TW201926827A - 避雷結構 - Google Patents

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Abstract

本揭露提供之避雷結構，包括：絕緣底層；石墨層，位於絕緣底層上；絕緣外殼，位於石墨層上；以及導電部件，其中部份的導電部件位於絕緣外殼上，且另一部份的導電部件接觸石墨層。

Description

避雷結構
本揭露關於避雷結構，更特別關於其石墨層。
在飛航器飛航時，可能因雷擊或電荷累積而破壞精密儀器。為避免上述問題，習知技術採用導電金屬網引導電流至放電結構或接地。然而導電金屬網易氧化腐蝕而影響其導電性及使用壽命，需要額外的更換及材料成本。另一方面，為了承受電擊的高電流，需疊合多層金屬網。但疊合的金屬網不但會增加避雷結構的重量，還會難以塑形。
綜上所述，目前亟需新的避雷結構以克服先前金屬網為主的避雷結構所造成的問題。舉例來說，新的避雷結構需具導電性佳、散熱快、輕量、易塑型(如可撓性)等優點。
本揭露一實施例提供之避雷結構，包括：絕緣底層；石墨層，位於絕緣底層上；絕緣外殼，位於石墨層上；以及導電部件，其中部份的導電部件位於絕緣外殼上，且另一部份的導電部件接觸石墨層。
11‧‧‧絕緣外殼
13‧‧‧導電部件
13A‧‧‧第一部份
13B‧‧‧第二部份
15‧‧‧石墨層
16‧‧‧孔洞
17‧‧‧絕緣底層
19‧‧‧物件
21‧‧‧儲電裝置
23‧‧‧放電裝置
100‧‧‧避雷結構
第1圖係本揭露一實施例中，避雷結構的示意圖；以及 第2圖係第1圖之避雷結構的部份剖視圖。
本揭露一實施例提供之避雷結構100如第1與2圖所示，其中第2圖係第1圖之避雷結構100的部份剖視圖。避雷結構100包含絕緣底層17。在一實施例中，絕緣底層17的厚度介於約10μm至30cm之間。若絕緣底層17的厚度過薄，可能無法避免後述石墨層導電時，電流穿過絕緣底層17而損傷避雷結構100需保護的物件19。若絕緣底層17的厚度過厚，則會增加避雷結構100的尺寸及重量。上述絕緣底層17可為具有絕緣特性之聚合物材料(如環氧樹脂、環氧烯烴聚合物、或其他合適的聚合物材料)。在一些實施例中，可在聚合物材料中混有填充材料如玻璃纖維、氧化物顆粒、或類似之填充材料，以進一步改善絕緣底層17的機械性質。舉例來說，聚合物材料與填充材料之重量比可介於約100：10至100：50之間。若填充材料的比例過低，則無法改善絕緣底層17的機械性質。若填充材料的比例過高，則無法均勻混合於聚合物材料中，反而劣化絕緣底層17的機械性質。
上述避雷結構100包括石墨層15於絕緣底層17上。在一實施例中，石墨層15之厚度介於25微米至75微米之間。若石墨層15的厚度過薄，在塑型撓曲易因太薄而碎裂。若石墨層15的厚度過厚，則會增加避雷結構100的尺寸及重量。在一實施例中，石墨層15之熱傳導係數介於900W/m‧K至1500W/m‧K之間。若石墨層15之熱傳導係數過低，則高電流穿過石墨層15產生的高熱無法均勻分散，而局部高熱可能損傷避雷 結構100。在一實施例中，石墨層15的導電率介於4.5×102S/m至1.3×104S/m之間。若石墨層15的導電率過低，則可能有部份的電流會選擇流經絕緣底層17而損傷避雷結構100需保護的物件19。
在一實施例中，石墨層15可包含孔洞16，以增加石墨層15及避雷結構100的可撓性。舉例來說，孔洞16的總面積與石墨層15的面積(包含孔洞16與石墨部份)之間的比例，可大於0：100且小於或等於30：100。若孔洞16的總面積過大，則會使石墨層15的導熱性與導電率過低。若無孔洞16則無法進一步增加石墨層15的可撓性。在一實施例中，孔洞16的尺寸可介於0.5mm至3cm之間。若孔洞16的尺寸過小，則無法增加石墨層15的可撓性。若孔洞16的尺寸過大，則會使石墨層15的導熱性與導電率過低。值得注意的是，第1圖中孔洞16的形狀、數目、與分佈方式僅為舉例。孔洞16的形狀除了圓形外，亦可為三角形、方形、矩形、六角形、其他多邊形、或不規則的形狀。孔洞16的數目可比圖式中的數目更多或更少(比如一個)，且可隨機分佈而非規則排列。本技術領域中具有通常知識者，自可依設計需求與製程工具形成不同形狀、尺寸、數目、與排列的孔洞16於石墨層15中。
在一實施例中，上述石墨層15的表面上披覆有金屬層(未圖示)如銀、銅、鐵、鋁、其他導電金屬、或上述之合金，以幫助電流快速導入石墨層15。在一實施例中，披覆於石墨層15上的金屬層厚度約介於10奈米至1微米之間。若金屬層的厚度過薄，則與無金屬層的效果一樣。若金屬層的厚度過 厚，則可能堵塞孔洞16而降低石墨層15與避雷結構100的可撓性，且降低石墨層15的導熱效果(金屬的導熱效果低於石墨層)。
上述避雷結構100包括絕緣外殼11位於石墨層15上。在一實施例中，絕緣外殼11的材料係絕緣材料，比如前述之絕緣底層15的材料。舉例來說，絕緣底層15與絕緣外殼11可採用相同的絕緣材料。另一方面，絕緣底層15與絕緣外殼11可採用不同的絕緣材料。在一實施例中，絕緣外殼11的厚度介於10mm至100cm之間。若絕緣外殼11的厚度過薄，則無法有效保護石墨層15免於外在氣候的影響。若絕緣外殼11的厚度過厚，則會增加避雷結構100的尺寸與重量。
避雷結構100包括導電部件13。導電部件13的第一部份13A位於絕緣外殼11上，而導電部件13的第二部份13B接觸石墨層15。舉例來說，可將金屬片置於絕緣外殼11的邊緣上，並將超出絕緣外殼11的邊緣之金屬片向下折以接觸石墨層15。在另一實施例中，可在絕緣外殼11上形成穿孔(未圖示)，並將導電部件13置入穿孔中。上述導電部件13的一部份位於絕緣外殼上，而另一部份接觸石墨層15。如此一來，當雷擊避雷結構100時，電流可經由絕緣外殼11上的導電部件13流至石墨層15。在一實施例中，導電部件13為金屬，比如銀、銅、鐵、鋁、其他導電金屬、或上述之合金。
在一實施例中，避雷結構100可包括黏結劑(未圖示)於絕緣底層17與石墨層15之間，以及位於絕緣外殼11與石墨層15之間。當石墨層15具有孔洞16時，孔洞16可部份或完全填有黏結劑。在另一實施例中，可將石墨層15置於絕緣底層17上， 再以絕緣外殼11封裝上述兩者以形成避雷結構100，並可視情況省略黏結劑。
在另一實施例中，上述避雷結構100可位於物件19的表面上，以保護物件19不受電荷累積或雷擊的損傷。值得注意的是，雖然第1與2圖中的物件19具有平坦的表面，但實際應用時，物件19的表面可為弧狀、凹凸狀、或其他不規則的形狀。然而本揭露的避雷結構100具有可撓性，因此可順應性地貼附於物件19的表面上。舉例來說，物件19可為飛航器如無人機或一般飛機、建築、風力發電機、或其他易累積電荷(比如來自葉片與空氣摩擦)或易受雷擊(如建物頂端，或飛機的鼻頭或機翼等等)的物件。上述石墨層15可連接至儲電裝置21(如電容器)、放電裝置23(比如接地或機翼的放電裝置)、或上述兩者。上述儲電裝置23可具有斷路設計，當充飽電後與石墨層15之間的電路將斷路，以避免過充電。另一方面，儲電裝置23可連接至物件19中的電池或電子裝置，以達供電或充電的效果。上述放電裝置23可將石墨層15中的電接地或者放電至大氣中，以避免電荷累積於石墨層15中，造成避雷結構損傷或失效。
為了讓本揭露之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：
實施例
製備例1(製備石墨層)
將153.60克的偏苯三甲酸酐(trimellitic anhydride,TMA)、24~25克的均苯四甲酸酐(pyromellitic dianhydride,PMDA)、65 克的3,3',4,4'-聯苯四羧酸二酐(3,3',4,4'-biphenyl tetracarboxylic dianhydride,BPDA)以及300.00克的二苯基甲烷二異氰酸酯(methylene diphenylene diisocyanate,MDI)溶入1637.00克的NMP溶劑中均勻攪拌。將溫度升至80℃，反應1小時，再將溫度升至100~120℃，反應2小時，再將溫度升至150~200℃，反應2小時。反應完成後降至室溫，將此液體(固含量為25.00wt%)塗佈於玻璃上，並以熱風烘箱進行乾燥，於80℃下，乾燥1小時，150℃下，乾燥1小時，200℃下，乾燥1小時，240℃下，乾燥12小時。待乾燥程序結束後降回室溫，再將其泡入水中進行脫膜。脫膜後，再進入熱風烘箱乾燥，於120℃下，乾燥3小時。之後，進行碳化製程。碳化製程：以混合保護氣氛予以保護(5~20%氫氣與80~95%氮氣，或是5~20%氫氣與80~95%氬氣及氦氣)，處理溫度為25~1,300℃，升溫速率<10℃/min，升溫至1,300℃，碳化時間15小時以上，施加壓力10~15Kgf/cm2。之後，進行石墨化製程。石墨化製程：以保護氣氛氦氣或氬氣(純度6N以上)予以保護，處理溫度為1,800~2,800℃，升溫速率<10℃/min，升溫至2,800℃，石墨化時間8小時以上，施加壓力15~25Kgf/cm2。至此，即可獲得石墨層。上述石墨層之性質如第1表所示，其中石墨層其熱傳導係數的量測方法為Angstrom Method，其提供試片正弦加熱波形，觀察固定時間內，試片平面方向的溫度波速度與振幅，量測材料平面方向的熱擴散係數。熱阻的量測方法採用ASTM 5470，且熱膨脹係數依據ASTM E831-06量測。
比較例1
取市售銅片，其尺寸與性質如第1表所示。銅片性質的量測方法與製備例1相同。
由第1表之比較可知，石墨層的密度較低，熱傳導係數較高、熱阻較低、且熱膨脹係數較低，更適用於避電結構。
實施例1
以環氧樹脂黏結劑黏合上述石墨層之下表面與聚合物層，且聚合物層作為絕緣底層。混合碳纖維與不導電材料以形成絕緣層。接著黏合石墨層之上表面與絕緣層，且絕緣層作為絕緣外殼。將銅片置於絕緣外殼邊緣的表面上，並將超出絕緣外殼邊緣的銅片向下折以接觸石墨層。上述折疊的銅片作為導電部件。以銅線將石墨層接地，即完成避雷結構。將避雷結構置於三用電錶上，利用三用電錶量測絕緣層是否有電流通過。接著施加1500V的高壓電至導電部件2秒以模擬瞬間雷擊。經雷擊測試後三用電錶仍可正常運作，且施加電壓時三用電錶讀值為零，證明上述避雷結構在遭受雷擊時，可有效保護其下方的物件不受雷擊影響。
實施例2
與實施例1類似，差別在進一步以穿孔機在製備例1之石墨層上打洞，形成多個直徑約1微米的孔洞於石墨層中。上述具 有孔洞石墨層的避雷結構可彎曲，具有較高的可撓性。將避雷結構置於三用電錶上，接著施加1500V的高壓電至導電部件2秒以模擬瞬間雷擊。經雷擊測試後三用電錶仍可正常運作，證明上述避雷結構(其石墨層具有孔洞)在遭受雷擊時，可有效保護其下方的物件不受雷擊影響。
雖然本揭露已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種避雷結構，包括：一絕緣底層；一石墨層，位於該絕緣底層上；一絕緣外殼，位於該石墨層上；以及一導電部件，其中部份的該導電部件位於該絕緣外殼上，且另一部份的該導電部件接觸該石墨層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，其中該石墨層之熱傳導係數介於900W/m‧K至1500W/m‧K之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，其中該石墨層之導電率介於4.5×102S/m至1.3×104S/m之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，其中該石墨層之厚度介於25微米至75微米之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，其中該石墨層包含一孔洞。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之避雷結構，其中該孔洞的面積與該石墨層的面積之間的比例大於0：100且小於或等於30：100。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，更包括一金屬層披覆該石墨層的表面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，更包括一黏結劑位於該絕緣底層與該石墨層之間，以及位於該絕緣外殼與該石墨層之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，係順應性地貼 附於一物件的表面上，且該物件包括飛航器、建築、或風力發電機。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之避雷結構，其中該石墨層連接至一儲電裝置或一放電裝置。
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