KR20120099275A - 복합 물품 제작에 사용된 재료에 전도성을 부여하는 방법 및 그 재료 - Google Patents

복합 물품 제작에 사용된 재료에 전도성을 부여하는 방법 및 그 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명의 양태들은 금속 함량이 1㎡당 1 g 내지 5 g(gsm) 사이인 직물 및 베일을 이에 국한됨이 없이 함유하는 금속- 또는 금속 합금-코팅된 시트재(이하, "금속-코팅된 시트재")에 관한 것이다. 이 금속-코팅된 시트재는 그대로 사용할 수도 있고, 또는 최종 복합 물품에 다른 이점들보다도 낙뢰 보호(LSP) 및/또는 벌크 전도성을 제공하기 위해 프리프레그, 접착제 또는 표면재 필름과 함께 사용될 수도 있다. 한 양태에서, 금속-코팅된 시트재는 수지로 함침된다. 본 발명의 양태들에 따르면, 금속은 직물 또는 베일의 한 면 또는 양면에 물리적 증착 코팅법에 의해 적용된다. 최종 금속-코팅된 직물 또는 베일은 표면 전도성을 부여하기 위해 표면재 필름의 캐리어로서 사용될 수 있고; 전도성 접착제-결합된 접합부를 형성하기 위해 접착제의 캐리어로서 사용될 수 있으며; 표면 및/또는 벌크 전도성뿐 아니라 인성을 부여하기 위해 프리프레그의 층들 사이에 개재(하나 이상의 금속-코팅된 베일)될 수 있고; 또는 복합 물품을 제작하는데 사용될 수 있다.

Description

복합 물품 제작에 사용된 재료에 전도성을 부여하는 방법 및 그 재료{METHODS OF IMPARTING CONDUCTIVITY TO MATERIALS USED IN COMPOSITE ARTICLE FABRICATION ＆ MATERIALS THEREOF}
복합 물품의 전도성 재료
항공우주 산업에서 구성 부품의 제작에 사용되는 재료는 일반적인 환경 현상에 의해 유발되는 피해 또는 위험으로부터 부품을 보호하기 위해 일정한 특성이 있어야 한다. 일반적인 환경 현상의 한 예인 번개는 부품들이 적당히 전도성이 아니라면 구성 부품을 통해 심각한 피해를 주고(또는) 일격을 가할 수 있으며, 항공기를 통해 접지될 수 있다. 번개가 비행 중인 항공기의 날개 부품을 때리면, 부품 자체의 심각한 물리적 손상뿐 아니라 위험한 서지 전류(surge current)를 일으킬 가능성이 있다. 서지 전류는 최종적으로 폭발을 유발하는 연료 저장소와 접촉하게 될 수 있기 때문에 특히 문제가 된다. 실제 낙뢰로 인한 비행기의 치명적 추락으로 인해, 미국연방항공국(FAA)은 번개를 맞을 확률 및 맞은 정도를 기반으로 상업용 항공기의 다양한 구역을 분류하는 시스템을 시행했다. 따라서, 이러한 구성 부품은 다른 특성들 중에서 낙뢰로 인한 피해를 예방하거나 줄이는 특성이 있도록 제작되는 것이 중요하다.
전자기 방해(EMI)는 항공우주 산업에서 복합 부품의 다른 전기적 문제이다. EMI파는 연료 시스템의 연료 보급 파이프와 전기 배선에서 과도한 에너지 수준을 유도하는 전기 과도 전류를 유도할 수 있는 전기장 및 자기장으로 이루어진다. 이러한 발생을 예방하고(또는) 감소시키는 방법은 충돌한 방사선을 흡수 또는 반사하는 차폐재를 첨가하는 것이다. 이러한 현상등의 적당한 차폐가 없다면, EMI파는 항공기의 전자 및 항공 전자 장치의 작동을 방해하거나, 또는 심지어 연료 탱크의 점화를 유발할 수도 있다. 흡수 손실은 차폐재의 두께, 전도율 및 투과율에 비례하는 것으로 밝혀져 있다. 종래의 차폐 방법은 캐스트 및 시트 금속으로 제조된 하우징, 및 전도성 충전제 또는 코팅을 보유한 플라스틱을 포함한다.
정전기 방전(ESD)은 항공우주 산업에서 구성 부품의 또 다른 문제이다. ESD는 직접 접촉하여 유발되거나, 또는 정전기장에 의해 유도된 다른 전위에서 두 물체 사이에 흐르는 갑작스럽고 순간적인 전기 전류이다. 비전도성 재료, 페인트, 플라스틱은 절연성이 있고, 이에 따라 정전하가 축적되기 쉽다. 이 최종 전하는 항공기 전자기기 및 연료 탱크를 보호하기 위해 조절되어야 한다. 종래의 ESD 방법은 정전기 제거 특성이 있는 섬유를 재료, 예컨대 탄소 섬유에 첨가하거나, 또는 항공기 부품의 선단에 심지(wick) 및/또는 막대(rod)를 첨가하는 것을 포함한다.
정전하는 마찰을 통해 재료에 부여된다. 항공기는 단순히 공기를 통과해서 하전된다. 비행 중의 침전(구름 또는 비)은 물질 접촉이 더 많기 때문에 전하 축적을 증가시킨다. 정전하는 통상적으로 약간 전도성인 해수면의 공기에서, 또한 습도가 높은 공기에서 방전된다. 하지만, 습도가 20% 이하인 공기 및/또는 더 높은 고도의 공기는 불량한 전도체이다. 높은 고도의 공기는 항공기 표면에, 특히 전하가 쉽게 이동하지 않는 복합재 항공기의 표면에 정전하를 축적시킨다. 구조물 위에 전하의 축적은 전하의 양에 따라 증가하는 전압 포텐셜을 발생시킨다. 금속 구조에서, 이 전압 포텐셜은 금속이 전기를 균일하게 전도하기 때문에 모든 지점에서 동일하다. 하지만, 복합재 구조에서는 전압이 달라질 것이다. 결과적으로, 이 전압 포텐셜은, 날개 선단, 프로펠러 선단, 트레일링 가장자리, 제트 엔진 블레이드의 선단 및 가장자리 등과 같은 급한 곡률 구역에서 가장 강렬한 전기장을 발생시킨다. 축적 전하는 이동하기를 원한다 - 유사 전하는 밀어내고, 다른 전하는 끌어당긴다. 결국, 공기와 구조물 사이의 전하 차이는 매우 커져서 전압 포텐셜을 방출할 필요가 인계되어, 대기로 과도한 전하의 집단 "투기(dumping)"가 초래된다. 정전하 축적은 구름 내에서 또는 하전된 대기 상태에서 번개를 유발할 수 있다.
동시에, 이러한 구성 부품은 항공기가 설계된 거리를 달성하고 과도한 양의 연료를 사용함이 없이 비행을 달성하도록 자체 중량의 중력을 극복하도록 일정한 중량 요건을 목표로 하여 제작되어야 한다. 또한, 이러한 구성 부품은 일반적인 환경에 피해를 입지 않도록 제작되어야 한다. 이러한 특성은 일반적으로 복합재에 대한 "인성"이라 한다. 따라서, 이러한 구성 부품의 실질적인 중량을 유지하면서 일반 환경 현상에 대한 내성과 피해 내구성의 문제들은 그러한 부품의 제작 과정에서 매우 신중하게 평가되어야 한다. 제작 과정에서 이 균형을 맞추기 위해서 다양한 방법이 사용된다.
항공우주 산업에서 구성 부품을 낙뢰에 대해 보호하기 위한 통상적인 방법은 복합 부품에 혼입된 익스팬디드 알루미늄, 구리, 티탄 또는 청동 메쉬, 스크린 또는 박막, 또는 제직형 와이어 직물의 사용이다. 이러한 메쉬들은 낙뢰 보호용으로 일반적으로 효과적이지만, 많은 익스팬디드 메쉬/스크린은 생산 및 수선 면에서 취급이 어렵다. 또한, 이 메쉬는 다른 재료의 존재 하에, 특히 탄소 복합 구조물의 경우 알루미늄의 존재 시에 바람직하지 않은 갈바니 부식을 방지하기 위해 절연재(예, 섬유유리 절연체 플라이)를 필요로 한다. 더욱이, 대량으로 사용되었을 때, 익스팬디드 메쉬/스크린은 매우 무겁고 전체 부품의 무게를 상당히 추가시킬 수 있어 항공기의 효율을 감소시킨다.
낙뢰 보호를 위한 또 다른 방법은 복합 부품에 혼입되는 금속-코팅된 탄소 섬유재의 사용이다. 일반적으로, 탄소 섬유는 무전해 도금법에 의해 니켈, 팔라듐, 주석, 구리 또는 이의 배합물로 코팅된다. 이러한 금속-코팅된 섬유는 그 다음 균일한 부직재로 제조될 수 있다. 금속-코팅된 섬유로 제조된 부직재는 적당한 낙뢰 보호에 필요할 수 있는 금속 메쉬/스크린을 효과적으로 대체하는 복합재에 혼입된다. 이러한 금속-코팅된 섬유로 제조된 부직재를 가진 복합 부품의 보고서는 금속 함량이 금속 1㎡당 약 60 내지 100g(gsm)인 것으로 보고한다. 다른 보고서들은 6K(6000 필라멘트) 내지 80K(80,000 필라멘트) 사이의 탄소 토우(tow)에서 10% 내지 65% 금속(중량 기준) 함량을 언급한다. 금속-코팅된 베일 재료는 비전도성 수지(예, PVA)로 약하게 결합된 금속-코팅된 섬유로 제조된다.
따라서, 전체 복합재의 중량은 항공기 효율에 대한 문제를 여전히 갖고 있다. 더욱이, 무전해 도금법은 도금 폐기물 스트림 및 고가의 제작 비용과 같은 제작의 문제점도 있다.
(i) 시트재(sheet material); 및 (ii) 이 시트재의 적어도 한 면에 금속 또는 금속 합금의 층을 포함하고, 이 금속 층의 두께가 0.1μ 내지 25μ 사이이고, 금속-코팅된 시트재가 필름, 수지 또는 플라이(ply) 중 하나와 조합되는, 지지재(support material)가 개시된다. 일부 양태에서, 금속 층은 두께가 0.5μ 내지 2μ 사이이다. 금속-코팅된 시트재 상의 금속의 면적당 중량은 50g/㎡ 미만일 수 있다. 일부 양태에서, 금속-코팅된 시트재 상의 금속의 면적당 중량은 15g/㎡ 미만이다. 다른 양태에서, 금속-코팅된 시트재 상의 금속의 면적당 중량은 5g/㎡ 미만이다. 금속-코팅된 시트재는 전도성일 수 있고, 금속-코팅된 시트재의 표면 비저항은 시트재의 표면 비저항보다 적다. 시트재는 제직물 또는 부직 베일 중 하나일 수 있다. 시트재를 포함하는 재료는 탄소, 섬유유리, 세라믹 섬유 또는 유기 섬유, 예컨대 아라미드, 파라-아라미드, 나일론, 열가소재 또는 이의 배합물 중 하나를 포함하는 섬유재일 수 있다.
일부 양태에서, 금속 또는 금속 합금은 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 팔라듐, 주석, 금 또는 이의 배합물 중 하나이다. 또한, 금속-코팅된 시트재는 물리적 증착, 원자 층 침착, 화학적 증착, 저압 화학적 증착 및 플라즈마-증강 화학적 증착으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 방법으로 코팅할 수 있다. 금속은 시트재 위에 연속 층으로 코팅할 수 있다. 필름 또는 플라이는 시트, 테이프, 토우, 직물 또는 매트 형태의 섬유 보강재 중 하나일 수 있고 수지, 접착제 필름 또는 표면재 필름으로 예비함침될 수 있다. 이러한 필름 또는 수지를 함유하는 지지재는 중합체 재료일 수 있고, 이 중합체 재료는 에폭시, 비스말레이미드, 페놀계, 시아네이트 에스테르 및 폴리이미드 중 하나 이상이다. 시트재는 1 이상의 플라이와 조합되어 적층 구조를 형성할 수 있다. 대안적으로, 시트재는 적층 구조를 형성하는 복수의 플라이 사이에 개재될 수 있다.
(i) 각 플라이가 하나 이상의 다른 플라이에 인접해 있는, 복수의 플라이; 및 (ii) 하나 이상의 플라이에 인접한 적어도 한 면 위에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 하나 이상의 부직 매트로서, 이 부직 매트 위에 코팅의 면적당 중량이 50g/㎡ 미만인 매트를 포함하는 복합 물품이 개시된다. 일부 양태에서, 코팅의 면적당 중량은 3 gsm 내지 20 gsm 사이이다. 한 양태에서, 적어도 한 면 위에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 하나 이상의 부직 매트는 복수의 플라이들 사이에 개재되어 벌크 전도성인 적층체 패널을 형성한다. 이 적층체 패널은 적어도 한 면에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 적어도 한 부직 매트가 개재되지 않은 적층체 패널에 비해, 힘으로 처리되었을 때 충격 후 압축 값의 증가를 특징으로 나타낼 수 있다. 또한, 적층체 패널은 적어도 한 면에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 적어도 한 부직 매트가 개재되지 않은 적층체 패널에 비해, 크랙이 도입된 후 패널이 적재될 때 인성 값의 증가를 특징으로 할 수 있다. 다른 양태에서, 적어도 하나의 부직 매트는 최외각 플라이에 인접하여 적층체 패널을 형성하고, 이 적층체 패널은 200,000 amps 이하의 전압이 적층체 패널과 접촉하게 될 때 피해를 줄일 수 있다.
코팅된 부직 매트 상의 금속 층은 두께가 0.5μ 내지 2μ 사이일 수 있다. 시트 물질을 함유하는 재료는 탄소, 섬유유리, 세라믹 또는 유기 섬유, 예컨대 아라미드, 파라-아라미드, 나일론, 열가소재 또는 이의 배합 중 하나를 포함하는 섬유 재료일 수 있다. 일부 양태에서, 금속 또는 금속 합금은 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 팔라듐, 주석, 금 또는 이의 배합물 중 하나일 수 있다. 더욱이, 금속-코팅된 부직 매트는 물리적 증착, 원자 층 침착, 화학 증착, 저압 화학 증착 및 플라즈마-증강 화학 증착으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 방법으로 코팅할 수 있다. 금속은 시트재 위에 연속 층으로 코팅될 수 있다. 각 플라이는 시트, 테이프, 토우, 직물 또는 매트 형태의 섬유 보강재일 수 있고, 수지로 예비함침될 수 있다. 또한, 각 플라이는 일방향 또는 준등방성(quasi-isotropic)일 수 있다.
(i) 적어도 한 면에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하여 코팅된 시트재의 면적당 중량이 50 g/㎡ 미만인 시트재를 기구 위에 배치하는 단계; (ii) 코팅된 시트재에 인접하게 플라이를 배치하는 단계; 및 (iii) 코팅된 시트재와 적어도 한 플라이에 압력과 열을 가하여 적층체 패널을 형성시키는 단계를 포함하는 제조 방법이 개시된다. 더 상세하게는, 코팅의 면적당 중량은 3 gsm 내지 20 gsm 사이일 수 있다. 이 제조 방법은 추가로 코팅된 시트재에 인접한 플라이 위에 복수의 인접 플라이들을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 이 제조 방법은 추가로 복수의 플라이에 복수의 코팅된 시트재를 개재시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 시트재는 부직 매트, 더 구체적으로 탄소, 섬유유리, 세라믹 또는 유기 섬유, 예컨대 아라미드, 파라-아라미드, 나일론, 열가소성물질 또는 이의 배합물 중 하나를 포함하는 섬유 재료이다. 일부 양태에서, 금속 또는 금속 합금은 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 팔라듐, 주석, 금 또는 이의 배합물 중 하나이다. 일부 양태에서, 부직 매트 위의 금속 층은 두께가 0.5μ 내지 2μ 사이이다. 금속-코팅된 부직 매트는 물리적 증착, 원자 층 침착, 화학 증착, 저압 화학 증착 및 플라즈마-증강 화학 증착으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 방법으로 코팅할 수 있다. 각 플라이는 시트, 테이프, 토우, 직물 또는 매트 형태의 섬유 보강재일 수 있고, 수지로 예비함침될 수 있다. 또한, 각 플라이는 일방향 또는 준등방성(quasi-isotropic)일 수 있다.
도 1a는 대표적인 금속-코팅된 섬유유리 부직 매트(베일)의 SEM 사진이다.
도 1b는 본 발명의 양태에 따른 금속-코팅된 개재물(금속-코팅된 베일)이 있는 파손 표면 계면 및 개재물이 없는 표면의 SEM 사진이다.
도 1c는 강도 시험과 응력 시험으로 처리된 후인 본 발명의 양태에 따른 부직 매트(베일)의 금속-코팅된 섬유의 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 양태들에 따라 제작된 적층체의 길이, 폭 및 두께 벌크 비저항을 종래의 일방향성 표본 및 준등방성 표본의 적층체들과 비교한 것이다.
도 3은 진공 백 공정을 위해 조립되는 과정 중에 본 발명의 양태에 따른 복수의 플라이와 복수의 금속-코팅된 부직 베일의 레이업을 도시한 것이다.
도 4는 진공 백 과정을 위해 조립되는 과정 중에 본 발명의 양태에 따른 복수의 플라이와 금속-코팅된 부직 베일의 레이업을 도시한 것이다.
이하 상세한 설명은 지금까지 검토된 본 발명을 수행하는 최상의 방식이다. 이 설명은 제한적 의미가 아니라, 본 발명의 일반적 원리를 단지 예시하기 위한 것이다.
본 발명의 양태들은 금속 함량이 1 내지 50 g/㎡(gsm)인 금속- 또는 금속 합금-코팅된 시트재(이하, "금속-코팅된 시트재"), 예컨대 비제한적으로 직물 및 베일에 관한 것이다. 금속-코팅된 시트재는 최종 복합 물품에 어떤 다른 이점들보다 낙뢰 방지(LSP) 및/또는 벌크 전도성을 제공하기 위해 프리프레그, 접착제 또는 표면재 필름과 함께 사용하거나 또는 그대로 사용할 수 있다. 한 양태에서, 금속-코팅된 시트재는 수지로 함침된다. 본 발명의 양태들에 따라, 금속은 직물 또는 베일의 한 면 또는 양면에 물리적 증착 코팅법에 의해 적용된다. 최종 금속-코팅된 직물 또는 베일은 표면 전도성을 부여하기 위해 표면재 필름의 캐리어로서 사용될 수 있고; 전도성 접착제-결합된 접합부(joint)를 형성하기 위해 접착제의 캐리어로서 사용될 수 있으며; 표면 및/또는 벌크 전도성뿐 아니라 인성을 부여하기 위해 프리프레그 층들 사이에 개재될 수 있으며(하나 이상의 금속-코팅된 베일); 또는 복합 물품을 제작하는데 사용될 수 있다.
본 출원의 상황에서, "접착제"는 복합재를 복합재에 결합시키고, 복합재를 금속 및 다른 재료(예컨대, 벌집 샌드위치 코어 재료)에 결합시키며, 금속을 금속에 결합시키기 위한 결합제이다. 항공우주 이용분야에서, 구조용 접착제는 기계식 파스너 및 이들이 부여하는 노동, 중량 및 강도-저하 구멍을 없애거나 줄인다. 필름 접착제는 롤(roll) 형태로 제공될 수 있고, 지지체 물질 또는 "캐리어"를 포함할 수 있다. 캐리어는 취급 시의 완전성을 제공하고, 경화 동안 흐름을 조절하며, 접착제 강도를 증가시키고, 결합선 두께를 다루고 접착제에 전도성을 부여할 수 있다. 캐리어는 저밀도 편직물 또는 부직 재료, 예컨대 섬유유리, 석영, 탄소 섬유, 나일론, 폴리에스테르 또는 금속을 포함한다. 본 발명의 양태들에 따르면, 캐리어는 금속-코팅된 시트재를 포함할 수 있다.
본 출원의 상황에서, "표면 필름"은 표면 결함, 예컨대 핀홀, 표면 균열, 코어 마크오프 및 다른 결함을 채우기 위해 복합재에 적용되는 수지-풍부 층으로서, 이러한 결함을 없애는데 필요한 노동-집약적 제작 비용을 줄여준다. 수지는 저밀도 니트 또는 부직 재료, 예컨대 섬유유리, 석영, 탄소 섬유, 나일론, 폴리에스테르 또는 금속과 같은 캐리어를 포함할 수 있다. 본 발명의 양태들에 따르면, 캐리어는 금속-코팅된 시트재를 포함할 수 있다.
본 출원의 상황에서, "프리프레그"는 수지 함침되고 지향적으로 정렬된 섬유 박막 시트, 예컨대 직물, 테이프 또는 세장형 테이프이다. 한 방법에서, 프리프레그는 수지 매트릭스로 코팅된 캐리어 종이 시트 사이에 섬유 토우(직경이 작은 섬유의 다발)를 적층시켜 제조한다. 섬유 토우 위에 캐리어 종이를 가열된 롤러로 압착 후, 수지는 용융하여 섬유를 함침시켜 프리프레그를 형성시킨다. 수지 매트릭스는 표준 에폭시 또는 강인화된 에폭시, 비스말레이미드(BMI), 시아네이트 에스테르, 페놀계 물질, 반응 및 축합 폴리이미드, 및 이의 배합물과 같은 재료를 비제한적으로 포함할 수 있다. 섬유, 또는 "보강재"는 Kevlar, 섬유유리, 석영, 탄소, 흑연 및 특수 섬유와 같은 재료를 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 양태에 따르면, 보강재는 금속-코팅된 시트재를 포함할 수 있다.
본 발명의 양태들에 따르면, 시트재(즉, 엔지니어드 직물)는 시트재에 일정 수준의 전도성을 부여하기 위해 금속 또는 금속 배합물로 코팅될 수 있다. 시트재는 섬유 또는 섬유 블렌드로 구성된 제직형 또는 부직형 베일 또는 직물일 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. 시트재를 포함하는 재료는 섬유유리, 탄소, 열가소성 물질(예, KM 180, 아라미드, 파라-아라미드(Kevlar™)및 이의 블렌드 및/또는 배합물을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 일부 양태에서, 코팅 두께는 약 0.1 미크론(μ) 내지 약 25μ, 더 좁게는 약 0.5μ 내지 2μ 사이일 수 있다.
본 발명의 양태들에 따르면, 금속 코팅은 매우 얇은 금속 층으로 시트재를 코팅하는 물리적 방법 또는 화학적 방법으로 시트재에 적용할 수 있다. 이러한 방법으로는 물리적 증착(PVD), 원자 층 침착(ALD), 화학적 증착(CVD), 저압 CVD, 플라즈마-증강 CVD 또는 임의의 다른 적합한 방법을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 한 이용분야에서, PVD법은 시트재의 한 면 또는 양면을 코팅하는데 사용된다. 물리적 증착(PVD)은 금속의 증기화된 형태를 다양한 표면 위에 응축시켜 박막 필름을 침착시키는 방법이다. 이 코팅 방법은 순수하게 물리적 과정들을 수반하고 이 방법의 변법들은 증발 침착, 전자 빔 물리적 증착, 스퍼터 침착, 음극 아크 침착 및 펄스식 레이저 침착을 포함하며 당업자에게 알려져 있다. 모든 양태에서, 시트재의 한 면 또는 양면을 코팅하는데 사용된 금속으로는, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 금(Au), 구리-니켈(Cu-Ni), 구리-알루미늄(Cu-Al), 이의 배합물 및 이와 유사한 특성을 가진 임의의 다른 적당한 금속을 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명의 양태들은 시트재와 이 시트재의 적어도 한 면 위에 두께가 0.1μ 내지 25μ 사이인 금속 또는 금속 합금 층을 포함하고, 이 금속-코팅된 시트재가 필름, 수지 또는 플라이 중 하나와 조합되는 지지체 재료를 제공한다. 금속 층은 두께가 0.5μ 내지 2μ 사이일 수 있고, 금속-코팅된 시트재 위에 금속의 면적당 중량은 50 g/㎡ 미만, 또는 더욱 바람직하게는 15 g/㎡ 미만이다.
본 발명의 또 다른 양태들은 각 플라이가 적어도 하나의 다른 플라이에 인접해 있는 복수의 플라이, 및 적어도 하나의 플라이에 인접해 있는 적어도 한 면 위에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 적어도 하나의 부직 매트를 포함하고, 이 부직 매트 위에 존재하는 코팅의 면적당 중량이 50 g/㎡ 미만인 복합 물품을 제공한다. 코팅의 면적당 중량은 3 gsm 내지 20 gsm 사이이다. 복합 물품의 지지체 재료는 코팅된 부직 매트 위에 0.5μ 내지 2μ 사이의 두께인 금속 층을 보유하고, 시트재를 포함하는 재료는 탄소, 섬유유리, 세라믹 또는 유기 섬유(예컨대, 아라미드, 파라-아라미드, 나일론, 열가소재 또는 이의 배합물) 중 하나를 포함하는 섬유 재료이다. 복합 물품의 지지체 재료는 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 팔라듐, 주석, 금 또는 이의 배합물 중 하나인 금속 또는 금속 합금을 보유한다. 금속-코팅된 부직 매트는 물리적 증착, 원자 층 침착, 화학적 증착, 저압 화학적 증착 및 플라즈마-증강 화학적 증착으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 공정에 의해 코팅되고 금속은 시트재 위에 연속 층으로 코팅되며, 여기서 플라이는 시트, 테이프, 토우, 직물 또는 매트 형태의 섬유 보강재이며 수지로 예비함침된다.
본 발명의 추가 양태는 코팅된 시트재의 면적당 중량이 50 g/㎡ 미만이도록 적어도 한 면에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 시트재를 기구 위에 배치하는 단계, 코팅된 시트재에 인접한 플라이를 배치하는 단계 및 상기 코팅된 시트재와 적어도 하나의 플라이에 압력과 열을 가하여 적층체 패널을 형성시키는 단계를 포함하는 제조 방법을 수반한다. 코팅의 면적당 중량은 3 gsm 내지 20 gsm 사이이다. 이 제조 방법은 추가로 코팅된 시트재에 인접한 플라이 위에 복수의 인접 플라이들을 배치하는 단계를 수반할 수 있다. 이 방법은 또한 복수의 플라이에 복수의 코팅된 시트재를 개재시키는 단계를 수반할 수 있다.
이 제조 방법은 탄소, 섬유유리, 세라믹 또는 유기 섬유(예컨대, 아라미드, 파라-아라미드, 나일론, 열가소재 또는 이의 배합물) 중 하나를 포함하는 섬유 재료로 제조된 부직 매트인 시트재를 사용할 수 있다. 금속 또는 금속 합금은 부직 매트 위의 금속 층 두께가 0.5μ 내지 2μ 사이인, 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 팔라듐, 주석, 금 또는 이의 배합물 중 하나이다.
이 제조 방법은 금속-코팅된 부직 매트가 물리적 증착, 원자 층 침착, 화학적 증착, 저압 화학적 증착 및 플라즈마-증강된 화학적 증착으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 방법에 의해 코팅되는 것을 수반할 수 있고, 플라이는 시트, 테이프, 토우, 직물 또는 매트 형태의 섬유 보강재이며 수지로 예비함침된다.
전도성 측정
전기전도성(σ)은 샘플의 크기 또는 형태와는 별개인 재료의 고유 물성이다. 비저항(ρ)은 재료를 통한 전하의 움직임(전류 흐름)에 저항하거나 대항하는 재료의 물성으로, 전도성에 반비례한다. 비저항이 낮은 재료는 전도성이 높고, 비저항이 높은 재료는 전도성이 낮다. 본 발명의 양태들에 따르면, 직물 및 베일은 약 0.1μ 내지 25μ 사이, 더욱 특히 약 0.5μ 내지 2μ 사이의 금속 코팅을, 물리적 증착법 또는 유사 방법에 의해 적용함으로써 전도 특성이 부여될 수 있다.
실시예 1
최종 금속-코팅된 베일 및 직물의 전도성을 시험하기 위해, 다양한 베일 및 직물을 물리적 증착(PVD)으로 코팅했다. 금속은 하나 이상의 연속 층으로 코팅했다. 금속 코팅 두께가 약 0.5μ 내지 약 2μ 범위(한 면 코팅 또는 양면 코팅)인 탄소, 섬유유리 및 열가소재 베일(제직물 및 부직물)은 PVD 챔버를 사용하여 코팅했다. 또한, 금속 코팅 두께가 약 0.5μ 내지 약 2μ인 섬유유리 및 탄소 직물(제직물 및 부직물)도 동일한 진공 챔버를 사용하여 코팅했다.
다음 표 1은 본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 시트재들의 대표적인 결과를 나열하고 표준 재료와 비교한 것이다:
표 1
Figure pct00001
상기 표 1에 예시된 바와 같이, PVD법을 사용하여 금속으로 코팅한 시트재는 금속의 면적당 중량이 5 gsm 미만인 금속-코팅된 베일을 생산했다. 이와 마찬가지로, PVD법을 이용하여 금속으로 코팅한 시트재는 금속의 면적당 중량이 15 gsm 미만인 금속-코팅된 직물을 생산했다. 따라서, 본 발명의 양태에 따른 금속-코팅된 시트재는, 예컨대 최종 면적당 중량이 적어도 100 gsm 또는 그 이상(예, 베일과 금속의 혼합 중량)인 금속을 포함하는 종래 기술의 베일과 비교했을 때, 매우 낮은 중량의 베일, 예컨대 베일인 경우 약 5 gsm의 증가 및 직물인 경우 약 15 gsm의 증가를 나타냈다.
더욱이, 본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 시트는 종래 기술의 시트와 비교했을 때 표면 비저항의 유의적인 감소(및 이에 따른 전도성의 유의적인 증가)를 나타내는 것으로 실험적으로 밝혀졌다. 예를 들어, 금속 코팅되지 않은 종래의 탄소 베일(8 gsm)은 평균 표면 비저항이 5 ohm인 것으로 확인되었다. 이에 비해, 본 발명의 양태들에 따른 은 금속-코팅된 탄소 베일(약 2μ 내지 5μ 사이의 금속 두께)은 평균 표면 비저항이 11.2 밀리옴인 것으로 확인되었다. 이와 마찬가지로, 구리 금속-코팅된 탄소 베일(본 발명의 양태들에 따라 금속 두께가 약 2μ 내지 5μ 사이인 것)은 평균 표면 비저항이 75.2 밀리옴인 것으로 확인되었다. 본 발명의 양태들에 따라 제조된 샘플들의 데이터를 비교해보면, 종래 샘플에 비해 적어도 50배의 표면 비저항 감소를 나타냈다. 샘플들의 비저항 측정에는 저항계(Megger DLRO10X Digital Low Resistance Ohmmeter)를 사용했다.
본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 베일 및 직물은 복합 물품을 조립하는 다양한 이용분야, 예컨대 항공우주 산업에 사용될 수 있다. 한 양태에서, 금속-코팅된 베일은 프리프레그 플라이에 개재되어 전도성이 있는 적층체를 형성하거나, 복수의 적층된 플라이에 표면 층으로 적용될 수 있다. 최종 적층체는 Zone 1A 낙뢰(200,000 amps)를 견디는 것으로 실험적으로 관찰되었고, 개재된 양태인 경우, 증가된 인성뿐 아니라 벌크 전도성을 나타내는 것으로 실험적으로 관찰되었다.
본 발명의 양태들에 따라 금속-코팅된 베일 또는 베일들(한 면 또는 양면)을 포함하고 플라이들 사이에 개재된 대표적인 적층체는 다음 실시예에 따라 제조했다.
실시예 2
개재되고 금속 코팅된 베일이 적층체-전체의 벌크 비저항에 미치는 효과를 측정하기 위해 적층체를 제작했다. 또한, 이 적층체의 기계적 성질도 시험했다. 프리프레그의 플라이들(즉, 입자 강인화제가 0% 또는 10%인 프리프레그 탄소 직물)은 본 발명의 양태들에 따른 개재되고 금속-코팅된 베일과 함께 또는 베일 없이 공지된 방법으로 조립했다. 일방향성 적층체 및 준등방성 적층체 모두 시험했다.
다음 표 2는 본 발명의 양태들에 따른 하나 이상의 금속-코팅된 베일로 제조된 적층체들의 대표적인 비저항 측정 결과를 열거한 것으로, 표준 물질과 비교했다:
표 2
Figure pct00002
에폭시 수지가 주입된 탄소 직물과 같은 프리프레그는 혼입된 수지로 인해 일반적으로 비-전도성이고, 이에 따라 전류는 거의 통과하지 못한다. 이와 마찬가지로, 유기, 섬유유리 또는 합성 재료(적층체 패널의 제작 시에 개재에 사용되는 재료)로 제조된 베일은 일반적으로 비전도성이다. 따라서, 하나 이상의 통상적인 프리프레그 플라이와 하나 이상의 통상적인 베일로 제조된 통상적인 적층체는 일반적으로 벌크 전도성 또는 표면 전도성이 낮거나 전혀 나타내지 않을 것이다(금속 메쉬 또는 박막이 혼입되어 있지 않은 한).
본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 베일은 비전도성 플라이들 사이에 개재되기 때문에, 최종 적층체는 약간의 전도성을 나타내지만 벌크 전도성은 거의 또는 전혀 나타내지 않을 것으로 예상할 수 있다. 이는, 개재를 기반으로 한 플라이들 사이에 적당한 수의 전도성 경로가 없었던 것으로 여기는 것이 합당할 것이기 때문에 예측할 수 있을 것이다.
하지만, 표 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양태들에 따라 조립된 적층체의 전 두께 전도성(비저항, Ohn-cm로 측정)의 향상은 종래 적층체(개재 베일 부재)에 비해 10배 내지 1000배 사이이다. 또한, 전폭 및 전장 전도성도 향상되었다(표 2 참조). 이러한 결과들은 전 두께 전도성을 제공하기 위해서는 플라이들 사이에 적당한 수의 전도성 경로가 존재해야 하기 때문에 예상치 못했다.
본 발명의 양태들에 따라 제작된 적층체가 예상치 않게 높은 벌크 전도성 특성을 나타냈지만, 전체 경화된 플라이 두께(CPT)는 비-개재 적층체에 비해 크게 증가되지 않았다. 실험적으로 관찰된 바에 따르면, 본 발명의 양태들에 따라 제작된 적층체의 CPT는 비-개재 적층체에 비해 3.5% 미만으로 증가했다.
형태.
본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 시트재의 형태를 밝히기 위해 조사했다. 단면화되고 연마된 금속-코팅된 베일을 사진 촬영하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 사용했다.
도 1a는 대표적인 금속-코팅된 섬유유리 베일의 SEM 사진이다. 표면 코팅 방법이 PVD이기 때문에 금속 또는 금속 합금 코팅은 베일 표면의 특정 두께 층에 제한될 것으로 예상했다. 하지만, SEM 사진은 금속이 베일의 불규칙 대형의 섬유 "웹" 사이인 격자 공간으로(어느 정도로) 침투할 수 있어서, 코팅된 섬유와 코팅된 섬유의 코팅된 그룹을 산출하는 것으로 나타났다. 다양한 지점에서 서로 접촉해 있는 섬유(또는 섬유 그룹), 예컨대 인접 섬유 또는 교차 섬유에서, 금속 코팅은 인접 섬유들 주위에 또는 "단일" 섬유일지라도 교차 지점 둘레에 형성된다. 따라서, 베일에 존재하는 섬유의 불규칙 대형성의 결과로서, 금속 "웹"은 PVD 표면 코팅 공정으로 처리되었을 때 베일 전체에 형성된다. 이러함 금속 "웹"은 프리프레그 플라이들 사이에 개재되어 적층체 패널을 형성했을 때, 플라이들 사이에 연결 가교를 형성한다. 결과적으로, 본 발명의 양태들에 따라 조립된 적층체 패널은 예상치못한 높은 벌크 전도성의 특성을 나타냈다.
섬유가 코팅되고(예컨대, 무전해 도금에 의해) 그 다음 부직 매트 또는 직물로 제조되는 종래 기술의 전도성 부여 방법과 비교했을 때, 부직 매트 및 직물은 PVD 또는 등가의 공정에 의해 표면(한 면) 또는 표면(양면)에 코팅된다. 이것은 매트 또는 직물의 중량을 크게 증가시키지 않으면서 최종 적층체 패널에 충분한 낙뢰 보호성을 부여한다. 예를 들어, 종래 기술의 방법(예컨대, 무전해 도금)에 따라 조립된 부직 매트는 최종 면적당 중량이 약 100 gsm인데 반해, 본 발명의 양태들에 따라 조립된 부직 매트는 5gsm 이하 및 직물인 경우 약 15 gsm의 금속 중량을 갖는다.
기계적 성질
전도성 면에서 예상치못한 결과(전술한 것) 외에도, 본 발명의 양태들에 따라 조립된 적층체는 예상치않게도 개재 없이 조립된 적층체에 비해, 인장 강도 또는 압축 강도에 역영향을 미침이 없이 인성 및 피해 내성/허용성의 증가를 나타냈다. 다음 표는 향상된 기계적 성질을 강조한 것이다:
금속-코팅된 개재 층을 가진 0% 인성 플라이 금속-코팅된 개재 층을 가진 10% 인성 플라이
충격 후 압축(CAI/ksi) 무-개재층 적층체 보다 CAI의 40-50% 증가 인지 불가능한 변화
인성(G1C/J/㎡) 무-개재층 적층체보다 G1C의 100% 초과 증가 무-개재층 적층체보다 G1C의 ~40% 증가
인장 강도 인지 불가능한 변화 인지 불가능한 변화
인장 변형 인지 불가능한 변화 인지 불가능한 변화
압축 강도 인지 불가능한 변화 인지 불가능한 변화
충격 후 압축, 또는 CAI는 적층체의 피해 내성/허용성의 척도이다. 피해 내성은 낙하추(drop-weight) 충격 현상을 경험한 적층체의 완전성을 측정하는 반면, 피해 허용성은 심지어 준정적 새김으로 처리한 후에 적층체의 완전성을 측정한다. 일반적으로, CAI 값이 높을수록, 적층체는 더욱 피해 내성/허용성이다. 인성 또는 G1C는 균열 전파에 대한 적층체의 저항을 측정한 값이다. 인성은 소정 길이의 고의 유도된 균열을 함유하는 샘플을 적재하고, 파괴인성(K1C)을 계산하고, 그 다음, 이 파괴인성 값과 다른 상수들을 이용하여 인성을 계산하여 측정한다. 일반적으로, G1C 값이 높을수록, 적층체는 미세균열 내성이 커진다. 도 2는 본 발명의 양태들에 따라 조립된 적층체 및 종래의 적층체의 일방향성 (0)26 및 준등방성(45,0,-45,90)2s 표본 모두에 대한 길이, 폭 및 두께의 벌크 비저항을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 양태들에 따라 조립된 적층체는 종래의 적층체에 비해 어느 한 표본이든지 길이, 폭 및 두께 벌크 비저항에서 증가된 전도성 향상을 나타낸다.
표 3에 제시된 바와 같이, 적층체 패널의 피해 내성/허용성(CAI) 및 인성(G1C)의 기계적 성질은 무-개재 표본인 적층체 패널과 비교했을 때 본 발명의 양태에 따른 금속-코팅된 베일 개재물에 의해 크게 향상되었다. 더욱이, 변형된 적층체 패널은 동시에 인장 강도 성질 또는 압축 강도 성질에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않았다. 따라서, 본 발명의 양태들에 따라 금속-코팅된 베일로 조립되고 개재물이 있는 적층체 패널은 다작용기성 적층체 패널을 산출했다. 더욱 특히, 본 발명의 양태에 따른 적층체 패널은 벌크 전도성, 기계적 성질(예, 강도 및 인성) 및 Zone 1A 낙뢰 시험 통과 면에서 기능성이 향상된 다기능성 적층체 패널을 제공했다.
전술한 것 외에도, 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 촬영하여 다양한 응력, 변형 및 충격 시험을 구조물에 수행한 후 본 발명의 양태들에 따라 조립된 다기능성 적층체를 연구했다. 금속-코팅된 베일 개재물(이 경우, 섬유유리)은 층분리 및 균열 전파를 억제하기 위한 구불구불한 경로를 산출하는 섬유성 계면을 만들었다(도 1B 참조). 더욱이, 변형 에너지는 표본이 적재되었을 때 균일한 것으로 나타났다. 더욱이, 적층체에 부여된 균열은 동일한 플레이 내에 머무르는 것으로 발견되었다. 더욱이, 금속 코팅은 다양한 피해-유도 현상을 겪은 후에도 본래 상태를 유지하는 것으로 발견되었다(도 1C).
환경 충격 내성
실제 낙뢰로 인한 비행기의 치명적 추락으로 인해, 미국연방항공국(FAA)은 번개를 맞을 확률 및 맞은 정도를 기반으로 상업용 항공기의 다양한 구역을 분류하는 시스템을 시행했다. 문제 영역은 Zones 1A-1C, 2A-2B 및 3으로 분류하고, Zone 1A(200,000 amps)는 낙뢰 견딤에 대해 가장 중요한 영역이다.
본 발명의 양태들에 따라 제작된 적층체 패널은 200,000 amps 이하의 모의 낙뢰로 처리했다. 낙뢰 보호 정도(LSP)를 시험하기 위해, 시험 패널은 낙뢰면에 에폭시 프라이머와 우레탄 탑코트를 전형적인 항공기 두께로 도장했다. 본 발명의 양태들에 따라 하나의 금속-코팅된 베일(은 또는 구리)을 갖고 Zone 1A 시험으로 처리된 강인화된 탄소/에폭시 8-플라이 패널은 다음과 같은 결과를 나타냈다: (i) 피해는 약 1.5 내지 2.5 플라이에 제한되었다; (ii) 시험 패널의 이면은 영향을 받지 않았다; (iii) 층분리 영역은 약 7 in2 내지 8 in2인 것으로 측정되었다. 비교용으로, 금속-코팅된 베일 없이, Zone 1A 시험으로 처리된 강인화된 탄소/에폭시 8-플라이 패널은 다음과 같은 결과를 나타냈다: (i) 패널 이면에 구멍이 난, 총 8 플라이를 통한 피해; 및 (ii) 층분리 영역 - 약 36 in2. 따라서, 본 발명의 양태에 따른 적층체 패널은 종래 기술의 패널에 비해 낙뢰 보호(LSP)에 매우 효과적인 것으로 나타났다.
충분한 LSP가 분명한 것 외에도, 적층체 패널은 정전기 방전(ESD), 정전하 축적, 전자기 방해(EMI), 날개 엣지 글로우 포텐셜, 귀선 전류 네트워크(CRN) 및 고강도 관련 장(HIRF)과 같은 다른 잠재적 유해 전기 현상들로부터 보호할 것으로 예상된다.
도 3은 진공 백 공정을 위해 조립되는 과정에 있는 본 발명의 양태에 따른 복수의 플라이와 복수의 금속-코팅된 부직 베일의 레이업을 예시한 것이다. 도시된 바와 같이, 복수의 직물 플라이(304)가 개재된(즉, 인접한) 복수의 금속-코팅된 베일(302)로 구성된 레이업(300)은 베일(302), 그 다음 직물 플라이(304)를 적층하고, 그 다음 원하는 층 수가 달성될 때까지 반복하여 제조한다. 직물 플라이(304)는 일방향성, 제직성 또는 다축성(즉, 주름이 없는 직물)일 수 있고, 당업자에게 공지된 바와 같이 일방향, 준등방성 또는 직교이방성 배향으로 위치할 수 있다. 금속-코팅된 베일(302)은 전술한 양태들 중 어느 하나일 수 있다. 직물 플라이는 섬유유리, 탄소, 아라미드 섬유 또는 임의의 다른 적당한 섬유로 제조될 수 있다.
레이업(300)은 주위에 점착성 테이프(308)를 배치하고 그 위에 가스켓 펠트(310)(예, Armalon® 펠트) 및 보트 천(312)을 배치하여 기구(306)의 표면을 사전준비한 주형 또는 기구(306) 위에 배치할 수 있다. 섬유유리 스트링(314)은 실리콘 댐(316)의 경계를 정하기 위해 배치할 수 있다. 수지 필름(318), 예컨대 플루오르화된 에틸렌-프로필렌 공중합체(FEP)는 레이업(300) 위에 배치하고, 그 다음 압력판(320), 하나 이상의 섬유유리 층(322)이 배치되고 진공 백(324)으로 밀봉될 수 있다. 이 시스템은 하나 이상의 포트, 예컨대 진공 포트(326)와 통해 있다. 여기에 압력 및 열을 가해 다기능성 프리프레그 플라이를 경화시켜 벌크 전도성과 향상된 인성 및 강도가 있는 적층체 패널을 형성시킨다. 물론, 본 발명의 양태들에 따른 프리프레그를 제조하기 위해 다른 방법들, 예컨대 오토클레이브법, 매치 몰딩법, 튜브 롤링법 및 오븐 경화/진공압력법 등을 이에 국한됨이 없이 사용할 수 있다는 것도 알고 있을 것이다.
다른 양태에서, 본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 베일은 복수의 적층된 플라이(레이업)에 표면 층으로 적용되어 전도성이 있는 적층체를 형성할 수 있다. 도 4는 진공 백 공정에서 조립되는 과정 중인 본 발명의 양태에 따른 복수의 플라이와 금속-코팅된 부직 베일의 레이업을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 레이업(400)은 복수의 직물 플라이(404)에 인접한 제1 층으로서 위치한 금속-코팅된 베일(402)을 포함했다. 직물 플라이(404)는 일방향성, 제직성 또는 다축성(즉, 주름이 없는 직물)일 수 있고, 당업자에게 공지된 바와 같이 일방향, 준등방성 또는 직교이방성 배향으로 위치할 수 있다. 금속-코팅된 베일(402)은 전술한 양태들 중 어느 하나일 수 있다. 직물 플라이는 섬유유리, 탄소, 아라미드 섬유 또는 임의의 다른 적당한 섬유로 제조될 수 있다.
레이업(400)은 주위에 점착성 테이프(408)를 배치하고 그 위에 가스켓 펠트(410)(예, Armalon® 펠트) 및 보트 천(412)을 배치하여 기구(406)의 표면을 사전준비한 주형 또는 기구(406) 위에 배치할 수 있다. 섬유유리 스트링(414)은 실리콘 댐(416)의 경계를 정하기 위해 배치할 수 있다. 수지 필름(418), 예컨대 플루오르화된 에틸렌-프로필렌 공중합체(FEP)는 레이업(400) 위에 배치하고, 그 다음 압력판(420), 하나 이상의 섬유유리 층(422)이 배치되고 진공 백(424)으로 밀봉될 수 있다. 이 시스템은 하나 이상의 포트, 예컨대 진공 포트(426)와 통해 있다. 여기에 압력 및 열을 가해 최종 마무리된 다기능성 프리프레그 플라이를 경화시켜 벌크 전도성과 향상된 인성 및 강도가 있는 적층체 패널을 형성시킨다.
대안적 양태에서, 본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 직물은 베일의 사용 없이 전도성 프리프레그를 제작하는데 사용될 수 있다. 이 양태에 따르면, 금속-코팅된 직물 또는 플라이는 개재된 금속-코팅된 베일 및/또는 표면에 위치한 금속-코팅된 베일의 존재 없이 도 3 또는 4에 기술된 바와 같은 레이업으로 배치될 수 있다. 최종 프리프레그는 도 3 또는 4에 기술된 바에 따라 제작된 최종 프리프레그와 특성이 동일하거나 실질적으로 동일할 것으로 예상된다. 즉, 하나 이상의 금속-코팅된 직물 플라이로 제작된 최종 프리프레그는 개재성 금속-코팅된 베일의 필요 없이 향상된 인성 및 낙뢰 내성뿐 아니라 벌크 전도성을 나타낼 것으로 예상된다.
다른 양태에서, 본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 베일은 접착제와 조합되어 전도성 접착제를 형성할 수 있다. 이 양태에 따르면, 금속-코팅된 베일은 접착제에 대한 캐리어로서 작용한다. 캐리어는 취급 시의 완전성, 경화 동안의 유동 제어, 접착제 강도 증가 및 결합선 두께 조절을 제공할 수 있다. 이 양태에 따르면, 금속-코팅된 베일은 다른 이점 중에서도 최종 마무리된 접착제 필름의 캐리어가 나타내는 전도성에 기인할 수 있는 낙뢰 보호를 제공하기 위해 접착제에 대한 캐리어로서 작용할 수 있다. 접착제를 포함할 수 있는 재료로는, 비제한적으로 에폭시, 비스말레이미드, 페놀계 물질, 시아네이트 에스테르, 폴리이미드, 이의 배합물 및 임의의 다른 유사 재료를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 베일은 표면재 필름과 조합되어 전도성 표면재 필름을 형성할 수 있다. 이 양태에 따르면, 금속-코팅된 베일은 표면재 필름에 대한 캐리어로서 작용한다. 이 양태에 따르면, 금속-코팅된 베일은 다른 이점들보다도 최종 마무리된 표면재 필름의 캐리어가 나타내는 전도성에 기인할 수 있는 낙뢰 보호를 제공하기 위해 표면재 필름에 캐리어로서 작용할 수 있다. 표면재 필름을 포함할 수 있는 재료로는, 휘발성물질이 극히 낮은 재료를 포함하고, 젤, 유동, 드레이프, 순환 내구성 및 도장성과 관련된 유리한 성질을 포함하는 재료를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 베일 또는 직물은 수지로 함침되어 강인화된 전도성 베일 또는 직물을 형성할 수 있다. 이 수지는 에폭시, 폴리이미드, 유기 수지를 포함할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다. 용액-코팅 공정, 고온 용융 공정, 또는 임의의 다른 적당한 공정과 같은 가공처리 방법으로 금속-코팅된 베일을 함침시킬 수 있으며, 이 공정들은 당업자에게 공지되어 있다.
본 발명의 양태들에 따른 금속-코팅된 베일 또는 직물과 조합된 복합재로 제작된 구성 부품은 전도성이 있는 복합재를 필요로 하는 임의의 항공기 부품, 예컨대 상업용, 군용, 사업용 또는 지방 제트기, 회전날개비행기 및 제트 엔진 등의 제조에 사용될 수 있다. 그 예로는, FAA-규정된 낙뢰 영역(Zones 1A-1C, 2A-2B, 3)의 항공기 구조, 예컨대 날개, 연료주입구; 및 정전기 방전(ESD), 정전하 축적, 전자기 방해(EMI), 날개 엣지 글로우 포텐셜, 귀선 전류 네트워크(CRN) 및 고강도 관련 장(HIRF)과 같은 잠재적으로 유해한 전기 현상의 방지를 필요로 하는 항공기 구조를 포함할 것이다.
이상, 특정 예시적 양태를 기술하고 후속 도면에 도시했지만, 이러한 양태들은 단지 예시용이며, 광범한 발명을 제한하지 않으며, 본 발명은 다양한 다른 변형이 당업자에 의해 이루어질 수 있기 때문에 도시하고 설명한 특정 구조와 배열에만 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
300, 400 : 레이업
308, 408 : 점착성 테이프
306, 406 : 기구
314, 414 : 섬유유리 스트링
318, 418 : 수지 필름
322, 422 : 섬유유리 층
324, 424 : 진공 백
326, 426 : 진공 포트

Claims (23)

  1. 시트재; 및
    이 시트재의 적어도 한 면 위에 배치된, 0.1μ 내지 25μ 사이의 두께를 가진 금속 층 또는 금속 합금 층을 포함하고, 이 금속-코팅된 시트재가 필름, 수지 또는 플라이(ply) 중 하나와 조합되는 지지체 재료.
  2. 제1항에 있어서, 금속 층이 두께가 0.5μ 내지 2μ 사이인 지지체 재료.
  3. 제1항에 있어서, 금속-코팅된 시트재 위의 금속의 면적당 중량이 5 g/㎡ 미만인 지지체 재료.
  4. 제1항에 있어서, 금속-코팅된 시트재가 전도성이고 시트재의 표면 비저항보다 낮은 표면 비저항을 나타내는 지지체 재료.
  5. 제1항에 있어서, 시트재가 제직물 또는 부직 베일 중 하나인 지지체 재료.
  6. 제1항에 있어서, 시트재를 함유하는 재료가 탄소, 섬유유리, 세라믹 또는 유기 섬유, 예컨대 아라미드, 파라-아라미드, 나일론, 열가소성물질 또는 이의 배합물 중 하나를 포함하는 섬유 재료인 지지체 재료.
  7. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 합금이 알루미늄, 구리, 은, 니켈, 팔라듐, 주석, 금 또는 이의 배합물 중 하나인 지지체 재료.
  8. 제1항에 있어서, 금속-코팅된 시트재가 물리적 증착, 원자 층 침착, 화학적 증착, 저압 화학적 증착 및 플라즈마-증강 화학적 증착으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 방법에 의해 코팅되는 지지체 재료.
  9. 제8항에 있어서, 금속이 시트재 위에 연속 층으로 코팅되는 지지체 재료.
  10. 제1항에 있어서, 필름 또는 플라이가 시트, 테이프, 토우, 직물 또는 매트 형태의 섬유 보강재 중 하나이고 수지, 접착제 필름 또는 표면재 필름으로 예비함침된, 지지체 재료.
  11. 제10항에 있어서, 필름 또는 수지를 함유하는 재료가 에폭시, 비스말레이미드, 페놀계 물질, 시아네이트 에스테르 및 폴리이미드 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 재료인 지지체 재료.
  12. 제1항에 있어서, 시트재가 적어도 하나의 플라이와 조합되어 적층체 구조를 형성하는, 지지체 재료.
  13. 제1항에 있어서, 시트재가 복수의 플라이 사이에 개재되어 적층체 구조를 형성하는 지지체 재료.
  14. 각 플라이가 적어도 하나의 다른 플라이에 인접한 복수의 플라이; 및
    적어도 하나의 플라이에 인접한 적어도 한 면 위에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하고 이 코팅의 면적당 중량이 50 g/㎡ 미만인 하나 이상의 부직 매트를 포함하는 복합 물품.
  15. 제14항에 있어서, 적어도 한 면 위에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 하나 이상의 부직 매트가 복수의 플라이들 사이에 개재되어 벌크 전도성이 있는 적층체 패널을 형성하는, 복합 물품.
  16. 제15항에 있어서, 적층체 패널이, 적어도 한 면 위에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 적어도 한 부직 매트가 개재되지 않은 적층체 패널에 비해, 힘이 가해졌을 때 충격 후 압축 값의 증가를 특징으로 하는 복합 물품.
  17. 제15항에 있어서, 적층체 패널이, 적어도 한 면 위에 금속 또는 금속 합금의 코팅을 보유하는 적어도 한 부직 매트가 개재되지 않은 적층체 패널에 비해, 균일이 도입된 후 패널이 적재될 때 인성 값의 증가를 특징으로 하는 복합 물품.
  18. 제14항에 있어서, 하나 이상의 부직 매트가 최외각 플라이에 인접해 적층체 패널을 형성하고, 최고 200,000 amps의 전압이 적층체 패널과 접촉할 때 이 적층체 패널이 피해를 경감시킬 수 있는 복합 물품.
  19. 제1항에 있어서, 플라이가 일방향성 또는 준등방성인 복합 물품.
  20. 금속 또는 금속 합금의 코팅을 적어도 한 면에 보유하고, 이 코팅된 시트재의 면적당 중량이 50 g/㎡ 미만인 시트재를 기구 위에 배치하는 단계;
    코팅된 시트재에 인접하게 플라이를 배치하는 단계; 및
    코팅된 시트재 및 하나 이상의 플라이에 압력과 열을 가해 적층체 패널을 형성시키는 단계를 포함하는 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 추가로 코팅된 시트재에 인접한 플라이 위에 복수의 인접 플라이들을 배치하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  22. 제20항에 있어서, 추가로 복수의 코팅된 시트재를 복수의 플라이에 개재시키는 단계를 포함하는 제조 방법.
  23. 제20항에 있어서, 플라이가 일방향성 또는 준등방성인 제조 방법.
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