JP2023129274A - コールドスプレー電気回路、及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造コンポーネントに組み込むための堅牢且つ安全な配線システムを提供する。
【解決手段】 本開示は、コールドスプレー金属コーティング物品（２００）に関し、当該物品は、少なくとも１つの表面を有するポリマー材料（２０２）と、前記少なくとも１つの表面上の電気化学絶縁層（２０４）と、前記電気化学絶縁層（２０４）の表面の少なくとも一部に設けられた導電性コールドスプレー金属（２０６）コーティングと、少なくとも１つの追加層（２０８）と、を含み、前記少なくとも１つの追加層（２０８）は、当該追加層（２０８）と前記電気化学絶縁層（１０２）との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を挟んでいる。
【選択図】 図２

Description

本開示は、複合材構造体の電気回路を形成するためのプロセス、及びコールドスプレー金属電気回路が組み込まれた複合材構造体に関する。

民間航空機などの航空宇宙ビークル、及びその統合コンポーネントは、製造中及び使用中に、機械的条件、温度条件、及び他の環境条件の様々な変動を受ける。例えば、ワイヤ束におけるワイヤの数を減らしつつ構造コンポーネント又は非構造コンポーネントに回路やワイヤを組み込む場合、ワイヤ絶縁の強化における安全性を向上させたり、ワイヤ摩擦や他の欠陥を低減させたりすることが、このようなビークル用コンポーネントの設計において重要である。ワイヤは、多くの場合、回路内の単純な断線を検出することにより、構造体の健全性を監視するための集積センサとして使用することができる。航空機における大型ワイヤ束及びワイヤ束は、航空機全体で正確な接続状態を維持するのに必要なワイヤ数によって複雑になりうるため、配線の損傷が懸念される。

導電材料を塗布する技術は存在するが、これらの技術では、上述したような目的を達成するのに十分な厚みを形成することができない。航空機や他のビークルにおける配線を改善するために、また、包括的な回路を有する一体化された構造コンポーネントを提供するために、より堅牢な配線方法が望まれている。したがって、航空機の配線に関してより堅牢な配線プロセスを提供するとともに、より安全な配線システムを提供することが望ましい。また、航空機及び他のビークルのコンポーネント内のワイヤ束の耐用年数及び堅牢性を改善する必要がある。

本開示のいくつかの態様についての基本的な理解を目的として、本開示の概要を以下に記載する。この概要は、本開示の包括的な概説ではなく、また、本開示の主要な要素や重要な要素を特定するものでもなく、本開示の範囲を規定するものでもない。むしろ、その主な目的は、後に提示される詳細な説明の前置きとして、１つ以上の概念を簡略化した形で提示することである。

本開示の実施例においては、コールドスプレー金属コーティング物品が提供される。このコールドスプレー金属コーティング物品は、少なくとも１つの表面を有するポリマー材料と、前記少なくとも１つの表面上の電気化学絶縁層と、前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた導電性コールドスプレー金属コーティングと、少なくとも１つの追加層と、を含み、当該少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を挟んでおり、前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に少なくとも部分的に封入されていてもよい。

前記コールドスプレー金属コーティング物品の実施態様において、前記ポリマー材料は、エポキシ、フェノール、ポリエステル、尿素、メラミン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフタルアミド、ポリフタレート、ポリスルホン、ポリウレタン、塩素化ポリマー、フッ素化ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、液晶ポリマー、部分結晶性芳香族ポリエステル、及びこれらの変性体を含みうる。ここで、当該変性体は、１つ以上のフィラー又は強化材料を含み、当該フィラー又は強化材料は、炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、グラファイト繊維、グラスファイバ、ガラス繊維、金属、金属合金、金属化繊維、及び金属被覆グラスファイバを含みうる。前記電気化学絶縁層は、熱可塑性材料を含みうる。前記電気化学絶縁層は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、又はこれらの組み合わせを含みうる。前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される。前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に完全に封入されていてもよい。前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、抵抗ヒータの少なくとも一部を形成していてもよい。前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、電気回路の少なくとも一部を形成していてもよい。前記ポリマー材料は、航空宇宙ビークルのコンポーネント又は一部であってもよいし、その外面であってもよい。前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含んでいてもよく、前記１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない。

本開示の実施例においては、構造コンポーネントが提供される。前記構造コンポーネントは、少なくとも１つの表面を有するポリマー複合材料と、前記少なくとも１つの表面上の熱可塑性電気化学絶縁層と、前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた、コールドスプレー金属コーティングを含みうる電気回路と、少なくとも１つの追加層と、を含み、前記少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を封入している。前記構造コンポーネントにおいて、前記コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを有していてもよく、前記１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していなくてもよい。

前記構造コンポーネントの実施態様においては、前記構造コンポーネントが曲がると、前記コールドスプレー金属コーティングの電気抵抗値が変化しうる。前記構造コンポーネントは、航空宇宙ビークルの一部であってもよい。前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される。

また、多層複合材品内で電気接続を行うための方法が開示される。多層複合材品内で電気接続を行うための方法は、金属粉末、又は金属合金粉末、又は前記金属粉末と前記金属合金粉末の混合物の粒子を、ガス流に導入することと、ポリマーの表面上に形成された熱可塑性電気化学絶縁層に前記ガス流を向けることと、を含み、その際、前記ガス流の温度及び圧力は、前記電気化学絶縁層の表面の熱による軟化やアブレーションを防止するよう調節されており、さらに、上記方法は、前記電気化学絶縁層の少なくとも一部に金属コーティングを形成することを含む。また、多層複合材品内で電気接続を行うための方法は、前記金属コーティングにより前記多層複合材品内で電気接続を行うことを含む。

多層複合材品内で電気接続を行うための方法の実施態様において、前記ガス流は、特定のパターンに従って前記熱可塑性電気化学絶縁層に向けられる。前記熱可塑性電気化学絶縁層は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、又はこれらの組み合わせを含みうる。上記ガス流の温度は、１００℃から５００℃の間であり、上記ガス流の圧力は、１００ｐｓｉから４００ｐｓｉの間である。前記ガス流は、空気、窒素、ヘリウムのいずれか、或いはこれらの組み合わせであってもよい。前記金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含んでいてもよく、前記１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない。

本明細書に含まれ、その一部を構成する添付図面は、本教示の実施形態を示すとともに、後述の記載と合わせて本開示の原理を説明するものである。

本開示による、ポリマー複合材構造体の熱可塑性層に埋設されたプリント回路を示す上面図である。 本開示のプロセスにより得られる、第１金属コーティングが形成された熱可塑性表面を有するポリマー複合材層構造体であって、当該第１金属コーティングが第２ポリマー複合材層との間に挟まれたポリマー複合材層構造体を示す断面図である。 本開示による、複数の配線を有するポリマー複合材構造体の熱可塑性層に埋設されたプリント回路を示す上面図である。 本開示のプロセスの様々な段階における、ポリマー複合材構造体の熱可塑性層に埋設されたプリント回路を示す上面図である。 本開示のプロセスにより得られる、電気回路についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果を示す写真である。 本開示のプロセスにより得られる、電気回路層についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果を示す断面写真である。 本開示のプロセスにより得られる、電気回路層についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果を示す写真である。 本開示のプロセスにより得られる、電気回路層についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果を示す写真である。 コールドスプレー電気回路層を含む構造コンポーネントを航空宇宙ビークルに適用した図である。 コールドスプレー電気回路層を含む構造コンポーネントを航空宇宙ビークルに適用した図である。 本開示による、多層複合材品内で電気接続を行うための方法を示すフローチャートである。

添付図面は、本教示の理解を助けることを目的として細部を一部簡略化して描かれており、構造的な正確さ、詳細、及び縮尺を正確に維持することは優先されていない。

いくつかの航空宇宙コンポーネントや他の構造体においては、集積回路及びワイヤ束が大型で重くなる場合があり、多くの束における多数のワイヤによりエラーが生じる可能性がある。例えば、ワイヤの数や個々のワイヤの束を減らしたり、場合によっては航空機における様々な場所に電力や回路を供給するための時間を減らしたりすることが有利であろう。除氷（de-icing）は、航空機にとって問題となる分野となりうる。航空機のエンジンからの抽気は、固定翼航空機の翼を除氷するためのエンジンからの動力を低減させるので、エンジンの効率が低下する。また、航空機に電気除氷を用いた過去の試みでは、電気ブランケットの故障による欠陥が生じることが知られている。回転翼航空機においては、当該航空機のブレードに抽気を供給するための信頼性の高い方法が限られており、電気的に除氷を行う方法の場合、ワイヤ断線による故障が生じうる。このような損傷が生じた場合、個々のワイヤやワイヤ束は、回転翼航空機のブレードの構造体内に埋設されていることが多いため、容易に修理することができない。複合材構造体が損傷したり、規定の強度を超えて引き伸ばされたりすると、ワイヤが断線するという現象に基づいて、複合材構造体の構造健全性モニタリングが、航空機内でワイヤによって行われてきた。上述した問題は、コンポーネント内やプロセスにおける配線を用いて、また、統合電気配線や集積回路、例えば、ロータブレードや翼の除氷用の抵抗ヒータを提供することにより、低減又は排除することができる。

本開示は、構造的若しくは非構造的なコンポーネント、又は本開示によるポリマーの表面に堅牢な電気回路又は配線を設けるためのプロセスを提供し、当該プロセスは、コールドスプレー法を用いて、ポリマーの表面の少なくとも一部に金属粒子を噴射し、これによって金属コーティングを形成するステップを含む。上述した方法で形成され、任意ではあるが、ブレードコンポーネントや他の構造コンポーネントに封入された金属コーティングは、埋設された個々のワイヤ又はワイヤ束に基づいたものではなく、そのようなワイヤ束の完全性を高めて、これらのワイヤ束をより堅牢にすることができる。例えば、構造的又は非構造的なコンポーネントに回路又はワイヤを設けて、ワイヤ束におけるワイヤの数を減らすことにより、ワイヤ絶縁の強化における安全性を高めて、ワイヤ摩擦を低減することができる。

このプロセスにおいては、多層複合材品のポリマー複合材層の表面に金属粒子を噴射して、接着性に優れた金属コーティングを形成し、その際、いくつかの例においては当該金属コーティングを特定のパターンで形成し、これによって、ポリマーの表面に導電性回路を形成する。これに代えて、上記金属コーティングは、ポリマーの表面で連続的に形成されてもよい。金属コーティングは、ポリマーの表面上で半連続的に形成されてもよく、１つ以上の横方向において別の半連続セグメントや半連続部分に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。金属コーティングは、従来のマスキング技術やロボットによる自動化された方法を用いて、複合材層ポリマーの表面上でパターン化することができる。金属コーティングにより多層複合材品内で一体的な電気接続が行われる上記複合材層ポリマーは、複合材層ポリマーの表面に金属粒子を直接噴射する技術を用いて生成され、これによって提供される金属コーティングは、複合材内で優れた接着性及び電気伝導性を示す。

さらに、本開示による一体的な配線又は電気伝導性を有するポリマー材料は、電気化学絶縁層を含むポリマーと、当該電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた導電性コールドスプレー金属コーティングと、を含む構造体である。いくつかの態様においては、複合材構造体内の電気化学絶縁層上に、例えば、回路パターンから完全な回路までの様々な金属配線を形成し、構造的又は非構造的な複合材ワークに配線の少なくとも一部を封入する。提示されるコールドスプレーの解決法は、変形したり屈曲したりするような場合であっても変形による欠陥が生じない。コールドスプレー以外のプロセスや方法では個々の原子を加えるが、コールドスプレーは、材料の大きさが、直径でナノメートルからミクロン、又はそれ以上に異なりうる、より大きな粒子を加える。

本明細書において、「合金」とは、通常、溶融時に互いに融着して溶け合うことによって密接に結合した２種類以上の金属、又は金属と非金属によって構成された物質を指す。

本明細書において、「コールドスプレー金属」コーティングとは、ガス流中で固体金属粒子を加速させる塗布方法によって形成された金属層のコーティングを指し、当該方法においては、基板との衝突時に金属粒子を塑性変形させて基板表面に付着させることが可能な速度、例えば、１２００メートル毎秒の速度まで金属粒子を加速させる。コールドスプレー金属コーティングは、噴射処理中に金属粒子が溶融することを回避し、固体金属粒子の溶融温度よりも十分に低い温度で実施することができるため、コーティング対象の基板の熱損傷を抑制することができる。

本明細書において、「溶射金属（thermal sprayed metal）」コーティングとは、溶融された（或いは、融点近くまで加熱された）金属を基板表面に噴射するコーティング処理によって形成される金属層を指す。金属原料は、典型的には、電気的プロセス（例えば、プラズマ又はアーク）或いは化学的プロセス（例えば、燃焼炎）によって加熱された粒子である。

本明細書において、「多層複合材」とは、異なる材料からなる２つ以上の層を含む複合材を指し、限定するものでないが、例えば、ポリマー基板層又は金属基板層に１つ以上の追加層の積層体を設けたものが挙げられる。ポリマー基板層には、繊維強化積層複合材構造体も含まれうる。

本明細書において、「電気化学絶縁層」とは、当該層によって隔てられた材料間の電気化学的な相互作用を防止又は排除する物質を意味する。電気化学的相互作用には、材料間の酸化還元反応、及び外部から供給される電流による化学反応が含まれる。例示的な電気化学的相互作用としては、限定するものではないが、繊維強化プラスチック上に設けられた金属層の金属と繊維強化プラスチックの１つ以上の成分とのガルバニック相互作用及び／又は酸化還元相互作用が挙げられる。一態様において、電気化学絶縁層は、コールドスプレー金属又は溶射金属とＦＲＰ複合材の１つ以上の構成要素との電気化学的相互作用を防止又は排除する。一態様において、電気化学的絶縁層は、コールドスプレー金属又は溶射金属とＦＲＰ複合材の炭素繊維との電気化学的相互作用を防止又は排除する。

本明細書において「表面」とは、物品のある特定の側に位置する表面を意味する。物品の側には、例えば、ポリマー品の表面領域や接合表面領域など、様々な表面又は表面領域が含まれうる。したがって、ポリマー又はポリマーで形成された物品の「表面」にコーティング又は層が設けられるという際には、当該表面は、コーティング対象であるポリマーの特定の側に位置する表面又は表面領域のうちの任意の１つ又は全てを含みうることを意図している。

＜ポリマー材料又はポリマー基板＞
本開示による、金属コーティング又は金属回路層を用いた表面コーティングの対象（例えば基板）として使用可能なポリマー材料の例としては、１種類以上の繊維、或いはその他の補強添加材や機能添加材と組み合わせる母材として機能するポリマー材料が挙げられる。一実施例において、本開示の実施に使用できる材料には、ポリマー材料と、炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、ガラス繊維、ガラス、金属、金属合金などの繊維、金属化繊維及び金属被覆グラスファイバ、アルミナ繊維、又はボロン繊維などの無機繊維との組み合わせからなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が含まれる。一実施例において、繊維強化プラスチックは、ナイロン繊維やアラミド繊維などの有機繊維を含みうる。一実施例において、繊維強化プラスチックは、熱硬化性物質やエポキシに有機繊維及び／又は無機繊維を配合したものとすることができる。一実施例において、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）又はガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）で作製したポリマー製品には、航空機構造体などに適した１つ以上の被覆配線を用いたコールドスプレー被覆回路を介して統合された電気伝導性が付与される。ただし、本開示は、これらの種類の材料や特定の構成に限定されるものではなく、本開示のプロセスでは、他のポリマーで形成された物品を用いることも可能である。

一実施例において、ポリマー基板の材料は、結晶性ポリマーを含む。結晶性ポリマーは、ＦＲＰに耐高温性と耐薬品性を与える。ポリマー基板の他の例は、半結晶性ポリマーを含む。半結晶性ポリマーは、結晶性ポリマーの利点に加えて、延性と加工性をＦＲＰに与える。さらに他の例において、ポリマー基板は、アモルファスポリマーを含む。アモルファスポリマーは、弾性、延性、及び加工性をＦＲＰに与える。

一実施例において、ポリマー基板は、エポキシ、フェノール、ポリエステル、尿素、メラミン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフタルアミド、ポリフタレート、ポリスルホン、ポリウレタン、塩素化ポリマー、フッ素化ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、液晶ポリマー、部分結晶性芳香族ポリエステル、及びこれらの変性体を含み、当該変性体は、炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、グラファイト繊維、グラスファイバ、ガラス繊維、金属、金属合金、金属化繊維、及び金属被覆グラスファイバを含有する１つ以上のフィラー又は強化材料を含む。

＜電気化学絶縁層＞
一実施例において、ポリマー基板表面とコールドスプレーで形成された金属コーティング又は金属層との間には電気化学絶縁層が設けられている。電気化学絶縁層の材料としては、例えば、ガラス繊維、ポリマー、及びセラミックスなどの非導電性材料が挙げられる。電気化学絶縁層の材料としては、例えば、限定するものではないが、フィラーを用いるものも用いないものも含めた非導電性ポリマー（例えば、ＰＥＥＫやＰＥＫＫ）、非導電性のファイバ含浸ファブリック、ポリマー、熱可塑性ポリマー、及び熱硬化性物質、非導電性ファイバ強化材料を含む他のコーティングが挙げられる。一例において、電気化学絶縁層には、ガラス繊維（Ｓｉ_ｘＯ_ｙ）が含侵されている。他の例において、電気化学絶縁層は、アルミニウム－酸化アルミニウム（Ａｌ－Ａｌ_２Ｏ_３）などの金属－金属酸化物複合材料、又は酸化チタン（ＴｉＯ_２）やシリコンオキシカーバイド（ＳｉＯ_ｘＣ_ｙ）などで構成される。他の例において、電気化学絶縁層は、超硬合金又は炭化タングステン（ＷＣ）を含む。一態様において、電気化学絶縁層は、例えば、化学蒸着法、大気圧プラズマ蒸着法、溶融蒸着法により、或いは硬化性ガラス繊維やその他の非導電性繊維で強化された熱硬化性樹脂、塗料、又はコーティングを用いて、ポリマー表面に塗布することができる。一態様において、電気化学絶縁層は、熱可塑性材料であってもよい。一態様において、電気化学絶縁層は、ポリマー複合材基板構造体のレイアップに組み込まれてもよい。ある代替の態様においては、炭化タングステン－コバルト－ニッケル合金（ＷＣ－Ｃｏ－Ｎｉ）などの非絶縁体を使用してもよい。

＜コールドスプレー金属回路形成層＞
一実施例において、本開示は、さらに、電気化学絶縁層上に導電層を導入することを含み、これは、少なくとも１つの追加層が、当該少なくとも１つの追加層とポリマー基板表面上に形成された電気化学絶縁層との間にコールドスプレー金属回路形成層の少なくとも一部を挟むことを含みうる。一実施例において、コールドスプレー金属回路形成層は、ポリマー基板表面上に積層された電気化学絶縁層の少なくとも一部に対してコールドスプレーにより形成される。一態様において、コールドスプレー金属回路形成層は、例えば、化学蒸着法、大気圧プラズマ蒸着法、及び金属溶融蒸着法を用いて塗布される。

コールドスプレー金属回路形成層は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｚｒ、及びこれらの合金から選択することができる。一実施例において、コールドスプレー金属回路形成層は、コールドスプレーされた銅を含む。一実施例においては、コールドスプレー金属の複数の層に、コールドスプレー金属回路形成層が含まれていてもよく、この場合、当該コールドスプレー金属回路形成層における少なくとも１つの層が導電性であることを条件とする。一実施例において、コールドスプレー金属回路形成層は、炭素繊維又はガラス繊維で強化されたポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）に対してコールドスプレー又は溶射により形成された銅を含む。

少なくとも１つの追加層を設けることも可能であり、当該少なくとも１つの追加層は、当該追加層と電気化学絶縁層との間にコールドスプレー金属の少なくとも一部を挟み、これによって物品又は複合材構造体全体の内部に設けられた第１コールドスプレー金属コーティングの少なくとも一部を封入している。一実施例において、追加層は、電気化学絶縁層の表面に形成された第１コールドスプレー金属コーティングの金属組成とは異なる金属組成を有する。一例において、追加層は、電気化学絶縁層の表面に形成された第１コールドスプレー金属コーティングの少なくとも一部に対して、コールドスプレー又は溶射により形成される。一態様において、追加層は、例えば、化学蒸着法、大気圧プラズマ蒸着法、及び金属溶融蒸着法を用いて塗布することができる。代替の実施例において、追加層は、１つ以上のポリマー複合材基板層、電気化学絶縁層、又はこれらの組み合わせとして使用するために記載した材料のいずれかと同様或いは同一の１つ以上の材料で構成される。

ポリマー層、又は電気化学絶縁層には、金属コーティングを形成する前に、例えば、ポリマーの表面を粗化して凹凸のある表面形状を形成するなどの前処理を行ってもよい。凹凸のある表面形状は、機械による研削やエッチングなどの様々な表面前処理方法によって、形成することができる。このような表面の凹凸によって、金属層と基板表面との接合強度に影響を与える表面のテクスチャを得ることができる。ポリマー表面の粗化には、例えば、金属、セラミックス、及びガラスなどの微粒子を用いた微粒子ショットブラストが適している。ショットブラストに使用される粒子は、実質的に球状であってもよいし、エッジを含んでいてもよい。また、他の既知の粗面化方法を使用することも可能である。

一実施例においては、熱可塑性ポリマーの表面を粗化するために、必要に応じて上述した任意の粗面化の前処理を実行し、その後、コールドスプレー法を用いてポリマー表面に金属粒子を噴射して、金属コーティングを形成する。他の例においては、コールドスプレー金属層は、電気化学絶縁ポリマー表面の元の表面粗さに適合しており、金属被覆後の電気化学絶縁表面を塗装や他の加工に適したものにすることができる。

コールドスプレー法は、金属粒子用の推進剤ガスを金属粒子の融点又は軟化点よりも低い温度まで加熱した後、当該推進剤ガスを用いて金属粒子を噴射し、これによって、金属粒子を固体状態で基板に衝突させて、コーティング又は層を形成する技術である。コールドスプレー粒子の衝突速度が、コールドスプレーされる金属や他の粒子に固有の所定速度（臨界速度）を上回る場合、粒子の運動エネルギーにより粒子が塑性変形するため、コーティングの形成を開始することが可能になる。この臨界速度は、粒子に用いられる金属又は合金、基板のガラス転移温度、及び粒度によって異なる。本開示において、推進剤ガスの噴射圧は、ポリマーに衝突する金属粒子の衝突速度が、使用される金属及びポリマー基板に関連する臨界速度に達するように選択され、典型的には、約１００～約４００ｐｓｉの間の値に設定される。

金属粒子を含む推進剤ガスの加熱温度は、通常、使用する材料に従って適宜選択され、典型的には、約１００℃以上５００℃以下の値に設定される。一実施例において、ガス流には、金属粒子の融点よりも低い温度を供給するために、約１００ｐｓｉから約４００ｐｓｉの間の圧力を有するガスが使用される。一実施例において、上記温度は約１００℃から約５００℃の間である。これらの条件により、金属粒子を効率的に加速させることが可能であり、溶射プロセスで通常用いられる高温に関連する熱的及び化学的な影響を低減することができる。

一実施例においては、ガス流を形成するためのガスとして、容易に入手可能な空気、ヘリウム、窒素、又はこれらの組み合わせを使用することが可能であり、これによって、酸化作用を抑制し、コストを削減することができる。空気や窒素により、金属粒子の速度を、亜音速から超音速の範囲、例えば３００から１２００メートル毎秒の範囲内で調節することが可能になる。粒子の速度制御は、ガスを加熱することにより実現することができ、さらに、現在利用可能な範囲よりも広い範囲内で粒子の速度を調節することができる。例えば、ガスを加熱することにより、一定のガス圧を維持しつつ、コールドスプレー処理中の粒子速度を増加させることができる。

コーティングの塗布方法を実行するための装置は、計量粉末供給装置を含んでもよく、この供給装置は、金属粒子を収容するためのホッパーが組み込まれたケーシングを有する。一例として、ホッパーは、ドラムとして形成される。このドラムの円筒面には、金属粒子を計量して当該粒子を混合チャンバに供給するための凹部が形成されており、当該混合チャンバは、金属粒子を加速させるよう構成されたノズルを備える。混合チャンバには、圧縮ガスの供給源が接続されている。ドラムの円筒面には、金属粒子流量コントローラが機能接続されており、粒子の所望の流量を実現する空間を形成している。入口管を介して圧縮ガスの供給源と連絡する混合チャンバには、中間ノズルを接続してもよい。一実施例においては、コールドスプレー装置として、CenterLine (Windsor) Limited社のロボットシステム（カナダ、オンタリオ州）が使用される。

本開示の方法においては、ＦＲＰなどのポリマーの表面に導電性の金属コーティング又は金属層を塗布する。一実施例において、粒子の大きさは、量で１～５０ミクロンである。これは、コーティングの導電性を最適化するために、基板表面上に、微小空隙（microvoids）を少なくした高密度の連続的、非連続的、又はパターン化された金属コーティングを形成するのに適した粒子の質量流量の密度を実現するためである。微小空隙のない高密度のコーティングは、例えば、内部及び粒子間で粒子同士が接触しており、粒子の連続性により、物理的及び電気的な完全性が得られるようなコーティングを指す。コーティング層内の微小空隙や孔は、コーティングの物理的完全性に関する亀裂などの問題、導電性の断絶、又はこれらの組み合わせにつながる可能性がある。連続的な金属コーティングとは、コーティング対象であるポリマーの表面の一部を完全に覆うコーティングを指す。パターン化された、或いは非連続的なコーティングは、例えば、連続的な金属コーティング層とは対照的に、金属コーティング層に１つ以上の切れ目又は断裂部を形成するように、マスキング、手動のプロセス制御、自動制御又は機械制御のプロセスを介して、特定のパターンに従って塗布される金属コーティングを指す。パターン化された、或いは非連続的な金属コーティングと比較して連続的なる用語は、金属コーティング層のマクロ構造を指すが、微小空隙を有する金属コーティング層の記載は、金属コーティング層のミクロ構造に関するものと考えることができる。結果として得られる金属コーティング又は金属層は、層変態がなく均一であり、基板の表面粗さにほぼ適合している。結果として得られる金属コーティング又は金属層は、ひび割れせず、金属のような微小硬度を有し、優れた結合強度及び接着強度を示す。平均粒度が１ミクロン未満である場合、安定した噴射状態が実現できない可能性があるため、望ましくない。平均粒度が５０ミクロンを超えると、粒子の均一な塗布が困難になる。平均粒度は、例えば、ＡＳＴＭ Ｂ８２２－２０の「光散乱による金属粉末及び関連化合物の粒度分布の標準試験方法」などの、いくつかの方法に従って、商用の分級品（commercially classified product）で、或いはレーザー光散乱法によって特定することができる。

上述したプロセスを用いて、電気化学絶縁層ポリマーの表面の少なくとも一部に金属コーティングを形成し、これによって、ポリマー複合材料の表面、及び／又はビークルの構造コンポーネント又は一部に対して、導電性若しくは電気伝導性、電気回路の一部、疲労監視回路、又は１つ以上の統合ワイヤハーネスが付与される。

このようにして得られた導電性を有するポリマー複合材構造体において、金属コーティングの厚みは、１ミル（２５．４ミクロン）から１４ミル（３５６ミクロン）とすることができる。いくつかの態様において、金属コーティングはより厚くてもよく、いくつかの例においては、３０ミル（７６２ミクロン）、或いは５０ミル（１２７０ミクロン）もの厚さがあってもよい。ポリマー複合材料の表面に対して導電性、電気伝導性、電気回路の一部、疲労監視回路、又は１つ以上の統合ワイヤハーネスが付与されたポリマー複合材構造体が、統合された電気伝導性を示す航空機の主翼構造体として使用される場合、金属コーティングの厚みは、例えば、構造体の重量に影響を与えないように、３ミル（７６ミクロン）以上１０ミル（２５４ミクロン）以下とすることが好ましい。

金属コーティングは、単一の層で形成してもよいし、２つ以上の層を積層して形成してもよい。２層コーティングの場合、様々な電気絶縁層に対して優れた接着性を示すアルミニウムやニッケルを使用して、ポリマー基板に最も近い層を形成してもよい。一実施例においては、ポリマーの基板表面に対して最も近くにアルミニウムの層を形成する。一実施例においては、許容レベルの電気伝導性又は電気接続性を付与するために、ポリマー基板の最も近くにアルミニウムの層を噴射した後に、銅又は他の導電性金属の層を噴射する。

図１は、本開示による、ポリマー複合材構造体の熱可塑性層に埋設された導電性プリント回路１０４の上面図を示す。ポリマー複合材構造体１００に埋設された導電性プリント回路１０４は、基板の表面の少なくとも一部に積層された電気化学絶縁層１０２を含む。同図には示されていないが、上記基板は、エポキシ、フェノール、ポリエステル、尿素、メラミン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフタルアミド、ポリフタレート、ポリスルホン、ポリウレタン、塩素化ポリマー、フッ素化ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、液晶ポリマー、部分結晶性芳香族ポリエステル、及びこれらの変性体であってもよい。ポリマー基板は、炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、グラファイト繊維、グラスファイバ、ガラス繊維、金属、金属合金、金属化繊維、金属被覆グラスファイバ、ムライトやアルミナなどを含むがこれらに限定されないセラミック繊維、又はこれらの組み合わせを含有する１つ以上のフィラーや強化材を含む、上述したポリマーのうちの１つであってもよい。電気化学絶縁層１０２の材料は、グラスファイバ、ポリマー、及びセラミックスなどの非導電性材料を含み、これらの材料は、任意ではあるが、非導電性ポリマーマトリクスに含まれていてもよい。電気化学絶縁層の材料としては、例えば、限定するものではないが、フィラーを用いるものも用いないものも含めた非導電性ポリマー（例えば、ＰＥＥＫやＰＥＫＫ）、非導電性のファイバ含浸ファブリック、ポリマー、熱可塑性ポリマー、及び熱硬化性物質、又は、グラスファイバ（Ｓｉ_xＯ_y）などの非導電性ファイバ強化材料を含む他のコーティングが挙げられる。導電性プリント回路１０４の一部は、電気化学絶縁層１０２に積層されており、導電性コールドスプレー金属を含む。導電性プリント回路１０４は、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、これらの合金、又はこれらの組み合わせを含む。

図２は、本開示のプロセスにより得られる、第１金属コーティングが形成された熱可塑性表面を有するポリマー複合材層構造体であって、当該第１金属コーティングが第２ポリマー複合材層との間に挟まれたポリマー複合材層構造体を示す断面図である。本開示による、ポリマー複合材構造体２００に埋設されたプリント回路が、その製造工程の一部と共に示されている。上側電気化学絶縁層２０４を有するベースポリマー複合材層２０２又はポリマー材料は、その表面の一部が、導電性プリント回路層２０６に覆われており、この様子が、図１又は図３に示す例の断面として示されている。図２を参照すると、ポリマー複合材料、電気化学絶縁層、又は追加の金属若しくは合金を含む層などの、本開示の層のうちの任意のものを含みうる追加層２０８が、導電性プリント回路層２０６の表面に積層２１０される。なお、追加層２０８は、ポリマー複合材構造体２００の全体的な構造組成及び機能に応じて、導電性プリント回路層２０６の一部又は全てを電気的に分離する組成又はパターンであってもよいし、導電性プリント回路層２０６の一部又は全体に接触するための追加的な特徴又は接触点を有していてもよい。この追加層２０８の構造及び機能により、その全体的な組成及び構造が決まることになる。さらに、追加層２０８の内側対向面の一部は、電気化学絶縁層２０４の一部及び導電性プリント回路層２０６の一部に直接接触していてもよく、導電性コールドスプレー金属コーティングが、物品又はポリマー複合材構造体２００内に少なくとも部分的に封入されている。封入とは、導電性コールドスプレー金属コーティングを、ポリマー複合材層構造体の外部から少なくとも部分的に閉じ込めることを指す。いくつかの態様において、導電性コールドスプレー金属コーティングは、追加層２０８、電気化学絶縁層２０４、他の層、又はこれらの組み合わせによって完全に封入、密閉、又は被覆されており、複合材層構造体全体の外部に露出している部分がない。したがって、少なくとも１つの追加層２０８は、当該追加層と電気化学絶縁層との間にコールドスプレー金属の少なくとも一部を挟んでいる。いくつかの態様においては、追加層２０８の内側対向面の全体が、電気化学絶縁層２０４に直接接触していてもよく、導電性コールドスプレー金属コーティングは、物品全体又はポリマー複合材構造体２００内に完全に封入されている。追加層２０８が導電性プリント回路層２０６に積層された後、本開示のいくつかの例は、最終的なポリマー複合材構造体２００を形成する追加の処理ステップ２１２を含みうる。このステップは、加熱、加圧、硬化、大気曝露、又はこれらの組み合わせを含みうる。一例において、ベースポリマー複合材層２０２は、炭素系繊維又はアルミニウムが含侵された熱硬化性エポキシである。一例において、電気化学絶縁層２０４は、繊維強化ＰＥＫＫ又は繊維強化ＰＥＥＫである。一例において、導電性プリント回路層２０６は、銅又は銀である。一例において、追加層２０８は、多層構造であってもよいし、ベースポリマー複合材層２０２と同じ材料、アルミニウム、アルミニウム－酸化アルミニウム（Ａｌ－Ａｌ_２Ｏ_３）などの金属－金属酸化物複合材料、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、シリコンオキシカーバイド（ＳｉＯ_ｘＣ_ｙ）、又はこれらの組み合わせであってもよい。他の例において、電気化学絶縁層は、炭化タングステン－コバルト－ニッケル合金（ＷＣ－Ｃｏ－Ｎｉ）などの超硬合金を含む。

図３は、本開示による、複数の配線を有するポリマー複合材構造体の熱可塑性層に埋設されたプリント回路の上面図を示す。同図には、ポリマー複合材構造体３００の熱可塑性層に埋設されたプリント回路の例が示されており、ポリマー複合材基板の表面には熱可塑性層３０２が設けられており、当該熱可塑性層３０２の上面には、導電性プリント回路配線３０４、３０６、３０８、３１０、３１２のコンポーネントが形成されている。プリント回路は、第１コールドスプレー金属導電性回路配線３０４と、第２コールドスプレー金属導電性回路配線３０６と、第３コールドスプレー金属導電性回路配線３０８と、第４コールドスプレー金属導電性回路配線３１０と、第５コールドスプレー金属導電性回路配線３１２とを含む。導電性回路配線３０４、３０６、３０８、３１０、３１２は、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、これらの合金、又はこれらの組み合わせを含みうる。図３には、導電性回路配線３０４、３０６、３０８、３１０、３１２の特定のパターン又は配置が示されているが、本開示のいくつかの態様は、このようなポリマー複合材構造体に埋設された電気回路の特定の用途に適した代替のパターンを含んでもよい。そのような用途としては、例えば、照明、ヒータ、構造モニタリング、又はこれらの組み合わせなどの、ビークルシステムの接続用ワイヤ束などが挙げられる。さらに他の態様は、例えば、抵抗ヒータの少なくとも一部を形成するか、或いは電気回路の少なくとも一部を形成する導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンを含み、構造コンポーネントが曲がると、コールドスプレー金属コーティングの電気抵抗値が変化する。特定の理論に縛られるものではないが、構造コンポーネントが屈曲又は湾曲すると、１つ以上の層や、電気回路における内部ワイヤに亀裂が生じ、これによって、電気回路配線に沿って電気抵抗率が変化する場合がある。構造コンポーネントの屈曲により内部破壊（internal breakdown）が生じると、回路のコンタクトポイントが少なくなるため、回路経路を維持するのにより多くの電流が必要になる場合があり、抵抗が増大する。この変化は、遠隔で測定することが可能であり、構造コンポーネントの疲労を示す指標となる。いくつかの態様において、導電性コールドスプレー金属コーティング回路配線は、導電性回路配線３０４、３０６、３０８、３１０、３１２に示すように１つ以上の不連続セグメントを示すパターンで形成又は塗布される。この１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに完全には接触していない。この不連続セグメントの配置により、本明細書で説明するような多層複合材品内で個々の電気経路を形成しうる１つ以上の導電性回路配線３０４、３０６、３０８、３１０、３１２を設けることができる。導電性回路配線３０４、３０６、３０８、３１０、３１２は、特定の電気回路内の個々の支脈（legs）を形成するか、或いは、ポリマー複合材構造体の内部の第１回路と、ポリマー複合材構造体の内部又は外部の第２回路との間の１つ以上のブリッジ又はジャンパ（jumpers）を形成することができる。他の態様において、上記セグメントは、埋込回路の設計や用途に従って、部分的に連続していてもよい。いくつかの態様において、ポリマー複合材構造体３００は、航空宇宙ビークルのコンポーネント又は一部であってもよく、いくつかの例においては、その外面であってもよい。本開示の実施例においては、説明した構造体及び方法を使用して、航空機における配線、例えば、ビークルの翼や他の外部構造体の先端の照明に対して設けられるワイヤや、複合体に埋設される薄型又は軽量の回路などを、最小限にすることができる。これにより、軽量化を実現したり、製造時間を短縮したりすることができる。本開示の実施例で説明する構造体及び方法は、航空機及び他のビークルの内部回路や構造コンポーネントで使用可能である。導電性回路配線のパターンは、ロボット又はコンピュータで制御されるパターニングを使用して形成されてもよいし、マスキング技術やテンプレートを使用して手作業でコールドスプレーされてもよい。いくつかの態様において、減圧溶射（low pressure spraying）は、追加の微粒子除去方法や環境管理方法などの特別な技術を用いることなく、オープンな製造環境で実行することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、本開示のプロセスの様々な段階における、ポリマー複合材構造体の熱可塑性層に埋設されたプリント回路の上面図を示す。図４Ａ及び図４Ｂに示す例を作製するための手順では、レーザー光散乱法やこれに類する方法で決定された平均粒度が４０ミクロンのアルミニウム金属粒子が使用された。噴射条件としては、CenterLine (Windsor) Limited社システムのコールドスプレー塗布装置を使用し、１００～４００ｐｓｉのロボット噴射圧、１００℃～５００℃のガス加熱温度で、気体には空気又は窒素を使用した。図４Ａ及び図４Ｂには、ポリマー複合材構造体４００の電気化学絶縁層に埋設されたプリント回路が示されている。ポリマー複合材構造体４００は、当該ポリマー複合材構造体４００の上部において、電気化学絶縁層４０２の上面を有する。炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成された土台となるポリマー複合材構造体４００は、表面に炭素繊維又はガラス繊維強化ＰＥＫＫの電気化学絶縁層４０２を有しており、このポリマー複合材構造体に対する評価が行われた。電気化学絶縁層４０２に対して、本明細書に記載の条件下でコールドスプレー処理が施され、これによって、当該電気化学絶縁層４０２上に第１電気回路配線４０４が形成された。図４Ｂに示すように、その後、第１電気回路配線４０４上に追加層４０６が設けられ、これによって、ポリマー複合材構造体４００の組成全体内で第１電気回路配線４０４が部分的に覆われる。追加層４０６は、本開示で説明するようなポリマー複合体であるが、これに代えて、プラスチック、金属、合金、金属合金、又はこれらの組み合わせを含む材料を採用することも可能である。

図５は、本開示のプロセスにより得られる、電気回路についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果の写真を示す。ポリマー複合材料５００の例示的な基板には、導電性コールドスプレー金属の様々なパッチが施される。図５に示すように、厚さ５ミルの導電性コールドスプレー金属の第１パッチ５０２、厚さ１０ミルの導電性コールドスプレー金属の第２パッチ５０４、厚さ１３ミルの導電性コールドスプレー金属の第３パッチ５０６、及び厚さ２０ミルの導電性コールドスプレー金属の第４パッチ５０８が、本開示のプロセスに従って、ポリマー複合材料５００に積層される。各パッチ５０２、５０４、５０６、５０８は、異なる厚みで形成されており、特定の組のコールドスプレー処理条件における複数のパスについて得られた結果の厚みを示している。導電性コールドスプレー金属層５０４は、アルミニウム金属で形成されており、アルミニウム表面に記載された数字は、ミル単位のおおよその層厚みである。一番上のアルミニウム層は、コールドスプレーされたアルミニウムの１つのパスであり、２番下の層は、２つのパス、３番目は、３つのパス、というように続く。この例において、採用されたガス温度は３５０℃であった。また、ガス圧は２００ｐｓｉであり、移動速度は１００ｍｍ／秒であった。また、この例においては、窒素ガスを使用した。

図６Ａ及び図６Ｂは、本開示のプロセスにより得られる、電気回路層についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果の断面写真を示す。図６Ａには、導電性コールドスプレー金属層の第１断面６００が示されており、図６Ｂには、導電性コールドスプレー金属層の第２断面６０２が示されている。これらの図示例においては、ＰＥＫＫ炭素繊維ポリマー複合材基板サンプルに予定厚みが約２０ミルのコールドスプレーアルミニウム金属が形成されている。第１断面６００及び第２断面６０２は、異なる倍率で示されている。第１断面６００は、ポリマー複合材基板層６０４と、導電性コールドスプレー金属層６０６とを示す。第２断面６０２は、ポリマー複合材基板層６０８と、導電性コールドスプレー金属層６１０とを含む。直接マイクロメータ測定法による厚み測定では、導電性コールドスプレー金属層６０６及び６１０の平均厚みは、１４．８ミル、すなわち０．０１４インチであることが示されている。図６に示す例で用いられた実験セットアップは、図５で説明したものと同じであった。厚みを増すためにコールドスプレーの追加のパスを使用した。その際、１４ミルの厚みに到達するのに約３つのパスを要した。

図７Ａ及び図７Ｂは、本開示のプロセスにより得られる、電気回路層についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果を示す写真である。図７Ａには、導電性コールドスプレー金属層の第１断面７００が示されており、図７Ｂには、導電性コールドスプレー金属層の第２断面７０２が示されている。これらの図示例においては、ＰＥＫＫ炭素繊維ポリマー複合材基板サンプルに予定厚みが約５ミルのコールドスプレーアルミニウム金属が形成されている。第１断面７００及び第２断面７０２は、異なる倍率で示されている。第１断面７００は、ポリマー複合材基板層７０４と、導電性コールドスプレー金属層７０６とを示す。第２断面７０２は、ポリマー複合材基板層７０８と、導電性コールドスプレー金属層７１０とを含む。光学顕微鏡による厚み測定では、導電性コールドスプレー金属層７０６及び７１０の平均厚みが、３．０７ミル、すなわち約０．００３インチであることが示されている。図７に示す例で用いられた実験セットアップは、図５で説明したものと同じであった。

図８Ａ及び図８Ｂは、本開示のプロセスにより得られる、電気回路層についてのコールドスプレー金属成膜の実験結果を示す写真である。図８Ａには、導電性コールドスプレー金属層の第１非研磨断面８００が示されており、図８Ｂには、導電性コールドスプレー金属層の第２研磨断面８０６が示されている。これらの図示例においては、ＰＥＫＫグラスファイバポリマー複合材基板サンプルに予定厚みが約１０ミルのコールドスプレーアルミニウム金属が形成されている。第１断面８００及び第２断面８０６は、同様の倍率で示されている。第１非研磨断面８００は、ポリマー複合材基板層８０２と、導電性コールドスプレー金属層８０４とを示す。第２研磨断面８０６は、ポリマー複合材基板層８０８と、研磨された導電性コールドスプレー金属層８１０とを含む。ガラスビーズによる研磨は、番手が＃１０のガラスビーズ、５０～６０ｐｓｉの空気圧、１００ｍｍ／秒のノズル速度を利用し、室温で実施された。いくつかの例においては、より低い圧力、或いはより高い圧力であっても問題なく使用可能な場合がある。光学顕微鏡による厚み測定では、研磨されていない導電性コールドスプレー金属層８０４の平均厚みが６．３４ミル、すなわち０．００６３インチであり、研磨された導電性コールドスプレー金属層８１０の平均厚みが、７．１８ミル、すなわち０．００７２インチであることが示されている。研磨された導電性コールドスプレー金属層８１０の外観は、導電性コールドスプレー金属層８０４におけるコールドスプレー金属粒子と比較して、コールドスプレー金属粒子間の接触が多く、より滑らかであるように見える。特定の理論に縛られることを望むものではないが、プロセスにおける研磨ステップは、孔を少なくして表面の平滑性を向上させることができるため、本開示の方法により形成される回路配線や電気回路の堅牢性に役立ちうる。研磨により、コールドスプレー塗布層の付着性を確認することも可能である。

図９は、コールドスプレー電気回路層を含む構造コンポーネントを航空宇宙ビークルに適用した様子を示している。同図においては、航空宇宙ビークル９００に対して本開示の方法が適用されており、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）からなるビークルポリマー基板表面９０２に対して本開示の方法が使用される。分解図９Ａには、導電性若しくは電気伝導性、電気回路の一部、疲労監視回路、又は１つ以上の統合ワイヤハーネスを、ポリマー複合材料の表面に付与するため、及び／又はビークルの構造コンポーネントやビークルの一部に付与するための、電気化学絶縁層９０４とコールドスプレー導電層９０６とを有するビークルポリマー基板表面９０２が示されている。一例において、本開示の方法は、航空宇宙ビークル９００の外面に対して用いられる。

図１０は、コールドスプレー電気回路層を含む構造コンポーネントを航空宇宙ビークルに適用している様子を示す。同図においては、航空宇宙ビークル９００に対して本開示の方法がさらに適用されており、ＦＲＰからなるビークルポリマー基板表面９０２に対して本開示の方法が使用される。分解図１０Ａには、導電性若しくは電気伝導性、電気回路の一部、疲労監視回路、又は１つ以上の統合ワイヤハーネスを、ポリマー複合材料の表面に付与するため、及び／又はビークルの構造コンポーネントやビークルの一部に付与するための、電気化学絶縁層９０４と、コールドスプレー導電層９０６と、追加コーティング層９０８とを有するビークルポリマー基板表面９０２が示されている。

図１１には、本開示による、多層複合材品内で電気接続を行うための方法のフローチャートが示されている。多層複合材品内で電気接続を行うための方法１１００は、金属粉末、又は金属合金粉末、又は金属粉末と金属合金粉末の混合物の粒子を、ガス流に導入し１１０２、その後、ポリマーの表面上に形成された熱可塑性電気化学絶縁層に前記ガス流を向けるステップを含み、前記ガス流の温度及び圧力は、前記電気化学絶縁層の表面の熱による軟化やアブレーションを防止するよう調節されている１１０４。いくつかの態様において、前記ガス流は、特定のパターンに従って前記熱可塑性電気化学絶縁層に向けられる。いくつかの態様において、前記熱可塑性電気化学絶縁層は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、又はこれらの組み合わせを含む。多層複合材品内で電気接続を行うための方法１１００において、前記ガス流の温度は、例えば１００℃から５００℃の間であり、前記ガス流の圧力は、１００ｐｓｉから４００ｐｓｉの間である。次に、多層複合材品内で電気接続を行うための方法１１００は、１１０６において、電気化学絶縁層の少なくとも一部に金属コーティングを形成し、１１０８において、前記金属コーティングにより前記多層複合材品内で電気接続を行うステップを含む。多層複合材品内で電気接続を行うための方法１１００で塗布される金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない。金属コーティングの塗布又はパターニングは、手作業又は自動で実現されてもよいし、さらには、当業者に既知のコンピュータ制御パターニング又はマスキング技術で実現されてもよい。

さらに、本開示は、以下の付記による例を含む。

付記１．少なくとも１つの表面を有するポリマー材料と、前記少なくとも１つの表面上の電気化学絶縁層と、前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた導電性コールドスプレー金属コーティングと、少なくとも１つの追加層と、を含み、当該少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を挟んでいる、コールドスプレー金属コーティング物品。

付記２．前記ポリマー材料は、エポキシ、フェノール、ポリエステル、尿素、メラミン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフタルアミド、ポリフタレート、ポリスルホン、ポリウレタン、塩素化ポリマー、フッ素化ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、液晶ポリマー、部分結晶性芳香族ポリエステル、及びこれらの変性体を含み、当該変性体は、炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、グラファイト繊維、グラスファイバ、ガラス繊維、金属、金属合金、金属化繊維、及び金属被覆グラスファイバを含有する１つ以上のフィラー又は強化材料を含む、付記１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記３．前記電気化学絶縁層は、熱可塑性材料を含む、付記１又は２に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記４．前記電気化学絶縁層は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、又はこれらの組み合わせを含む、付記３に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記５．前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される、付記１～４のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記６．前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に少なくとも部分的に封入されている、付記１～５のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記７．前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に完全に封入されている、付記１～６のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記８．前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、抵抗ヒータの少なくとも一部を形成している、付記１～７のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記９．前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、電気回路の少なくとも一部を形成している、付記１～８のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記１０．前記ポリマー材料は、航空宇宙ビークルのコンポーネント又は一部である、付記１～９のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記１１．航空宇宙ビークルの前記コンポーネント又は一部は、その外面である、付記１０に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記１２．前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、付記１～１１のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記１３．少なくとも１つの表面を有するポリマー複合材料と、前記少なくとも１つの表面上の熱可塑性電気化学絶縁層と、前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた、コールドスプレー金属コーティングを含む電気回路と、少なくとも１つの追加層と、を含み、当該少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を封入しており、前記コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、前記１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、構造コンポーネント。

付記１４．前記構造コンポーネントが曲がると、前記コールドスプレー金属コーティングの電気抵抗値が変化する、付記１３に記載の構造コンポーネント。

付記１５．前記構造コンポーネントは、航空宇宙ビークルの一部である、付記１３又は１４に記載の構造コンポーネント。

付記１６．前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される、付記１３～１５のいずれかに記載の構造コンポーネント。

付記１７．多層複合材品内で電気接続を行うための方法であって、金属粉末、又は金属合金粉末、又は前記金属粉末と前記金属合金粉末の混合物の粒子を、ガス流に導入し、ポリマーの表面上に形成された熱可塑性電気化学絶縁層に前記ガス流を向け、その際、前記ガス流の温度及び圧力は、前記電気化学絶縁層の表面の熱による軟化やアブレーションを防止するよう調節されており、前記電気化学絶縁層の少なくとも一部に金属コーティングを形成し、前記金属コーティングにより前記多層複合材品内で電気接続を行う、方法。

付記１８．前記ガス流は、特定のパターンに従って前記熱可塑性電気化学絶縁層に向けられる、付記１７に記載の多層複合材品内で電気接続を行うための方法。

付記１９．前記ガス流の温度は、１００℃から５００℃の間であり、前記ガス流の圧力は、１００ｐｓｉから４００ｐｓｉの間である、付記１７又は１８に記載の多層複合材品内で電気接続を行うための方法。

付記２０．前記金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、付記１７～１９のいずれかに記載の多層複合材品内で電気接続を行うための方法。

付記２１．少なくとも１つの表面を有するポリマー材料と、前記少なくとも１つの表面上の電気化学絶縁層と、前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた導電性コールドスプレー金属コーティングと、少なくとも１つの追加層と、を含み、当該少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を挟んでいる、コールドスプレー金属コーティング物品。

付記２２．前記ポリマー材料は、エポキシ、フェノール、ポリエステル、尿素、メラミン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフタルアミド、ポリフタレート、ポリスルホン、ポリウレタン、塩素化ポリマー、フッ素化ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、液晶ポリマー、部分結晶性芳香族ポリエステル、及びこれらの変性体を含み、当該変性体は、炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、グラファイト繊維、グラスファイバ、ガラス繊維、金属、金属合金、金属化繊維、及び金属被覆グラスファイバを含有する１つ以上のフィラー又は強化材料を含む、付記２１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記２３．前記電気化学絶縁層は、熱可塑性材料を含み、及び／又は、前記電気化学絶縁層は、好ましくは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、又はこれらの組み合わせを含む、付記２１又は２２に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記２４．前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される、付記２１～２３のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記２５．前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に少なくとも部分的に封入されており、及び／又は、前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に完全に封入されている、付記２１～２４のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記２６．前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、抵抗ヒータの少なくとも一部を形成しており、及び／又は、前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、電気回路の少なくとも一部を形成している、付記２１～２５のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記２７．前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、付記２１～２６のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記２８．前記ポリマー材料は、航空宇宙ビークルのコンポーネント又は一部であり、及び／又は、航空宇宙ビークルの前記コンポーネント又は一部は、その外面である、付記２１～２７のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。

付記２９．少なくとも１つの表面を有するポリマー複合材料と、前記少なくとも１つの表面上の熱可塑性電気化学絶縁層と、前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた、コールドスプレー金属コーティングを含む電気回路と、少なくとも１つの追加層と、を含み、当該少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を封入しており、前記コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、前記１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、構造コンポーネント。

付記３０．前記構造コンポーネントが曲がると、前記コールドスプレー金属コーティングの電気抵抗値が変化する、付記２９に記載の構造コンポーネント。

付記３１．前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される、付記２９又は３０に記載の構造コンポーネント。

付記３２．前記構造コンポーネントは、航空宇宙ビークルの一部である、付記２９～３１のいずれかに記載の構造コンポーネント。

付記３３．多層複合材品内で電気接続を行うための方法であって、金属粉末、又は金属合金粉末、又は前記金属粉末と前記金属合金粉末の混合物の粒子を、ガス流に導入し、ポリマーの表面上に形成された熱可塑性電気化学絶縁層に前記ガス流を向け、その際、前記ガス流の温度及び圧力は、前記電気化学絶縁層の表面の熱による軟化やアブレーションを防止するよう調節されており、前記電気化学絶縁層の少なくとも一部に金属コーティングを形成し、前記金属コーティングにより前記多層複合材品内で電気接続を行う、方法。

付記３４．前記ガス流は、特定のパターンに従って前記熱可塑性電気化学絶縁層に向けられ、及び／又は、前記ガス流の温度は、１００℃から５００℃の間であり、前記ガス流の圧力は、１００ｐｓｉから４００ｐｓｉの間である、付記３３に記載の多層複合材品内で電気接続を行うための方法。

付記３５．前記金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、付記３３又は３４に記載の多層複合材品内で電気接続を行うための方法。

上述した様々な態様の説明は、単に例示的な性質のものであり、本開示やその適用例又は用途をなんら限定することを意図するものではない。

また、第１、第２などの用語を用いて様々な要素を説明しているが、これらの要素は、これらの用語で限定されるべきでない。これらの用語は、ある要素を、他の要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、第１の物体、コンポーネント、又はステップを、本発明の範囲から逸脱することなく、第２の物体、コンポーネント、又はステップと呼ぶことも可能であり、また同様に、第２の物体、コンポーネント、又はステップを、第１の物体、コンポーネント、又はステップと呼ぶことも可能である。第１の物体、コンポーネント、又はステップ、及び、第２の物体、コンポーネント、又はステップは、それぞれが異なる物体、コンポーネント、又はステップであり、同じ物体、コンポーネント、又はステップと解釈されるべきではない。また、本明細書において「含む」及び／又はこれに類する用語が使われている場合、これらは、記載した特徴、ステップ、動作、要素、及び／又はコンポーネントが存在することを意味するが、他の特徴、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又はこれらのグループが１つ以上存在すること又は追加されることを排除するものではない。さらに、本明細書において、「場合」なる用語は、文脈に応じて「～の時」、「～の際」、「～との判断に応じて」、又は「～を検出したことに応じて」などを意味するものと解釈することができる。

本開示の全体において、数値範囲の記載は、当該範囲に含まれる全ての値を示す簡略表現として用いられている。範囲形式での説明は、単に利便性及び簡潔化のためのものであり、本開示の実施例及び実施態様の範囲に対する確固たる制限であると解釈されるべきでない。したがって、本開示の範囲は、当該範囲内の個々の数値だけでなく、全ての考えられる部分範囲（subranges）も具体的に開示したものであると解釈されるべきである。このように、範囲の終端として、当該範囲内の任意の値を選択することができる。例えば、１～５などの範囲の説明は、当該範囲内の、例えば、１、２、３、３．２、４、５などの個々の数値だけでなく、１．５～３、１～４．５、２～５、３．１～５などの部分範囲も具体的に開示したものであるとみなされるべきである。これは、範囲の広さに関わらず当てはまる。

特段の記載がない限り、ここでのパーセント値及び量、並びに本明細書のいずれかの箇所に記載のパーセント値及び量は、全て総固形分の重量パーセントを指すと理解されるべきである。記載の量は、材料の有効重量に基づくものである。

加えて、全ての数値は、「約」又は「概ね」の値を指しており、当業者が予測しうる実験誤差やばらつきを考慮した値である。本開示における全ての数値及び数値範囲は、これらに「約」が用いられているか否かに関わらず、近似的な値及び近似的な範囲であると理解されたい。また、本明細書において数値と関連して使用される「約」なる用語は、その数値の±０．０１％（両端の値を含む）、±０．１％（両端の値を含む）、±０．５％（両端の値を含む）、±１％（両端の値を含む）、その数値の±２％（両端の値を含む）、その数値の±３％（両端の値を含む）、その数値の±５％（両端の値を含む）、その数値の±１０％（両端の値を含む）、又はその数値の±１５％（両端の値を含む）の値を指すものと理解されたい。さらに、本明細書において数値範囲が開示されている場合、当該範囲内の全ての数値が具体的に開示されていると理解されたい。

本開示について、例示的な実施態様を挙げて説明してきた。いくつかの実施態様を図示及び説明したが、上述した詳細な説明の原理及び思想から逸脱することなくこれらの実施態様の変形が可能なことは、当業者には明らかであろう。そのような変更や変形が添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内である限り、本開示にはそれらが全て含まれることが意図されている。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの表面を有するポリマー材料と、
   前記少なくとも１つの表面上の電気化学絶縁層と、
   前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた導電性コールドスプレー金属コーティングと、
   少なくとも１つの追加層と、を含み、前記少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を挟んでいる、コールドスプレー金属コーティング物品。
2. 前記ポリマー材料は、エポキシ、フェノール、ポリエステル、尿素、メラミン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフタルアミド、ポリフタレート、ポリスルホン、ポリウレタン、塩素化ポリマー、フッ素化ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、液晶ポリマー、部分結晶性芳香族ポリエステル、及びこれらの変性体を含み、当該変性体は、炭素、カーボンナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、グラファイト繊維、グラスファイバ、ガラス繊維、金属、金属合金、金属化繊維、及び金属被覆グラスファイバを含有する１つ以上のフィラー又は強化材料を含む、請求項１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。
3. 前記電気化学絶縁層は、熱可塑性材料を含み、及び／又は、前記電気化学絶縁層は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。
4. 前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される、請求項１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。
5. 前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に少なくとも部分的に封入されており、及び／又は、前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、前記物品内に完全に封入されている、請求項１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。
6. 前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、抵抗ヒータの少なくとも一部を形成しており、及び／又は、前記導電性コールドスプレー金属コーティングの塗布パターンは、電気回路の少なくとも一部を形成している、請求項１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。
7. 前記導電性コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、請求項１に記載のコールドスプレー金属コーティング物品。
8. 前記ポリマー材料は、航空宇宙ビークルのコンポーネント又は一部であり、及び／又は、航空宇宙ビークルの前記コンポーネント又は一部は、その外面である、請求項１～７のいずれかに記載のコールドスプレー金属コーティング物品。
9. 少なくとも１つの表面を有するポリマー複合材料と、
   前記少なくとも１つの表面上の熱可塑性電気化学絶縁層と、
   前記電気化学絶縁層の表面の少なくとも一部に設けられた、コールドスプレー金属コーティングを含む電気回路と、
   少なくとも１つの追加層と、を含み、当該少なくとも１つの追加層は、当該追加層と前記電気化学絶縁層との間に前記コールドスプレー金属の少なくとも一部を封入しており、
   前記コールドスプレー金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、構造コンポーネント。
10. 前記構造コンポーネントが曲がると、前記コールドスプレー金属コーティングの電気抵抗値が変化する、請求項９に記載の構造コンポーネント。
11. 前記金属コーティングは、銀、金、アルミニウム、コバルト、クロム、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、錫、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、又はこれらの合金から選択される、請求項９に記載の構造コンポーネント。
12. 前記構造コンポーネントは、航空宇宙ビークルの一部である、請求項９～１１のいずれかに記載の構造コンポーネント。
13. 多層複合材品内で電気接続を行うための方法であって、
    金属粉末、又は金属合金粉末、又は前記金属粉末と前記金属合金粉末の混合物の粒子を、ガス流に導入し、
    ポリマーの表面上に形成された熱可塑性電気化学絶縁層に前記ガス流を向け、その際、前記ガス流の温度及び圧力は、前記電気化学絶縁層の表面の熱による軟化やアブレーションを防止するよう調節されており、
    前記電気化学絶縁層の少なくとも一部に金属コーティングを形成し、
    前記金属コーティングにより前記多層複合材品内で電気接続を行う、方法。
14. 前記ガス流は、特定のパターンに従って前記熱可塑性電気化学絶縁層に向けられ、及び／又は、前記ガス流の温度は、１００℃から５００℃の間であり、前記ガス流の圧力は、１００ｐｓｉから４００ｐｓｉの間である、請求項１３に記載の多層複合材品内で電気接続を行うための方法。
15. 前記金属コーティングは、１つ以上の不連続セグメントを含み、当該１つ以上の不連続セグメントは、横方向において互いに接触していない、請求項１３又は１４に記載の多層複合材品内で電気接続を行うための方法。