TWI546326B - 製造具有導電表面之複合結構的方法 - Google Patents

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Description

製造具有導電表面之複合結構的方法
相關申請案之交叉引用
本申請案主張2010年12月31日申請之美國臨時申請案第61/428,858號之優先權益，該臨時申請案以全文引用的方式併入本文中。
用於製造航太工業中之組件部件之材料必須具有某些保護部件免受由常見環境事件、尤其電磁能(EME)事件引起之損壞或危險的特徵。若在整個飛行器上組件部件未充分導電且接地，則雷擊(LS)(常見環境事件之一實例)可嚴重地損壞及/或衝穿該等部件。若在飛行時雷擊飛行器之機翼組件，則除引起組件自身嚴重實體損壞之外，該事件可能引起危險的衝擊電流。衝擊電流尤其受到關注，因為其可能最終與燃料儲器接觸，引起爆炸發生。由於雷擊引起真實致命墜機，所以聯邦航空管理局(FAA)實施一種基於受雷擊之可能性及嚴重程度將商用飛行器之各個區域分類的系統。因此，關鍵在於製造除其他特徵以外還具有防止或減輕由雷擊引起之損壞之特徵的該等組件部件。
電磁干擾(EMI)為航太工業中複合部件之另一有關電之問題。EMI波由電場及磁場組成，其可誘發電瞬變，從而誘發電線及燃料系統之探針中之過量能量位準。一種防止及/或減少此等事件發生之方法為添加屏蔽材料以吸收或反射衝擊輻射。在未適當屏蔽此等事件之情況下，該等波可干擾飛行器之電子及航空電子設備操作或甚至導致燃料槽點燃。已顯示吸收損耗與屏蔽材料之厚度、電導率及磁導率成比例。習知屏蔽方法包括由鑄造及薄片金屬及具有導電填料或塗層之塑膠製造之外殼。
靜電放電(ESD)為航太工業中複合部件之另一問題。ESD為在由直接接觸所引起或由靜電場所誘發之不同電位下在兩個物件之間流動的突然及瞬時電流。非導電材料、漆料、塑膠具有絕緣性質，因此靜電荷積聚。必須控制所產生之電荷以保護飛行器電子設備及燃料槽。習知ESD方法包括添加使材料具有靜電消除特徵之纖維(例如碳纖維)，或在飛行器組件尖端添加芯及/或桿。
材料因摩擦而具有靜電荷。飛機僅僅因穿過空氣即會帶電。穿過降水(雲或雨)飛行會增加電荷積聚，因為存在更多材料接觸。靜電荷通常在海平面上之空氣(其輕微導電)中放電，且亦在具有較高濕度之空氣中放電。然而，具有低於20百分比之濕度及/或在較高海拔下之空氣為不良導體。後者允許靜電荷在飛行器表面、尤其複合飛行器之表面上積聚，在此電荷不易移動。電荷在結構上之積聚會產生隨電荷量增加之電位。在金屬結構上，此電壓電位處處相同，因為金屬均勻地導電。然而，在複合結構上，電壓將變化。此電壓電位轉而產生電場，其在急劇彎曲區域(諸如機翼尖端、螺旋槳尖端、後邊緣、噴射發動機葉片之尖端及邊緣等)最強。積聚之電荷將移動-相似電荷排斥且相反電荷吸引。最終，空氣與結構之間的電荷差異變得如此巨大，以致需要放掉電壓電位，導致大量「傾卸」過量電荷至大氣中。靜電荷積聚可在雲內或在帶電大氣環境下觸發雷電。
為使飛行器達成設計距離且亦為克服其自身重量之引力以在不使用過量燃料的情況下飛行，除具有抗EME事件之特徵外，該等組件部件必須以某些重量需求為目標來製造。因此，在該等部件之製造製程中必須極仔細地評估在維持此等組件部件之可實行重量的同時對常見環境事件之損壞耐性及抗性的問題。然而，對環境事件之損壞耐性及抗性並非所考慮之唯一因素。
在降低與製備漆料之複合表面有關之成本的目標下，用表面膜來填充及覆蓋表面缺陷，諸如針孔、表面裂痕、核心劃痕及其他缺陷。然而，基於環氧樹脂之表面膜因其絕緣性質而展現出對EME事件之不良抗性。環氧樹脂所展現之相對高之電阻率抑制雷擊能量充分散逸，從而導致外層擊穿及底層複合結構分層。此外，在複合物表面上所產生之電荷可長時期保留，提高在低相對濕度環境中可損壞電子系統之ESD風險及在燃料槽之蒸氣空間中發電花之風險。另外，基於環氧樹脂之表面膜之不良電導率可抑制電荷載流子之移動性，其可消弱複合結構提供EMI屏蔽之能力。
在複合結構之製造製程中用各種方法來解決先前概述之問題。舉例而言，一種賦予航太工業中組件部件雷擊保護之習知方法為使用膨脹鋁、銅、鈦或青銅網絲、網或箔或交織金屬絲織物(IWWF)併入複合部件中。儘管該等網絲一般有效地進行雷擊保護，但許多此等膨脹網絲/網難以生產及修理。
另外，嵌有金屬網(例如具有玻璃纖維絕緣層之銅或鋁)之表面膜系統顯著增加飛行器之總重量。此外，此等表面膜系統整合至複合材料中可顯著增加製造複合部件之材料及人工成本。另外，可能難以以在許多表面膜問達成實質上均一之電導率的方式互連此等表面膜，從而引起電導率不連續，此可導致在LS或ESD期間損壞之可能性增加及/或EMI屏蔽消弱。詳言之，金屬網進一步腐蝕，與基質熱膨脹錯配，導致微裂紋，且與基質之黏合消弱，每一者均可進一步減弱由表面膜所提供之LS/ESD/EMI保護。
本發明提供一種藉由將自體表面修整(self-surfacing)之導電預浸物層壓至一或預浸物層或帶以形成疊層來製造具有導電表面之複合結構的方法。自體表面修整之導電預浸物包含在預浸物層或帶之至少一個表面上形成的電導率小於20毫歐之導電表面膜。自體表面修整之導電預浸物適用於自動纖維鋪放(AFP)製程。
本發明進一步提供一種由上述方法製造之複合結構及一種藉由塗覆漆料至複合結構所形成之塗漆複合結構。
根據本發明，可向所得複合結構提供諸如LS/ESD/EMI保護、顯著重量減輕及優良表面品質的益處。
以下實施方式為進行本發明之最佳當前預期模式。描述不應視為具限制意義，而僅僅出於說明本發明之一般原理之目的進行。
本發明之實施例係關於適用於自動層壓機(諸如自動纖維鋪放(AFP)機)之自體表面修整之導電預浸物。預浸物為用於製造複合結構的用樹脂基質預浸漬/浸泡之纖維強化物。根據本發明之實施例，組合導電表面膜與樹脂浸漬之纖維強化物以形成自體表面修整之導電預浸物。在一個實施例中，層壓導電表面膜至預浸物。在另一實施例中，導電表面膜塗佈至預浸物上。自體表面修整之導電預浸物可用作複合結構之最外表面層。根據本發明實施例之自體表面修整之導電預浸物向所得複合結構同時提供尤其LS/ESD/EMI保護、顯著重量減輕及優良表面品質。
在本申請案之情況下，「表面膜」為塗覆於複合物以填充表面缺陷(諸如針孔、表面裂痕、核心劃痕及其他缺陷)，從而降低移除彼等缺陷所需之勞動密集製造成本的富含樹脂層。樹脂可包括添加劑、填充劑、UV穩定劑、固化劑及/或催化劑。根據本發明之實施例，至少一種添加劑為呈微粒形式(諸如粒子或薄片)分散於整個表面膜之樹脂中之導電成分。
在本申請案之情況下，「預浸物」為樹脂浸漬之纖維強化物，其可呈織物或帶形式。在一種方法中，預浸物藉由在塗有樹脂基質之載體紙之間夾入纖維絲束(小直徑纖維束)來製造。當使用加熱滾筒將載體紙壓在纖維絲束上時，樹脂熔融且浸漬纖維，因此形成預浸物。樹脂基質可包括(但不限於)諸如標準或增韌環氧樹脂、雙順丁烯二醯亞胺(BMI)、氰酸酯、酚醛樹脂、反應及縮合聚醯亞胺及其組合之材料。纖維或「強化物」可包含(但不限於)諸如克維拉(Kevlar)、玻璃纖維、石英、碳、石墨及特種纖維之材料。根據本發明之實施例，預浸物可具有由碳組成之呈帶或織物形式的纖維。術語「預浸物絲束」或「狹縫帶」係指具有狹窄寬度(例如1/16吋至1吋)之細長預浸物條帶，其用於能夠將預浸物絲束或狹縫帶直接分配及壓實在模製表面(諸如心軸表面)上以形成複合部件的自動纖維鋪放(AFP)系統。
在本申請案之情況下，「樹脂」為包含熱固性及/或熱塑性材料之一或多種化合物。實例可包括(但不限於)環氧樹脂、環氧固化劑、酚醛樹脂、酚、氰酸酯、聚醯亞胺(例如雙順丁烯二醯亞胺(BMI)及聚醚醯亞胺)、聚酯、苯并噁嗪、聚苯并噁嗪、聚苯并噁酮、聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、聚醯胺、聚醯胺醯亞胺、聚碸、聚醚碸、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸伸乙酯、氰酸酯、氰酸酯及聚醚酮(例如聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)及其類似物)、其組合及其前驅體。
環氧樹脂可進一步包括每分子具有至少約兩個環氧基之聚環氧化物。聚環氧化物可為飽和、不飽和、環狀或非環狀、脂族、脂環、芳族或雜環聚環氧化物。適合聚環氧化物之實例包括聚縮水甘油醚，其藉由表氯醇或表溴醇與多酚在鹼存在下反應來製備。因此適合多酚為例如間苯二酚、鄰苯二酚、氫醌、雙酚A(雙(4-羥基苯基)-2,2-丙烷)、雙酚F(雙(4-羥基苯基)甲烷)、雙(4-羥基苯基)-1,1-異丁烷、4,4'-二羥基二苯甲酮、雙(4-羥基苯基)-1,1-乙烷及1,5-羥基萘。作為聚縮水甘油醚之基礎之其他適合多酚為已知之酚與甲醛或乙醛的酚醛清漆樹脂型縮合產物。
其他聚環氧化物可包括多元醇或二胺之聚縮水甘油醚。該等聚縮水甘油醚衍生自多元醇，諸如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1,2-丙二醇、1,4-丁二醇、三乙二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇或三羥甲基丙烷。
其他聚環氧化物可包括聚羧酸之聚縮水甘油酯，例如縮水甘油或表氯醇與脂族或芳族聚羧酸(諸如乙二酸、丁二酸、戊二酸、對苯二甲酸或二聚脂肪酸)之反應產物。其他環氧化物可包括自烯系不飽和環脂族化合物之環氧化產物或自天然油及脂肪衍生者。其他環氧化物可包括衍生自雙酚A或雙酚F與表氯醇之反應的液體環氧樹脂。在室溫下為液體之環氧樹脂通常具有150至約480之環氧當量。
或者亦可使用在室溫下為固體之環氧樹脂且同樣可自多酚與表氯醇得到，例如基於雙酚A或雙酚F之具有45℃至130℃、較佳50℃至80℃之熔點的環氧樹脂。此等固體環氧樹脂與液體環氧樹脂實質上之不同之處在於其較高分子量，因此其在室溫下為固體。固體環氧樹脂通常具有大於或等於400之環氧當量。
在本申請案之情況下，「固化(cure)」及「固化(curing)」意謂聚合及/或交聯過程。固化可藉由包括(但不限於)加熱、曝露於紫外光及/或曝露於輻射之製程進行。在某些實施例中，固化可在基質內發生。在固化之前，基質可進一步包含一或多種在約室溫下為液體、半固體、結晶固體及其組合之化合物。在其他實施例中，預浸物內之基質可部分固化以展現所選擇之黏性或附著性。在某些實施例中，凝固及固化可以單製程進行。
在本申請案之情況下，「凝固」意謂樹脂或基質材料流動以代替鄰近纖維內之空隙的過程。舉例而言，「凝固」可包括(但不限於)基質流至纖維與預浸物之間及纖維與預浸物內之空隙中及其類似過程。凝固可進一步在加熱、真空及施加壓力中之一或多者作用下進行。在某些實施例中，凝固及固化可以單製程進行。
代表性自體表面修整之導電預浸物包括具有小於100 gsm之低織物單位面積重量(FAW)或標準FAW(100至200 gsm)的單向浸漬碳帶或織物與高度導電環氧樹脂組合物層在其至少一個表面上組合。根據本發明之實施例，高度導電環氧樹脂組合物層可呈塗層或膜形式。自體表面修整之導電預浸物之導電性質可由任何具有導電特性之材料(或成分)提供，包括(但不限於)金屬、金屬合金、金屬塗佈之粒子、表面官能化金屬、本質導電聚合物及/或實質上均一分散在塗層或膜各處或塗層或膜上的導電碳奈米纖維、管及/或束。
適用作導電成分之奈米纖維之實例包括(但不限於)裸碳奈米纖維(例如CNF、金屬塗佈之CNF、CF、石墨、GO、碳黑及NanoBlack II(可自Columbian Chemical,Inc.獲得))；碳奈米管(例如SWCNT、DWCNT或MWCNT)；及奈米束(例如基於鎳之極長次微米直徑鎳或鐵長絲，具有100:1至1000:1之典型縱橫比)。適用作導電成分之本質導電聚合物之實例包括(但不限於)聚噻吩、聚苯胺及聚吡咯。
金屬及其合金由於電導率相對較高而可用作較佳導電成分。金屬及合金之實例可包括(但不限於)銀、金、鎳、銅、鋁及其合金及混合物。在某些實施例中，導電金屬添加劑之形態可包括薄片、粉末、纖維、絲、微球體及奈米球體中之一或多者，單獨或組合。在一特定實施例中，金屬可為以組合物之總重量計濃度在5至70重量百分比、較佳46至63重量百分比之範圍內之銀片。然而，如一般技術者所知，導電成分之量可視應用而顯著改變。
高度導電環氧樹脂組合物可包括其他成分，包括(但不限於)熱塑性或熱固性聚合物、添加劑、填充劑、穩定劑、固化劑及/或催化劑。除向膜提供膜剛性及表面硬度之外，熱固性聚合物還充當基質成膜組合物。熱固性樹脂之實例可包括(但不限於)諸如先前所列出之樹脂。在一些實施例中，熱固性樹脂可包括環氧樹脂、雙順丁烯二醯亞胺(BMI)、氰酸酯、酚醛樹脂、苯并噁嗪及聚醯胺中之一或多者。在其他實施例中，熱固性樹脂可包括雙酚A之二縮水甘油醚、四溴雙酚A之二縮水甘油醚及四縮水甘油醚亞甲基二苯胺、4-縮水甘油基氧基-N,N'-二縮水甘油基苯胺及其組合。熱固性樹脂可進一步包括增鏈劑及增韌劑。在一個實施例中，熱固性樹脂可以用組合物之總重量計在約5至95重量百分比之範圍內之濃度存在。在其他實施例中，熱固性樹脂可以在約20至80重量百分比之範圍內之濃度存在。
亦可包括用於調節組合物之附著性及懸垂性之其他熱固性樹脂。該等樹脂之實施例可包括(但不限於)多官能環氧樹脂。雙官能及多官能環氧樹脂之實例可包括(但不限於)市售樹脂，諸如以商標MY 0510、MY 9655、MY 9663、Tactix 721、Epalloy 5000、MX 120、MX 156、DEN 439、DEN 438及DER 661銷售者。其他環氧樹脂可以用組合物之總重量計在約0至70重量百分比之範圍內之量存在。
在一些實施例中，非導電填充劑添加至組合物中。填充劑提供表面平滑性及表面耐磨性。非導電填充劑之實例可包括經研磨或沈澱白堊、石英粉、氧化鋁、白雲石、碳纖維、玻璃纖維、聚合纖維、二氧化鈦、熔融二氧化矽、碳黑、氧化鈣、碳酸鈣鎂、重晶石及尤其矽酸鋁鎂鈣型類矽酸鹽填充劑。特定實例包括陶瓷微球體(例如3M Corp.之ZEEOSPHERES 200TM)、玻璃球(例如3M Corp.之iM30K、A16、H2O；Emersion & Cummings之SID-230Z-S2)及煙霧狀二氧化矽。填充劑可為固體且以薄片、粉末、纖維、微球體或玻璃球之形式提供，且可根據需要為實體或空心結構。在一個實施例中，填充劑可包括ZEEOSPHERES 200TM，二氧化矽-氧化鋁陶瓷組合物之中空厚壁球體。在某些實施例中，最大填充劑可在約12 μm至150 μm之範圍內。填充劑可進一步以用組合物之總重量計在約0至40重量百分比之範圍內之量存在。在其他實施例中，填充劑可以用組合物之總重量計在約5至35重量百分比之範圍內之濃度存在。
增鏈劑亦可添加至組合物中以增加組合物之分子量。增鏈劑之濃度可在以組合物之總重量計約1至30重量百分比之範圍內。如美國專利第4,983,672號中所述，增鏈劑之實例可包括雙酚A、四溴雙酚A(TBBA)、雙酚Z、四甲基雙酚A(TMBP-A)及其他雙酚氟。
顏料可添加至組合物中，用於調節表面膜之顏色及外觀。在一個實施例中，顏料可包括二氧化鈦、碳黑、黑色顏料及其他顏色染料。顏料可以薄片、粉末、纖維、有色濃縮液體形式提供。所有顏料之總量可在以組合物之總重量計約0至20重量百分比之範圍內。
流動控制劑亦可添加至組合物中。流動控制劑可用以改變組合物之流變性質。流動控制劑之實施例可包括(但不限於)煙霧狀二氧化矽、微球體及金屬粉末。流動控制劑可以薄片、粉末、纖維、球體或小球形式提供。流動控制劑之最大尺寸可在約0.5 μm至10 μm之範圍內。流動控制劑可以用組合物之總重量計在約0至40重量百分比、更佳約0.1至10重量百分比之範圍內之量存在。
在一些實施例中，UV穩定劑添加至組合物中。UV穩定劑提供併入該等成分之所得複合結構對聚合物降解之抗性。UV穩定劑之實例可包括UV吸收劑、抗氧化劑、顏料、阻斷劑及填充劑。特定實例包括(但不限於)丁基化羥基甲苯(BHT)、2-羥基-4-甲氧基-二苯甲酮(UV-9)、2,4-雙(2,4-二甲基苯基)-6-(2-羥基-4-辛氧基苯基)-1,3,5-三嗪(CyasorbTM UV-1164光吸收劑)、3,5-二第三丁基-4-羥基苯甲酸、正十六烷基酯(CyasorbTM UV-2908光穩定劑)、二氧化鈦及碳黑。UV穩定劑可以固體或液體形式提供。在一實施例中，UV穩定劑可各以用組合物之總重量計在約0.1至5重量百分比之範圍內之量存在。在其他實施例中，UV穩定劑可各以用組合物之總重量計在約0.5至3重量百分比之範圍內之量存在。
在一些實施例中，固化劑及/或催化劑添加至組合物中。固化劑及催化劑之實例可包括(但不限於)脂族及芳族一級胺、脂族及芳族三級胺、三氟化硼錯合物、胍及雙氰胺。固化劑及催化劑之其他實例可見於美國專利第4,980,234號及美國專利申請公開案第2008/0188609號中。胺類固化劑及催化劑之其他實例可包括(但不限於)雙氰胺、雙脲(例如2,4-甲苯雙(二甲基脲)(亦即可自CVC Thermoset Specialties獲得之OmicureTM U-24或CA 150)、4,4'-亞甲基雙-(苯基二甲基脲)(亦即可自CVC Thermoset Specialties獲得之OmicureTM U-52或CA 152)及4,4'-二胺基二苯基碸(4,4-DDS))及BF3。一或多種固化劑可以用組合物之總重量計在約0.1至40重量百分比、較佳約0.5至10重量百分比之範圍內之量存在。
根據本發明實施例之包含導電表面膜之組合物通常藉由稱量所需量之成分，包括各種環氧樹脂(有或無溶劑)、導電成分、填充劑、顏料、UV穩定劑、流動控制劑及其他成分，至經裝備用於加熱及冷卻之混合容器中來製備。隨後在不加熱下使用高速剪切混合器攪拌混合物，直至完全均勻。
混合期間溫度應維持低於130℉以減少溶劑蒸發。溫度可在剪切導電成分、填充劑、顏料及流動控制劑期間升高，且溶劑之損失可藉由添加更多溶劑來補償。在填充劑、顏料及流動控制劑分散之後，表面膜組合物冷卻至低於130℉，且在無剪切下添加潛在的基於胺之環氧樹脂固化劑及胺催化劑且使其分散。在此分散期間溫度保持低於130℉以防止因過早地引發催化劑分解及與環氧樹脂反應而推進樹脂。
在潛在的基於胺之環氧樹脂固化劑及胺催化劑分散之後，在真空下乾燥已完成的表面膜組合物，以根據需要移除溶劑，從而調節固體含量用於膜塗佈。隨後所需表面膜組合物以膜形式塗佈在聚矽氧襯底或其他適合剝離型紙上且乾燥至低於約1%溶劑含量。
根據本發明之實施例，纖維強化物(諸如樹脂浸漬之碳織物或帶)可提供基板，其中可塗覆高度導電環氧樹脂組合物層。在一些實施例中，纖維強化物中之碳纖維可為雙向或單向，較佳單向。在一些實施例中，碳織物可具有平紋、斜紋、經緞或皺紋緞組織，較佳平紋組織。在一些實施例中，碳織物或帶應具有約25公克/平方公尺(gsm)與約250 gsm之間的FAW。在一些實施例中，碳織物或帶應包含在約1000個與約6000個之間的長絲，在一個實施例中約3000個長絲。可使用之碳織物或帶之代表性實例包括(但不限於)CycomTM 997/M40J UD帶、Cyco TM 970/IM4 UD帶、CycomTM 5276-1、CycomTM 934、CycomTM 977-2或977-3、CycomTM 970、CycomTM 5320/5320-1、Toray 3900-2、CycomTM 5317、Hexply M21、Hexply 8552預浸物、CycomTM 5250-4、BMS 8-276預浸物、BMS 8-256預浸物。碳織物或帶可浸漬有許多環氧樹脂組合，諸如MY510、DER 331、MY 721及MY 600。
根據本發明之實施例，自體表面修整之導電預浸物可藉由使高度導電環氧樹脂組合物層(例如導電表面膜)在碳織物或帶之至少一個表面上凝固來製造。高度導電環氧樹脂組合物層可為每平方呎碳織物或帶約0.020磅(0.020 psf)至0.060 psf(較佳重量在0.025 psf與0.045 psf之間)；然而，如一般技術者所知，層重量或厚度可視塗覆而顯著變化。在一些實施例中，碳織物或帶可在高壓釜中在約14磅/平方吋(psi)與85 psi之間的壓力下在110℉與140℉之間的溫度下夾在兩個高度導電環氧樹脂組合物層之間約0.2小時至1小時。所得自體表面修整之導電預浸物組合可用於製造複合結構。
根據一些本發明之實施例，自體表面修整之導電預浸物可藉由手工堆放或自動層壓製程以表面層形式塗覆，以形成包含複數個預浸物層的複合結構或預浸物疊層。視塗覆而定，層數可在1與1000層之間，更嚴密地在約8與50層之間。層可根據適合於塗覆之層時程或堆疊順序定向。根據本發明之實施例可使用之層之代表性實例包括(但不限於)CycomTM 5276-1、CycomTM 934、CycomTM 970、CycomTM 977-2、CycomTM 5320-1、CycomTM 5317及Toray 3900-2。
如本文中所揭示之自體表面修整之導電預浸物非常適合用於自動纖維鋪放(AFP)，因為各種寬度(通常1/16吋至1吋)之狹縫帶或預浸物絲束適於自動鋪放。AFP使用一或多個數控鋪放頭自動高速地將多個個別預浸漬預浸物絲束直接鋪放在心軸或模製表面上以在鋪放期間分配、夾緊、切割及重新開始各絲束。將一或多個絲束並排分配於心軸表面上以產生所需寬度及長度之層，隨後其他層在先前層上積聚以提供具有所需厚度之疊層。最小切削長度(機器可制定之最短絲束長度)為主要的層形決定因素。纖維鋪放頭可連接至現有高架起重機系統，改進為長絲纏繞機或作為轉鑰定製系統傳遞。該AFP系統習用於製造大型複合航太結構，諸如飛行器之機身部分或機翼外層。藉由將自體表面修整之預浸物絲束併入AFP製程中，與在疊層製程中塗覆金屬箔或片之習知方法相比，可製造具有導電表面之較輕複合部件。此外，在AFP製程中使用自體表面修整之預浸物絲束更高效，因為此舉消除一些在將表面膜塗覆於現有預浸物疊層上之習知方法中典型的中間加工步驟。
在堆放預浸物層或絲束之後，預浸物疊層可在高壓釜或類似裝置中共固化，產生具有導電表面之複合結構。在一些實施例中，共固化可在約40 psi與85 psi之間的壓力下在200℉與375℉之間的溫度下進行約1小時至8小時。如一般技術者所知，固化循環可使用加速(ramp-up)、勻速(dwell)或其組合程序。
根據本發明之實施例，適於複合結構之漆料可塗覆於固化之複合結構。在一些實施例中，約2密耳(Mil)(亦即50微米)與5密耳(亦即125微米)之間的漆料厚度(亦即底漆與漆料之總和)可塗覆於複合結構之導電表面。此漆料厚度範圍可適用於航太應用。在其他實施例中，約8密耳(亦即200微米)與13密耳(亦即325微米)之間的漆料厚度(亦即底漆與面漆之總和)可塗覆於複合結構之導電表面。此漆料厚度範圍可適用於塗飛機複合部件。漆料通常不導電。其向飛機結構部件提供所需外觀及障壁。
根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構具有眾多優於製造複合結構之習知方法的優勢，包括(但不限於)：電導率適於雷擊保護(LSP)及電磁能(EME)事件；對雷擊之抗破壞性；高度導電性，同時實現顯著重量減輕；UV穩定性；優良表面品質；優良脫漆劑抗性；及微裂紋抗性提高。
由於雷擊引起真實致命墜機，所以聯邦航空管理局(FAA)實施一種基於受雷擊之可能性及嚴重程度將商用飛行器之各個區域分類的系統。將有關區域分類為區1A至1C、2A至2B及3，其中區1A(200,000安培)為承受雷擊之最關鍵區。根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構的雷擊測試結果在區2A及1A測試中展示良好效能。區2A及1A中之良好效能意謂表面或結構損壞最小，亦即在雷擊之後表面可修復且不存在擊穿孔(參見圖2A至2D)。
根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構的最外層提供X方向、Y方向及Z方向上之高表面電導率(亦即小於100 mΩ)，此為優良LSP特徵之關鍵。更特定言之，複合結構展現約1 mΩ至60 mΩ、更嚴密地約10 mΩ至30 mΩ之範圍內的電導率。在較佳實施例中，表面電導率小於60 mΩ。一般而言，電阻率愈低，電導率愈高。高表面電導率引起實質性電流耗散，使複合結構具有抗損壞性。
自體表面修整之導電預浸物層藉由去除金屬網(或IWWF層)及表面膜層來提供顯著重量減輕(高達50%多)，其亦經由AFP自動化大大促進結構設計靈活性及生產力改進。
除證明足夠LSP之外，預期根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構將保護免於其他潛在有害的電事件，諸如靜電放電(ESD)、靜電荷積聚、電磁干擾(EMI)、翼緣輝光放電電位、電流迴路網路(CRN)及高強度相關場(HIRF)。實驗性測試展示根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構展示在8至12 GHz頻率內38 dB與50 dB之間的屏蔽效率(SE)值，其與鋁金屬類似但無鋁片金屬或金屬網表面面板之外加重量。
已知聚合物及聚合物混合物在曝露於UV輻射時會降解。聚合物組合物抵抗UV降解之能力稱為組合物之UV穩定性。材料之「UV穩定性」可藉由監測複合結構在UV曝露前及UV曝露不同UV曝露時間之後的性質變化定量地量測。舉例而言，UV曝露之後的漆料黏著性可用作UV穩定性之量度(例如劃割之漆料黏著測試或雨蝕測試)。相對於使用習知表面膜製造之複合結構，根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構展現優良的UV抗性(亦即優良UV穩定性)。
複合結構通常塗漆。「脫漆劑抗性」為複合結構在漆料移除製程期間抵抗由脫漆劑流體侵蝕(例如可自McGean獲得之Cee-Bee E-2010A及可自Henkel獲得之Turco 1270-6)所引起之脫落之能力的量度。脫漆劑抗性可藉由在脫漆劑浸入前及在脫漆劑浸入不同時段之後的性質變化定量地量測。舉例而言，脫漆劑流體用量(重量百分比)、表面外觀及表面硬度變化為可用於量測脫漆劑抗性之性質。相對於使用習知表面膜製造之複合結構，根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構展現優良脫漆劑抗性。此已由根據本發明之實施例包含自體表面修整之導電預浸物之複合層壓面板在面板浸入脫漆劑流體長達168小時後硬度保持及流體吸收最小及表面外觀未變化所證明。
複合結構之「表面品質」為複合結構之表面無缺陷(亦即不存在表面凹窩、針孔及/或裂紋)程度之量度。良好表面品質應展現實質上均一外觀且應「準備好塗漆(paint-ready)」，亦即不需要準備用砂紙打磨(與展現不良品質之複合結構的所需表面塗層相反)。相對於使用習知表面膜製造之複合結構，根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構展現無缺陷之「準備好塗漆」的表面品質。
微裂紋抗性為材料在發生最終弱化且損害複合物品之損壞事件時抵抗眾多小的裂紋形成之能力。微裂紋抗性可藉由量測材料之韌性(G1C)及/或破裂韌性(K1C)來評估。更特定言之，在此提及之微裂紋抗性為複合結構對表面漆料開裂及下面結構開裂的抗性。相對於使用習知表面膜製造之複合結構，根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構展現良好的微裂紋抗性(在-55℃與71℃之間的熱循環2000次循環之後)，此歸因於自體表面修整之導電預浸物對塗漆表面上及/或穿過下面複合結構之微裂痕的固有抗性。
根據本發明之實施例用自體表面修整之導電預浸物製造之組件部件可用於製造任何航太組件，包括需要複合物具有導電性質之商用、軍用、商務或區域噴氣式飛機、旋翼機及噴射發動機上的組件。此等組件將包括FAA定義之雷擊區域(區1A至1C、2A至2B、3)中之飛機結構，例如機翼、機身；及需要保護免於潛在有害電事件(諸如靜電放 電(ESD)、靜電荷積聚、電磁干擾(EMI)、翼緣輝光電位、電流迴路網路(CRN)及高強度相關場(HIRF))之飛機結構。
實例1
進行實驗以量測根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構的LSP。
組合物。用於調配高度導電環氧樹脂組合物層(亦即改質之導電表面膜)之組合物根據以下調配物製備。對於各類型膜，使用四膜層壓製程。
組合物之製備。(1)稱量所需量之基於固體之預反應環氧樹脂。添加其他環氧樹脂。添加溶劑(視需要)至混合物中，使混合物在Cowles攪拌器下攪拌。攪拌10至15分鐘。(2)在Cowles下緩慢添加導電成分、流動控制劑及填充劑至混合物中。視需要添加其他溶劑至混合物中以防止混合物爬上軸。當所有導電成分、流動控制劑及填充劑已添加時，再繼續剪切混合物50至70分鐘。保持混合物溫度低於130℉。(3)添加UV穩定劑。添加溶劑(視需要)至混合物中，使混合物在Cowles攪拌器下攪拌。攪拌5至10分鐘。(4)冷卻混合物低於120℉且添加固化劑。混合5至10分鐘直至均勻。在於固化劑中混合的同時確保混合物溫度保持低於130℉。(5)經由EP-15過濾混合物且在真空下脫氣至約80%固體用於室驗室塗佈試驗。
自體表面修整之導電預浸物之製備。藉由在高壓釜中在50 psi壓力下在130℉下凝固0.5小時，將經改質之導電表面膜(約0.030 psf)與低FAW CF織物膜(例如95 gsm CycomTM 997-M40J單帶)或標準FAW複合預浸物單帶(例如190 gsm CycomTM 5275-1 UD帶或BMS 8-276預浸物)一起層壓。
併入自體表面修整之導電預浸物之複合物的製備。以[+45、0、-45、90、0、90、-45、0、+45]之堆疊順序用脫模劑(亦即FrekoteTM)在平滑板工具上製備CycomTM 5276-1(預浸物)之9層疊層，如先前所述製備之自體表面修整之導電預浸物(亦即95 gsm CycomTM 997-M40J單帶)放置於最外層。用350℉及80 psi壓力下2小時停留時間之高壓釜循環共固化。所製備之複合層壓面板(約24"×24")可在雷擊測試(區2A或1A)之前根據航太塗漆說明書塗漆。
結果。在具有正常漆料厚度(3至4密耳)之雷擊區2A及1A中測試根據先前概述之程序製造之自體表面修整之導電預浸物面板。自體表面修整之導電預浸物展示極好的表面外觀及良好電導率(表面電阻率小於50毫歐)。面板通過LS區1A及2A測試。
雖然已在附圖中描述且展示某些例示性實施例，但應瞭解該等實施例僅僅說明本廣泛發明而對其無限制，且本發明不受限於所展示及描述之特定構造及配置，因為一般技術者可進行各種其他修改。
圖1A至1B為根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構的SEM像片(破裂及拋光)。
圖2A至2D為根據本發明之實施例使用自體表面修整之導電預浸物製造之複合結構經受雷擊模擬的像片。
(無元件符號說明)

Claims (13)

  1. 一種製造具有導電表面之複合結構之方法，該方法包含：形成具有寬度為1/16吋至1吋之呈細長帶形式之自體表面修整之導電預浸物，該自體表面修整之導電預浸物實質上由藉由層壓或塗佈製程形成於可固化預浸物層上之導電表面修整膜所組成，該導電表面修整膜包含呈微粒形式分散在整個樹脂基質中之導電成分且具有小於20毫歐之電導率，且該預浸物層包含用樹脂基質預浸漬之纖維強化物；將該自體表面修整之導電預浸物併入自動纖維鋪放(AFP)製程中以形成包含複數個以將該導電表面修整膜放置為最外層之堆疊順序配置之預浸物帶的可固化預浸物疊層，該AFP製程包含使用裝備有用於將預浸物帶直接分配及壓實在模製表面上以形成複合部件之構件的AFP系統堆放預浸物帶；及固化該預浸物疊層。
  2. 如請求項1之方法，其中該導電表面修整膜包含複數種環氧樹脂且進一步包含至少一種UV穩定劑，且其中該導電成分以該導電表面修整膜之46與63重量百分比之間的量存在。
  3. 如請求項1之方法，其中該導電表面修整膜具有0.020磅/平方吸與0.045磅/平方吸之間的厚度。
  4. 如請求項1之方法，其中用於形成該自體表面修整之導 電預浸物之該可固化預浸物層包含經一或多種環氧樹脂浸泡的具有小於100gsm之低織物單位面積重量或標準織物單位面積重量之單向碳帶或織物中的一者。
  5. 如請求項1之方法，其中該導電成分係呈金屬薄片之形式。
  6. 一種製造具有導電表面之複合結構之方法，其包含：形成第一導電環氧樹脂層於可固化預浸物層之第一表面上，該預浸物層包含經樹脂基質浸泡之纖維強化物；形成第二導電環氧樹脂層於該可固化預浸物層之第二表面上，其中該第一及第二導電環氧樹脂層具有小於20毫歐之電導率且包含呈微粒形式分散在整個樹脂基質中之導電成分，藉此該可固化預浸物層與該導電環氧樹脂層之組合形成自體表面修整之導電預浸物；以形成將該自體表面修整之導電預浸物放置為最外層之預浸物疊層的堆疊順序層壓該自體表面修整之導電預浸物至一或多個可固化預浸物層；及固化該預浸物疊層，從而形成具有導電表面之複合結構。
  7. 如請求項6之方法，其中該第一及第二環氧樹脂層各自包含複數種環氧樹脂及至少一種UV穩定劑，且該導電成分以各環氧樹脂層之46與63重量百分比之間的量存在。
  8. 如請求項6之方法，其中各導電環氧樹脂層形成表面膜，該表面膜具有0.020磅/平方吸與0.045磅/平方吸之間的厚度。
  9. 如請求項6之方法，其中用於形成該自體表面修整之導電預浸物之該可固化預浸物層包含經一或多種環氧樹脂浸泡的具有小於100gsm之低織物單位面積重量或標準織物單位面積重量之單向碳帶或織物中的一者。
  10. 如請求項6之方法，其進一步包含將漆料以3密耳與13密耳之間的厚度塗覆至該複合結構。
  11. 如請求項6之方法，其中形成預浸物疊層之該層壓係藉由裝備有用於將預浸物帶直接分配及壓實在模製表面上以形成複合部件之構件的自動纖維鋪放(AFP)系統進行。
  12. 一種具有導電表面修整膜之複合結構，其係藉由如請求項6之方法製造。
  13. 一種塗漆之複合結構，其係藉由如請求項10之方法製造。
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