專利名稱：改良的雷擊防護(hù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地來說涉及一種飛機(jī)和飛機(jī)構(gòu)件，更特別涉及一種用于復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件及 其它復(fù)合結(jié)構(gòu)的改良的防雷擊表面膜。
背景技術(shù)：
諸如機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等飛機(jī)構(gòu)件的外表面典型地由非金屬復(fù)合材 料、鋁或含有復(fù)合材料和金屬組合體的混合材料制成。當(dāng)雷電擊中飛機(jī)的金屬外殼時(shí)，金屬 外殼會(huì)提供高導(dǎo)電路徑，使電流可以從雷擊點(diǎn)橫穿金屬外殼到達(dá)雷電排出點(diǎn)，而對(duì)飛機(jī)表 面不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性損害。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等多數(shù)新式飛機(jī)構(gòu)件都由堅(jiān)固輕質(zhì)的復(fù)合材料 制成，以減輕飛機(jī)的總重。這些復(fù)合材料通常包含分布在聚合物基體中的碳或石墨增強(qiáng)纖 維。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)通常比金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性差，基本上不能分散和消散雷擊所產(chǎn)生的電能。因 此，這種復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件的外部表面通常包括雷擊防護(hù)，沿著其外部表面提供高導(dǎo)電路徑。這 種導(dǎo)電路徑使與雷擊有關(guān)的電能能夠快速消散在受保護(hù)表面上，這有助于減小對(duì)雷擊點(diǎn)處 飛機(jī)組件表面的損害。適航認(rèn)證管理局(Airworthinesscertification authorities)對(duì)各式飛機(jī)及飛 機(jī)構(gòu)件設(shè)立了雷擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)雷電對(duì)飛機(jī)特定部分擊中的概率和由此所產(chǎn)生電能的可 能強(qiáng)度，管理局為各種類型的飛機(jī)指定了各種潛在擊中區(qū)，和每個(gè)區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)必 須承受而沒有實(shí)質(zhì)損害的可能電流波形。管理局將這些不同的擊中區(qū)域命名為區(qū)域IA和 1B、區(qū)域2A和2B、區(qū)域3。例如在美國專利5，417，385號(hào)和SAE ARP 5414中描述了對(duì)這些 各雷擊區(qū)的命名，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解。被分類成區(qū)域IA的復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件需要最大程度的雷擊防護(hù)。SAE ARP5416中提供 了用于驗(yàn)證區(qū)域IA飛機(jī)構(gòu)件的雷擊試驗(yàn)程序。為了滿足SAEARP 5416的要求，用來復(fù)制區(qū) 域IA結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)臺(tái)必須能夠承受具有特定電流波形的人工雷擊而不會(huì)穿透試驗(yàn)臺(tái)。目前用于非金屬復(fù)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)的電流雷擊防護(hù)系統(tǒng)，典型地包括防雷擊表面膜， 該表面膜具有置于復(fù)合結(jié)構(gòu)外部表面上或靠近其布置的金屬箔或網(wǎng)，以便將因雷擊在受防 護(hù)表面上產(chǎn)生的電能分散或消散掉。例如，可以將金屬箔或網(wǎng)嵌合置于復(fù)合結(jié)構(gòu)表面上的 聚合材料的薄層中。例如在美國專利5，470，413號(hào)中描述了一種將金屬箔或網(wǎng)粘結(jié)在用于 雷擊防護(hù)的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)表面上的方法?？蛇x地，在制造該結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將金屬箔或網(wǎng)結(jié)合 在疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面部中。例如，在美國專利5，417，385號(hào)中描述了在疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)外 表面附近設(shè)置金屬箔或網(wǎng)的制造方法。為了提供用于涂色的光滑的動(dòng)力學(xué)外表面，可以在 含有金屬箔或網(wǎng)的表面膜上設(shè)置薄的聚合物表面層。普通類型的雷擊防護(hù)包括設(shè)置在防護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)外部表面上或附近的鋁箔或網(wǎng)。在 一個(gè)實(shí)施例中，能夠理想地保護(hù)區(qū)域IA構(gòu)件的鋁箔或網(wǎng)具有大約每平方英寸0. 02磅或大 約74克/平方米(gsm)的面積重量密度。術(shù)語“面積重量密度”通常與諸如紡織物、帶子、 箔等有關(guān)的薄層材料，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都非常了解。本文中所使用的“面積重量密度” 是指材料的重量除以材料的面積(例如矩形件的長度乘以寬度)。常規(guī)雷擊防護(hù)系統(tǒng)(鋁箔或網(wǎng)、聚合物基體，和玻璃纖維腐蝕隔離層)總的面積重量密度可以是大約0. 11磅/平 方英尺或大約500gsm或以下。盡管如上所述的鋁箔或網(wǎng)已被證實(shí)對(duì)區(qū)域IA構(gòu)件的雷擊防護(hù)是有效的，然而這 種金屬箔或網(wǎng)可能會(huì)不當(dāng)?shù)卦黾语w機(jī)的重量。此外，金屬箔或網(wǎng)與聚合物及其附著的增強(qiáng) 材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同會(huì)使各組件產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，在服務(wù)過程中飛機(jī)在常 規(guī)飛行中受到大氣溫度的重復(fù)變化時(shí)，受防護(hù)表面可能會(huì)產(chǎn)生微裂紋。在高空中，飛機(jī)(包 括其外部構(gòu)件)通常會(huì)暴露在較低的大氣溫度中，而在地面上時(shí)，飛機(jī)暴露在較高的大氣 溫度中。溫度上的這些周期性變化可能是相當(dāng)大的。當(dāng)金屬箔或網(wǎng)和周圍的聚合物材料具 有不同的熱膨脹系數(shù)時(shí)，這些溫度上的變化可能會(huì)在金屬和相關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生不同的 熱膨脹，而合成的熱應(yīng)力可能會(huì)在復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面中產(chǎn)生微裂紋。由于這些微裂紋可能會(huì) 使?jié)駳饣蚧瘜W(xué)物質(zhì)進(jìn)入到復(fù)合結(jié)構(gòu)中并使結(jié)構(gòu)功能劣化，因而是不希望出現(xiàn)的。飛機(jī)制造商及其供應(yīng)商基于各種原因正在不斷尋求各種減輕產(chǎn)生產(chǎn)品重量的各 種方法，包括提高每單位燃油的飛行距離/或提高燃油效率。因此，需要提供一種用于區(qū)域 IA飛機(jī)構(gòu)件雷擊防護(hù)的改良的表面膜，比已有帶有金屬箔或篩網(wǎng)(screen)的表面膜在面 積重量密度上更小。特別地，需要一種用于雷擊防護(hù)區(qū)域IA構(gòu)件的改良的表面膜，其具有 小于大約500gsm的面積重量密度。此外，還需要一種改良耐久性的用于區(qū)域IA雷擊防護(hù) 的表面膜，并且其與帶有金屬箔或篩網(wǎng)的表面膜相比更不易產(chǎn)生表面微裂紋。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施方式中，一種具有外部表面的飛機(jī)構(gòu)件，包括置于該外部表面上或附 近的防雷擊表面膜。該表面膜可以包括處于聚合物基體中的預(yù)成型件。該預(yù)成型件包括具 有第一面積重量密度的襯底和生長在襯底上的隔開的多個(gè)碳納米管，該碳納米管具有第二 面積重量密度。第一面積重量密度和第二面積重量密度的總和可以小于大約500克/平方 米，預(yù)成型件可以具有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻。在另一個(gè)實(shí)施方式中，防雷擊表面膜包括具有第一面積重量密度的襯底和生長在 襯底上的隔開的多個(gè)碳納米管，該納米管具有第二面積重量密度。第一面積重量密度和第 二面積重量密度的總和可以小于大約500gsm，而其上生長有納米管的襯底可以具有小于大 約1歐姆/平方單位的表面電阻。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式包括一種具有雷擊防護(hù)功能的飛機(jī)構(gòu)件的制造方法。該 方法可以包括提供具有外表面部的飛機(jī)構(gòu)件；通過提供具有第一面積重量密度的襯底和在 襯底上生長具有第二面積重量密度的多個(gè)隔開的碳納米管來形成防雷擊表面膜；將防雷擊 表面膜粘接到外表面部上以形成防止雷擊防護(hù)的飛機(jī)構(gòu)件。該方法還可以包括選擇襯底的 組分和襯底的第一面積重量密度，并對(duì)碳納米管的第二面積重量密度進(jìn)行控制以使第一面 積重量密度和第二面積重量密度的總和小于大約500gsm，并使其上生長有納米管的襯底具 有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻率。另外一個(gè)實(shí)施方式包括具有至少一個(gè)層的復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件，該至少一個(gè)層包括織造 或非織造襯底和生長在襯底上的多個(gè)碳納米管。其上生長碳納米管的襯底可以為復(fù)合飛機(jī) 構(gòu)件提供結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，此外或可選地，可以提供至少某種程度的雷擊防護(hù)。另外一個(gè)實(shí)施方式包括一種飛機(jī)構(gòu)件上的纖維增強(qiáng)復(fù)合表面膜，其包括樹脂基體中的碳纖維。所述表面膜中的碳纖維具有大于至少大約6mm的長度并且包括生長在纖維上 的碳納米管，該碳納米管基本上均勻地分布在纖維上并且具有大約1至100微米之間的長度。通過閱讀后附的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些和其它特征會(huì)變得更加明顯，本發(fā)明更易于理解。
具體實(shí)施例方式下面描述一種用于區(qū)域1A、區(qū)域2A和2B，和區(qū)域3飛機(jī)構(gòu)件的改良的防雷擊表面 膜，其具有比帶有金屬箔或網(wǎng)的常規(guī)表面膜更小的面積重量密度。與含有金屬箔或網(wǎng)的表 面膜相比，這種改良的表面膜更不易于出現(xiàn)表面微裂紋。在一個(gè)實(shí)施方式中，防雷擊表面膜布置在飛機(jī)構(gòu)件的外部表面上或靠近其布置。 在本文中，短語“靠近”是指在表面上或表面附近，其中靠近表面布置的膜位于或靠近表 面。在一個(gè)實(shí)施方式中，導(dǎo)電表面膜距離結(jié)構(gòu)外部表面不超過大約0.5毫米(mm)。表面膜 可以包括具有生長在其上的多個(gè)碳納米管(“CNT”)的襯底。表面膜可以包括具有生長在 其上的多個(gè)碳納米管的襯底，其中碳納米管可以是單壁碳納米管(SWCNT)，雙壁碳納米管 (DWCNT)，多壁碳納米管(MWCNT)，或其任何組合?？蛇x地，可以用碳納米纖維(CNF)代替碳 納米管，或者使用二者的組合。在下文中，術(shù)語“CNT”和“碳納米管”是指包括碳納米管、碳 納米纖維和碳納米管與碳納米纖維的組合，術(shù)語“生長在其上的CNT”和“生長在其上的碳 納米管”是指包括生長在襯底上的碳納米管、碳納米纖維以及碳納米管和碳納米纖維的組 合。優(yōu)選地，襯底由具有較低電阻率的材料制成?？蛇x，在僅需較低程度雷擊防護(hù)的某些應(yīng) 用中可以使用具有較高電阻率的襯底。襯底和生長在其上的CNT共同構(gòu)成相當(dāng)大撓性和導(dǎo) 電性的預(yù)成型件。在本文中，術(shù)語“預(yù)成型件”是指具有多個(gè)生長在其上的CNT的襯底。可以利用像例如2007年5月15日提交的國際申請(qǐng)PCT/US2007/011577中所 述的方法或者利用例如由 N. Yamamoto 等在 49thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and MaterialsConference, April 7-10,2008, Schaumburg, IL 發(fā) 表的"Electrical Properties ofHybrid Woven Composites Reinforced with Aligned Carbon Nanotubes”( "Yamamoto")中所述的方法使CNT生長在襯底上。在此以引用方式 全文并入國際申請(qǐng)PCT/US2007/011577和Yamamoto所公開的內(nèi)容。如PCT/US2007/011577 所述，使CNT生長在襯底上的一種方法可以包括將襯底表面暴露在氧化氣體中而使其表面 功能化，然后通過將襯底浸沒在催化劑溶液中以在襯底表面上形成催化劑。可選地，催化 劑可以通過對(duì)襯底進(jìn)行電沉積處理而形成于襯底上。然后可以使用化學(xué)汽相沉積以使CNT 易于生長在襯底的表面上。當(dāng)使用電沉積在襯底上形成催化劑時(shí)，該方法例如可以包括諸 如次磷酸鈉的還原劑。氧化氣體例如可以選自臭氧、二氧化碳及其混合。襯底可以在大約 100°C和900°C之間的溫度下暴露于氧化氣體中。當(dāng)氧化氣體包括臭氧時(shí)，襯底可以在大于 100°C和大約200°C之間的溫度下進(jìn)行暴露，當(dāng)氧化氣體包括二氧化碳時(shí)，襯底可以在大于 400°C和大約900°C之間的溫度下進(jìn)行暴露。催化劑溶液例如可以包括水或酒精溶液和選自 鐵鹽、鉬鹽、鎳鹽、鈷鹽及其組合的可溶鹽。可以在將襯底浸沒在該溶液中之后且在對(duì)襯底 進(jìn)行化學(xué)汽相沉積以形成CNT之前，對(duì)襯底進(jìn)行干燥?；瘜W(xué)汽相沉積可以在大約600°C和大 約900°C之間的溫度下進(jìn)行，且可以采用選自乙炔、乙烯、甲烷及其組合的烴氣。生長于襯底上的CNT的面積重量密度可以通過控制化學(xué)汽相沉積期間的反應(yīng)時(shí)間來精密地控制。上述 方法產(chǎn)生包括生長有CNT的襯底的“預(yù)成型件”，CNT基本上均勻地分布于襯底的整個(gè)外部 表面使得所生長的CNT形成與襯底共同延伸的基本連續(xù)的CNT網(wǎng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，所 生長的CNT有很大一部分達(dá)到或處于至少另一個(gè)所生長的CNT的大約5微米之內(nèi)。例如， 至少大約75%的所生長的CNT能夠達(dá)到或處于至少另一個(gè)所生長的CNT的大約5微米之 內(nèi)。每個(gè)生長的CNT可以包括第一端和相反的第二端，基本上每個(gè)CNT的第一端都附 著在襯底的至少一部分上，第二端大致離開第一端和襯底延伸。CNT可以大致是直的，也可 以具有大致螺旋形或其它形狀。生長的CNT的長度可以大約5微米至大約100微米，或更優(yōu) 選地，可以在大約10微米至大約40微米之間，所生長的CNT的直徑可以為大約1納米(nm) 至大約200納米。所生長的CNT的形態(tài)可以從堆積的、纏繞的形態(tài)變化到未束緊的捆、散亂 的和螺旋狀的形態(tài)。在一個(gè)實(shí)施方式中，包含具有生長在其上的CNT的襯底的預(yù)成型件具 有足夠的撓性以適應(yīng)像在飛機(jī)(包括其各個(gè)構(gòu)件)外表面上經(jīng)?？梢姷幕⌒伪砻?。在另一 個(gè)實(shí)施方式中，可以將諸如鎳、銅、金、銀、鉬等導(dǎo)電金屬薄層沉積在襯底或預(yù)成型件(即襯 底和生長在其上的CNT)上，以便通過電鍍、物理汽相沉積等來減小結(jié)構(gòu)的電阻率。沉積金 屬層的厚度例如可以從大約0. 001微米至大約50微米。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將預(yù)成型件嵌入聚合樹脂中以形成防雷擊表面膜。在固 化時(shí)，聚合樹脂將預(yù)成型件組成部分(即襯底和生長在其上的CNT)粘結(jié)在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體的 一個(gè)表面上或附近的固定位置上。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以使預(yù)成型件浸漬通常用來制造 復(fù)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)那種類型的環(huán)氧樹脂或熱塑樹脂，利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的制造方法，在設(shè)置 復(fù)合結(jié)構(gòu)的過程中，將生成的表面膜結(jié)合到復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面上或附近。在一個(gè)實(shí)施方式中， 將預(yù)成型件置于復(fù)合結(jié)構(gòu)受保護(hù)外部表面大約0. 5mm的范圍內(nèi)。如果復(fù)合結(jié)構(gòu)的外部表面 將要被噴涂以使該表面具有平滑和具有美感的外觀，在對(duì)表面進(jìn)行噴涂之前，預(yù)成型件可 以被設(shè)置在該表面的大約0. 5毫米(或更小)之內(nèi)。使用公知的方法可以將表面膜與復(fù)合 結(jié)構(gòu)的其他部分固化在一起，使得表面膜設(shè)置在固化結(jié)構(gòu)的外部表面上或靠近其設(shè)置。在 另一實(shí)施方式中，預(yù)成型件可以浸漬有或浸透有聚合樹脂，該樹脂可以被固化以形成耐用 的片或膜，且該片或膜可以結(jié)合在飛機(jī)構(gòu)件的外部表面用于防雷擊。例如，預(yù)成型件可以 被嵌入聚氨酯膜，且最終所獲得的撓性表面膜可以通過粘接劑等結(jié)合到復(fù)合結(jié)構(gòu)的外部表 面。結(jié)合之后，預(yù)成型件可以靠近該結(jié)構(gòu)的最外表面設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施方式中，在將預(yù)成型 件嵌入聚合樹脂中之前，可以用環(huán)氧樹脂對(duì)預(yù)成型件進(jìn)行上漿處理。環(huán)氧樹脂上漿處理有 助于在裝運(yùn)或搬運(yùn)期間使所生長的CNT附著在襯底上和/或在制造過程中促進(jìn)結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施方式中，襯底的面積重量密度和所生長的CNT的面積重量密度被選擇 和被控制以使得預(yù)成型件的面積重量密度，即襯底和所生長的CNT的組合的面積重量密 度，小于或等于金屬箔或網(wǎng)和與其相關(guān)的玻璃纖維隔離層的組合的面積重量密度，且能夠 為區(qū)域IA飛機(jī)構(gòu)件提供雷擊防護(hù)。例如，當(dāng)與鋁箔或網(wǎng)和與其相關(guān)的玻璃纖維隔離層具有 約500gsm的組合面積重量密度相比，襯底和所生長的CNT的組合面積重量密度可以被限 制或控制為小于500gsm。以下將討論包括不同預(yù)成型件的各實(shí)施方式的具體面積重量密 度。試驗(yàn)結(jié)果示出了根據(jù)本發(fā)明所制造的表面膜的電阻率和SAEARP 5416規(guī)范的雷擊標(biāo)準(zhǔn) 之間的相互關(guān)系。包括具有小于約1歐姆/平方單位的表面電阻率的預(yù)成型件的表面膜與SAE ARP 5416的區(qū)域2A測試要求相關(guān)，根據(jù)本發(fā)明具有小于約0.5歐姆/平方單位的表面 電阻率的表面膜可滿足SAE ARP 5416的區(qū)域IA測試要求。在本文中，表面電阻率為使用 四點(diǎn)探測方法測得的表面電阻率，如現(xiàn)有技術(shù)中公知的那樣，諸如在ASTM F390 “利用共線 四探針陣列的金屬薄膜表面電阻的標(biāo)準(zhǔn)測試方法”中陳述的方法(下文中稱作“四點(diǎn)探針 法”)等。后面會(huì)詳細(xì)討論，本發(fā)明包括能夠?yàn)轱w機(jī)構(gòu)件提供區(qū)域IA或區(qū)域2A雷擊防護(hù)的 預(yù)成型件的防雷擊表面膜的各個(gè)實(shí)施方式，并且具有比含有金屬箔或網(wǎng)的表面膜的面積重 量密度小的面積重量密度(即小于大約500gsm)。在一個(gè)實(shí)施方式中，襯底可以是由導(dǎo)電纖維構(gòu)成的加長紗線制成的編織物、紡織 物，或不卷曲織物?？椢镆r底的結(jié)構(gòu)例如可以與通常用作復(fù)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)件的編織物、紡 織物，或不卷曲織物基本相似。導(dǎo)電纖維可以是碳纖維(諸如標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維、高模量碳纖 維、熱處理的碳纖維、帶金屬覆層的碳纖維，等等)，也可以是CNT增強(qiáng)聚丙烯腈(PAN)碳化 纖維(PAN纖維內(nèi)的CNT)。本發(fā)明并不局限于碳纖維，還可應(yīng)用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它 導(dǎo)電纖維，例如碳化硅纖維。編織物、紡織物，或不卷曲織物襯底的面積重量密度可以為大 約70gsm至大約400gsm。多個(gè)CNT可以生長在如上所述的襯底上，并且可以具有大約2gsm 至大約IOOgsm的面積重量密度。編織物、紡織物，或不卷曲織物襯底和生長在其上的CNT的 組合面積重量密度可以小于大約500gsm。襯底和生長在其上的CNT提供導(dǎo)電的預(yù)成型件， 以便用來為諸如復(fù)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)等復(fù)合結(jié)構(gòu)的外部表面提供雷擊防護(hù)。在用作區(qū)域IA雷擊 防護(hù)時(shí)，具有編織物、紡織物，或不卷曲織物襯底和生長在其上的CNT的預(yù)成型件的一個(gè)實(shí) 施方式，在利用上述的四點(diǎn)探針法進(jìn)行測量時(shí)，可以具有小于大約0.5歐姆/平方單位的表 面電阻率。當(dāng)用作區(qū)域2A雷擊防護(hù)時(shí)，例如，預(yù)成型件可以具有小于大約1歐姆/平方單 位的表面電阻率。在另一個(gè)實(shí)施方式中，襯底例如可以是由諸如濕的、干的、熔化的、凝膠的或靜電 紡絲的第一組多個(gè)CNT構(gòu)成的加長紗線或纖維制成的編織物、紡織物，或不卷曲織物。優(yōu)選 地，構(gòu)成纖維的第一組多個(gè)CNT包括具有大于大約6mm長度的CNT。在本實(shí)施方式中，編織 物、紡織物，或不卷曲織物襯底的面積重量密度可以為大約15gsm至大約200gsm。第二組多 個(gè)CNT可以生長在如上所述的襯底上，并且可以具有大約2gsm至大約IOOgsm的面積重量 密度。在本實(shí)施方式中，紡織物/編織物襯底和生長在其上的CNT組合面積重量密度可以 小于大約300gsm。當(dāng)用作區(qū)域IA雷擊防護(hù)時(shí)，具有編織物、紡織物，或不卷曲織物襯底和生 長在其上的CNT的預(yù)成型件的一個(gè)實(shí)施方式，在利用上述的四點(diǎn)探針法進(jìn)行測量時(shí)，可以 具有小于大約0. 5歐姆/平方單位的表面電阻率。當(dāng)用作區(qū)域2A雷擊防護(hù)時(shí)，例如，預(yù)成 型件可以具有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻率。另一個(gè)實(shí)施方式包括由導(dǎo)電纖維制成的非織造氈墊、稀洋紗或面紗作為襯底。襯 底可以包括連續(xù)纖維繩或切短纖維繩。當(dāng)襯底包括切短纖維繩時(shí)，纖維優(yōu)選地具有大于大 約6mm的長度。導(dǎo)電纖維可以是碳纖維(諸如標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維、高模量碳纖維、熱處理的碳 纖維、帶金屬覆層的碳纖維，等等)，或者是CNT增強(qiáng)聚丙烯腈(PAN)碳化纖維(PAN纖維內(nèi) 的CNT)，也可以是碳化硅纖維或其它導(dǎo)電纖維。襯底的面積重量密度優(yōu)選地在大約70gsm 至大約400gsm之間。多個(gè)CNT可以生長在如上所述的襯底上，并且可以具有大約2gsm至大 約IOOgsm的面積重量密度。預(yù)成型件的面積重量密度或襯底和生長在其上的CNT的組合 面積重量密度可以小于大約500gsm。在用作區(qū)域IA雷擊防護(hù)時(shí)，具有襯底和生長在其上的CNT的預(yù)成型件的一個(gè)實(shí)施方式，在利用上述的四點(diǎn)探針法進(jìn)行測量時(shí)，可以具有小于大約 0. 5歐姆/平方單位的表面電阻率。當(dāng)用作區(qū)域2A雷擊防護(hù)時(shí)，例如，預(yù)成型件可以具有小 于大約1歐姆/平方單位的表面電阻率。在另一個(gè)實(shí)施方式中，襯底包括具有由諸如濕的、干的、熔化的、凝膠的或靜電紡 絲的第一組多個(gè)CNT構(gòu)成的纖維的非織造氈墊、面紗或稀洋紗。優(yōu)選地，構(gòu)成纖維的第一組 多個(gè)CNT包括具有大于大約6mm長度的CNT。在本實(shí)施方式中，氈墊、面紗或稀洋紗襯底的 面積重量密度可以為大約15gsm至大約200gsm。可選地，第二組多個(gè)CNT可以生長在如上 所述的襯底上，并且可以具有大約2gsm至大約IOOgsm的面積重量密度。在本實(shí)施方式中， 氈墊或稀洋紗襯底和生長在其上的CNT的組合面積重量密度可以小于大約300gsm。當(dāng)用作 區(qū)域IA雷擊防護(hù)時(shí)，包括氈墊或稀洋紗襯底的預(yù)成型件的一個(gè)實(shí)施方式(可具有或不具有 生長在其上的CNT)在利用上述的四點(diǎn)探針法進(jìn)行測量時(shí)，可以具有小于大約0.5歐姆/平 方單位的表面電阻率。當(dāng)用作區(qū)域2A雷擊防護(hù)時(shí)，例如，預(yù)成型件可以具有小于大約1歐 姆/平方單位的表面電阻率。另一個(gè)實(shí)施方式包括作為襯底的CNT紙。優(yōu)選地，構(gòu)成紙襯底的第一組多個(gè)CNT 包括具有大于大約6mm長度的CNT。在本實(shí)施方式中，CNT紙襯底的面積重量密度可以為大 約15gsm至大約200gsm。可選地，第二組多個(gè)CNT可以生長在如上所述的CNT紙襯底上，并 且可以具有大約2gsm至大約IOOgsm的面積重量密度。在本實(shí)施方式中，CNT紙襯底和生 長在其上的CNT的組合面積重量密度可以小于大約300gsm。當(dāng)用作區(qū)域IA雷擊防護(hù)時(shí)，包 括CNT紙襯底的預(yù)成型件的一個(gè)實(shí)施方式(可具有或不具有生長在其上的CNT)在利用上 述的四點(diǎn)探針法進(jìn)行測量時(shí)，可以具有小于大約0. 5歐姆/平方單位的表面電阻率。當(dāng)用 作區(qū)域2A雷擊防護(hù)時(shí)，例如，預(yù)成型件可以具有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻率。盡管如上所述的襯底和生長在其上的CNT本身具有導(dǎo)電性，以滿足某些雷擊防護(hù) 的需要，然而仍然可以對(duì)預(yù)成型件進(jìn)行熱處理以獲得導(dǎo)電更好的導(dǎo)電性能?？梢栽谡婵栈?氬、氮等惰性氣氛中，在大約600°C至1800°C之間的溫度下在大約0. 25至24小時(shí)中，對(duì)預(yù) 成型件進(jìn)行熱處理。當(dāng)用作區(qū)域IA雷擊防護(hù)時(shí)，在熱處理步驟之后的預(yù)成型件，在利用上 述的四點(diǎn)探針法進(jìn)行測量時(shí)，可以具有小于大約0. 5歐姆/平方單位的表面電阻率。當(dāng)用 作區(qū)域2A雷擊防護(hù)時(shí)，例如，預(yù)成型件可以具有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻率。盡管如上所述的襯底由具有高導(dǎo)電性的材料制成，然而在某些應(yīng)用中，根據(jù)本發(fā) 明的雷擊防護(hù)表面膜還可以包括由具有相對(duì)較低導(dǎo)電性的材料制成的襯底。如上所述，不 同的飛機(jī)構(gòu)件需要不同程度的雷擊防護(hù)。盡管用于區(qū)域IA的雷擊防護(hù)表面膜可能需要導(dǎo) 電襯底，生長有CNT的不導(dǎo)電襯底提供的導(dǎo)電路徑可能足以充分地為區(qū)域2A、區(qū)域2B或區(qū) 域3飛機(jī)構(gòu)件或者為諸如風(fēng)渦輪葉片等非飛機(jī)構(gòu)件消耗較低能級(jí)的電能。在這樣的應(yīng)用 中，襯底例如可以包括織造或編織的玻璃纖維織物，這在成本上低于上述的導(dǎo)電襯底。另外的實(shí)施方式包括織造的或延展的金屬篩網(wǎng)作為襯底。該織造的或延展的金屬 篩網(wǎng)可以由諸如銅、鋁、青銅等構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施方式中，金屬篩網(wǎng)可以具有大約40gsm至 大約400gsm的面積重量密度。如上所述，可以在襯底上生長多個(gè)CNT。在一個(gè)實(shí)施方式中， 生長的CNT可以具有大約2gsm至大約IOOgsm的面積重量密度?？椩斓幕蜓诱沟慕饘俸Y網(wǎng) 和所生長的CNT的組合面積重量密度可以小于約500gsm。當(dāng)用于區(qū)域IA雷擊防護(hù)時(shí)，包括 織造的或延展的金屬篩網(wǎng)和所生長的CNT的預(yù)成型件可以具有小于約通過四點(diǎn)探測方法
10測得的0. 5歐姆/平方單位的表面電阻率。當(dāng)用于區(qū)域2A雷擊防護(hù)時(shí)，例如預(yù)成型件可以 具有小于約1歐姆/平方單位的表面電阻率?？梢允褂矛F(xiàn)有的公知方法通過熱熔或浸液涂漆使如上所述包括生長有CNT的襯 底的預(yù)成型件浸漬有或浸透有熱塑性樹脂或環(huán)氧樹脂，并且可以通過現(xiàn)有方法將其設(shè)置到 要與襯底結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)上。公知的液體模制技術(shù)諸如樹脂膜浸漬、樹脂轉(zhuǎn)移模制和真空 助力樹脂轉(zhuǎn)移模制也可以用于將預(yù)成型件并入復(fù)合結(jié)構(gòu)的外部表面部分。熱塑性樹脂或環(huán) 氧樹脂占據(jù)襯底之內(nèi)和預(yù)成型件所生長的CNT之間的空間。預(yù)成型件可以用作單個(gè)表面 層，或者兩個(gè)或更多預(yù)成型件層可以疊層的方式在位于復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面處或靠近復(fù)合結(jié)構(gòu) 的表面處被并入復(fù)合結(jié)構(gòu)中。為了提供平滑和空氣動(dòng)力的外表面且使表面產(chǎn)生微裂紋的可 能性最小，諸如聚合粘接劑等聚合材料可以應(yīng)用在整個(gè)防雷擊表面膜上。此外，在該結(jié)構(gòu)的 整個(gè)外部表面上噴涂一層通常用于飛機(jī)和飛機(jī)構(gòu)件上那種類型的涂料，而不會(huì)損害預(yù)成型 件將由雷擊所產(chǎn)生的電能充分地分散和消散的能力。當(dāng)襯底由諸如碳纖維、CNT增強(qiáng)PAN碳化纖維、CNT或由CNT構(gòu)成的纖維等非金 屬材料制成時(shí)，防雷擊表面膜可以具有與構(gòu)成相關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的平面內(nèi)CTE相同數(shù)量級(jí) 的熱膨脹系數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方式中，表面膜的平面內(nèi)CTE在構(gòu)成相關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料的平 面內(nèi)CTE的大約90%至大約100%的范圍內(nèi)。因此，和具有相對(duì)較高CTE的金屬箔或篩網(wǎng) 相比，這種防雷擊表面膜基本上不易于因溫度周期性變化而在受防護(hù)表面上形成表面微裂 紋。即使襯底與生長在其上的碳納米管總的面積重量密度等于只是稍稍小于常規(guī)的金屬箔 或篩網(wǎng)，因?yàn)闇p小了因熱膨脹差異而產(chǎn)生微裂紋的可能性也能獲得顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)。例如，設(shè) 置有根據(jù)本發(fā)明所述的防雷擊表面膜的飛機(jī)構(gòu)件優(yōu)選地能夠承受處于-65°C至160°C之間 的大約2，000次熱循環(huán)，而基本上不會(huì)使構(gòu)件的外部表面產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)襯底如上所述為由銅、鋁、青銅等構(gòu)成且其上生長有CNT的織造或延展金屬篩 網(wǎng)時(shí)，其質(zhì)量可以比雷擊防護(hù)現(xiàn)有技術(shù)中目前所使用類型的金屬篩網(wǎng)的質(zhì)量小很多，而其 仍然能夠提供等效的雷擊防護(hù)。與較重金屬篩網(wǎng)相比，生長有碳CNT的較小密度的金屬篩 網(wǎng)襯底因熱膨脹的不同在毗連復(fù)合材料時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力相當(dāng)小，因而，與具有較大密度的現(xiàn) 有技術(shù)金屬篩網(wǎng)系統(tǒng)相比，不易因具有不同的熱膨脹而出現(xiàn)表面微裂紋。在一個(gè)實(shí)施方式中，如上所述的膜能夠在疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)中替換一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)上 的預(yù)浸漬層。在這樣的實(shí)施方式中，膜能夠?yàn)閺?fù)合結(jié)構(gòu)既提供雷擊防護(hù)又提供結(jié)構(gòu)上的增 強(qiáng)，或能夠僅用于結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)。這樣的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)或更多這種膜的層，和/或 可以包括比以上具體描述的表面膜更厚和更重的一個(gè)或更多的膜層。當(dāng)在復(fù)合結(jié)構(gòu)中用作 結(jié)構(gòu)增強(qiáng)層時(shí)，這種膜可以包括生長有CNT的襯底，該襯底具有超過以上其他實(shí)施方式中 所述的面積重量密度和/或表面電阻率的具體限制的面積重量密度和/或表面電阻率。可 選地，如上所述的膜可以用于疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)中的所有層。在此實(shí)施方式中，由于構(gòu)件不需要 單獨(dú)的防雷擊表面膜，因而能夠?qū)崿F(xiàn)重量的有效節(jié)約。在一個(gè)實(shí)施方式中，具有所期望性能的纖維增強(qiáng)復(fù)合構(gòu)件可以包括在樹脂基體中 包括碳纖維的一個(gè)或更多層。碳纖維具有至少大于約6毫米的長度且包括如上所述生長在 纖維上的碳納米管。該納米管基本均勻地分布在該纖維上且長度在約1和100微米之間。 優(yōu)選地，生長有碳納米管的碳纖維層靠近復(fù)合構(gòu)件的外表面布置，更優(yōu)選地，布置在處于構(gòu) 件外表面的約0. 5毫米之內(nèi)。更優(yōu)選地，碳納米管生長在碳纖維上使得對(duì)于納米管總數(shù)的
11至少75%而言，一個(gè)納米管處于另一個(gè)納米管的約5微米之內(nèi)。根據(jù)所期望的構(gòu)件材料特 性，它可以僅包括設(shè)置在復(fù)合構(gòu)件外部表面或靠近其設(shè)置的一層生長有納米管的碳纖維， 或者整個(gè)構(gòu)件可以由生長有納米管的碳纖維制成，或者構(gòu)件可以包括處于該范圍之間的任 意數(shù)量的碳纖維層。如上所述的膜可以結(jié)合進(jìn)或連接于基本上任何需要雷擊防護(hù)和/或結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的 結(jié)構(gòu)上。例如，這樣的膜可以結(jié)合進(jìn)或連接于飛機(jī)引擎機(jī)艙、機(jī)身、機(jī)翼或垂直尾翼、直升機(jī) 旋轉(zhuǎn)機(jī)翼或其他直升機(jī)構(gòu)件，或者具有這類結(jié)構(gòu)的構(gòu)件或部分。另外，它們可以結(jié)合進(jìn)或連 接于于諸如風(fēng)輪機(jī)葉片等其他結(jié)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)。其他的用途對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是 明顯的。本發(fā)明各實(shí)施方式的以上描述旨在說明本發(fā)明的各方面和特征，但并不對(duì)此進(jìn)行 限制。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以對(duì)已具體描述的實(shí)施 方式進(jìn)行各種改變和更改。所有的這些改變和更改應(yīng)當(dāng)處于所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
I.一種飛機(jī)構(gòu)件，具有外部表面并且包括a.置于所述外部表面上或靠近所述外部表面布置并具有預(yù)成型件的防雷擊表面膜，所 述預(yù)成型件包括
1.具有第一面積重量密度的襯底；和 .生長在所述襯底上的多個(gè)隔開的碳納米管，所述碳納米管具有第二面積重量密度；b.其中第一面積重量密度和第二面積重量密度的總和小于大約500克/平方米；并且c.其中預(yù)成型件具有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述預(yù)成型件具有小于大約0.5歐姆/平方單 位的表面電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述預(yù)成型件設(shè)置于聚合材料內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述襯底包括多個(gè)導(dǎo)電纖維，并且其中所述碳 納米管的端部與所述導(dǎo)電纖維相連接。
5.如權(quán)利要求4所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述導(dǎo)電纖維包括碳纖維或碳納米管增強(qiáng)聚丙 烯腈碳化纖維，并且其中第一面積重量密度在大約70克/平方米至大約400克/平方米之 間。
6.如權(quán)利要求4所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述襯底是紡織物、編織物或不卷曲織物，或者 是非織造的氈墊、面紗或稀洋紗，或者紙。
7.如權(quán)利要求6所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述導(dǎo)電纖維是碳納米管，其中第一面積重量 密度在大約15克/平方米至200克/平方米之間，并且其中第一面積重量密度和第二面積 重量密度的總和小于大約300克/平方米。
8.如權(quán)利要求6所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述導(dǎo)電纖維具有大于大約6mm的長度。
9.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述襯底包括金屬篩網(wǎng)或網(wǎng)，并且其中第一面 積重量密度在大約40克/平方米至大約400克/平方米之間。
10.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述碳納米管具有大約5微米至大約100微米 的長度。
11.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述碳納米管具有大約1納米至大約200納米的直徑。
12.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，還包括沉積在襯底或預(yù)成型件上的金屬材料。
13.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)構(gòu)件，其中所述外部表面限定飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、機(jī)身、機(jī) 翼或垂直尾翼、直升機(jī)旋翼槳葉或其它直升機(jī)部件，或其組件或部分。
14.一種防雷擊表面膜，包括a.具有第一面積重量密度的襯底和生長在襯底上的隔開的多個(gè)碳納米管，所述碳納米 管具有第二面積重量密度；b.其中第一面積重量密度和第二面積重量密度的總和小于大約500克/平方米，并且 所述碳納米管基本均勻地分布在纖維上且其長度在大約1至100微米之間。
15.如權(quán)利要求14的防雷擊表面膜，其中所述膜具有小于大約1.0歐姆/平方單位的 表面電阻率。
16.如權(quán)利要求14所述的防雷擊表面膜，其中所述襯底和所述納米管設(shè)置在聚合材料內(nèi)。
17.如權(quán)利要求14所述的防雷擊表面膜，其中所述襯底包括多個(gè)包括碳纖維或碳納米 管增強(qiáng)聚丙烯腈碳化纖維的纖維，并且其中第一面積重量密度在大約70克/平方米至大約 400克/平方米之間。
18.如權(quán)利要求14所述的防雷擊表面膜，其中隔開的碳納米管生長在長度大于大約 6mm的多個(gè)碳納米管上，其中第一面積重量密度在大約15克/平方米至大約200克/平方 米之間，并且第一面積重量密度和第二面積重量密度的總和小于大約300克/平方米。
19.如權(quán)利要求14所述的防雷擊表面膜，其中所述多個(gè)碳納米管包括長度為大約5微 米至大約100微米且直徑為大約1納米至大約200納米的碳納米管。
20.如權(quán)利要求14所述的防雷擊表面膜，其中所述襯底包括紡織物或延展金屬篩網(wǎng)， 并且其中第一面積重量密度在大約70克/平方米至大約400克/平方米之間。
21.一種具有雷擊防護(hù)的飛機(jī)構(gòu)件的制造方法，所述方法包括a.提供具有外表面部的飛機(jī)結(jié)構(gòu)；b.通過提供具有第一面積重量密度的襯底并在所述襯底上生長隔開的多個(gè)碳納米管 來形成防雷擊表面膜，所述碳納米管具有第二面積重量密度；c.將防雷擊表面膜粘接到所述外表面部上以形成一外部表面部分；以及d.選擇襯底的組分和面積重量密度，并控制碳納米管的面積重量密度，以使第一面積 重量密度和第二面積重量密度的總和小于大約500克/平方米，并使其上生長有納米管的 襯底具有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻率。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，還包括以下步驟在納米管生長在襯底上之后在大約 600°C至1，800°C之間對(duì)表面膜熱處理大約0. 25至24小時(shí)。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中碳納米管的面積重量密度在大約2克/平方米至 大約100克/平方米之間，其中其上生長有納米管的襯底具有小于大約0. 5歐姆/平方單 位的表面電阻率。
24.一種復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件，包括a.聚合材料；b.至少一個(gè)層，包括織造或非織造的襯底和生長在該襯底上的多個(gè)碳納米管；和c.其中所述襯底為所述聚合材料提供結(jié)構(gòu)加固，并且其中碳納米管為復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件的 外表面提供雷擊防護(hù)。
25.如權(quán)利要求24所述的復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件，其中所述襯底和所述多個(gè)碳納米管具有小于 大約500克/平方米的組合面積重量密度。
26.如權(quán)利要求24所述的復(fù)合飛機(jī)構(gòu)件，其中所述構(gòu)件具有外部表面，所述層置于所 述表面的至少大約0. 5mm內(nèi)。
27.—種纖維增強(qiáng)復(fù)合構(gòu)件，包括樹脂基體中的碳纖維，其中所述碳纖維具有大于至少 大約6mm的長度并且包括生長在纖維上的碳納米管，并且所述碳納米管基本上均勻分布在 纖維上并具有在大約1至100微米之間的長度。
28.如權(quán)利要求27所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合構(gòu)件，其中所述構(gòu)件具有外部表面并且所述碳 纖維形成層，且所述層置于所述表面的至少大約0. 5mm內(nèi)。
29.如權(quán)利要求27所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合構(gòu)件，其中至少大約75%的所生長的碳納米管接觸另一所生長的碳納米管或處于另一所生長的碳納米管的大約5微米內(nèi)。
30. 一種飛機(jī)構(gòu)件，具有外部表面并且包括置于所述外部表面上或靠近所述外部表面 布置的防雷擊表面膜，所述膜包括導(dǎo)電碳納米管纖維的非織造的氈墊、面紗、稀洋紗或紙質(zhì) 襯底，所述纖維具有大于大約6mm的長度。
全文摘要
一種具有外部表面的飛機(jī)構(gòu)件，包括置于該外部表面上或靠近其布置的防雷擊表面膜。該表面膜包括預(yù)成型件，該預(yù)成型件包括具有第一面積重量密度的襯底和生長在襯底上的多個(gè)隔開的碳納米管，該納米管具有第二面積重量密度。第一面積重量密度和第二面積重量密度之和小于大約500克/平方米，該預(yù)成型件具有小于大約1歐姆/平方單位的表面電阻。
文檔編號(hào)B64D45/02GK102001448SQ20101027003
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者特里薩·M·克魯肯伯格, 維杰伊·V·普賈 申請(qǐng)人:羅爾股份有限公司, 豪富公司