用於飛行器外部防護的環境穩定的混合織物系統的製作方法

2023-05-02 02:39:46

專利名稱：用於飛行器外部防護的環境穩定的混合織物系統的製作方法
技術領域：
本發明基本上涉及飛行器外部塗層、層、表面和複合結構。更具體地說 說，本發明涉及用於飛行器外部防護系統，該系統提供耐腐蝕性、耐雨水侵 蝕性、環境耐用性、結構性能以及電磁防護包括雷擊防護。
背景技術：
傳統上，為了防護雷擊，飛行器方法在機身金屬主體整體上包括低阻抗 路徑，以耗散電能。金屬化纖維增強結構材料沿著複合元件外表面使用，提 供介質來快速耗散能量。其中一些目前的雷擊防護結構，雖然適合用在航空 器和一些飛行器上，但是不適合用在頻繁使用的飛行器上。這是因為商用飛
行器經受嚴酷且持續的壓力、溼度和溫度環境變化，以及受到與這些變化有 關的不同的成本和維護制約。
測試證明，在頻繁使用(high use)的商用飛行器操作條件下，特定的 雷擊防護結構易於遭受基材微裂紋和面材裂紋，使得它們更容易被腐蝕和被 紫外線降解。微裂紋有時稱為"編織電傳(weave telegraphing )，，。編織電傳 指代(a)面材的視覺不規則性呈現表面的底層編織圖案的樣子；(b)所述 圖案在服務中變得更為突出；(c)以及形成基材和/或塗料面材裂紋並且擴 展。所述微裂紋易於形成，歸因於重複且極端的溫度、溼度和壓力波動。微 裂紋發生的原因在於許多因素，包括源於熱膨脹係數差異以及複合結構中部 件之間交界粘結不良而導致的內應力。
微裂紋可能延伸到可見的塗料層，這樣可能導致外觀老化且增加維護和 檢查時間和成本。增加維護諸如修補塗料，並不僅僅為了外觀，而且還指出 何時需要重新施加塗料來防止底層有機材料的紫外線降解。增加檢查不僅僅 為了監測腐蝕，而且還用來保證微裂紋沒有對結構完整性產生不良影響。因 此，對於長期用於商業環境來說，這種結構並不總是能節約成本。
一種雷擊防護結構包括基材層、金屬網格屏蔽件和非結構外膜，該外膜 可以用材料諸如玻璃或聚酯進行加強。所述網格可以是通常膨脹的穿孔金屬件、金屬編織織物或無序襯墊。根據金屬和基材，額外的非結構預浸漬層可
以用於電流隔離(galvanic isolation ),以避免基體基材和金屬網格之間的腐 蝕。雖然這種結構提供了希望的雷擊防護性能，但是其沒有帶來結構優勢， 並且通常包含多個非結構層。因此，這種結構本身耗費勞動力並且生產成本 較高。包裹所述網格以防止腐蝕並提供光滑表面所需的樹脂重量可能超過金 屬網格的重量，因此較重。而且，網格系統可能易於發生微裂紋。
另一種防護結構方案是在複合材料上採用整體(solid)金屬件。這種結 構也較重，而且在作為整體膜共同固結或者作為噴塗件施加到固結元件時， 難於處理到不帶生產缺陷，諸如空隙。噴塗處理諸如鋁焰噴塗，因要求航線 設施處具有通常不具備的合格人員以及設備而增加了複雜性。
因此，飛行器需要一種改進的雷擊防護結構，其不存在上述劣勢，並提 供耐腐蝕性、耐雨水侵蝕性、環境耐用性、結構性能以及電磁防護包括希望 的雷擊防護特性。

發明內容
通過將具有載體的受載表面料結合(unite)到混合預浸漬基材，本發明 的一種實施例為飛行器提供了 一種形成外部表面防護層的方法。所述混合預 浸漬基材包括帶有集成導電部件的碳纖維，所述導電部件結合到基體基材。 所述受載表面料和所述混合預浸漬基材同時固結，包括交界粘結所述受載表 面料和所述混合預浸漬基材之間的材料。如果與基體基材共同固結，則可以 降低加工成本。
上述實施例的混合基材提供改進的結構耐用性以及電磁防護性。不會出 現與該混合基材有關的額外電磁防護成本，因為防護能力集成到其結構混合 預浸漬體中。
本發明的實施例提供若干優勢。所述優勢其中之一是在混合織物基材上 使用無機填料加載的表面料，它們在固結時摻雜。所述混合織物基材提供了 希望的雷電防護性，同時受載表面料和混合織物基材相結合，提供了希望的 結構支撐性和環境防護性。使用受載表面料抑制了腐蝕和微裂紋兩者，因此 改善了耐久性。
本發明實施例提供的另 一項優勢在於，將受載表面料均勻分布在混合預 浸漬基材表面上，並將所述表面料交界粘結到所述基材。具有載體和填料的所述表面料補償了因設計或工具特徵導致的壓力差異，否則所述差異將促使
分區(mark-off)並導致表面料厚度變化較大。這有利於防止最終會導致微 裂紋和塗料裂紋的編織電傳。上述優勢相結合提供了一種防護結構，該防護 結構能經受合格測試以及頻繁使用的商用飛行器操作環境。
參照以下詳細說明，結合附圖一起考慮，本發明本身，連同進一步的目 標和附帶的優勢將得到最好的理解。
根據附圖以及附帶的權利要求書審視時，本發明其他特徵、益處以及優 勢將會從以下本發明的說明中變得明顯。


為了更為全面地理解本發明，現在討論附圖中更為詳細圖示以及藉助本
發明的示例在以下說明的實施例，其中
圖l是飛行器透視圖，包含根據本發明實施例的樣品外部織物防護系統；
圖2是圖1所示樣品外部織物防護系統的側視封閉截面圖；和
圖3是邏輯流程圖，圖示了根據本發明實施例的外部織物防護結構形成方法。
具體實施例方式
經過測試，已經確定高度使用的飛行器操作條件下，包含帶金屬導線的 碳纖維的雷擊防護結構易於遭受基材微裂紋和面層裂紋，其中所述的金屬導 線設置在環氧樹脂中。本發明克服這種問題，並在以下詳細說明。雖然本發 明主要參照形成飛行器外部防護結構進行說明，但是本發明可以應用並適配 到各種應用場合。本發明可以應用到航空領域、電力領域、航海領域、鐵路 領域、自動車輛領域、醫療領域和商業與住房領域，這些場合希望具有耐用 的雷擊防護結構，其展現出最小限度編織電傳或不存在編織電傳，尤其是在 考慮重量或勞動力成本的時候。另外，也考慮了其他各種實施例，它們具有 以下所述本發明特徵的不同組合，具有除本文所述之外的特徵，或者甚至缺 少一個或多個所述特徵。因此，應該理解，本發明可以以其他各種適當方式 實施。
在以下說明中，各種操作參數和部件說明用於一種構造實施例。所述具 體參數和部件作為示例包括在內，且並不作為限制。另外，在以下說明中，術語"部件"指代人工製品(artifact),該人工 製品是構成複合整體的其中一個特定部分。部件可以指代可以從系統上分離 或可以連接到系統的元件，系統或組件的一部分，或本領域已知的其他元件。
此外，術語"表面"指代人工製品的外邊界，或組成或類似該邊界的材 料層。表面不僅可以包括材料外邊緣，而且可以包括材料最外側的部分或層。 表面可以具有厚度，並包括各種顆粒。
現在參照圖1,示出了飛行器IO的透視圖，該飛行器包含本發明實施例 的樣品外部織物防護系統12。防護系統12提供布滿飛行器10外部14的結 構支撐。防護系統12施加在飛行器元件上，諸如飛行器10機身16和尾部 或機翼18，用來防護雷擊並抵禦其他環境條件。防護系統結合機身16可以 認為是飛行器IO的主要支撐結構。防護系統12包括多個層20，它們在以下 詳細i兌明。
現在參照圖2，示出了本發明實施例防護系統12的側視封閉截面圖。防 護系統12包括基體基材30。混合預浸漬織物基材32設置在基體基材30上 方並耦接到基體基材。受載表面料膜52設置在混合基材32上方並耦接到混 合基材。面材或面層36，諸如噴塗的表面料、銷孔填料、底漆料和塗料外塗 層，可以施加在受載表面料52上。儘管對於基體基材30、混合基材32和受 載表面料52每一個示出了特定的層數，但是可以採用任何層數。換句話說， 雖然示出了一層塗料層、 一層受載表面料層、 一層混合預浸漬基材層和四個 基體基材層，但是各自可以使用任何數目。例如，額外的混合基材層可以用 來改善性能。
基體基材30可以是複合機構，包括多個結構支撐層38。結構支撐層38 可以由碳纖維/環氧等形成，並呈帶材或織物形式。結構支撐層38可以具有 各種安放角度。例如，每個相鄰層，諸如層40、 41和42,可以具有取向不 同的單向碳帶材，諸如0。、 +45。和90°，從而增加基體基材30的結構性能以 及總體耐用性。基體基材30是飛行器元件的內部部分。飛行器元件可以是 層壓件、夾層結構或這兩者相結合的結構，並由各種金屬或非金屬材料形成。 儘管在本發明所預想的一種實施例中，基體基材30施加到碳/環氧複合機身， 但是基體基材30也可以施加到本領域已知的各種材料形成的某些其他複合 或混合元件上。
混合基材32包括碳纖維44、以導線48形式集成到碳中的金屬、和環氧樹脂46。圖2示出了一條導線49周圍的樹脂富集區域47，但是實際上環氧 設置在整個混合基材32中。混合基材32可以呈現交織導線織物(IWWF ) 形式，如圖所示，或者類似形式。纖維44A示於混合基材32的碳拖帶(tow) 中，且垂直於導線48延伸。示出碳拖帶44B平行於導線48延伸。纖維44A 和碳拖帶44B—起形成IWWF53。雖然導線48示出沿著單個方向延伸，但 是它們也可以沿著其他方向延伸。
術語"IWWF"指代通常編織成平坦編織物的碳纖維，但是也可以使用 其他編織形式。平坦編織物的每條拖帶包含導電部件或導線，諸如其中一條 導線48。在所示實施例中，導線48具有直徑D約為0.004英寸的截面。 IWWF53不包括離散金屬屏蔽件，也不包括金屬編織物或具有延展的金屬箔 層的結構。IWWF53是混合織物，帶有作為集成部件包含於其中的金屬導線。 IWWF53可以承受載荷，與包含金屬網格或箔片的更為常見的雷擊防護結構 不同。可以4吏用的示例IWWF是^Vashington， Tacoma, Toray Composites (America)生產的IWWF環氧預浸漬體FL6676G-37E，包含中等模量的高 強度碳纖維。IWWF53可以具有約112ksi的拉伸強度和10MSI的拉伸模量， 如果在碳重量約為50%-70%的基礎上，以30%-50%的環氧樹脂含量的IWWF 預浸漬體製造的話。另一種用來形成混合基材32的示例是將California, Dublin的Hexcel Corporation製造的AS-4碳纖維與California, Anaheim的 Cytec Engineered Materials Inc.製造的材料編號No. 977環氧相組合。
混合基材32中的纖維可以是各種碳類型。當然，也可以使用其他纖維、 織物類型、金屬和樹脂等，只要它們具有類似於前述的特徵即可。
混合基材32可以預浸漬，更常稱為"預浸漬體"，或可以是幹混合織物 產品，帶有作為生產過程的一部分諸如樹脂轉移模製或樹脂注入而添加的環 氧樹脂。幹混合織物產品的一種示例是HexcelCorporation生產的AS-4碳纖 維。混合織物基材主要是耦接到基體基材的碳織物，帶有百分比較小的金屬 或其他高導電性材料。本文所述混合基材32的導電部件可以表現為包含在 大約每條碳拖帶44B內的連續金屬導線形式，但是並非限於這種形式或材 料。金屬/碳/樹脂的比率取決於部件類型和服務環境。所用樹脂的量保持在 預定範圍內以防止微裂紋，並保持孔隙率水平低於約2%而且提供希望的結 構完整性。所用的量可以藉助超聲檢查設備進行測量。微裂紋和孔隙率水平 設定了該範圍的下端。所希望的結構完整性設定了該範圍的上端。與金屬網格不同，混合基材32提供結構優勢，而不僅僅是電磁防護。 與提供電磁防護包括雷擊防護、屏蔽防護以及靜電防護有關的混合基材重量 降低，因為金屬成分的量減少。
混合基材32或上述IWWF可以包括導線，所述導線由磷青銅、鋁、鎳
由這些材料組合形成。鋁或其他類似材料因密度、導電性和熱學特性，所以 可以用於改善防雷擊性能。另一方面，不鏽鋼等可以用來改善耐腐蝕性。為 給定應用場合形成防護結構時，成本、實用性、腐蝕敏感性、內應力包括來
一些參數。混合基材32為飛行器IO提供額外的結構支撐，並可以用作主支 撐結構的一部分。混合基材32可以替代基體基材30或結構支撐層38的一 部分。因此， 一般來說，混合基材32減小了基體基材30的厚度和重量、減 少生產基體基材30的時間和成本以及降低了飛行器10的總重量。
受栽表面料52以諸如二氧化鈦的無機填料(未示出)進行加載。無機 填料和載體，由虛線51表示，位於有機環氧樹脂50中。可以由包括鍛制二 氧化矽和氧化鋁以及本領域已知的其他填料或這些材料的相組合的無機填 料來加載環氧50。載體51可以表現為聚酯襯墊(mat)、碳纖維襯墊、玻璃 襯墊、金屬化村墊等形式。導電載體的量可以增大，以改善防雷擊彈性。有 機環氧50是相容性的，直到大約介於250。F-350。F的固結溫度。固結後，在 導線48上，厚度T約為0.004英寸時，受載表面料52的重量範圍大約介於 0.02-0.06磅每平方英尺(lb/ft2)之間。根據IWWF或類似材料的樹脂含量 以及流動特性以及工具裝備(tooling fit-up )成比例調節受載表面料52的重 量，以確保導線和外表面之間有足夠量的表面料，並且在頻繁使用的商用飛 行器環境中，確保具有長期耐用性。可以使用的受載表面料示例是Cytec Engineered Material Surface Master 905，其標稱重量為0.03251b/ft2。受載表面 料52提供適合塗刷底漆和塗料的表面。
類似於圖2的微觀照片揭示了表面料局部穿過混合基材32,下到基體基 材。受載表面料52經過選擇，以使混合基材32中的導電部件44可以經過 受載表面料52和其上的任何塗料層揮發，用於最大限度的防護。
歷史上，沒有使用表面料，因為它們容易使防護結構的防雷擊性能變差。 但是，本文所述的摻雜技術連同IWWF的使用，提供了滿足防雷擊要求的防護結構。受載表面料52的厚度T根據雷擊防護量以及希望的其他環境防護 量進行調節。環境防護量，諸如耐雨水侵蝕量、耐腐蝕量以及總體耐用性與 雷擊防護量此消彼長。 一般來說，受載表面料52越厚，防雷擊性能越差， 但是環境防護性能越好，反之亦然。延續以上示例的內容，使用Surface Master 905的0.03251b/ft2型號的表面料，結合樹脂含量約為40%的混合預浸漬基材， 具有包含約196克/米2的碳和約63克/米2的金屬的幹坯料，對於通常飛行 器結構來說，能防止最初雷擊接觸造成的擊穿。通常飛行器結構是具有標準 生產面材並經測試達到飛行器認證所需水平的結構，從而滿足聯邦航空管理 規定(FAR)第25部分。防護系統12耐用並可以承受與商用飛行器包括諸如頻繁使用的大型商 用飛行器有關的環境循環。在批准投入商業使用之前，飛行器外部部分接受 嚴格的測試，以模擬商業使用。其中一些測試包括讓部件承受較大的溫度、 適度和壓力極限變化。例如，測試樣品可能在約120。F下暴露於95%的溼度 水平並持續數小時，並且可能經受4000次或更多次介於約65。F至165下之 間的溫度波動循環，以證明商用可行性。這種測試可能包括在地-空-地艙中 進行數千次循環，以模擬其極限對應於飛行剖面圖(flight profile )的壓力、 溼度和溫度的變化。現在參照圖3,示出了根據本發明實施例，形成諸如系統12的外部織物 防護結構或系統的方法的邏輯流程圖。雖然以下步驟主要針對圖2的實施例 來說明，但是這些步驟可以經過簡單改動而適用於本發明其他實施例。在步驟100中，具有載體的受載表面料，諸如受載表面料52和載體51, 施加到模具中。該模具可以是各種類型、樣式、形狀和尺寸，取決於需要形 成的部件或結構。在步驟102中，混合預浸漬基材，諸如帶有碳織物44和 金屬48的混合基材32，施加到所述加載表料上。在一種實施例中，所述預 浸漬基材是IWWF，如上所述。在步驟104中，基體基材，諸如基體基材30， 施加到所述預浸漬基材。在所述示例中，所述基體基材表現為預浸漬體形式 並共同固結。但是，基體基材層可以預成形並在施加預浸潰基材之前固結或 者之後固結。但是，根據所用的共同結合技術，性能可能不同。以下的步驟106-110類似於步驟100-104,但是以相反順序執行。在步 驟106中，基體基材施加到預浸漬體形式的模具中。基體基材層可以預成形 並在施加到工具中或者或插入工具之前固結或者之後固結。在步驟108中，具有碳織物和諸如導線的集成導電部件的混合預浸漬基材，施加到所述基體 基材。在步驟110中，包括載體的受載表面料施加到所述混合預浸漬基材。在步驟112中，所述受載表面料、所述預浸漬基材以及所述基體基材固 結，以形成所述防護結構。包括所述受載表面料、所述混合預浸漬基材以及 所述基體基材的所述模具置於高壓釜(autoclave)等中並烘乾。對於本示例， 所述高壓釜中的溫度大約介於245-355。F之間。所用固結溫度低於混合基材 中導電部件或導線的熔化溫度，以防止所述導線熔化。所述模具置於高壓釜 中的時間長度取決於所用材料的固結特性。在固結過程中，所述受栽表面料 交界粘結到所述混合預浸漬基材，而不是所述受載表面料全部保持在預浸漬 基材頂部。受載表面料和預浸漬基材中的材料或樹脂混合在一起並固結，從 而彼此交界粘結。此外，所述受載表面料使得在加熱時，其均勻分布並通過模具和/或預浸 漬基材固結，以形成具有特定厚度諸如厚度T的單個連續層。這樣保證了預 浸漬基材中的導線諸如導線48被受載表面料覆蓋。在示例實施例中，所用 受載表面料固結到厚度約為0.004英寸。所述受載表面料可以在局部區域向 下延伸到基體基材。表面料中的樹脂與混合織物基材中的樹脂在固結過程中 摻雜，同時將足量的表面料層成分保持在導電部件頂部，提供了希望的環境 耐用性。在步驟114中，通過固結所述受載表面料、所述預浸漬基材和所述基體 基材形成的防護結構或系統在固結後從模具中取出。根據應用場合，上述摻雜表面料的方案對於強度較高或模量較高的碳類 型來說，特別是對那些以易於發生微裂紋的樹脂浸漬的碳類型來說，特別具 有優勢。上述步驟意在圖示示例，所述步驟可以依次、同步或同時實施，或 者根據應用場合以不同的順序實施。當然所述系統和所執行步驟的一部分可 以手動實現，或者不用特定的設備或機械。本發明為形成雷擊防護系統提供了成本節約和高效的系統和方法。本發 明重量輕、設計簡單、防腐蝕並且耐用。因此，本發明延長了飛行器和相關 外部部件的使用壽命並降低了維護成本。雖然針對一種或多種實施例說明了本發明，但是應該理解，已經說明的 具體機構和技術僅用於圖示本發明的原理，在不背離附帶的權利要求書限定 的精神和範圍的條件下，可以對所述方法和裝置進行許多改動。
權利要求
1.一種為飛行器形成外部表面防護結構的方法，包括將包括載體的受載表面料結合到混合預浸漬基材；將包含帶有集成導電部件的碳纖維的所述混合預浸漬基材結合到基體基材；和固結所述受載表面料和所述混合預浸漬基材，包括交界粘結所述受載表面料和所述預浸漬基材之間的材料。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述固結包括將所述受載 表面料均勻分布在所述預浸漬基材上，以形成覆蓋所述碳纖維中多條導線主 要部分的層。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述固結包括將所述受載 表面料均勻分布在所述預浸漬基材上，以形成厚度約為0.004英寸的層。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述固結包括在大約介於 250至35(TF之間的溫度下供幹所述受載表面料和所述預浸漬基材。
5. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述結合所述預浸漬基材 包括將交織導線織物結合到所述基體基材。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述結合所述混合預浸漬 基材包括將編織到碳織物中並以環氧浸漬的碳纖維結合到所述基體基材。
7. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述結合所述預浸漬基材 包括施加不帶金屬屏蔽件的交織導線織物。
8. —種用於飛行器外部的防護織物系統，包括 基體基材；混合預浸漬基材，其包括帶有集成導電部件的碳織物，並且耦接到所述 基體基材，其中所述集成導電部件具有金屬導電性範圍內的導電性；和 受載表面料，其包括載體，且交界粘結到所述預浸漬基材。
9. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述基體基材包括多個結 構支撐層。
10. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述混合預浸漬基材包括 從碳纖維、預浸漬體和帶樹脂的幹混合織物中選擇的至少一種材料。
11. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述預浸漬基材是交織導 線織物。
12. 如權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述交織導線織物包括以環氧浸漬的平坦編織物。
13. 如權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述交織導線織物包括 與多條拖帶設置在一起的多條導線。
14. 如權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述多條導線由從磷青 銅、鎳塗覆的銅、銅、鋁和不鏽鋼中選擇的至少一種材料形成。
15. 如權利要求11所述的系統，其特徵在於，每條所述拖帶直徑約為 0.004英寸。
16. 如權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述受載表面料包括無 機填料。
17. 如權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述有機填料是從二氧 化矽、氧化鋁和聚合體中選擇的至少一種材料。
18. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述受載表面料包括固結 溫度約為250至350。F的環氧。
19. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述受載表面料具有固結 溫度約為350。F的環氧。
20. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述受載表面料形成厚度 約為0.004英寸的層。
21. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述受載表面料在所述集 成導電部件上厚度約為0.004英寸，且相關重量約為0.02-0.061b/ft2。
22. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述載體由從聚酯、碳、 金屬化的碳和玻璃中選擇的至少 一種材料形成。
23. —種飛行器，包括 飛行器元件；混合預浸漬基材，其包括耦接到所述機身的金屬織物；和 受載表面料，其包括載體，並且交界粘結到所述預浸漬基材。
24. 如權利要求23所述的飛行器，其特徵在於，所述預浸漬基材為所 述機身提供結構支撐。
25. 如權利要求23所述的飛行器，其特徵在於，所述預浸漬基材呈現 交織導線織物形式，且所述受載表面料包括無機填料並在所述預浸漬基材上 形成連續層。
全文摘要
一種為飛行器(10)形成外部表面防護結構(12)的方法，包括將具有載體(51)的受載表面料(52)結合到混合預浸漬基材(32)。所述預浸漬基材(32)包括帶有集成導電部件(48)的碳織物(44)，並結合到基體基材(30)，其中所述集成導電部件具有金屬導電性範圍內的導電性。固結所述受載表面料(52)和所述預浸漬基材(32)，包括交界粘結所述受載表面料(52)和所述預浸漬基材(32)之間的材料。一種用於飛行器(10)外部(14)的防護織物系統(12)包括基體基材(30)。所述預浸漬基材(32)耦接到所述基體基材(30)。所述帶有載體(51)的受載表面料(52)交界粘結到所述預浸漬基材。
文檔編號B64D45/02GK101282834SQ200680037448
公開日2008年10月8日 申請日期2006年10月24日 優先權日2005年10月25日
發明者阿琳·M·布朗 申請人:波音公司