用于减轻边缘辉光的方法技术

用于减轻在包含碳纤维增强塑料部件的复合材料结构上的闪电雷击所导致的边缘辉光的复合材料结构和方法，其中所述复合材料结构诸如航空航天结构。一个或更多个导电涂层材料薄层被施加在碳纤维增强塑料部件的切割边缘或斜降之上以降低碳纤维增强塑料部件的复合材料层之间的层间电压电势。导电涂层材料由分散在载体介质中的导电掺杂材料制成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体涉及用于由复合材料制成的结构的闪电雷击保护，并且更具体地，涉及，这通常是在由碳纤维增强塑料制成的结构中的碳纤维的暴露末端上观察到的由闪电诱导的现象。
技术介绍
在需要优秀的强度重量比和强度硬度比的结构中的复合材料的使用已经增加。例如，在航空航天工业，复合材料正在被广泛地用于生产航空航天结构，诸如飞行器肋、翼梁、面板、机身、机翼、机翼翼盒、燃料箱和尾部组件，并由于其重量轻且坚固，因此提供燃料经济性和其他益处。通常用在航空航天工业中的一种类型的复合材料是碳纤维增强塑料(“CFRP”)。CFRP通常包含层压在一起的一个或更多个复合材料层或层片以形成板、层压件或铺层。复合材料层或层片中的每个均包含增强材料和基体材料。基体材料环绕、结合并支撑增强材料。增强材料对基体材料和CFRP提供结构强度。基体材料通常为非导电聚合物，诸如环氧树脂。增强材料通常由导电的碳纤维股线组成。如本文所使用的，术语“复合材料结构”意味着全部或部分由一个或更多个由CFRP制成的部件(即，CFRP部件)生产、制造或组装的结构，其中所述部件包括但不限于航空航天结构，诸如飞行器肋、翼梁、面板、机身、机翼、机翼翼盒、燃料箱和尾部组件。为了生产、组装、形成或制造复合材料结构，在复合材料层或层片被铺放、层压和固化后，CFRP板、层压件或铺层可以被切割或修整为期望形状或尺寸以形成CFRP部件。切割典型的CFRP板、层压件和铺层导致复合材料层中的每层内的增强材料(即，导电碳纤维)的尖端或末端变为在切割或修整边缘处暴露于环境。增强材料的尖端或末端也可以变为在CFRP部件的外部斜降(drop off)或倾斜上表面处暴露于环境。例如，CFRP部件可以被形成为第一端具有第一厚度且第二端具有小于第一厚度的第二厚度，并且在第一端和第二端之间具有过渡区域，该过渡区域具有倾斜上表面。在层压过程期间，通过在彼此的顶部铺放具有逐渐减小的长度的复合材料层，使得逐渐减小长度的复合材料层的末端形成具有向下斜坡或斜降的倾斜上表面，可以形成这种变化的厚度。这种斜降可以被定位在沿着CFRP部件的长度的任意位置处。形成斜降的复合材料层的末端可以不被基体材料覆盖，从而使得增强材料(即，导电碳纤维)的尖端或末端暴露于环境。未被基体材料覆盖的切割的或修整的边缘和斜降在这里被共同地称为“暴露的纤维表面”。碳纤维通常比在航空航天工业中传统使用的结构材料(诸如铝)具有更大的电阻。因而，使用CFRP部件制成的复合材料结构比传统使用的材料制成的结构更易于受闪电雷击的损坏，这是因为CFRP不容易导电和耗散由闪电雷击产生的200kA范围内的电流。在从闪电雷击观察到的物理现象的一种现象被公知为“边缘辉光”，其描述了其中电光与粒子或等离子体喷射的结合出现在复合材料结构中的CFRP部件的暴露纤维表面中的碳纤维尖端或末端处的情况。边缘辉光由CFRP的导电复合材料层之间的电压差导致，并通常发生在电压电势在其最大值处的由于闪电雷击的高电流密度区，诸如暴露纤维表面。当其发生在包含燃料或燃料蒸汽的区域中时边缘辉光是潜在的燃料着火源，其中所述包含燃料或燃料蒸汽的区域诸如在燃料箱中或靠近燃料管路(本文共同称之为“燃料环境”)。航空航天工业中防止边缘辉光点燃燃料环境中的燃料或燃料蒸汽的大体设计方法是屏蔽或密封暴露于燃料环境的所有暴露的纤维表面，因而屏蔽在暴露的纤维表面处的任意边缘辉光。一种方法是使用阻止辉光的传送且/或物理地包含来源于离开燃料环境的边缘辉光的喷射的粒子的不导电或绝缘材料(诸如聚硫密封剂)密封暴露的纤维表面。即，绝缘材料防止边缘辉光穿透绝缘材料并进入燃料环境。这种绝缘材料通常手工应用于两层总厚度大约0.130至0.250英寸。大约0.002英寸厚的第一层低粘度聚硫密封剂被应用并被允许固化。然后，大约0.130至0.250英寸厚的与第一层中的密封剂具有类似化学性质的第二层密封剂被应用到第一层上。这两层组合以屏蔽任意边缘辉光。防止复合材料结构中的紧固接头和CFRP部件的修整边缘周围的边缘辉光、火花和等离子体排放的另一种公知方法是将绝缘盖放置在切割边缘或紧固接头的上方。前述方法仅屏蔽或遮蔽暴露的纤维表面处的边缘辉光，但不防止、减少或消除边缘辉光。而且，这些方法是劳动密集型并需要过多的生产流程时间，这是因为制备暴露的纤维表面以用于成功的密封剂粘附所需的大量工作和与密封剂相关联的长的固化时间的原因。这些方法也因为密封剂的所需厚度和/或多层的原因而给复合材料结构添加了很大的重量，增加了飞行器燃料消耗并降低了有效载荷。因此，期望拥有一种用于减轻边缘辉光的劳动较不密集的、较少时间消耗且提供重量节约的方法。如本文所使用的，术语“减轻边缘辉光”意指减小边缘辉光的强度或消除边缘辉光强度。
技术实现思路
前述目的以及将显而易见的其他目的大体通过在复合材料结构中的碳纤维增强塑料部件的暴露纤维表面(即，切割边缘或斜降)之上施加一个或更多个导电涂层材料薄层以减小在闪电雷击期间可能存在于碳纤维增强塑料复合材料层之间的任意层间电压电势。一个或更多个导电涂层材料层被施加成大约0.001英寸至0.003英寸的总厚度以提供在通常不光滑的切割或修整边缘和斜降之上的连续覆盖。导电涂层材料具有至少大约10西门子/米(Siemens/meter)的导电率以将边缘辉光强度减小大约1/2，以及具有至少大约104西门子/米以消除边缘辉光强度。导电涂层材料是包含分散在载体介质中的导电掺杂材料的混合物。导电掺杂材料可以是固体、悬浮在液体中的固体或液体。当结合附图考虑【具体实施方式】时，本公开的其他目标、特征和优点将是显而易见的。【附图说明】为了说明本公开的前述方面和其他方面的目的，以下参考附图描述各种实施例。图1是图示说明用于制造复合材料结构的方法的步骤的流程图。图2是图示说明的步骤的流程图。图3是具有由导电涂层材料层覆盖的切割边缘的碳纤维增强塑料部件的横截面视图。图4是具有由导电涂层材料层覆盖的斜降的碳纤维增强塑料部件的横截面视图。图5是复合材料结构的图示说明。【具体实施方式】在以下【具体实施方式】中，描述了用于减轻复合材料结构中的边缘辉光的方法的各种实施例以说明本公开的大体原理，其中所述复合材料结构包含具有暴露的纤维表面(即，切割边缘或斜降)的碳纤维增强塑料(CFRP)部件。本领域技术人员应当认识到本公开可以在其他类似的应用或环境和/或结合说明性实施例的其他类似或等价变体被实行。例如，该方法可以用于具有边缘辉光风险的任意类型的复合材料，且可以使用任意类型的导电涂层材料以提供在复合材料的复合层之间的期望的导电率，只要导电涂层材料满足预期用途所需的导电率和其他性能即可。还应当注意，对于本公开的本领域普通技术人员普遍熟知的那些方法、过程、部件或功能在此不再详细描述。在所公开的方法中，一层或更多层导电涂层材料(优选地，单个薄层)被施加在CFRP部件的暴露的纤维表面之上。所述一层或更多层导电涂层材料被施加成大约为0.001英寸至0.003英寸的总厚度，优选为0.002英寸，以便在通常不平滑的暴露的纤维表面上提供连续覆盖层。所述一层或更多层导电涂层材料具有至少大约10西门子/米的导电率以将边缘辉光强度减少大约1/2，以及具有至少大约104西门子/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于减轻在复合材料结构的碳纤维增强塑料部件中的暴露的纤维表面(303)处的边缘辉光的方法，所述方法包含：在所述暴露的纤维表面之上施加导电涂层材料(308)。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：Q·N·勒，R·B·格里高尔，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US