JP2012524383A - パターン化された弁別部を備える雷保護シート - Google Patents

Abstract

雷保護システムは、典型的に、航空機の外側表面上で使用するために提供され、これは導電性フィルムと、少なくとも１つのパターン化された非導電性弁別層と、を含む雷保護シートの使用を含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、その開示内容の全体を参照することにより本明細書に援用する米国特許仮出願第６１／１７０３６０号（２００９年４月１７日出願）の利益を主張する。

（発明の分野）
本開示は、少なくとも１つのパターン化された、典型的に航空機の外側表面上で使用するための非導電性弁別層を含む雷保護シートに関する。

飛行中の飛行機の落雷は希有な現象ではない。民間輸送航空機への落雷は、１年で航空機１台当たり約１回になると予測されている。航空工学における現在、より軽量な材料、より少ない機械システム、及びより多くの電子システムを使用する傾向にある。電子システムは機械システムよりも、例えば落雷によって生じる電磁妨害の影響を受けることが多い。最近では、航空機用、これと並んで風力発電機、自動車、スポーツ用品、家具、バス、トラック、及び硬質で軽量の材料、又は部材の強化が有益である他の用途の、より多くの部材を製造するために、非導電性又は部分的に導電性の繊維強化樹脂マトリックス材料が使用されている。これらのより軽量な構造物は、従来のアルミニウム構造体よりも雷に対して、効果の弱い保護を提供する。

雷捕捉場所における状況は過酷である。航空機の雷捕捉に関して、２００クーロンを超える電荷移行で２００，０００アンペアもの高い過渡電流が予想される。（ＳＡＥ ＡＲＰ５４１２ Ｒｅｖｉｓｉｏｎ Ａ，Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｅｓｔ Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，０１−Ｎｏｖ−１９９９．）風力発電機の雷捕捉は、地理的な位置及び高さによって大きく変化するが、３００クーロンもの高い電荷移行で１００，０００アンペアもの高い過渡電流が予想される。（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ６１４００−２４，Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ−Ｐａｒｔ ２４：Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，１^ｓｔ ｅｄｉｔｉｏｎ ２００２−０７。）落雷カラムにおけるプラズマの温度は、約２８，０００°Ｋ（２７７２７℃）であると推定されている。（「Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎｏｄｅ：ｐａｒｔ ＩＩＩ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｓｔｒｉｋｅ ａｎｄ ａｎ ａｉｒｃｒａｆｔ ｉｎ ｆｌｉｇｈｔ」（Ｆ Ｌａｇｏ、Ｊ Ｊ Ｇｏｎｚａｌｅｚ、Ｐ Ｆｒｅｔｏｎ、Ｆ Ｕｈｌｉｇ、Ｎ Ｌｕｃｉｕｓ及びＧ Ｐ Ｐｉａｕ）２００６ Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９ ２２９４〜２３１０。）落雷によって生じる損傷のほとんどは、雷のアーク内の高温及び材料のオーム加熱によって生じる、落雷場所での過剰なレベルの熱によるものである。

一部の研究者は、金属化織布、金属化紙、固体金属フィルム、小孔金属フィルム、金属線、金属メッシュ、金属粒子、エキスパンドメタルホイル、炭素粒子、又は炭素繊維などの導電性層を含む、落保護システムの使用を報告している。一部の発明者は、イオン性外側層（例えば塗料層など）を含む雷保護システムの使用を報告している。落雷はしばしば、捕捉部位にて保護機構を破壊し、最新の軽量構造体にかなり重大な損傷を引き起こす。これは、費用のかかる構造体の修理、及び関連するサービスの中断を余儀なくさせる。以下の参照はこのような技術に関する：国際公開第２００５／０３２８１２（Ａ）号、米国特許出願公開第２００６／０５１５９２（Ａ１）号、国際公開第２００７／０４８４２６（Ａ）号、米国特許出願公開第２００８／１４２２３８（Ａ１）、同第２００４／００６９８９５号、米国特許第４，９２０，１６３号、欧州特許第０２２７１２２（Ａ）号、米国特許第７，２７７，２６６（Ｂ１）号、米国特許出願公開第２００７／０２３６８５５（Ａ１）号、国際公開第２００７／１２３７００（Ａ１）号、米国特許出願公開第２００７／０２３００８５（Ａ１）号、欧州特許第１，９３５，７８４（Ａ２）号、国際公開第２００８／０４０９３６（Ａ１）号、米国特許第４，３５２，１４２号、国際公開第２００８／０７６８５１（Ａ１）号、米国特許出願公開第２００７／０１４１９２７（Ａ１）号、同第２００８／０１４５５５５（Ａ１）号、欧州特許第１，９４４，２３６（Ａ２）号、米国特許出願公開第２００８／０１７０３４９（Ａ１）号、フランス特許出願公開第２，７２０，２１４（Ａ１）号、米国特許出願公開第２００７／０２５８１８２（Ａ１）号、同第２００７／００９３１６３（Ａ１）号、米国特許出願公開第２００７／０２０１１７９（Ａ１）号、米国特許第５，１２７，６０１号、同第３，９８９，９８４号、国際公開第２００８／０１５０８２（Ａ１）号、同第２００８／００６３７７（Ａ１）号、同第２００８／０４６１８６（Ａ１）、同第２００７／１４２３５４（Ａ１）号、同第２００８／０４８７０５（Ａ２）、同第２００８／０５６１２３（Ａ１）号、欧州特許第１，９３５，６３１（Ａ３）号、ロシア特許第２，２６３，５８１号、同第２，２１７，３２０（Ｃ１）号、国際公開第２００２／０７６４３０（Ａ）号、ロシア特許第２，１９２，９９１（Ｃ）号、欧州特許第１，０１１，１８２（Ａ１）号、同第０，９００，６４７（Ａ）号、同第６２９，５４９（Ａ）号、ドイツ特許出願公告第１０２００６０４６００２（Ｂ４）号、欧州特許第１６３，８０５（Ａ１）号、米国特許第５，１３２，１６８（Ａ）号、米国特許第３，７５５，７１３（Ａ）号、及び米国特許出願公開第２００６／０１４３９２０（Ａ１）号。

簡潔に、本開示は、典型的に０．０１〜１０マイクロメートルである厚さｔを有する導電性フィルムと、この導電性フィルムの上に厚さＴ_ＤＬを有する非導電性の第１弁別層と、を含み、第１弁別層は、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％の深さｄを有する谷形状、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％の溝部の深さｄを有する隆起部と溝部の形状、又はこれらの組み合わせから構成される群から選択された複数の形状にパターン化されている、雷保護シートを提供する。いくつかの実施形態は、第１弁別層の部分を被覆する非導電性の第２弁別層を更に含み、この第２弁別層は、第１の複数の隆起部と溝部の形状と非平行である、第２の複数の隆起部と溝部の形状を含む。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは、第１の複数の隆起部と溝部の形状と非平行である、第３の複数の隆起部と溝部の形状を含む。いくつかの実施形態は、第１弁別層の部分を被覆する非導電性の第２弁別層を更に含み、第１弁別層は、第１絶縁破壊強度を有し、第２弁別層は、第１絶縁破壊強度の９０％未満である、第２絶縁破壊強度を有する。雷保護シートは典型的に、５０ｇ／ｍ^２未満の重さである導電性材料の量を含む。雷保護シートは、１つ以上のイオン性塗料層を更に含んでもよい。

他の態様では、本開示は、典型的に０．０１〜１０マイクロメートルである厚さｔを有する導電性フィルムと、この導電性フィルムの上の厚さＴ_ＤＬを有する非導電性の第１弁別層と、を含み、第１弁別層は、第１絶縁破壊強度を有する第１材料、及び第１絶縁破壊強度の９０％未満である第２絶縁破壊強度を有する第２材料の粒子を含み、粒子の平均直径は、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％である、雷保護シートを提供する。雷保護シートは典型的に、５０ｇ／ｍ^２未満の重さである導電性材料の量を含む。雷保護シートは、１つ以上のイオン性塗料層を更に含んでもよい。

別の態様において、本開示は、本開示による雷保護シートを有する航空機の複合材料構造体を提供する。

本開示は概して、様々な「層」及び／又は「フィルム」を含む雷保護「シート」に関し、雷保護シートは、「構造体」、典型的に、航空機又は宇宙船の表面に保護を提供する。

フィルム又は層に関して本明細書で使用されるとき、「実質的に連続的な」は、例えば締結具、通路等に関して、偶発的又は偶然の孔若しくは隙間以外の、フィルム又は層を貫通する孔若しくは隙間の繰り返しパターンを有さないことを意味する。フィルム又は層に関して、「本質的に連続的な」は、締結具、通路等に関して、偶発的又は偶然の孔若しくは隙間以外の、フィルム又は層を貫通する孔若しくは隙間を有さないことを意味する。

フィルムに関して本明細書で使用されるとき、「厚さｔ」は、フィルムのいずれかのパターン化に関係なく、フィルムの面に直交して測定された平均厚さを意味し、適切な場合は、パターン化前の、本開示の実践で使用されるフィルムの公称厚さであるようにとられてもよい。

層に関して本明細書で使用されるとき、「厚さＴ_ＤＬ」は、フィルムの面に直交して測定された、厚さの局所的な最大値の平均である。

本明細書で使用されるとき、フィルム又は層内の「丘形状」は、より低い高さの領域によって包囲されている高さにおける局所的な最大値を意味し、（高さはシートの全体的な平面に直交して測定される）（すなわち、下層の表面の屈曲若しくは湾曲を追従する屈曲又は湾曲に関係なく）を意味し、正の高さはシートの構造体の面から離れる方向である。丘形状には、錐体、半球、こぶ、３面、４面若しくはそれより多い面のピラミッド、又は前述のいずれかの硬質若しくは軟質の縁の付いた錐台を挙げることができるが、これらに限定されない。本明細書で使用されるとき、丘形状の高さｈは、局所的な最大値と、３６０°にわたって平均化された隣接する局所的な最小値との間の高さにおける差を意味する。いくつかの実施形態では、丘形状はまた、くぼみ付きの錐台、例えば「火山」、又は二分割されたトーラス形状を挙げることができるがこれに限定されず、その場合には、丘形状の高さｈは、丘形状の縁部で測定される。

本明細書で使用されるとき、フィルム若しくは層における「谷形状」は、より大きな高さの領域によって包囲されている、高さにおける局所的な最小値を意味する。谷形状には、反転させた錐体、反転させた半球、反転させたこぶ、３面、４面若しくはそれより多い面の反転させたピラミッド、又は前述のいずれかの硬質若しくは軟質の縁の付いた錐台を挙げることができるが、これらに限定されない。本明細書で使用されるとき、谷形状の深さは、局所的な最小値と、３６０°にわたって平均化された隣接する局所的な最大値との間の高さにおける差を意味する。いくつかの実施形態では、谷形状は、反転させたくぼみ付きの錐台を挙げることができるが、これに限定されず、その場合には、谷形状の深さは、谷形状の最も深い点で測定される。いくつかの実施形態では、谷形状は、フィルム又は層を全体的に貫通してもよい。

本明細書で使用されるとき、フィルム又は層における「隆起部と溝部の形状」は、交互の隆起部及び溝部含み、これは線状、湾曲状、又は角度が付いていてもよい。いくつかの実施形態では、隆起部と溝部の形状は枝分かれしていてもよい。いくつかの実施形態では、隆起部と溝部の形状は閉じた形状形成してもよい。本明細書で使用されるとき、所与の点における隆起形状の高さｈは、局所的な最大値と、その点における隆起部に垂直な線に沿った、隣接する局所的な高さの最小値の平均との間の高さにおける差を意味する。本明細書で使用されるとき、溝部上の所与の点における溝部の形状の深さｄは、局所的な最小値と、その点における溝部に垂直な線に沿った、隣接する局所的な高さの最大値の平均との間の高さにおける差を意味する。いくつかの実施形態では、溝部の形状は、フィルム又は層を全体的に貫通してもよい。

本明細書で使用されるとき、「導電性」は、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、亜鉛、銀、金、チタン、クロム、プラチナ、ベリリウム、マグネシウム、鉄等の、これらの金属状態における金属の特徴であるように少なくとも高い、室温での高導電率を有することを意味する。

本明細書で使用されるとき、「非導電性」は、典型的に室温の半導体及び絶縁体を含むが、いくつかの実施形態では、室温の絶縁体のみを含み、半導体は含まない、金属状態における金属の特徴よりも低い、室温における低い導電率を有することを意味する。

本開示による雷保護システムの概略的な断面図。 本開示による雷保護システムの直交する突出部。 本開示による雷保護システムの直交する突出部。

本開示は、典型的に、航空機の外側表面上で使用するための、導電性フィルムと、少なくとも１つのパターン化された非導電性弁別層と、を含む、雷保護シートを含む、雷保護システムを提供する。典型的に、本開示の雷保護システムを使用する航空機は、サービスの中断を余儀なくさせる修理を必要とすることなく、雷の衝撃に耐えることができる。典型的に、本開示の雷保護システムを使用する航空機は、航空機構造体への損傷もなく、雷の衝撃に耐えることができる。いくつかの実施形態では、本開示の雷保護システムを使用する航空機は、雷保護シートの導電性フィルムへの損傷もなく、雷の衝撃に耐えることができる。

図１を参照して、本開示の一実施形態による雷保護システムは、典型的に航空機又は宇宙船の表面である構造体２０上にある雷保護シート１０を含んでもよい。雷保護シート１０は、厚さｔを有する、導電性フィルム３０を含む。雷保護シート１０は、導電性フィルム３０の上に厚さＴ_ＤＬを有する第１弁別層４０を更に含み、これは深さｄを有する谷形状でパターン化されている。雷保護シート１０は、第１弁別層４０の上に第２弁別層６０を所望により含んでもよく、これは所望により谷形状５０を充填する。雷保護シート１０は、例えば塗料層など、１つ以上の追加の表面層７０を所望により含んでもよい。

図２を参照して、本開示の一実施形態による雷保護システムは、典型的に航空機又は宇宙船の表面である構造体１２０上にある雷保護シート１１０を含んでもよい。雷保護シート１１０は、隆起部１８０及び溝部１８５を含む、隆起部と溝部の形状でパターン化されている導電性層１３０を含む。いくつかの実施形態では、導電性層１３０は、パターン化された支持層上にある薄型フィルムを含む。雷保護シート１１０は、上記の導電性層１３０の上に第１弁別層１４０を更に含み、これは隆起部１５５及び溝部１５０を含む隆起部と溝部の形状でパターン化されている。第１弁別層１４０の隆起部１５５及び溝部１５０は、典型的に導電性層１３０の隆起部１８０及び溝部１８５と非平行であり、より典型的に図示されるように垂直である。雷保護シート１１０は、所望により１つ以上の第２弁別層又は追加の表面層（図示せず）を含んでもよい。

図３を参照して、本開示の一実施形態による雷保護システムは、典型的に航空機又は宇宙船の表面である構造体２２０上にある雷保護シート２１０を含んでもよい。雷保護シート２１０は、導電性フィルム２３０を含む。雷保護シート２１０は、上記の導電性層フィルム２３０の上に第１弁別層２９０を更に含み、これは隆起部２８０及び溝部２８５を含む隆起部と溝部の形状でパターン化されている。雷保護シート２１０は、上記の第１弁別層２９０の上に第２弁別層２４０を更に含み、これは隆起部２５５及び溝部２５０を含む隆起部と溝部の形状でパターン化されている。第２弁別層２４０の隆起部２５５及び溝部２５０は、典型的に第１弁別層２９０の隆起部２８０及び溝部２８５と非平行であり、より典型的に図示されるように垂直である。雷保護シート２１０は、所望により１つ以上の表面層（図示せず）を含んでもよい。

構造体は、任意の好適な材料、典型的に航空機又は風力タービン構造体で使用される材料のものであってもよく、これは金属、木材、ポリマー、炭素粒子若しくは繊維、ガラス粒子若しくは繊維、上記の１つ以上を含む複合材料等を挙げることができるが、これらに限定されない。

導電性フィルム又は層は、任意の好適な材料で作製されてよい。典型的に、導電性フィルムは、金属材料を含む。典型的に、導電性フィルムは、金属を含む。典型的に、導電性フィルムは、高い導電率、低密度、及び高い耐腐食性などの好ましいバランスを有する材料を含む。有用な金属には、銅、アルミニウム、ニッケル、亜鉛、銀、金、チタン、クロム、プラチナ、ベリリウム、マグネシウム、鉄等、並びにこれらの金属合金を挙げることができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは、実質的に連続的である。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは、本質的に連続的である。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは連続的である。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは、連続的ではない。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは、実質的に連続的ではない。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは、エキスパンドホイルである。いくつかの実施形態では、導電性フィルムはメッシュである。いくつかの実施形態では、導電性フィルムは、その開示はここに援用するものである、２００９年４月１７日出願の米国特許出願第６１／１７０，３５２号（代理人整理番号６５１４８ＵＳ００２）に開示されるようにパターン化されてもよい。いくつかの実施形態では、導電性リムは隆起部と溝部の形状でパターン化されてもよい。

導電性フィルム３０の厚さｔは、任意の好適な厚さであってもよい。より低い厚さは、より小さな重量を生じさせることができる。厚さｔは、典型的に１ｍｍ未満、より典型的に１００マイクロメートル未満、より典型的に５０マイクロメートル未満、及び典型的に１０マイクロメートル未満である。いくつかの実施形態では、厚さｔは５マイクロメートル未満である。いくつかの実施形態では、厚さｔは２マイクロメートル未満である。いくつかの実施形態では、厚さｔは１マイクロメートル未満である。厚さｔは典型的に、少なくとも０．００１マイクロメートル、より典型的に少なくとも０．０１マイクロメートル、及びより典型的に少なくとも０．１マイクロメートルである。

第１弁別層は、任意の好適な材料で作製されてよい。典型的に、弁別層は、典型的に空気よりも高い、より典型的に５ｋＶ／ｍｍより高い、より典型的に１０ｋＶ／ｍｍよりも高い、及びいくつかの実施形態では、２５ｋＶ／ｍｍよりも高い、高絶縁破壊強度を典型的に備える、非導電性材料で作製される。有用な材料には、セラミックス、高分子若しくは繊維材料、又は粒子、繊維若しくは成形充填剤を更に含み得るこれらの組み合わせなどを挙げることができるが、これらに限定されない。有用な材料にはエポキシ、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアクリレート、フルオロポリマー、シリコーンを挙げることができるがこれらに限定されず、また、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ストロンチウム（strontium, titanate）、スズ酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコン酸バリウム、酸化セシウム、酸化ランタン、酸化チタン、酸化亜鉛、炭素、シリカ、若しくはアラミドを含む添加剤、又は添加剤の組み合わせを更に挙げることができる。いくつかの実施形態では、第１弁別層は導電性フィルムの上面に一致し、これはパターン化されていても、あるいはパターン化されていなくてもよい。

第１弁別層の厚さＴ_ＤＬは、任意の好適な厚さであってもよい。典型的に、Ｔ_ＤＬは、１マイクロメートル〜１ｃｍ、より典型的に１０マイクロメートル〜１ｍｍ、及びより典型的は１０マイクロメートル〜１００マイクロメートルである。いくつかの実施形態では、第１弁別層は、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％、いくつかの実施形態ではＴ_ＤＬの７５％〜１００％の、及びいくつかの実施形態では、Ｔ_ＤＬの９５％〜１００％の深さｄを有する複数の谷形状にパターン化されている。いくつかの実施形態では、第１弁別層は、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％、いくつかの実施形態ではＴ_ＤＬの７５％〜１００％の、及びいくつかの実施形態では、Ｔ_ＤＬの９５％〜１００％の溝部の深さｄを有する複数の隆起部と溝部の形状にパターン化されている。いくつかの実施形態では、第１弁別層は、上記の形状の組み合わせである、複数の形状にパターン化されている。Ｔ_ＤＬの１００％の深さは、層を貫通する形状を意味する。

形状のピッチは、同様な形状の間の平均若しくは典型的な距離を意味し、任意の好適なピッチであってもよい。形状のピッチは典型的に、１０マイクロメートル〜１ｃｍ、より典型的に２５マイクロメートル〜１０ｍｍ、及びより典型的に２０マイクロメートル〜１ｍｍである。

本開示による雷保護システムは、１つ以上の第２弁別層を所望により含んでもよい。第２弁別層は、任意の好適な材料で作製されてよい。典型的に、第２弁別層は、弁別層よりも低い絶縁破壊強度、典型的に弁別層の絶縁破壊強度の９０％未満、より典型的に弁別層の絶縁破壊強度の７５％未満、及びより典型的に弁別層の絶縁破壊強度の５０％未満を有する非導電性材料から作製される。いくつかの実施形態では、第２弁別部は、第１弁別層に関して上記の任意の方法でパターン化されてもよく、第２弁別層の任意のパターン化は、第１弁別層の任意のパターン化とは別個に選択される。第２弁別部は、例えば均一又は不均一なリブレット又は目盛の形態で、概ね平坦であるか又は構造化されている外側表面を有してもよい。かかるパターン化された構造体は、例えば米国特許第５，１３３，５１６号に教示されている摩擦抵抗を低減するために、ノイズを低減するために、又は他の目的のために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、第２弁別層の下面は、第１弁別層の上面に追従する。いくつかの実施形態では、連続的な第２弁別層は、第１弁別層の凹形状を充填する又は部分的に充填する。いくつかの実施形態では、連続的な第２弁別層は、第１弁別層の凹形状を充填する又は部分的に充填する。

いくつかの実施形態では、存在する場合、第１弁別層、第２弁別層、及び導電性フィルムのパターン化は、協働して別個の潜在的な捕捉点のパターンを作る。例えば、いくつかの実施形態では第１弁別層、第２弁別層、及び導電性フィルムの２つ又はそれ以上は、隆起部と溝部の形状でパターン化され、ここでは１つの層の隆起部及び溝部は、他の層の隆起部と溝部と非平行であり、より典型的に、これに垂直である。

本開示よる雷保護システムは、所望により、１つ以上の追加の表面層、例えば塗料層を含んでもよい。追加の表面層は、パターン化された又はパターン化されていない塗料など、これに限定されない任意の好適な材料で作製されてもよい。いくつかの実施形態では、本開示による雷保護システムは、イオン性塗料層である、１つ以上の追加の表面層７０を含む。このようなイオン性塗料層は、例えば、落雷中に存在する熱又は電流の適用により蒸発する成分を含み、これによって落雷捕捉点の他の場所に対するマイグレーションへの耐性を瞬間的に低減することができる、落雷の領域における雷保護シートの上に、導電性蒸気を提供する。このような成分には、イオン性顔料、例えば二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、オルトチタン酸亜鉛、酸化鉄、酸化クロム、酒石酸セシウム、シュウ酸バリウム、セシウム塩、バリウム塩、又は酒石酸セシウムなどを挙げることができるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、追加の表面層は、弁別層よりも低い絶縁破壊強度、典型的に弁別層の絶縁破壊強度の９０％未満、より典型的に弁別層の絶縁破壊強度の７５％未満、及びより典型的に弁別層の絶縁破壊強度の５０％未満を有する材料から作製される。追加の表面層は、例えば均一又は不均一なリブレット又は目盛の形態で、概ね平坦であるか又は構造化されている外側表面を有してもよい。かかるパターン化された構造体は、例えば米国特許第５，１３３，５１６号に教示されている摩擦抵抗を低減するために、ノイズを低減するために、又は他の目的のために使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、第２弁別層及び追加の表面層の機能及び特性は、単一層内で組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、第２弁別層及び追加の表面層は、異なる組成物を有さなければならない。

本開示による雷保護システムは、所望により導電性フィルムを有する支持層を含んでもよい。導電性フィルムがパターン化されている実施形態を含む、いくつかの実施形態では、支持層は導電性フィルムの下面に一致してもよい。いくつかの実施形態では、支持層は、導電性フィルムの下面のみを充填し、導電性フィルムの下型に延在しない。支持層は、任意の好適な材料で作製されてよい。典型的に、支持層は、例えばセラミックス、高分子若しくは繊維材料、又は粒子、繊維若しくは成形充填剤を更に含み得るこれらの組み合わせなど、これらに限定されない非導電性材料で作製される。有用な材料にはエポキシ、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアクリレート、フルオロポリマー、シリコーンを挙げることができるがこれらに限定されず、また、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ストロンチウム（strontium, titanate）、スズ酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコン酸バリウム、酸化セシウム、酸化ランタン、酸化チタン、酸化亜鉛、炭素、シリカ、若しくはアラミドを含む添加剤、又は添加剤の組み合わせを更に挙げることができる。いくつかの実施形態では、支持層は接着剤を含まない。いくつかの実施形態では、支持層は未硬化ポリマーを含まない。いくつかの実施形態では、支持層は感圧接着剤を含まない。

本開示による雷保護システムは、導電性層の下に１つ以上の追加の非導電性層を所望により含んでもよい。追加の非導電層は、電流、熱、又は両方の伝達に対する更なる絶縁を提供するのに有用であり得る。追加の非導電層は、下層の構造体が導電性である場合には有用であり得る。追加の非導電層は、セラミックス、高分子若しくは繊維材料、又はこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない任意の材料で作製されてもよく、これは更に微粒子、繊維又は整形された充填材を含んでもよい。有用な材料には、エポキシ、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアクリレート、フルオロポリマーを更に挙げることができるが、これらに限定されず、また、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ストロンチウム、スズ酸バリウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコン酸バリウム、酸化セシウム、酸化ランタン、酸化チタン、ガラス、又はアラミドを含む添加剤又は添加剤の組み合わせ挙げることができる。いくつかの実施形態では、追加の非導電性層は接着剤を含まない。いくつかの実施形態では、追加の非導電性層は未硬化ポリマーを含まない。いくつかの実施形態では、追加の非導電性層は感圧接着剤を含まない。

本開示による雷保護システムは、１つ以上の接着層を所望により含んでもよい。接着層は、感圧接着剤、ホットメルト接着剤、硬化性接着剤等が挙げられるが、これらに限定されない任意の好適な接着剤材料で作製されてもよく、これらにはエポキシ、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリスルフィド、又はシリコーン接着剤を挙げることができる。いくつかの実施形態では、本開示による雷保護システムは、接着層を含まない。雷保護シートが接着層を含む実施形態では、シートには、構造体へのシートの適用前に、接着層から取り除かれるべき剥離ライナーが備わっていてもよい。

いくつかの実施形態では、支持層及び追加の非導電層の機能及び特性は、単一層内で組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、支持層及び追加の非導電層は、異なる組成物を有さなければならない。いくつかの実施形態では、支持層及び接着層の機能及び特性は、単一層内で組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、支持層及び接着層は、異なる組成物を有さなければならない。いくつかの実施形態では、追加の非導電層及び接着層の機能及び特性は、単一層内で組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、追加の非導電性層及び接着層は異なる構成要素を有さなければならない。いくつかの実施形態では、支持層の機能及び特徴、追加の非導電性層、及び接着層は単一層内で組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、支持層、追加の非導電層、及び接着層は、異なる組成物を有さなければならない。

代替の実施形態では、本開示による雷保護シートの、厚さＴ_ＤＬを有する第１弁別層は、第１絶縁破壊強度を有する第１材料、及びこの第１絶縁破壊強度の９０％未満、より典型的には７５％未満、及びより典型的に５０％未満である第２絶縁破壊強度を有する第１材料を含み、粒子の平均直径は、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％である。第１弁別層に関して上記の材料のいずれかは、第１材料に好適であり得る。第２弁別層に関して上記の材料のいずれかは、第２材料に好適であり得る。パターン化されている、又はパターン化されていない導電性層、追加の表面層、追加の支持層等、上記に記載の任意の追加層が追加されてもよい。

典型的に、本開示の雷保護システムは軽量である。いくつかの実施形態では、雷保護システムは、１００ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では５０ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では２５ｇ／ｍ^２未満、いつくかの実施形態では１５ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では１０ｇ／ｍ^２未満の重さである。雷保護シートは典型的に、少なくとも１ｇ／ｍ^２未満の重さである。いくつかの実施形態では、雷保護シートは、５０ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では３５ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では２０ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では１０ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では４ｇ／ｍ^２未満の重さである導電性材料の量を含む。雷保護シートは典型的に、少なくとも０．５ｇ／ｍ^２の導電性材料を含む。いくつかの実施形態では、雷保護シートの構成要素を形成する複数の丘形状にパターン化された導電性フィルムは、５０ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では３５ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では２０ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では１０ｇ／ｍ^２未満、いくつかの実施形態では４ｇ／ｍ^２未満の重さである。雷保護シートの構成要素を形成する複数の丘形状にパターン化された導電性フィルムは典型的に、少なくとも０．５ｇ／ｍ^２の重さである。

理論に束縛されるものではないが、本発明者らは、本開示による雷保護システムが、落雷時において、多重の捕捉点を促進することによって、並びに捕捉点の急速なマイグレーションを促進することによって、航空機構造体及び／又は航空機自体への損傷を防ぐよう機能することができると考える。いくつかの実施形態では、捕捉点は、谷形状で発生するのが好ましい場合がある。いくつかの実施形態では、捕捉点は、異なる層の隆起形状又は溝部の形状の交点で発生するのが好ましい場合がある。いくつかの実施形態では、落雷捕捉点に雷を捕捉するときに、他の雷捕捉点までの距離にわたる伝導度が、隣接する弁別部、コーティング、又は空気を通るものよりも低くなるまで、落雷捕捉点での又は落雷捕捉点を包囲する導電性フィルムの電気伝導度が急速に低下するように、導電性フィルムの特定の熱、熱伝導率、密度、厚さ若しくは面積、導電率、及び蒸発温度の特性を組み合わせることができる。いくつかの実施形態では、イオン性外側層は、落雷の瞬間に捕捉点付近の空気中の伝導度を一時的に上昇させることにより、この効果を高めることができる。いくつかの実施形態では、これは、導電性フィルムの温度がその蒸発温度を超える前に、捕捉点のマイグレーションを生じさせる。いくつかの実施形態では、これは、下層の航空機構造体の材料の温度が、その蒸発温度を超える前に、捕捉点のマイグレーションを生じさせる。いくつかの実施形態では、これは、下層の航空機構造体の材料の温度が、そのガラス転移温度を超える前に、捕捉点のマイグレーションを生じさせる。いくつかの実施形態では、これは、下層の航空機構造体の材料の温度が、その損傷閾値温度を超える前に、捕捉点のマイグレーションを生じさせる。

本開示による雷保護システムは、任意の好適な方法によって作製されてもよい。いくつかの実施形態では、本開示による雷保護システムは、アップリケとして作製され、既存の航空機の部材に取り付けられてもよい。いくつかのこのような実施形態では、雷保護シートは、部材に取り付けるための接着層を含んでもよい。いくつかの実施形態では、本開示による雷保護シートは、部材の製造時に航空機部材に組み込まれる。いくつかの実施形態では、本開示による雷保護シートは、部材に一体として航空機部材の製造時に製造される。

本開示による雷保護シートが複合部材を保護するいくつかの実施形態では、雷保護シートは、効果前に、プリプレグ又は同様な複合材料構成要素の層に沿って、ツール内に積層され、これによって雷保護シートは部材に一体化する。典型的に、雷保護シートは、部材の最も外側の層を形成するように、ツール内に積層される最初の層又はツール内に積層される最後の層である。いくつかの実施形態では、部材の外側表面から最も遠い、雷保護シートの最下層は、接着剤を含み、これはいくつかの実施形態では、未硬化ポリマーであってもよく、いくつかの実施形態では部分的に硬化したポリマーであってもよく、又はいくつかの実施形態では硬化性ポリマーであってもよい。いくつかの実施形態では、部材の外側表面から最も遠い、雷保護シートの最下層は、接着剤を含まないいくつかの実施形態では、部材の外側表面から最も遠い、雷保護シートの最下層は、未硬化ポリマーを含まない。

弁別層は、任意の好適な方法によってパターン化されてもよい。いくつかの実施形態では、既存のフィルムは、任意の好適な方法、例えば、鍛造、エンボス加工、カレンダー加工、鋳造、機械加工等によってパターン化されてもよい。そのようにパターン化されたフィルムは次いで、任意の好適な手段によって他の層と組み合わされてもよく、これには、積層、コーティング、噴霧塗布、印刷方法等による、固体材料の層、可鍛性材料の層、材料の液体若しくは懸濁液等の層の導入を挙げることができる。いくつかの実施形態では、隣接する層は、他の層の一方又は両方の層にパターンを付与してもよい。層は任意の好適な方法、例えば積層、コーティング、噴霧塗布、印刷方法、接着剤の使用、その場での硬化（in situ cure）等によって組み合わされてもよい。

本開示の雷保護システムは、飛行体、宇宙飛行体、風力発電機、自動車、バス、トラック、又は雷保護、電磁干渉遮蔽若しくは静電荷制御が、別の非導電性材料又は部分的に導電性材料上に必要とされる任意の他の用途に使用されてもよい。本開示の雷保護システムはまた、飛行体、宇宙飛行体、風力発電機、自動車、バス、トラック、又は雷保護、電磁干渉遮蔽若しくは静電荷制御が所望される任意の他の用途に適用されてもよい。

本開示の様々な修正及び変更は、本開示の範囲及び原理から逸脱することなく当業者には明白であり、また、本発明は、上記で説明した例示的な実施形態に不当に限定して理解すべきではない。

Claims (23)

1. 厚さｔを有するｓ導電性フィルムと、該導電性フィルムの上に厚さＴ_ＤＬを有する非導電性の第１弁別層と、を含み、前記第１弁別層は、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％の深さｄを有する谷形状、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％の溝部の深さｄを有する隆起部と溝部の形状、又はこれらの組み合わせから構成される群から選択された複数の形状にパターン化されている、雷保護シート。
2. 前記第１弁別層が、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％の深さｄを有する複数の谷形状にパターン化されている、請求項１に記載の雷保護シート。
3. 前記第１弁別層が、５０％のＴ_ＤＬの５０％〜１００％の溝部の深さｄを有する、第１の複数の隆起部と溝部の形状にパターン化されている、請求項１に記載の雷保護シート。
4. 前記第１弁別層の部分を被覆する非導電性の第２弁別層を更に含み、該第２弁別層は、前記第１の複数の隆起部と溝部の形状と非平行である、第２の複数の隆起部と溝部の形状を含む、請求項３に記載の雷保護シート。
5. 前記導電性フィルムが、前記第１の複数の隆起部と溝部の形状と非平行である、第３の複数の隆起部と溝部の形状を含む、請求項３に記載の雷保護シート。
6. 前記第１弁別層の部分を被覆する非導電性の第２弁別層を更に含み、前記第１弁別層が、第１絶縁破壊強度を有し、前記第２弁別層が、前記第１絶縁破壊強度の９０％未満である第２絶縁破壊強度を有する、請求項１に記載の雷保護シート。
7. 前記非導電性の第２弁別層がイオン性顔料を含む、請求項４に記載の雷保護シート。
8. 前記非導電性の第１弁別層がイオン性顔料を含む、請求項１に記載の雷保護シート。
9. ｔは０．００１〜１００マイクロメートルである、請求項１に記載の雷保護シート。
10. ｔは０．０１〜１０マイクロメートルである、請求項１に記載の雷保護シート。
11. ｄは６マイクロメートル〜１ｍｍである、請求項１に記載の雷保護シート。
12. ５０ｇ／ｍ^２未満の重さである導電性材料の量を含む、請求項１に記載の雷保護シート。
13. イオン化塗料の層を更に含む、請求項１に記載の雷保護シート。
14. 請求項１に記載の雷保護シートを有する、航空機の複合材料構造体。
15. 厚さｔを有する導電性フィルムと、該導電性フィルムの上の厚さＴ_ＤＬを有する非導電性の第１弁別層と、を含み、前記第１弁別層は、第１絶縁破壊強度を有する第１材料、及び該第１絶縁破壊強度の９０％未満である第２絶縁破壊強度を有する第２材料の粒子を含み、該粒子の平均直径は、Ｔ_ＤＬの５０％〜１００％である、雷保護シート。
16. ｔは０．００１〜１００マイクロメートルである、請求項１５に記載の雷保護シート。
17. ｔは０．０１〜１０マイクロメートルである、請求項１５に記載の雷保護シート。
18. 前記粒子の前記平均直径が６マイクロメートル〜１ｍｍである、請求項１５に記載の雷保護シート。
19. ５０ｇ／ｍ^２未満の重さである導電性材料の量を含む、請求項１５に記載の雷保護シート。
20. イオン化塗料の層を更に含む、請求項１５に記載の雷保護シート。
21. 前記非導電性第１弁別層がイオン性顔料を含む、請求項１５に記載の雷保護シート。
22. 請求項１５に記載の雷保護シートを有する、航空機の複合材料構造体。
23. 請求項１５に記載の雷保護シートを有する、風力発電機の構造体。

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