[发明专利]用于最小化雷击影响的光谱选择性涂层及相关方法

说明书

技术领域

本专利申请涉及用于阻止等离子破坏和退化的涂层和方法，并且更具体地涉及用于将经得起雷击和暴露于类似的等离子的能力给予衬底的涂层和相关方法。

背景技术

碳纤维增强塑料(“CFRP”)材料逐渐地用于代替铝形成商用飞机的蒙皮壁板(skin panels)和结构组件。由于碳纤维复合材料所提供的较高的强度-重量比，与铝相比，CFRP材料是有优势的。然而，CFRP材料似乎比铝材料对于来自雷击的灾难性破坏(catastrophic damage)更敏感。

CFRP材料中与典型雷击相关的缺陷似乎是由高温驱动的。当受到雷击时，复合材料中的碳纤维变为非常热。该温度可以超过树脂的气化温度(pyrolization temperature)，使树脂从固体转变为气体。内部气压的相应增加通过分层和可能地击穿下层系统或结构造成对结构的破坏。该高温还能够引起对纤维的永久性破坏，导致纤维直径的膨胀。与材料热膨胀系数结合的局部加热也影响破坏。与雷击有关的撞击力起源于声学、电磁学和气体学。这些力在相应高温下能够超过材料拉力强度极限。

电流解决方法使用电通路有效传导并分配电流，努力地远离闪电附着地带以避免火花。这些电通路整合到CFRP材料设计中，例如在外部漆层(例如，聚氨酯(polyurethane)层)下面。然而，尽管使用设计良好的电通路传导电流，仍旧观察到实质上的结构破坏。

因此，本领域技术人员继续寻找用于避免由雷击引起的结构破坏的新技术。

发明内容

在一个方面，本发明公开的用于减少由衬底和等离子之间相互作用引起的对衬底的结构破坏的方法可以包括的步骤有：确定等离子的光谱辐射率处于峰值的波长，其中该波长是等离子的温度的函数；制备能够给予衬底在围绕波长的光谱波段上的阈值电磁反射率的涂层和将涂层施加到衬底。

在另一个方面，本发明公开的用于减少由衬底和雷击之间接触所引起的对衬底的结构破坏的方法可以包括以下步骤：制备能够给予衬底在真空紫外光谱中的阈值电磁反射率的涂层和将该涂层施加到衬底。

本发明公开的用于最小化雷击影响的光谱选择性涂层及其相关方法的其他方面从下列描述、附图和权利要求中会显而易见。

附图说明

图1是黑体模型(black body modeling)辐射能的光谱辐射率随波长和温度变化的图解说明；

图2A是具有0.2的辐射加热吸收系数的衬底的外表面和内表面温度随时间变化的图解说明；

图2B是具有0.1的辐射加热吸收系数的衬底的外表面和内表面温度随时间变化的图解说明；

图3A是对于不同闪电等离子温度的有效紫外吸收率随波长变化的图解说明；

图3B是对于不同表皮温度的有效红外发射率随波长变化的图解说明；

图4是对不同金属的等离子波长的图解说明；

图5A是用包含球状颜料的光谱选择性涂层涂覆的衬底的示意横断面图；

图5B是用包含片状颜料的光谱选择性涂层涂覆的衬底的示意横断面图；

图6是光谱和接近20000K等离子的厚铝层的净余反射率的图解说明；

图7是对置于20000K等离子和CFRP衬底之间的铝层的净余反射率(net reflectivity)随厚度变化的图解说明；和

图8是按照本发明的一个方面的具有光谱选择性涂层的CFRP衬底的方框图。

具体实施方式

闪电对衬底具有直接和间接影响。具体地，现在已经发现除了其他的直接影响之外，例如电阻式加热、电磁和声学力和电火花，辐射加热具有显著的直接影响。间接影响包括导线束和航空电子装置收到的强的电磁脉冲(EMP)、束缚电荷和感生电压。

通常的闪电(lightning)直接影响保护提供了这样的衬底(例如，飞机的外部结构)，其能够经得起在高达200000安培电流闪电等离子的初始和随后附着而没有有害后果。通常的闪电直接影响保护也可以保证随着电流在闪电附着和出口点之间传输，在结构结点或者在燃料和液压耦合器上没有火花发生。