的速度可使叶片接近远侧端部的部分更冷，从而促进结冰。风力叶片防冰应用在涡轮叶片的尖端附近通常需要约45W/ft2的热输出，尽管越靠近涡轮机舱可使用越低的热输出。
同时，电热膜通常从涡轮机舱处的电源通电。通常，常规电热膜具有均匀电阻率。如果从膜接近机舱的端部通电，则电力将先被供应到电热膜最靠近机舱的部分，并且额外的电力必须被供应，直到在叶片的远侧端部处达到所需的热输出为止。因此，涡轮叶片更靠近机舱的部分被加热的程度可超过所必需的，从而导致浪费能量并降低电热加热膜的效率。为了减少这种浪费，一些提供商提议在沿涡轮叶片的长度的多个点处给常规电热膜通电，但这增加了安装和控制电热加热膜的复杂性。
通过定制电热膜的电阻率分布，可将本发明的示例性电热膜定制为相对于相对速度供应足够的热输出。因此，可将膜更靠近机舱的部分制造为比膜的设置为更靠近涡轮叶片的远侧端部的部分输出更少的热量，从而使得当与具有恒定热输出(即，均匀电阻率)的常规加热膜相比时，本发明的示例性膜的总体能量预算更小。
除了潜在能量益处之外，示例性电热膜的薄、柔性质意味着可容易地在制造期间将电热膜嵌入叶片内。在一个方面，本发明的电热膜包括薄聚合物基底，该薄聚合物基底具有设置在该基底的表面上的不均匀石墨涂层。使用薄聚合物基底产生以下电热膜，该电热膜足够柔韧以围绕涡轮叶片的前缘的曲率弯曲而不损坏石墨涂层，从而使安装和连接比常规实践更容易。例如，图1A示出了风力涡轮叶片10的横截面，其具有附接在风力涡轮叶片的前缘14的表面12上的电热膜100。在图1B所示的替代方面中，电热膜100可在叶片前缘14处设置在风力涡轮叶片内的层压表皮16内。
图2A和图2B是根据本发明的电热膜加热器100、100'的两个示例性实施方案的横截面。电热膜加热器包括具有第一主表面111a和第二主表面111b的基底和设置在主表面中的至少一个上的不均匀石墨涂层120。汇流条130、140沿电热膜加热器的每一侧设置在所涂覆层的顶部上。具体地，第一汇流条130沿膜加热器的长度(进入图2A所示的页面)邻近第一边缘101a设置，并且第二汇流条140沿膜加热器的长度邻近第二边缘101b设置。第一汇流条和第二汇流条与石墨涂层120应具有低接触电阻。
在一些示例性实施方案中，被涂覆基底可在施加第一汇流条和第二汇流条之前切割成形。在一些实施方案中，涂覆膜可被切割成具有两个非平行边缘的梯形形状，汇流条可安装在两个非平行边缘上，从而产生梯形电热膜加热器。在替代实施方案中，被涂覆基底可被切割成椭圆形形状，该椭圆形形状具有中心总线触点和周边总线触点以产生椭圆形电热膜加热器。在替代方面，被涂覆基底可被切割成任何二维形状，两个间隔开的汇流条/触点可施加在该二维形状上以产生成形电热膜加热器。
要在上面施加涂层的基底可以是任何聚合物材料。优选的基底材料是无孔聚合物膜，包括聚酯(PET)膜、聚氨酯膜、乙烯基膜、聚酰亚胺膜和聚烯烃膜诸如线性低密度聚乙烯(LLDPE)膜、低密度聚乙烯(LDPE)膜、中密度聚乙烯(MDPE)膜、高密度聚乙烯(HDPE)膜和聚丙烯(PP)膜。基底可本质上相对光滑，或者可设置有宏观或微观几何形状。
在本发明的一些方面，基底可包括单个层，而在其它方面，基底可以是多层基底。
膜加热器可由长度(即，延伸到图2A中的页面中的基底110的长度)、宽度W和加热器厚度T表征。膜加热器厚度等于至少基底厚度Ts、涂层厚度Tc和汇流条厚度Te的总和。在示例性实施方案中，膜加热器厚度T可以是10微米至约410微米；基底厚度Ts可以是10微米至约250微米或更大；涂层厚度Tc可以是100nm至约10微米；并且汇流条厚度Te可以是1微米至约150微米。
不均匀石墨涂层120可通过将基于石墨的微粒涂覆材料/组合物施加到基底上来形成。涂覆材料优选地是包含石墨颗粒的不含粘结剂的微粒涂覆材料。在优选方面，石墨颗粒中的至少一部分是在施加剪切力时可分离或破碎成薄片、鳞片、片或层的可剥落石墨颗粒。出于本发明的目的，只要材料是将颗粒附接到基底的手段，该材料就可充当粘结剂。因此，如果20g的组合物在25℃的温度和40％的相对湿度下储存3天而不团聚(即，小瓶中的粉末不能自由地流动)，则认为待涂覆的组合物基本上不含粘结剂。
在特别优选的微粒涂料组合物中，石墨颗粒与微粒磨光助剂组合。这些磨光助剂颗粒可具有约1的尺寸长径比并且形状大致为球形。磨光助剂颗粒可具有介于约0.1微米-10微米之间的平均最大尺寸。优选地，平均最大尺寸介于约0.5微米-2微米之间。更优选地，磨光助剂颗粒具有与石墨颗粒的平均最大尺寸相同数量级的平均最大尺寸。微粒涂料组合物可包含约2重量％至100重量％的石墨颗粒和0重量％至98重量％的磨光助剂颗粒，优选地介于30重量％至70重量％之间的石墨颗粒和70重量％至30重量％的磨光助剂颗粒。
在示例性实施方案中，微粒涂料组合物可包含比率为1:1的石墨颗粒与磨光助剂颗粒。在替代方面，微粒涂料组合物可包含比率为2:1的石墨颗粒与磨光助剂颗粒。
示例性磨光助剂颗粒包括磁性调色剂颗粒、酞菁铜、购自马格鲁德色彩公司(Magruder Color Company Inc.)(新泽西伊丽莎白(Elizabeth,NJ))的永固红颜料、孟加拉玫瑰红染剂、炉黑碳颗粒、天青B染料、甲基橙染料、伊红Y染料、新洋红染料和陶瓷颗粒诸如得自明尼苏达州的3M芝兰工业公司(3M Zeelan Industries,MN)的Zeeosphere颗粒。优选地，磁性调色剂颗粒也可用作磨光助剂颗粒。这些颗粒是特别有利的，因为这些颗粒并不结合到涂层中并且可容易地用磁体从工作区域移除。
可将非活性填料颗粒的使用包括在不含粘结剂的涂覆材料中以改变涂层的组成构成。示例性非活性填料颗粒可包括例如酞菁铜、永固红、孟加拉玫瑰红染剂、炉黑碳、天青B染料、甲基橙染料、伊红Y染料、新洋红染料、陶瓷颗粒诸如zeeopshere颗粒。
不含粘结剂的涂覆材料可涂覆到基底140的表面上以形成具有可变热输出的电热加热器。涂层对基底的粘附性可在涂覆之后几天显著提高。例如，聚酯基底上的石墨涂层的组合仅在约一天之后提供优异的粘附性，不需要加热。作为另外一种选择，可任选地对被涂覆基底进行热处理以提高涂层对基底的粘附性。热处理在低于基底将变形所在的温度的温度下进行。通常，此温度介于低于聚合物基底的软化温度约10℃一直到聚合物基底的软化温度之间。
不均匀石墨涂层120沿长度和/或宽度中的至少一者在基底的表面上产生可变(电)阻。不均匀涂层可呈连续梯度(即，灰度)的形式，从而沿长度和/或宽度中的至少一者产生电阻变化。可变电阻可被产生为沿长度和/或宽度中的至少一者在涂料组成和/或涂层厚度中的连续梯度或分段梯度。
例如，图3A是具有沿膜加热器的基底的长度在涂层厚度或涂料组成中的一者中的梯度G的电热膜加热器200的示意图。梯度可以是连续梯度或阶梯梯度。例如，涂层的厚度可具有在膜加热器200的第一端部200a处的最小厚度Tmin，该最小厚度沿膜加热器的长度增大至在膜加热器200的第二端部200b处的最大厚度Tmax。在示例性方面，最小厚度Tmin可以是100nm，并且最大厚度Tmax可以是10微米或更大。
在替代实施方案中，涂层的厚度可保持恒定并且涂层的组成可沿加热膜的长度改变，使得涂层在膜加热器的第一端部处具有贫石墨组成并且在加热器膜的第二端部处具有富石墨组成。贫石墨组成可包括10重量％的石墨，并且富石墨组成可包括99重量％的石墨。
图3B是具有阶梯梯度G'的电热膜加热器300的示意图，其中膜加热器包括四个不同的所涂覆区域304a-304d。每个所涂覆区域可具有涂层厚度或涂料组成。在图3B所示的示例中，邻近膜加热器300的第一端部设置的第一涂层区域304a可具有第一涂层，该第一涂层具有第一涂层厚度或涂料组成。第二涂层区域304b可邻近第一涂层区域设置，其中第二涂层区域具有涂层，该涂层具有大于第一涂层区域的涂层的第二涂层厚度和/或涂料组成。第三涂层区域304c可邻近第二涂层区域设置，其中第三涂层区域具有涂层，该涂层具有大于第一涂层区域和第二涂层区域的涂层的第三涂层厚度和/或涂料组成。第四涂层区域304d可邻近第三涂层区域设置并且延伸到膜加热器300的第二端部300b，其中第四涂层区域具有涂层，该涂层具有大于第一涂层区域、第二涂层区域和第三涂层区域的涂层的第四涂层厚度和/或涂料组成。虽然图3B中示出了4个涂层区域，但膜加热器可具有更多或更少的区域，这部分地取决于加热膜的总长度和沿膜加热器的长度的任何点处的期望热通量。
在另一方面，可通过将包括一个或多个不连续部分的图案引入涂层中来产生不均匀涂层。不连续部分可呈设置在连续所涂覆层中的未涂覆贴片的形式(即，汇流条诸如图4A所示的电热膜加热器400的汇流条430、440之间存在连续电子路径)。膜加热器400具有连续所涂覆层，该连续所涂覆层具有多个不连续部分/未涂覆贴片425。不连续部分的密度邻近膜加热器的第一端部400a更高，并且沿膜加热器的长度L减小。在石墨加热器的情况下，不连续部分将导致涂层的电阻增大，从而导致作为不连续部分密度的函数的热通量的变化。
在替代方面，可通过掩蔽或以其它方式保护基底表面的部分不被涂覆材料涂覆来形成图案化涂层。作为另外一种选择，可通过化学方式、暴露于高能束或将涂层的区域化学烧蚀、暴露于高能量束或喷“砂”以从基底上的某些区域移除涂覆材料来消融涂层的区域。另外，涂层可根据需要在一些区域处在厚度上变化以提供差分图案。打孔可在基底中或仅位于涂层中。例如，可将微粒涂层直接涂覆在打孔的膜基底上，或者可在涂覆之后对微粒涂层进行冲压以移除被涂覆基底的部分以产生图案。
在替代方面，可在涂覆过程之前或之后对基底进行打孔以产生具有不均匀涂层的被涂覆基底。打孔可通过冲压、压印或激光消融来进行。
在替代实施方案中，可通过具有涂覆已经放置在纹理化表面上的基底产生的可变厚度的区域来产生图案。纹理化表面具有三维表面结构，该三维表面结构包括多个升高区域诸如升高平台、脊等以及多个分散凹入部。纹理化表面上的纹理/设计可转移到所涂覆层中，其中基板的升高部分具有比凹部/凹入部更高浓度(厚度)的涂覆材料，从而在所涂覆层内产生可变电阻图案，这可通过适当选择纹理化表面的设计来控制。
在另一个实施方案中，可通过改变可包括石墨和至少一种其它微粒材料的干燥微粒涂料的组成来形成具有薄片电阻率梯度(线性或非线性)的涂覆膜基底。例如，至少一种其它微粒材料可以是可包含到具有石墨的涂料组合物中的电绝缘材料，诸如聚二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。干燥颗粒涂料组合物中的组分的进料速率可沿正在涂覆的基底的长度和宽度中的至少一者变化，使得被涂覆基底在一个区域中将具有较高的石墨浓度并且在另一个区域中将具有较低的石墨组成，从而分别产生低电阻区域和高电阻区域。通过施加电流通过石墨涂层，则可由于所施加干燥颗粒涂料的组成而实现温度差异。
改变所施加干燥颗粒涂料的厚度是沿被涂覆基底的至少一个尺寸产生表面电阻率/温度梯度的另一种方式。可通过使用并不掺入最终涂层中的不同量的磨光助剂颗粒来改变涂层厚度。当在具有石墨的干燥颗粒涂料组合物中使用更高量的磨光助剂颗粒时，将产生较低厚度，从而产生较高电阻区域。相反，磨光颗粒混合物中的较低浓度的磨光助剂颗粒将产生较高涂层厚度(或较低电阻区域)。
例如，图6示出了可用于示例性涂覆系统的纹理化基板750的横截面。纹理化基板具有从基板752延伸的凸起肋或脊754的图案。凹入部756设置在相邻的脊之间。纹理化基板750可在于脊的顶部上涂覆期间局部地增大压力并且减小凹入部之上的区域中的压力，这可有助于粉末流动，从而产生导电性与通过在平坦表面上涂覆所获得的那些相比更强的片材。
纹理化基板可由以下表征：脊的高度HR；脊的顶部的宽度WR；以及相邻脊之间的距离或凹入部的宽度WD。在图6所示的示例性方面，大致矩形束的一维阵列的脊延伸到页面中。在替代方面，脊可具有大致梯形横截面、三角形横截面或其它横截面形状。在另一方面，脊可以二维阵列或网格布置。在另一个实施方案中，脊或凸起区域可以随机图案分布，凸起区域之间的距离可不恒定，并且脊的宽度也可不恒定。在另一个实施方案中，脊的二维形状可以是不规则的。
再次参考图2A和图2B，电热膜加热器的汇流条130、140可通过以下方式形成：沿所涂覆电热膜的至少两个相反边缘(侧)电镀、蒸气涂覆、热沉积或溅射沉积薄金属条带；以导电油墨或漆料在汇流条上涂刷；或者施加导电箔带，诸如作为可购自3M公司(明尼苏达州圣保罗(St.Paul,MN))获得的3MTM EMI铜箔屏蔽带出售的具有xyz轴导电粘合剂的铜或铝箔带。具有z轴导电粘合剂的箔带也可用于形成用于本发明的电热膜加热器的汇流条。
具体地，图2A示出了电热膜加热器100，其中导电汇流条130、140通过沉积、涂刷或印刷工艺直接施加在所涂覆层120的顶部上。相比之下，图2B示出了电热膜加热器100'，其中导电汇流条130'、140'已经通过中间导电粘合剂层135'、140'施加在所涂覆层120的顶部上。在示例性方面，具有导电粘合剂层135'、140'的导电汇流条130'、140'可呈施加到所涂覆层的表面的带的形式。在替代方面，可将导电粘合剂邻近被涂覆基底的第一侧101a'和第二侧101b'直接分配到所涂覆层上，然后在导电粘合剂的顶部上施加薄箔条带。
在示例性方面，导电粘合层可由导电粘合剂材料形成，该导电粘合剂材料可表征为压敏粘合剂、热熔粘合剂或b级粘合剂，其中这些粘合剂中的任何一种可配制为z轴导电粘合剂或xyz导电粘合剂。导电粘合剂材料被选择成使得其兼容汇流条230、240的在粘合剂基质内分散有导电颗粒的材料。许多天然和合成聚合物碱可用于粘合剂基质材料，包括丙烯酸酯、聚乙烯醚、聚醋酸乙烯酯和聚异丁烯的共聚物、以及天然橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、氯丁橡胶和硅橡胶。导电粘合剂材料中的导电颗粒的形状可以是大致球形的、颗粒状的、纤维的或薄片状的。导电颗粒可以是金属颗粒，诸如铜、铝、镍、金、银、锑、铋、镉、铬、钴、铁、铅、汞齐(mercury amalgam)、锰、钼、镍、锡、钛、钨和锌颗粒，或者可以是金属化塑料或玻璃珠。
在各方面，导电粘合剂材料可涂覆在粘合带的背衬上，其中当组装到本发明的电热膜加热器100'(如图2B所示)中时，带的背衬可用作汇流条130'、140'。示例性背衬材料可包括金属箔，诸如铜箔或铝箔。
导电粘合剂材料或导电粘合带的具体示例公开于美国专利4,931,598；7,034,403；7,261,950；6,309,502；6,126,865和9,540,550中，这些专利对粘合剂的公开内容以引用方式并入本文。
具体地，示例性方法通过不使用粘结剂或其它化学添加剂的干燥/无溶剂磨光工艺来提供设置在基底110(图2A)的表面上的石墨涂层120，以产生能够提供多区热输出的电热膜。电热膜的热输出可通过沿电热膜的长度或宽度改变电阻率而容易地定制，这可通过减少或消除风力涡轮叶片上的冰来使风能发电机节省能量。消除溶剂、粘结剂和其它添加剂可降低本文所述的示例性电热膜的制造成本以及改善所产生电热膜的特性。例如，可减轻由于热循环引起的石墨涂层的膨胀/收缩。
可通过控制涂覆过程变量诸如涂覆时间、压力、涂料组成或涂层的图案化来生成涂覆膜的期望表面特性分布。例如，可通过改变涂覆时间来调谐沿涂覆膜的长度的薄层电阻的线性变化。与通常产生具有均匀特性的涂覆膜的常规涂覆方法像凹版印刷辊式涂覆等不同，本文所述的示例性涂覆方法可一次产生具有定制加热分布的涂覆膜，以适应涡轮叶片之上所经历的风速的变化。
该方法包括应用使用在轨道运动中移动的施加装置垫施加到基底的表面的干燥粉末涂覆工艺。本发明中的施加装置垫的轨道运动可在其旋转轴线垂直于基底或幅材的情况下进行，使得垫在磨光应用期间在多个方向上移动，该多个方向包括横向于幅材方向的方向以及纵向于幅材的方向。
示例性涂覆系统可包括基底进料辊站诸如用于待涂覆的基底材料的辊的离合式顺风站、将不含粘结剂的微粒涂覆材料引入到基底上的粉末进料站、包括至少一个轨道施加装置的涂覆站、用于控制至少一个轨道施加装置或正在涂覆的基底的移动的驱动机构、以及收集被涂覆基底材料的卷绕站。系统可以还包括各种导向辊和惰轮辊，可以还包括磨光后的擦拭装置，以清洁在磨光的幅材表面上的过量的材料。
在示例性方面，示例性涂覆系统可包括纹理化基板，该纹理化基板在涂覆过程期间设置在基底下方，使得基底设置在纹理化基板与至少一个轨道施加装置之间。纹理化基板将具有三维表面结构，该三维表面结构包括多个升高区域诸如升高平台、脊等以及多个分散凹入部。施加装置在涂覆材料的施加期间向基底的表面施加压力。纹理化基板的表面上的纹理/设计将转移到所涂覆区域中，其中基板的升高部分具有比基板的表面中的凹陷/凹入部更高浓度(厚度)的涂层。这可在所涂覆层内产生可通过适当地选择纹理化基板的设计来控制的可变电阻率图案。在示例性方面，纹理化基板在阶梯式或分批式过程中是固定的，或者基底可在基于连续幅材的工艺中相对于固定纹理化基板移动。在替代方面，纹理化基板可与基底一起移动。固定或不固定的纹理化基板的使用有利地使得能够沉积与使用非纹理化基板的情况相比厚得多的涂层，如在与本申请同一日期提交的名称为“CoatingMethod and System to Create Patterned Coating Layers”的共同待决的临时专利申请(代理人案卷号82250US002)中所描述。
示例性涂覆系统还可包括用以改善磨光到幅材的材料的熔合的热装置和/或用以移除留在涂层或基底上的任何过量涂覆材料的一个或多个真空清洁站。任选的汇流条施加站和或分割站也可结合到涂覆系统中。作为另外一种选择，可在离线过程中进行汇流条的分割和施加。
示例性涂覆系统可由基本上干燥的、不含粘结剂的颗粒涂覆材料在基底上形成非常薄的涂层，该涂层可通过磨光涂覆过程在基底上获得。可在低于基底的软化温度的温度下进行该磨光涂覆过程。示例性磨光涂覆过程将不含粘结剂的颗粒涂覆材料施加到基底上，其中颗粒涂覆材料包含所具有的莫氏硬度介于0.4和3之间以及大小为100μm作为最大尺寸的颗粒。用施加垫以正交于表面的大于0g/cm2且小于约30g/cm2的压力施加颗粒涂覆材料，其中施加垫在平行于所述表面的平面中相对于表面上的点在多个方向上以平行于基底表面的轨道方式移动。
每个轨道施加装置配备有施加垫以将不含粘结剂的颗粒涂覆材料施加到基底的表面。例如，施加垫可为织造或非织造织物或纤维素材料。作为另外一种选择，垫可为闭孔或开孔泡沫材料。在另一种替代形式中，垫可为刷子或刷毛的阵列。通常，此类刷子的刷毛具有约0.2-1.0cm的长度和约30-100微米的直径。刷毛优选地由尼龙或聚氨酯制成。优选的磨光施加装置包括泡沫垫、EZ PAINTR垫(描述于美国专利3,369,268中)、羔羊毛垫、3MPERFECT IT垫等。
每个轨道施加装置以轨道图案平行于基底的表面移动，并且轨道施加装置的旋转轴垂直于基底的平面。磨光运动可为简单的轨道运动或无规的轨道运动。所使用的典型轨道运动在每分钟约500个–10,000个轨道的范围内。
所磨光涂层的厚度可通过改变所选择的一组涂层变量中的任一个涂层变量来控制，这些涂层变量诸如涂料组合物、涂层进料速率、磨光时间、磨光速度、磨光压力等。在幅材横向或幅材纵向方向上改变这些涂覆过程中的一个涂覆过程将形成不均匀涂层，该不均匀涂层可产生涂覆制品，该涂覆制品具有取决于所使用的涂覆材料而具有受控可变表面特性诸如表面电阻、电阻率、电导率或亲水性的工程化表面。
例如，涂层的厚度在一定的快速初始增加之后，随着时间线性增加。磨光操作越长，涂层越厚。因此，在涂覆过程期间改变线速度允许形成沿基底的长度具有受控的不均匀厚度分布的涂层。作为另外一种选择，可通过控制用于磨光的施加垫上的颗粒涂覆材料的量来控制涂层的厚度。
本连续幅材工艺能够产生具有独特特性的涂层，其为许多市场提供显著的实用性。该方法涉及用侧向“磨光”作用将颗粒涂覆材料施加到基底。因此所产生的涂层可具有各种电气特征、光学特征和装饰特征。
在示例性实施方案中，电热膜加热器诸如电热膜加热器100可被形成为带600，其中粘合剂层170如图5A所示施加到电热膜加热器的一个表面，以将膜加热器粘附到风力涡轮叶片10的前缘14的表面12。在图5A所示的实施方案中，粘合剂施加在电热膜加热器的被涂覆侧上(即，在涂层120和汇流条130、140之上)。本公开的膜加热器中的粘合剂层170是任选的，并且可由已知的粘合剂材料制成。在一些实施方案中，粘合剂为压敏粘合剂(PSA)。压敏粘合剂可用于使用手动力量将膜加热器施加到涡轮叶片的表面，该手动力量足以将粘合剂粘结到表面。
在一些实施方案中，粘合剂层170的PSA可不要求用于将粘合剂粘附到基底的定形(即，通过溶剂蒸发硬化)、化学或热处理。合适的粘合剂材料，具体地但不限于压敏粘合剂材料，包括例如丙烯酸基粘合剂、乙烯基醚基粘合剂、天然或合成橡胶基粘合剂、聚a-烯烃基粘合剂和有机硅基粘合剂以及它们的组合。具体示例公开于美国专利4,925,671、4,693,776、3,930,102、4,599,265、5,116,676、6,045,922和6,048,431，这些专利对粘合剂的公开内容以引用方式并入本文。
适于用于粘合剂层170中的压敏粘合剂在室温下具有某些特性，包括如下：(1)有力且持久的粘着性，(2)不超过指压进行粘结，以及(3)足够的固定到粘附体上的能力。经发现良好地用作压敏粘合剂的材料为经设计和配制而表现出所需粘弹特性，从而使得粘性、剥离粘附力和剪切保持力达到期望平衡的聚合物。
在一些实施方案中，粘合剂层170包含至少一种丙烯酸基粘合剂，诸如(甲基)丙烯酸酯基压敏粘合剂。可用的(甲基)丙烯酸烷基酯(即，丙烯酸烷基酯单体)包括非叔烷基醇的直链或支链的单官能不饱和丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，其烷基基团具有4至14个碳原子，并且具体地4至12个碳原子。聚(甲基)丙烯酸类压敏粘合剂衍生自例如至少一种(甲基)丙烯酸烷基酯单体，诸如例如丙烯酸异辛酯、丙烯酸异壬酯、丙烯酸2-甲基-丁酯、丙烯酸2-乙基-正己酯和丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸己酯、丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸正辛酯、丙烯酸正壬酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸正癸酯、丙烯酸异癸酯、甲基丙烯酸异癸酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酸4-甲基-2-戊酯和丙烯酸十二烷基酯；和至少一种任选的共聚单体组分，诸如例如(甲基)丙烯酸、乙酸乙烯酯、N-乙烯基吡咯烷酮、(甲基)丙烯酰胺、乙烯基酯、富马酸酯、苯乙烯大分子单体、马来酸烷基酯和富马酸烷基酯(分别基于马来酸和富马酸)、或它们的组合。
在某些实施方案中，用于粘合剂层170中的粘合剂可与可定形粘合剂或可固化液体粘合剂组合使用，如在下文将更详细的描述。
用于粘合剂层中的粘合剂材料还可包括添加剂。这样的添加剂可以包括，例如，颜料，染料，增塑剂，增粘剂，流变性改性剂，填料，稳定剂，UV辐射吸收剂，抗氧化剂，和加工用油等等。填料可包括导热填料颗粒，诸如氧化铝颗粒、氮化铝颗粒、氮化硼颗粒、碳化钙颗粒等。所使用的添加剂的量可从0.1重量％变化至50重量％的粘合剂材料，这取决于期望的最终用途。同样，不同粘合剂的组合可用于将其组合成单一粘合剂混合物。本文提供的粘合剂层可以包含单一粘合剂层或两个或更多个粘合剂层，优选地，在其厚度上的叠加层或对接层。
粘合剂层170通常可具有约5微米至100微米的厚度。
在一些实施方案中，粘接层(未示出)可设置在粘合剂层170与热电薄膜加热器的表面之间，以改善粘合剂层对石墨涂层的表面的粘附。
在一些实施方案中，在将电热加热器施加到涡轮叶片上之前，可将剥离衬垫设置在粘合剂层170上，以使得能够将电热加热器卷绕到卷轴或芯上以用于装运和储存。作为另外一种选择，可将剥离材料涂覆到石墨涂层与基底相背对的背面上以用作低粘附背面，从而使得能够将粘合剂涂覆的电热膜加热器缠绕到自身上以用于储存和装运。
在本发明的一些方面，可在电热膜加热器之上施加前缘保护带，以保护膜加热器和风力涡轮叶片免于由于气载材料诸如雨水、沙子、灰尘和其它碎屑的冲击引起的腐蚀。在替代方面，可将电热膜加热器结合到前缘保护带中，使得仅需要将单一材料施加到涡轮叶片，从而简化涡轮叶片的安装和维护。
在一个实施方案中，单片40m长的电热膜的电阻可沿其长度连续变化，使得当从单组汇流条通电时，热输出可从膜的将位于涡轮叶片的远侧端部处的端部处的约45W/ft2改变到将定位成更靠近涡轮的机舱的端部处的不足20W/ft2。当在操作期间通电时，此同一片电热膜将提供对涡轮叶片的不均匀加热，从而补偿沿涡轮叶片的风速的变化并且降低基于本发明的示例性电热膜的除冰系统所需的能量预算。在替代方面，通过以下方式进行石墨涂层的图案化：将模板放置在在基底下方，之后施加涂层，以产生导电性足以满足涡轮叶片防冰应用的电阻率要求的图案化涂层。
膜加热器可由本文所述的具有不均匀石墨涂层的示例性电热膜制得。在一些实施方案中，不均匀石墨涂层包括至少高电阻区、低电阻区以及高电阻区和低电阻区之间的电阻梯度。在其它实施方案中，不均匀石墨涂层可包括具有至少高电阻区、低电阻区以及高电阻区和低电阻区之间的电阻梯度的电阻梯度。例如，高电阻区可具有至少100欧姆/□、至少1000欧姆/□或至少10,000欧姆/□的薄层电阻，并且低电阻区具有小于约50欧姆/□、优选地小于约10欧姆/□或更优选地小于约5欧姆/□的薄层电阻。高电阻区和低电阻区之间的电阻梯度可表示为高电阻区和低电阻区的薄层电阻之间的差异，为约20欧姆/□至9995欧姆/□。
实施例
实施例材料
Figure BDA0003468472240000161
Figure BDA0003468472240000171
测试方法
测试GLC加热膜的4点探针表面电阻、汇流条之间的电阻、热输出(以W/平方英尺为单位)和热均匀性。
薄层电阻方法1
使用手持式4点探针测量装置(得自电子设计与市场公司(Electronic Design toMarket,Inc.)(俄亥俄州莫米(Maume,OH))的RChek 4点测量仪型号RC2175)在样品区域周围的5个位置处测量样品的薄层电阻。将所测量的薄层电阻值取平均值，并报告样品的薄层电阻。
薄层电阻方法2
出于重复，还在相同区域中用得自德康仪器(DELCOM Instruments)(明尼苏达州明尼阿波利斯(Minneapolis,MN))的737电导监测器测量非接触薄层电阻，以确保可重复且可靠的结果。
热输出和温度分布的确定
样品在附接到绝缘体材料时以期望瓦特数通电，该绝缘体材料例如LEXAN聚碳酸酯板(
Figure BDA0003468472240000172
是沙特基础全球技术有限公司(SABIC GLOBAL TECHNOLOGIES B.V.)(荷兰北布拉班特(Noord-Brabant,Netherlands))拥有的商标)或1英寸厚的绝缘泡沫(购自安大略省伦敦的家得宝(Home Depot,London ON)的FOAMULAR)。LEXAN板厚度为5mm，并且面积为1平方英尺。将样品用胶带粘到基底，其中导电涂层面向上。在用胶带粘到Lexan板时，用于电源的引线连接到汇流条，之后进行通电。
为了使电热膜通电以生成热量，将样品连接到低电压(30V以下)电源(型号；PSA2530D，电路测试电子公司(Circuit Test Electronics)(加拿大不列颠哥伦比亚温哥华(Vancouver,British Columbia,Canada)))，该低电压电源固有地监测施加到样品的电压和电流两者。这些值用于计算样品的瓦特数以及面积，以确定膜的热输出。注意，如本文所使用，瓦特数被定义为电压和电流的乘积。
为了确定沿通电样品的温度和热量分布，使用IR相机(得自菲利尔系统公司(FLIRSystems)(加拿大安大略省伯灵顿(Burlington,Ontario,Canada))的型号E8)。样品保持通电，直到温度达到最大值为止。顶部之上未放置绝缘层，因此电热膜暴露于环境实验室条件(20℃)。一旦温度停止上升，就拍摄IR图像，其中可使用得自菲利尔系统公司的菲利尔工具+软件提取最大值、最小值和温度特征图。一旦图像被拍摄，并且记录了电压和安培值，就使电源断开连接。如果要测试后续样品，则使用处于室温下的新Lexan板，因为在每次测试之后Lexan板的温度显著增加。
控制磨光涂覆过程中的涂层厚度(实施例Ex.1–Ex.11)
产生样品以确定涂层参数对薄层电阻并且最终对电热膜的热性能的影响。
示例性磨光涂覆系统配备有纹理化基板，该纹理化基板具有从基板延伸的大致矩形梁的一维阵列。脊的高度HR为0.050英寸(1.27mm)。脊的顶部的宽度WR为0.050英寸(1.27mm)。凹入部的宽度WD为0.075英寸(1.90mm)。
将14微米厚的PET膜基底放置在纹理化基板的顶部上。将包含1:1的品红颜料(MP-MG5518级，得自俄亥俄州克利夫兰的日光荧光色彩公司)和KS6人造石墨(TIMCAL TIMREXKS6)混合物的不含粘结剂的颗粒涂覆材料分配到基底上。轨道施加装置(牧田1/2片精加工砂光机公司(Makita 1/2SheetFinishing Sander)，型号BO 4900V)配备有EZPaintr施加垫，该EZPaintr施加垫在以0.2psi的压力接触基底之前，通过使施加垫在过量粉末涂料中沿轨道运行来被石墨涂层混合物饱和。接通轨道施加装置，并且在设定涂覆时间内将轨道运动的速率设定为900个轨道/分钟。一旦已经过所确定的涂覆时间，就使涂覆头停止并从基底表面凸起。然后通过跨表面喷吹电离空气来清除膜的残余粉末。然后将膜从涂覆装置移除并搁置一旁以用于表征。表1中示出实施例Ex.1–Ex.11的涂覆时间、薄层电阻和涂层厚度。
表1
Figure BDA0003468472240000181
Figure BDA0003468472240000191
图案化涂覆电热膜加热器(EFH2)
针对Ex.1至Ex.11如上文所描述在聚酯膜(14微米厚)上涂覆薄石墨层。该干燥颗粒涂料组合物包含品红颜料(MP-MG5518级，得自俄亥俄州克利夫兰的日光荧光色彩公司)和KS6人造石墨(TIMCAL TIMREX KS6)的1:1混合物。磨光时间为60秒，这产生具有0.4微米厚度的涂层。
将一片三角形打孔乙烯基膜(来自明尼苏达州圣保罗的3M公司的SCOTCHCAL 8170打孔窗口图形膜)放置在石墨涂覆膜的顶部上以用作掩模。打孔的乙烯基膜具有50％密度的圆形开口。使用购自美国伊利诺伊州麦克马斯特-卡尔公司(McMaster-Carr，Illinois，USA.)的SPEED BLASTER便携式介质喷射机(型号：007)来在30psi气压下移除暴露的具有碳酸氢钠颗粒的石墨涂层。在6秒喷射之后，移除模板，并且获得对应于模板的非常规则的点图案，如图7A所示。石墨涂层中的图案中的圆圈具有约1.5mm的直径。
由上述图案化涂覆材料的4英寸乘4英寸样品形成电热膜加热器(EFH2)。将购自3M公司(明尼苏达州圣保罗)的0.25英寸宽的3MTM EMI铜箔屏蔽带1181的条带层合至图案化涂覆膜的两个相对边缘，以产生电热膜加热器800的汇流条830、840。图7A为电热膜加热器800(EFH2)的照片，其示出所涂覆石墨层820中的圆形开口825的图案。
将电热膜加热器(EFH2)放置在1英寸厚的绝缘泡沫(购自安大略省伦敦的家得宝的FOAMULAR)上。然后将10V的电压施加到汇流条。在等待5分钟以使电热膜加热器达到平衡之后，用设置在距样品约30cm处的红外热相机(购自加拿大安大略省的伯灵顿的菲利尔系统公司的型号E8)拍摄热图像。图7B和图7C示出了以灰度记录的热图像以及示出沿电热膜加热器EFH2的长度的可变热输出的对应轮廓图。应注意，在灰度热图像上较深颜色指示较低温度，而较浅颜色指示较暖温度。参见图7A和图7C，加热器的温度在靠近电热器的第一端部800a处较低，在该第一端部处圆形开口的密度最高。圆形开口增加了第一端部附近膜的电阻，因此降低了穿过涂层的能量的量，从而导致较低热输出。相比之下，最高温度出现在电热膜加热器EFH2的第二端部800b附近，在该第二端部处膜中开口的密度最低。
表2示出了在若干施加电压下沿电热膜加热器EFH2的中心线获得的温度梯度(dT/dx)。
表2
Figure BDA0003468472240000201
灰度涂覆电热膜加热器(EFH3)
产生灰度涂覆电热膜加热器，使得薄层电阻沿灰度涂覆电热膜加热器的长度逐渐地改变。这通过逐渐改变基底在轨道施加装置下方的放置、因此同时增加磨光时间来进行。整个膜从涂覆头下方开始，并且在大约20秒的连续磨光之后，连续地推进涂覆头以模拟幅材移动。在超过10秒的持续时间内移动幅材，从而导致在膜的第二端部上约30秒的磨光时间。
通过以下方式形成电热膜加热器(EFH3)：沿灰度涂覆基底的两个纵向层合购自3M公司(明尼苏达州圣保罗)的0.25英寸宽的3MTM EMI铜箔屏蔽带1181的条带，以产生电热膜加热器EFH3的汇流条。
图8A和图8B示出了以灰度记录的热图像以及示出沿电热膜加热器EFH3的长度的可变热输出的对应轮廓图。图8A包括指示涂层的厚度梯度的箭头904。
数字涂覆电热膜加热器(EFH4)
产生薄层电阻的阶梯变化的数字涂覆电热膜加热器，其具有均匀但不同热输出的相异“区”。这通过以下方式完成：以如上规定的均匀涂层涂覆整个基底，并且然后按设定纵向距离对基底进行分度，并且施加第二层微粒涂覆材料，从而产生具有不同热分布的两个区，导致当由设置在电热膜加热器(EFH4)的每个纵向边缘上的单个母线对供电时，在每个区中达到不同温度。
具体地，如上所述用干燥颗粒涂料组合物涂覆10英寸x 10英寸的14微米厚的PET膜基底，该干燥颗粒涂料组合物包含品红色颜料(MP-MG5518级，得自俄亥俄州克利夫兰的日光荧光色彩公司)和KS6人造石墨(TIMCAL TIMREX KS6)的1:1混合物。磨光时间为20秒。所得的涂层具有0.2微米的厚度。然后按约5英寸对基底进行纵向分度，从而产生包括具有0.2微米厚度的涂层的第一薄层电阻区。将第二层磨光涂覆在剩余部分上达另外10秒(或达总共30秒)，从而形成具有0.3微米厚度的第二薄层电阻区。
通过以下方式形成电热膜加热器(EFH4)：沿数字涂覆基底的两个纵向层合购自3M公司(明尼苏达州圣保罗)的0.25英寸宽的3MTM EMI铜箔屏蔽带1181的条带，以产生电热膜加热器EFH4的汇流条。
图9A是电热膜加热器EFH4 1000的示意图，其示出第一薄层电阻区1006和第一薄层电阻区1008的位置。图9B和图9C示出了以灰度记录的热图像以及示出沿电热膜加热器EFH4的长度的可变热输出的对应轮廓图。
表3列出了电热膜加热器EFH3和EFH4的最高温度和最低温度以及高电阻值和低电阻值。
表3
Figure BDA0003468472240000211
二维图案化电热膜加热器(EFH5)
使用如图10所示具有在2维中变化的图案的纹理化基板1100产生可变加热膜。纹理化基板具有从基板1102延伸的横维和顺维定向的凸起肋或脊1104、1105的图案。凹入部1108设置在相邻的横维和顺维定向的肋之间。图案凸起肋沿纹理化基板在x轴和y轴两者上的间隔减小。纹理化基板的凸起部分的密度的这种变化将导致跨纹理化基板的涂覆压力的线性(或2维)变化，这将导致不均匀导电涂层。
将14μm厚的PET膜放置在纹理化基板的顶部上并且如上所述用干燥微粒涂料组合物涂覆PET膜，该干燥微粒涂料组合物包含品红色颜料(MP-MG5518级，得自俄亥俄州克利夫兰的日光荧光色彩公司)和KS6人造石墨(TIMCAL TIMREX KS6)的1:1混合物。磨光时间为20秒。在涂覆之后，用电离空气清洁样品，之后将样品转换为电热加热器。
通过以下方式形成电热膜加热器(EFH5)：沿二维图案化涂覆基底的两个纵向层合购自3M公司(明尼苏达州圣保罗)的0.25英寸宽的3MTM EMI铜箔屏蔽带1181的条带，以产生图11A中示意性地示出的电热膜加热器EFH5的汇流条。
使用20V给EFH5通电，直到如从IR相机读取的温度达到最大值。然后拍摄图像以分析热变化。将图像转换为概述膜内最大温度区域的轮廓图绘图。图11B和图11C示出了以灰度记录的热图像以及示出沿电热膜加热器EFH5的长度的可变热输出的对应轮廓图。
表4提供了电热膜加热器EFH5的最高温度和最低温度以及高电阻值和低电阻值。
表4
Figure BDA0003468472240000221
虽然上述实施方案主要涉及用于风力涡轮的叶片，但是普通技术人员将认识到，本发明可外推到用于其它类别的翼片诸如飞机机翼和螺旋桨和直升机桨叶的防冰解决方案。在另一方面，普通技术人员将认识到，本发明的示例性加热膜提供了当仅能从加热膜与物体的远侧端部相反的端部施加电力时在远侧端部处提供规定热通量的有效手段，从而消除复杂布线/连接方案。
在阅览本发明的说明书之后，本发明可适用的各种修改、等效工艺以及多种结构将对本发明所属领域的技术人员是显而易见的。

Claims (30)

1.一种电热膜加热器，所述电热膜加热器包括：
基底，所述基底具有第一主表面和第二主表面，其中所述基底由长度、宽度和基底厚度表征；
不均匀石墨涂层，所述不均匀石墨涂层设置在所述基底的至少一个主表面上，从而沿所述基底的所述长度和/或所述宽度中的至少一者在所述基底上产生可变电阻涂层；以及
一对间隔开的汇流条，所述一对间隔开的汇流条设置在所述不均匀石墨涂层的顶部上。
2.根据权利要求1所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层包含非活性材料以调整所述不均匀石墨涂层中的薄层电阻。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层是不含粘结剂的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层的特征在于沿所述基底的所述长度和/或所述宽度中的至少一者变化的涂层厚度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层包括具有恒定但不同的涂层厚度的区阵列，从而沿所述基底的所述长度和/或所述宽度中的至少一者产生薄层电阻梯度。
6.根据权利要求5所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层包括至少高电阻区、低电阻区以及所述高电阻区和所述低电阻区之间的电阻梯度。
7.根据权利要求6所述的膜加热器，其中所述高电阻区具有至少10,000欧姆/□的薄层电阻。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的膜加热器，其中所述低电阻区具有小于约5欧姆/□的薄层电阻。
9.根据权利要求5所述的膜加热器，其中所述高电阻区和所述低电阻区的所述薄层电阻之间的差异为约20欧姆/□至9995欧姆/□。
10.根据前述权利要求中任一项所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层包含沿所述基底的所述长度和/或所述宽度中的至少一者变化的石墨的涂覆量。
11.根据权利要求1所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层是数字涂覆层涂层。
12.根据权利要求1所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层是图案化的。
13.根据权利要求1所述的膜加热器，其中所述不均匀石墨涂层是灰度涂覆层。
14.根据前述权利要求中任一项所述的膜加热器，其中所述可变电阻涂层具有沿所述基底的所述长度和/或所述宽度中的至少一者非线性变化的薄层电阻。
15.根据权利要求13所述的膜加热器，其中所述可变电阻涂层具有沿所述基底的所述长度和所述宽度中的至少一者线性变化的薄层电阻。
16.根据前述权利要求中任一项所述的膜加热器，所述膜加热器还包括粘接层，所述粘接层设置在所述基底和所述不均匀石墨涂层之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的膜加热器，所述膜加热器还包括保护层，所述保护层设置在所述不均匀石墨涂层的表面上。
18.根据前述权利要求中任一项所述的膜加热器，所述膜加热器还包括粘合剂层，所述粘合剂层设置在所述不均匀石墨涂层之上以将所述膜加热器附接到待加热的表面。
19.根据前述权利要求中任一项所述的膜加热器，其中所述待加热的表面是涡轮叶片的前缘。
20.一种涂覆具有表面的聚合物基底以产生涂覆膜的方法，所述涂覆膜沿被涂覆基底的至少一个主要尺寸具有受控的、不均匀的电阻分布，其中所述主要尺寸是所述基底的长度和/或宽度中的一者，所述方法包括：
在具有表面轮廓的工作表面上提供基底；
将干燥不含粘结剂的微粒涂料组合物施加到所述基底的一个表面；
通过至少一个施加装置头相对于所述基底的表面上的点在平行于所述表面的平面中在多个方向上以轨道方式移动来将有效量的所述涂料粉末磨光到所述表面上；以及
在所述磨光过程期间改变所述方法的至少一个过程变量，以在所述基底的所述表面上产生不均匀涂层，其中所述过程变量沿所述涂覆膜的所述至少主要尺寸改变以产生所述不均匀表面特性分布，并且其中所述至少一个过程变量选自施加时间、施加压力、涂覆温度、所述工作表面的所述轮廓和干燥不含粘结剂的微粒涂料组合物。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述不含粘结剂的微粒涂料组合物包含石墨颗粒，从而产生用于形成热电加热器的具有不均匀薄层电阻分布的涂覆制品。
22.根据权利要求20至21中任一项所述的方法，其中所述不含粘结剂的微粒涂料组合物还包含非活性颗粒。
23.根据权利要求20或21中任一项所述的方法，其中所述不含粘结剂的微粒涂料组合物基本上由石墨颗粒和磨光助剂颗粒组成。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中所述不含粘结剂的微粒涂料组合物包含2重量％至100重量％的石墨颗粒和0重量％至98重量％的磨光助剂颗粒。
25.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中所述不含粘结剂的微粒涂料组合物包含30重量％至70重量％的石墨颗粒和70重量％至30重量％的磨光助剂颗粒。
26.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中沿所述涂覆膜的至少一个主要尺寸变化的所述过程变量是所述不含粘结剂的涂料粉末的组合物。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中所述工作表面具有平坦表面轮廓。
28.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中所述工作表面具有纹理化表面轮廓。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述纹理化表面轮廓包括凸起结构和凹陷结构。
30.根据权利要求28或29中任一项所述的方法，其中使用具有所述纹理化表面轮廓的所述工作表面制得的涂覆膜具有由所述纹理化表面轮廓产生的厚度分布。
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