[发明专利]赋予复合制品制造及其材料中所用的材料导电性的方法

说明书

技术领域

用于复合制品的导电性材料。

背景技术

用于制造航空业中的构成部件的材料必须具有一定特征以免部件因常见的环境事件而遭受损伤或危害。闪电，作为常见环境事件的实例，若此类部件导电性不足并且未通过航空器接地，则可严重损伤和/或击穿构成部件。若在飞行时闪电击中航空器的机翼部件，该事件可能产生危险的冲击电流，还可能造成部件本身的严重物理损伤。冲击电流特别令人担心，因为它最终可能接触燃油箱而造成爆炸。因被闪电击中造成实际致命的坠机，Federal Aviation Administration(FAA)实施了根据被闪电击中的概率和严重性为商业航空器划分不同区的系统。因此，关键是，制造此类构成部件以赋予防止或减轻闪电袭击造成的损伤的特征等。

电磁干扰(EMI)是航空业中复合部件的另一个电学问题。EMI波由可导致电瞬变而引起燃料系统的电布线和探针中能量水平过高的电磁场组成。防止和/或减少这些事件的方法是添加屏蔽材料以吸收或反射冲击性辐射。在对这些事件没有适当屏蔽的情况下，所述波可干扰航空器的电子设备和航空电子设备运行，乃至造成燃料箱着火。已表明，吸收损耗与屏蔽材料的厚度、导电性和磁导率成比例。常规的屏蔽方法包括由铸造金属板和具有导电性填充料或涂层塑料制得的外罩。

静电放电(ESD)是航空业中复合部件的又一问题。ESD是因直接接触或者静电场而在电势不同的两个物体之间产生的突然的瞬时电流。非导电性材料、油漆、塑料具有绝缘性，因此易于积累静电荷。必须控制所得的电荷以保护航空器电子器件和燃料箱。常规的ESD方法包括向材料例如碳纤维添加具有静电消除特征的纤维，或者在航空器部件的顶端附加芯和/或棒。

通过摩擦材料带有静电荷。飞机仅仅通过空气就带有电荷。经过降水(云或雨)的飞行增大电荷累积，因为有更多的材料接触。静电荷一般在海平面的略具导电性的空气中放电，还在湿度较高的空气中放电。但是，湿度低于20%和/或在海拔较高处的空气是不良导体。后者允许静电荷在航空器表面特别是在复合航空器的那些表面上累积，其中电荷不易移动。在结构上累积的电荷产生随着电荷量增大而增大的电压。在金属结构上，由于金属导电性均一，此电压在每处都相同。但是，在材料结构上，电压可不同。继而此电压产生电场，在诸如机翼顶端、螺旋桨顶端、后缘以及喷气发动机叶片的顶端和边缘等曲率呈锐角的区域最强。累积的电荷要移动，同性电荷相斥，异性电荷相吸。最终，空气与结构之间的电荷差异变得很大以至放电需要占主导，从而将过量电荷大批“释放”入大气中。静电荷累积可在云内或者在带电荷的大气条件下引发闪电。

同时，为了使航空器在不使用过量燃料的情况下实现设计的距离而且克服其本身的重力飞行，必须以一定的重量要求为目标制造如此的构成部件。此外，必须以对抗常见环境事件的损伤为目的制造此类构成部件。对于复合材料而言，此特征通常表述为“韧性”。因此，在此类部件的制造过程中，必须就损伤容许极限和对常见环境事件的抵抗性同时保持这些构成部件的可行的重量的问题进行极小心的评价。在制造过程中利用各种方法来达到此平衡。

在航空业中，给予构成部件闪电袭击保护的常规方法是将多孔的铝、铜、钛或青铜网、筛或箔，或者纺织网织物加入复合部件中。虽然这样的网通常有效用作闪电袭击保护，但是许多这些多孔的网/筛难以进行生产和修理操作。此外，它们通常需要分隔材料(例如玻璃纤维分隔层片)以防止在其它材料特别是具有碳复合结构的铝存在下发生不期望的电化学腐蚀。此外，当大量使用时，多孔的网/筛非常重，并可显著增加整个部件的重量，由此降低航空器的效率。

给予闪电袭击保护的另一种方法是将敷以金属的碳纤维材料加入复合部件中。通常利用无电镀法使碳纤维敷以镍、钯、锡、铜或其组合。这些敷以金属的纤维而后可被制成均一的无纺材料。将具有敷以金属的纤维的无纺材料加入复合部件中，有效地替代以其他方式为充分闪电袭击保护所需的金属网/筛。据报告，含有其中具有敷以金属的纤维这样的无纺材料的复合部件具有金属含量为约60-100g/m²(gsm)的金属。其它报告描述金属重量含量为10%-65%的6K(6000股长丝)-80K(80,000股长丝)碳丝束。敷以金属的薄毡(veil)材料由与非导电性树脂(例如PVA)稀松粘合在一起的敷以金属的纤维制成。因此，就航空器的效率而言，整个复合材料的重量仍然造成问题。此外，无电镀法出现制造问题，例如，电镀废料流及制造成本较高。

发明内容