用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)性表面材料的制作方法
【專利說(shuō)明】用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)性表面材料
【背景技術(shù)】
[0001] 纖維增強(qiáng)聚合物基質(zhì)復(fù)合材料（PMC)是常用于需要抵抗侵蝕環(huán)境、高強(qiáng)度和/或 低重量的應(yīng)用中的高性能結(jié)構(gòu)材料。這些應(yīng)用的實(shí)例包括飛機(jī)組件（例如機(jī)尾、機(jī)翼、機(jī)身 以及螺旋槳）、高性能汽車、船殼以及自行車骨架。
[0002] 用于航天應(yīng)用的復(fù)合結(jié)構(gòu)部件通常包括表面膜，以在上漆前為復(fù)合結(jié)構(gòu)提供所需 的性能特性。所述表面膜是用以提升結(jié)構(gòu)部件的表面質(zhì)量，同時(shí)減少勞力、時(shí)間和成本。所 述表面膜通常是在制造結(jié)構(gòu)部件的過(guò)程中與纖維增強(qiáng)聚合物基質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行共固化。常 規(guī)的基于環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合預(yù)浸體和表面膜因其絕緣性質(zhì)而對(duì)電磁能（EME)事件（例如雷擊 (LS)、靜電放電（ESD)和電磁干擾（EMI))呈現(xiàn)較差耐受性。環(huán)氧樹(shù)脂所呈現(xiàn)的相對(duì)高電阻 率（低導(dǎo)電率）會(huì)抑制雷擊能量充分消散，從而導(dǎo)致蒙皮刺穿和底層復(fù)合結(jié)構(gòu)剝離。另外， 復(fù)合物表面上所生成的電荷可殘留很長(zhǎng)時(shí)間，從而提高了低相對(duì)濕度環(huán)境中會(huì)損傷電子系 統(tǒng)的ESD風(fēng)險(xiǎn)和燃油箱蒸汽空間點(diǎn)火的風(fēng)險(xiǎn)。此外，基于環(huán)氧樹(shù)脂的表面膜的不良導(dǎo)電性 會(huì)抑制電荷載體迀移，其會(huì)削弱復(fù)合結(jié)構(gòu)提供EMI屏蔽的能力。為了將雷擊對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的 損傷降到最低，需提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率，為飛機(jī)上的復(fù)合部件提供LS/ESD/EMI保護(hù)。然 而，不希望并入會(huì)顯著增加飛機(jī)總重量的傳導(dǎo)性材料。此外，常規(guī)的表面膜對(duì)例如基于苯甲 醇的溶液等用于脫漆目的的商業(yè)脫漆溶液非常不耐受。那些脫漆劑可能導(dǎo)致表面膜隆起和 /或起泡，從而使得重漆過(guò)程更為麻煩。因此，需要一種重量輕，可以經(jīng)受住使用常規(guī)脫漆溶 液反復(fù)脫漆，并且也還能經(jīng)受住暴露于紫外（UV)輻射的多官能性傳導(dǎo)性表面材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種電傳導(dǎo)性表面材料，其是多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)是由厚度等于 或小于3密耳（76.2ym)的極薄傳導(dǎo)性層和形成于所述傳導(dǎo)性層的至少一表面上的樹(shù)脂膜 構(gòu)成。所述樹(shù)脂膜是由基于環(huán)氧化物的可固化組合物形成，由此在固化時(shí)，所述固化樹(shù)脂層 具有彡180°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg)，以及根據(jù)ASTMD-3363所測(cè)大于7H的表面鉛筆硬度。
[0004] 所述傳導(dǎo)性表面材料可與纖維增強(qiáng)聚合復(fù)合襯底在250°F到355°F(120°C到 180°C)范圍內(nèi)的溫度下共固化形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。此外，所述傳導(dǎo)性表面材料可以用以形成適 用于自動(dòng)化鋪帶（ATL)或自動(dòng)化鋪絲（AFP)的狹窄線帶。
【附圖說(shuō)明】
[0005] 由以下本發(fā)明各方面的詳細(xì)描述連同描繪本發(fā)明各實(shí)施例的附圖將更輕易理解 本發(fā)明的特征。
[0006] 圖1示意性展示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的三層傳導(dǎo)性表面材料的組裝。
[0007] 圖2示意性展示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其上具有三層傳導(dǎo)性表面材料。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 本文揭示一種重量輕，能夠提供LS/ESD/EMI保護(hù)，可以經(jīng)受住使用常規(guī)脫漆溶液 反復(fù)脫漆，并且還能經(jīng)受住暴露于紫外（UV)輻射的多官能性電傳導(dǎo)性表面材料。與用于LS/ESD/EMI保護(hù)的常規(guī)傳導(dǎo)性層壓板相比，本文所揭示的傳導(dǎo)性表面材料可以顯著節(jié)省重 量，比一些常規(guī)傳導(dǎo)性層壓板重量降低50%到80%。
[0009] 所述傳導(dǎo)性表面材料是一種多層結(jié)構(gòu)，其包括極薄傳導(dǎo)性層和形成于所述傳導(dǎo)性 層的兩個(gè)相對(duì)表面至少一者上的可固化樹(shù)脂膜。所述傳導(dǎo)性層可以為固體金屬箔或?qū)踊蛘?碳層。在本說(shuō)明書(shū)內(nèi)，碳包括石墨。所述傳導(dǎo)性層優(yōu)選具有小于10mQ，優(yōu)選小于5mQ的電 阻率。此外，所述傳導(dǎo)性層優(yōu)選具有<3密耳（76.2ym)，優(yōu)選3ym到38ym的厚度。所 述樹(shù)脂膜每一面具有小于〇.lpsf?(或500gsm)的膜重量，例如0. 01到0. 03psf?(或50到 150gsm)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述傳導(dǎo)性表面材料是一種三層結(jié)構(gòu)，其包括夾于兩樹(shù)脂膜間 的傳導(dǎo)性層。所述兩樹(shù)脂膜可能具有相同的樹(shù)脂組成或不同的樹(shù)脂組成。在所述三層結(jié)構(gòu) 的一個(gè)實(shí)施例中，所述傳導(dǎo)性層是厚度為3ym到5ym的微米薄金屬箔，并且所述形成于所 述金屬箔每一面上的樹(shù)脂膜具有〇. 01到〇. 〇3psf(或50到150gsm)的膜重量。舉例來(lái)說(shuō)， 金屬層/箔可以由金屬，例如銅、鋁、青銅或其合金等形成。
[0010] 所述傳導(dǎo)性表面材料可以通過(guò)使用常規(guī)的涂覆技術(shù)將可固化液體樹(shù)脂組合物涂 覆于傳導(dǎo)性層（例如固體金屬箔）的一個(gè)或兩個(gè)表面上而制得。
[0011] 或者，所述傳導(dǎo)性表面材料可以通過(guò)將預(yù)制樹(shù)脂膜層壓到傳導(dǎo)性層的一面上，形 成雙層結(jié)構(gòu)或?qū)深A(yù)制樹(shù)脂膜層壓到所述傳導(dǎo)性層的相對(duì)表面上以形成三層結(jié)構(gòu)而制得。
[0012] 圖1示意性說(shuō)明如何根據(jù)一個(gè)實(shí)例制造三層傳導(dǎo)性表面材料。將由可剝離的離型 紙背襯12支撐的第一樹(shù)脂膜11層壓到金屬箔13的一表面上，并將第二樹(shù)脂膜14層壓到 金屬箔13的相對(duì)表面上，以形成三層結(jié)構(gòu)20。所述層壓過(guò)程可通過(guò)施加壓力和熱來(lái)進(jìn)行。 離型紙背襯12可以在層壓后剝離。為了形成雙層結(jié)構(gòu)，可省略第二樹(shù)脂膜14,并且金屬箔 是由其本身的可剝離載體支撐。
[0013] 本文所揭示的傳導(dǎo)性表面材料被設(shè)計(jì)成與纖維增強(qiáng)聚合復(fù)合襯底在高于 150°F(65°C)，更特定地，介于250 °F到350°F(或120°C到175°C)范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行 共固化。所述纖維增強(qiáng)聚合復(fù)合襯底是由經(jīng)過(guò)可固化基質(zhì)樹(shù)脂浸漬或灌注的增強(qiáng)纖維構(gòu) 成。在一些實(shí)施例中，所述復(fù)合襯底可以為預(yù)浸體層片或預(yù)浸體疊層。所述預(yù)浸體疊層是 由多個(gè)以堆棧順序配置的預(yù)浸體層片構(gòu)成。各預(yù)浸體層片是由經(jīng)過(guò)基質(zhì)樹(shù)脂（例如環(huán)氧樹(shù) 脂）浸漬/灌注的呈織物或定向排列的連續(xù)纖維形式的增強(qiáng)纖維構(gòu)成。所述定向排列的纖 維可以為單向或多向纖維。一般來(lái)說(shuō)，可將可固化傳導(dǎo)性表面材料施加到處于未固化或部 分固化狀態(tài)的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合襯底，隨后共固化，以形成完全固化的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其上粘 合有硬化表面膜作為最外層。
[0014] 參考圖2,為了形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，使三層結(jié)構(gòu)20與復(fù)合襯底30接觸，使得樹(shù)脂膜14 與復(fù)合襯底30直接接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合襯底30為預(yù)浸體疊層。在所述實(shí)施例中， 剝離紙背襯12,并使樹(shù)脂膜11與工具表面接觸，然后將多個(gè)預(yù)浸體層片以堆棧配置迭合于 樹(shù)脂膜14上。所述工具表面可以為平面或非平面（例如曲線表面或一些其它三維構(gòu)型）。 隨后可將所述預(yù)浸體層片逐一往上迭合于所述工具上?；蛘?，所述預(yù)浸體層片可在不同位 置組裝，隨后再置于樹(shù)脂膜14上。可將一或多種核心結(jié)構(gòu)（例如發(fā)泡體或蜂巢結(jié)構(gòu)）插入 預(yù)浸體疊層的層片之間，如所屬領(lǐng)域中已知。在完全真空下壓實(shí)整個(gè)組合件后，即可對(duì)所述 整個(gè)組合件進(jìn)行加熱或加壓，讓所述表面材料的所述預(yù)浸體疊層和所述樹(shù)脂膜固化成最終 具有選定形狀的硬化復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)移出模塑工具后，原來(lái)與所述工具表面 接觸的樹(shù)脂膜11成為所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的最外層。
[0015] 可以通過(guò)省略第二樹(shù)脂膜14來(lái)修改圖2中的組合件，使金屬箔13與所述復(fù)合襯 底接觸。
[0016] 所述傳導(dǎo)性表面材料可以用于形成適用于自動(dòng)化鋪帶（ATL)或自動(dòng)化鋪絲（AFP) 過(guò)程中的連續(xù)預(yù)浸體帶，進(jìn)而形成最外層為所述傳導(dǎo)性表面材料的可固化復(fù)合結(jié)構(gòu)。就 ATL/AFP應(yīng)用來(lái)說(shuō)，所述傳導(dǎo)性表面材料可呈原樣使用或?qū)訅旱接煽晒袒|(zhì)樹(shù)脂和呈單 向纖維或機(jī)織物形式的纖維增強(qiáng)體構(gòu)成的預(yù)浸體層片上。將所述傳導(dǎo)性表面材料或?qū)訅侯A(yù) 浸體層片分割成具有適宜AFP寬度（例如0. 125英寸到1. 5英寸或3. 17mm到38. 1mm，包括 〇? 25英寸到0? 50英寸或6. 35mm到12. 77mm)或ATL寬度（例如6英寸到12英寸或152mm 到305mm)的狹窄線帶。
[0017] ATL和AFP是利用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人將一層或若干層纖維帶或纖維束放置于模 具表面（例如心軸）上以產(chǎn)生復(fù)合部件或結(jié)構(gòu)的過(guò)程。示例性應(yīng)用包括飛機(jī)機(jī)翼蒙皮和機(jī) 身。ATL/AFP過(guò)程涉及將一或多條線帶并列分配于心軸表面上，以產(chǎn)生具有所需寬度和長(zhǎng)度 的層，然后將額外層累加于前一層上，以提供具有所需厚度的疊層。ATL/AFP系統(tǒng)配備有分 配預(yù)浸體帶和將其直接壓到心軸表面上的構(gòu)件。
[0018] AFP自動(dòng)地將許多單根預(yù)浸漬纖維束或狹窄切割線帶（例如0. 125英寸到1. 5英 寸）置于心軸上，以組成指定的總預(yù)浸體帶寬。材料是以高速度放置，其在放置期間使用數(shù) 值控