[发明专利]复合结构的防雷方法和装置

说明书

技术领域

本公开一般涉及飞行器并特别涉及减少飞行器中组件上的电磁效应。更特别地，本公开涉及减少雷击对含有复合材料和金属组件的飞行器结构的电磁效应的方法和装置。

背景技术

复合材料在飞行器设计和制造中所占的百分比越来越大。一些飞行器可具有多于50％的由复合材料制成的主要结构。飞行器中使用复合材料来减重。减重改善了性能特征，例如有效载荷能力和燃油效率。此外，复合材料为飞行器中的各种组件提供更长的使用寿命。复合材料是由两种或更多不同的组件结合而成的坚硬、重量轻的材料。例如，复合材料可以包括纤维和树脂。纤维和树脂结合并固化从而形成复合材料。

进一步地，通过使用复合材料，飞行器的部分(portions)可以由更大的零件或部件制造。例如，飞行器的机身可以由柱状部件制造，柱状部件拼接在一起形成飞行器的机身。其它例子包括但不限于联结而形成机翼的机翼部件或联结而形成安定面的安定面部件。

特别地，碳纤维增强塑料(CFRP)材料是复合材料逐渐取代传统铝结构用于商业飞行器中的结构组件的例子。使用这些类型的复合材料是因为它们相比铝提供了更高的强度重量比。

雷击经常发生在飞行器靠近或穿越雷暴时。由于铝材料具有从雷击点(the point of attachment)高效地传导和分散雷击电流的能力，雷电击中铝制飞行器通常不会导致影响飞行器的飞行安全的损伤，但可留下烧灼斑。此外，飞行器上雷击进入和/或离开的点可在飞行器上产生凹坑或烧伤。特别地，雷击电弧可在使用紧固件使飞行器的不同结构组件结合在一起的结构中的紧固件和孔之间产生。这种电弧可导致表面缺损，该表面缺损也称作“蚀损斑”。

然而，碳纤维的电阻率比铝高近2000倍，并且存在于绝缘聚合物基体(matrix)中。因此，紧固件所在的飞行器蒙皮上，暴露表面的损伤和可能的火花的总量可以比铝制蒙皮更高。

相比铝结构，飞行器上未受保护的碳纤维增强塑料材料的损伤经常是更严重的。雷击导致的温度可加热导热性低于金属的碳纤维。如果这些材料中纤维的温度超过周围基体的热解温度，树脂将会由固体转化为受热的气体。该增压气体可导致复合蒙皮结构的分层、刺穿，并可能导致从紧固件接口和碳纤维增强塑料联结处抛出热微粒或火花。

这些类型的情况目前通过多种根据适航性和经济的结构修理的需要减少雷击损伤和降低燃料点火可能性的机制来避免。雷击损伤可导致复合材料内板层的刺穿或分层。

防雷系统用于避免雷击效应，而不影响飞行安全。这些类型的系统保证在闪电从飞行器上的进入点移动到离开点时燃料箱内燃料联接器(couplings)与液压联接器上的结构联结处不产生火花。

目前许多技术可用来保护飞行器上的这些类型的复合材料。提供某些技术以转移来自雷击点的闪电电流从而降低电流密度。在这些技术中，一类系统涉及使用共固化于复合蒙皮接合处(layup)中的铜网格，而另一类涉及使用涂在紧固件上的导电贴花(appliqué)或贴花纸(decals)。

铜网格防雷系统在紧固区域将铜箔并入到复合压板中。该类技术中，铜箔是在固化之前加到复合蒙皮的部分接合处中。铜箔接触所选的紧固件从而允许电流在紧固件之间分布并减少可能进入紧固件的电流。

相似地，导电贴花或贴花纸被设计用来转移雷电使其远离蒙皮紧固件，阻止内部电弧和火花从而最小化对碳纤维增强塑料蒙皮和子结构的损伤。这类系统在紧固件安装后使用压敏粘着剂将绝缘层带和导电层带施加于固化的复合蒙皮。在这类系统中，绝缘层带具有布置在蒙皮表面上的粘性衬背(backing)。因此，不同的导电层带可以布置在蒙皮的绝缘层上和其它区域。这些导电层带在带的背面也具有粘性衬背。

尽管这些系统提供了保护，但是仍然需要改善可靠性、工艺性和减重。

发明内容

不同的有利实施例提供用于防雷的方法和装置。在一个有利实施例中，一种方法在复合结构例如飞行器的表面上形成防雷系统。绝缘涂层在复合表面上形成，其中绝缘涂层覆盖暴露在复合表面上的金属特征部件(feature)。金属增粘剂以一定图案施加在绝缘层上和复合表面的附加区域之上，从而形成金属增粘剂层。金属涂层在金属增粘剂层上和接地特征部件之上形成，从而建立从包括金属特征部件的区域到接地特征部件的通道。

在另一有利实施例中，使用一种方法形成防雷结构。绝缘层在受保护金属特征部件之上的复合组件的表面上形成。形成具有图案的连续导电层，所述图案覆盖受保护的金属特征部件之上的绝缘层的一部分，并覆盖接地特征部件。