用于減輕邊緣輝光的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及用于由復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)的閃電雷擊保護，并且更具體地，涉及用于減輕邊緣輝光的方法，這通常是在由碳纖維增強塑料制成的結(jié)構(gòu)中的碳纖維的暴露末端上觀察到的由閃電誘導的現(xiàn)象。
【背景技術(shù)】
[0002]在需要優(yōu)秀的強度重量比和強度硬度比的結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料的使用已經(jīng)增加。例如，在航空航天工業(yè)，復(fù)合材料正在被廣泛地用于生產(chǎn)航空航天結(jié)構(gòu)，諸如飛行器肋、翼梁、面板、機身、機翼、機翼翼盒、燃料箱和尾部組件，并由于其重量輕且堅固，因此提供燃料經(jīng)濟性和其他益處。
[0003]通常用在航空航天工業(yè)中的一種類型的復(fù)合材料是碳纖維增強塑料(“CFRP”)。CFRP通常包含層壓在一起的一個或更多個復(fù)合材料層或?qū)悠孕纬砂?、層壓件或鋪層。?fù)合材料層或?qū)悠械拿總€均包含增強材料和基體材料?；w材料環(huán)繞、結(jié)合并支撐增強材料。增強材料對基體材料和CFRP提供結(jié)構(gòu)強度?；w材料通常為非導電聚合物，諸如環(huán)氧樹脂。增強材料通常由導電的碳纖維股線組成。
[0004]如本文所使用的，術(shù)語“復(fù)合材料結(jié)構(gòu)”意味著全部或部分由一個或更多個由CFRP制成的部件(即，CFRP部件)生產(chǎn)、制造或組裝的結(jié)構(gòu)，其中所述部件包括但不限于航空航天結(jié)構(gòu)，諸如飛行器肋、翼梁、面板、機身、機翼、機翼翼盒、燃料箱和尾部組件。為了生產(chǎn)、組裝、形成或制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在復(fù)合材料層或?qū)悠讳伔?、層壓和固化后，CFRP板、層壓件或鋪層可以被切割或修整為期望形狀或尺寸以形成CFRP部件。
[0005]切割典型的CFRP板、層壓件和鋪層導致復(fù)合材料層中的每層內(nèi)的增強材料(即，導電碳纖維)的尖端或末端變?yōu)樵谇懈罨蛐拚吘壧幈┞队诃h(huán)境。增強材料的尖端或末端也可以變?yōu)樵贑FRP部件的外部斜降(drop off)或傾斜上表面處暴露于環(huán)境。例如，CFRP部件可以被形成為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間具有過渡區(qū)域，該過渡區(qū)域具有傾斜上表面。在層壓過程期間，通過在彼此的頂部鋪放具有逐漸減小的長度的復(fù)合材料層，使得逐漸減小長度的復(fù)合材料層的末端形成具有向下斜坡或斜降的傾斜上表面，可以形成這種變化的厚度。這種斜降可以被定位在沿著CFRP部件的長度的任意位置處。形成斜降的復(fù)合材料層的末端可以不被基體材料覆蓋，從而使得增強材料(即，導電碳纖維)的尖端或末端暴露于環(huán)境。未被基體材料覆蓋的切割的或修整的邊緣和斜降在這里被共同地稱為“暴露的纖維表面”。
[0006]碳纖維通常比在航空航天工業(yè)中傳統(tǒng)使用的結(jié)構(gòu)材料(諸如鋁)具有更大的電阻。因而，使用CFRP部件制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)使用的材料制成的結(jié)構(gòu)更易于受閃電雷擊的損壞，這是因為CFRP不容易導電和耗散由閃電雷擊產(chǎn)生的200kA范圍內(nèi)的電流。在從閃電雷擊觀察到的物理現(xiàn)象的一種現(xiàn)象被公知為“邊緣輝光”，其描述了其中電光與粒子或等離子體噴射的結(jié)合出現(xiàn)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的CFRP部件的暴露纖維表面中的碳纖維尖端或末端處的情況。邊緣輝光由CFRP的導電復(fù)合材料層之間的電壓差導致，并通常發(fā)生在電壓電勢在其最大值處的由于閃電雷擊的高電流密度區(qū)，諸如暴露纖維表面。當其發(fā)生在包含燃料或燃料蒸汽的區(qū)域中時邊緣輝光是潛在的燃料著火源，其中所述包含燃料或燃料蒸汽的區(qū)域諸如在燃料箱中或靠近燃料管路(本文共同稱之為“燃料環(huán)境”)。
[0007]航空航天工業(yè)中防止邊緣輝光點燃燃料環(huán)境中的燃料或燃料蒸汽的大體設(shè)計方法是屏蔽或密封暴露于燃料環(huán)境的所有暴露的纖維表面，因而屏蔽在暴露的纖維表面處的任意邊緣輝光。一種方法是使用阻止輝光的傳送且/或物理地包含來源于離開燃料環(huán)境的邊緣輝光的噴射的粒子的不導電或絕緣材料(諸如聚硫密封劑)密封暴露的纖維表面。即，絕緣材料防止邊緣輝光穿透絕緣材料并進入燃料環(huán)境。這種絕緣材料通常手工應(yīng)用于兩層總厚度大約0.130至0.250英寸。大約0.002英寸厚的第一層低粘度聚硫密封劑被應(yīng)用并被允許固化。然后，大約0.130至0.250英寸厚的與第一層中的密封劑具有類似化學性質(zhì)的第二層密封劑被應(yīng)用到第一層上。這兩層組合以屏蔽任意邊緣輝光。防止復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的緊固接頭和CFRP部件的修整邊緣周圍的邊緣輝光、火花和等離子體排放的另一種公知方法是將絕緣蓋放置在切割邊緣或緊固接頭的上方。
[0008]前述方法僅屏蔽或遮蔽暴露的纖維表面處的邊緣輝光，但不防止、減少或消除邊緣輝光。而且，這些方法是勞動密集型并需要過多的生產(chǎn)流程時間，這是因為制備暴露的纖維表面以用于成功的密封劑粘附所需的大量工作和與密封劑相關(guān)聯(lián)的長的固化時間的原因。這些方法也因為密封劑的所需厚度和/或多層的原因而給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)添加了很大的重量，增加了飛行器燃料消耗并降低了有效載荷。
[0009]因此，期望擁有一種用于減輕邊緣輝光的勞動較不密集的、較少時間消耗且提供重量節(jié)約的方法。如本文所使用的，術(shù)語“減輕邊緣輝光”意指減小邊緣輝光的強度或消除邊緣輝光強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]前述目的以及將顯而易見的其他目的大體通過在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的碳纖維增強塑料部件的暴露纖維表面(即，切割邊緣或斜降)之上施加一個或更多個導電涂層材料薄層以減小在閃電雷擊期間可能存在于碳纖維增強塑料復(fù)合材料層之間的任意層間電壓電勢。一個或更多個導電涂層材料層被施加成大約0.001英寸至0.003英寸的總厚度以提供在通常不光滑的切割或修整邊緣和斜降之上的連續(xù)覆蓋。導電涂層材料具有至少大約10西門子/米(Siemens/meter)的導電率以將邊緣輝光強度減小大約1/2，以及具有至少大約104西門子/米以消除邊緣輝光強度。導電涂層材料是包含分散在載體介質(zhì)中的導電摻雜材料的混合物。導電摻雜材料可以是固體、懸浮在液體中的固體或液體。當結(jié)合附圖考慮【具體實施方式】時，本公開的其他目標、特征和優(yōu)點將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0011]為了說明本公開的前述方面和其他方面的目的，以下參考附圖描述各種實施例。
[0012]圖1是圖示說明用于制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的方法的步驟的流程圖。
[0013]圖2是圖示說明用于減輕邊緣輝光的方法的步驟的流程圖。
[0014]圖3是具有由導電涂層材料層覆蓋的切割邊緣的碳纖維增強塑料部件的橫截面視圖。
[0015]圖4是具有由導電涂層材料層覆蓋的斜降的碳纖維增強塑料部件的橫截面視圖。
[0016]圖5是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的圖示說明。
【具體實施方式】
[0017]在以下【具體實施方式】中，描述了用于減輕復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的邊緣輝光的方法的各種實施例以說明本公開的大體原理，其中所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包含具有暴露的纖維表面(即，切割邊緣或斜降)的碳纖維增強塑料(CFRP)部件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當認識到本公開可以在其他類似的應(yīng)用或環(huán)境和/或結(jié)合說明性實施例的其他類似或等價變體被實行。例如，該方法可以用于具有邊緣輝光風險的任意類型的復(fù)合材料，且可以使用任意類型的導電涂層材料以提供在復(fù)合材料的復(fù)合層之間的期望的導電率，只要導電涂層材料滿足預(yù)期用途所需的導電率和其他性能即可。還應(yīng)當注意，對于本公開的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員普遍熟知的那些方法、過程、部件或功能在此不再詳細描述。
[0018]在所公開的方法中，一層或更多層導電涂層材料(優(yōu)選地，單個薄層)被施加在CFRP部件的暴露的纖維表面之上。所述一層或更多層導電涂層材料被施加成大約為0.001英寸至0.003英寸的總厚度，優(yōu)選為0.002英寸，以便在通常不平滑的暴露的纖維表面上提供連續(xù)覆蓋層。所述一層或更多層導電涂層材料具有至少大約10西門子/米的導電率以將邊緣輝光強度減少大約1/2，以及具有至少大約104西門子/米以消除邊緣輝光強度。
[0019]導電涂層材料在暴露的纖維表面處形成橋接以電連接在CFRP部件的復(fù)合材料層或?qū)悠械拿總€內(nèi)的碳纖維材料的尖端或末端。這種橋接促進了在復(fù)合材料層之間的電流流動并降低了復(fù)合材料層之間的層間電壓電勢，從而減輕邊緣輝光。例如，通過降低在復(fù)合材料層的暴露的纖維表面中的碳纖維的末端或尖端之間存在的層間電壓電勢，具有大約10西門子/米的導電率的大