Проводящая композитная структура или ламинат

Проводящая композитная структура или ламинат

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к структуре или ламинату, в частности, однако не исключительно, к электропроводящей поверхностной структуре или ламинату.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композитные материалы обладают преимуществами над традиционными конструкционными материалами, в частности, в отношении превосходных механических свойств при очень низких плотностях материала, которые убедительно подтверждены документальными доказательствами. Благодаря этому, применение подобных материалов все в возрастающей степени становится широкомасштабным и области их практического применения изменяются от «промышленной» и «для спорта и отдыха» до деталей аэрокосмической промышленности с высокими эксплуатационными характеристиками.

Препреги, содержащие совокупность волокон, импрегнированных смолой, такой как эпоксидная смола, широко применяют при изготовлении подобных композитных материалов. Как правило, ряд слоев таких препрегов «укладывают», как необходимо, а образующийся в результате ламинат отверждают, обычно под воздействием повышенных температур, для получения отвержденного композитного ламината.

По сравнению с металлами композитные материалы проявляют пониженную электропроводность. Это является, в особенности, проблемой для аэрокосмических структур в свете их подверженности ударам молнии, которые могут разрушать изготовленный из композитного материала корпус летательного аппарата.

Для улучшения электропроводности композитных материалов в смоле можно использовать проводящие добавки. Однако само по себе это может не приводить к удовлетворительным эксплуатационным характеристикам в отношении проводимости. Также на поверхности композиционных структур для улучшения их проводимости можно наносить металл. Однако это требует больших трудозатрат и поэтому неэффективно.

Настоящее изобретение нацелено на ослабление или, по меньшей мере, на обход описанных выше проблем и/или на обеспечение преимуществ в целом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно данному изобретению предоставляется ламинат или структура, способ, применение и деталь, как определено в любом из сопутствующих пунктов формулы изобретения.

В одном из вариантов осуществления слой волокон может присутствовать в форме легкого нетканого, волокнистого материала, масса которого на единицу площади находится в диапазоне от 1 до 100 г/м², предпочтительно от 1 до 50 г/м², а желательнее от 1 до 20 г/м². Слой волокон придает отвержденной композитной детали хорошие поверхностные характеристики, поскольку этот материал полностью пропитывается смолой при отверждении.

В другом варианте осуществления ламинат или структура является неимпрегнированным(ой). Слой волокон можно соединять в расплавленном состоянии с проводящим слоем для приклеивания слоя волокон. Слой волокон может содержать термопластичный материал, такой как полиамид.

В еще одном варианте осуществления слой волокон может также содержать упрочняющий волокнистый материал, который может являться тканым или нетканым, и масса которого на единицу площади превышает 50 г/м².

В следующем варианте осуществления проводящий слой и слой волокон могут являться, по меньшей мере, частично импрегнированными смолой. Проводящий слой и слой волокон могут образовывать предварительно импрегнированный формовочный материал или препрег. Материал-основу можно помещать на поверхность препрега.

Рулонные полосы или ленту получают, пропуская ламинат или структуру по данному изобретению через устройство для продольного разрезания или режущий аппарат для получения множества параллельных полос. Ширину получаемых полос очень тщательно контролируют и ее можно задавать с точностью до долей миллиметра.

Полосы наматывают на бобину или катушку. Обычно подобная бобина способна держать несколько тысяч метров подобного материала в виде полос. Бобины приспосабливают для использования с автоматизированным укладочным устройством, которое автоматически разматывает ленту, удаляет лист-основу и складывает полосы на поверхность формы. Как правило, множество проводящих полос складывают параллельно друг другу, в результате чего полосы находятся в контакте друг с другом или они перекрываются для обеспечения оптимальной электропроводности на поверхности детали.

Укладка полос или лент при помощи автоматизированного укладочного устройства для лент является намного более эффективным способом укладки проводящего поверхностного материала по сравнению с традиционной ручной укладкой. Однако она налагает дополнительные ограничения на размеры полосы, если желательно автоматически укладывать препрег в соответствии со стандартом приемлемого качества.

Изобретатели данного изобретения обнаружили, что непосредственно после продольного разрезания проводящие полосы обладают очень небольшим разбросом своей ширины. Изобретатели данного изобретения теперь обнаружили, что если полосы содержат полимерный лист в качестве своего слоя-подложки, то проводящий слой не деформируется в ходе продольного разрезания и допустимое отклонение ширины полос остается малым даже в ходе укладки материала в виде полос в форму с помощью автоматизированного оборудования.

Дополнительным и более важным является то, что, как было обнаружено, разброс ширины полос, получаемых таким способом, существенно снижен, давая допустимое отклонение в более узких пределах и позволяя осуществить тесный контакт между близлежащими полосами.

Получаемые полосы, как правило, являются непрерывными по своей длине и могут обладать длинами в несколько тысяч метров. Из-за технологических ограничений полосы такой длины могут содержать места «внахлестку», однако это рассматривают как продолжение той же самой полосы. Таким образом, полосы могут обладать длиной, составляющей, по меньшей мере, 500 м, предпочтительно, по меньшей мере, 1000 м, желательнее, по меньшей мере, 2000 м, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 4000 м.

Фактически прямоугольное поперечное сечение полосы, как правило, является хорошо определенным с четкой шириной и четкой толщиной. Принимая во внимание тот факт, что полимерный лист присутствовал при продольном разрезании, исходного различия ширины между полимерным листом и оставшейся частью полосы не существует. Ширина полос, как правило, находится в диапазоне от 2,0 до 50 мм, предпочтительно от 3,0 до 25 мм. Однако в зависимости от практических применений ширина может также изменяться в диапазоне от 10 мм до 3500 мм или от 50 мм до 3000 мм, или от 100 мм до 2000 мм, или от 150 мм до 2000 мм, или от 200 мм до 2000 мм. Отклонения от этих значений ширины должны быть настолько малыми, насколько возможно, для обеспечения аккуратной укладки рулонной ленты или полосы. Толщина, как правило, находится в диапазоне от 0,05 до 1,0 мм по желанию, завися, в первую очередь, от количества волокон на полосу.

Предпочтительнее, когда средняя ширина ленты может составлять 1/8'', 1/4'' 1/2'', 1'', 3'', 6'' или 12'', соответствуя 3,2 мм, 6,4 мм, 12,7 мм, 25,4 мм, 76,2 мм, 152,4 мм или 304,8 мм, соответственно. Среднюю ширину можно измерять, проводя ряд определений ширины на фиксированных расстояниях по длине ленты, как описано ниже, и рассчитывая среднюю ширину по результатам этих измерений. Допустимое отклонение или отклонение от среднего является мерой вариации ширины. В контексте данного практического применения среднюю ширину определяют, измеряя ширину на 50 равномерных интервалах по длине ленты с помощью настольного лазерного микрометра (BenchMike 283), суммируя результаты всех измерений и деля сумму на 50. Измерения проводили через каждые 0,02 м вдоль ленты длиной 1 м. На основании результатов этих измерений, рассчитывали стандартное отклонение для измеренной ширины полосы. Также рассчитывали максимальное отклонение от средней измеренной ширины.

В одном из вариантов осуществления лист структуры или ламината содержит второй полимерный лист на противоположной внешней стороне ламината в ходе стадии продольного разрезания.

Как обсуждалось выше, полосы обладают допустимым отклонением по своей ширине в очень узких пределах. Таким образом, различие между максимальной шириной и минимальной шириной составляет, как правило, менее 0,25 мм или менее 0,20 мм, или даже менее 0,125 мм по длины полосы.

Полимерный лист может принимать разнообразные формы при условии, что он достаточно гибок. Однако предпочтительно, когда он представляет собой пленку, являясь непористым и однородным по всему листу. Также полимерный лист может являться пористым или перфорированным для улучшения освобождения листа из способной к отверждению полосы. Полимерный лист может содержать отверстия или дырочки.

По желанию толщину полимерного листа можно выбирать в соответствии с конкретной ситуацией. Однако толщина в диапазоне от 10 до 150 микрометров, предпочтительно от 10 до 100 микрометров находится в подходящем диапазоне.

Полимерный лист может состоять из полиолефина, поли-альфа-олефина и/или их комбинаций или их сополимеров. Лист можно изготавливать из широкого спектра материалов, например, из полиэтилена, полиэтилентерефталата, полипропилена и многих других подходящих полимеров и/или их комбинаций или их сополимеров.

Предпочтительно, когда слой волокон образован легким полотном, которое обеспечивает хорошие поверхностные свойства. Полотно может являться тканым или нетканым. Желательно, когда масса полотна на единицу площади находится в диапазоне от 1 до 200 г/м², предпочтительно от 1 до 50 г/м², желательнее от 1 до 20 г/м².

Слой волокон можно изготавливать из широкого спектра материалов, таких как углерод, графит, стекло, металлизированные полимеры, арамид, термопластичные волокна и их смеси. Предпочтительно, когда слой волокон обладает показателем пористости 30%-99% или желательнее 40%-70%. Показатель пористости определяют как отношение площади, не занятой материалом, к общей площади, на которую нанесен слой волокон. Наблюдения можно проводить с помощью оптического микроскопа, причем этот способ описан в дальнейших деталях в патенте WO 2011086266.

Структура или ламинат, кроме того, могут содержать изолирующий слой. Изолирующий слой может состоять из E-стекла или S-стекла с массой на единицу площади в диапазоне от 10 до 1800 г/м², предпочтительно от 20 до 1500 г/м², желательнее от 20 до 150 г/м². Изолирующий слой снижает структурное повреждение, вызываемое ударами молнии, поскольку он обеспечивает электроизоляцию испытывающего удары поверхностного слоя от нижележащей композитной структуры.

Каждый из числа изолирующего слоя, электропроводящего слоя и/или слоя волокон можно, по меньшей мере, частично импрегнировать смолой. Предпочтительно, когда смола представляет собой способную к отверждению термореактивную смолу, которую можно выбирать, например, из числа эпоксида, изоцианата и ангидрида кислоты. Желательно, чтобы способная к отверждению смола являлась эпоксидной смолой.

Подходящие эпоксидные смолы могут представлять собой монофункциональные, бифункциональные, трифункциональные и/или тетрафункциональные эпоксидные смолы.

Подходящие бифункциональные эпоксидные смолы включают, например, смолы на основе диглицидилового эфира бисфенола F, бисфенола A (желательно бромированного), фенола и крезолэпоксиноволачных смол, глицидиловых эфиров фенолальдегидных аддуктов, глицидиловых эфиров алифатических диолов, диглицидилового эфира, диглицидилового эфира диэтиленгликоля, ароматических эпоксидных смол, алифатических простых полиглицидиловых эфиров, эпоксидированных олефинов, бромированных смол, ароматических глицидиламинов, гетероциклических глицидилимидинов и амидов, простых глицидиловых эфиров, фторированных эпоксидных смол или их любой комбинации.

Предпочтительно, когда бифункциональные эпоксидные смолы можно выбирать из числа диглицидилового эфира бисфенола F, диглицидилового эфира бисфенола A, диглицидилдигидроксинафталина или их любой комбинации.

Подходящие трифункциональные эпоксидные смолы могут охватывать, например, смолы на основе фенола и крезолэпоксиноволачных смол, глицидиловых эфиров фенолальдегидных аддуктов, ароматические эпоксидные смолы, алифатических простых триглицидиловых эфиров, диалифатических простых триглицидиловых эфиров, алифатических простых полиглицидиловых эфиров, эпоксидированных олефинов, бромированных смол, триглицидиламинофенилов, ароматических глицидиламинов, гетероциклических глицидилимидинов и амидов, простых глицидиловых эфиров, фторированных эпоксидных смол или их любой комбинации.

Подходящие тетрафункциональные эпоксидные смолы охватывают N,N,N',N'-тетраглицидил-мета-ксилолдиамин (коммерчески доступный от фирмы Mitsubishi Gas Chemical Company под торговой маркой Tetrad-X, а также как Erisys GA-240 от фирмы CVC Chemicals) и Ν,Ν,Ν',Ν'-тетраглицидилметилендианилин (например, MY721 от фирмы Huntsman Advanced Materials).

Принимая во внимание длину полосы по данному изобретению, полосу, как правило, наматывают на бобину или катушку. В особенности подходящее наматывание включает прохождение полосы сверху и снизу бобины при наматывании, подобно нитке на катушке, с возможностью осуществлять многочисленные наматывания до того, как полоса намотается поверх предыдущих витков полосы. Подобный способ наматывания называют «way-wound».

Перед наматыванием на бобину полоса может контактировать со вторым листом-основой. Как правило, это требуется исключительно в тех случаях, когда присутствует только один полимерный лист на одной внешней стороне полосы. Это охватывает сторону, которая непокрыта в таком полимерном листе, контактирующим со вторым листом-основой. Предпочтительно, когда второй лист-основа в отличие от полимерного листа является более широким, чем слои смолы и волокон в полосе. Это способствует предотвращению какого-либо склеивания близлежащих полос на бобине.

В альтернативном варианте осуществления второй лист-основу можно наносить на полимерный лист. При разматывании катушки или бобины второй лист-основу можно помещать на внешнюю поверхность полосы, которая не покрыта полимерным листом. Это способствует отделению листа-основы без деформирования волокон.

Лист-основа может являться непористым или может являться пористым для облегчения удаления листа-основы из полосы при ее нанесении на пакет листов или перед таковым.

Как правило, процесс изготовления полос по данному изобретению представляет собой непрерывный процесс.

При типичном способе один или несколько вращающихся ножей располагают в требуемом положении, тогда как ламинат или структура контактируют с ножом или ножами. В большинстве случаев желательно изготавливать полосы одной и той же ширины из одного листа препрега, поэтому предпочтительно, чтобы любые ножи были равномерно разнесены в пространстве.

Перед продольным разрезанием структуру или ламинат можно изготовить в рамках традиционного процесса производства препрегов. Как обсуждено выше, обычным является нанесение бумажной подложки в ходе изготовления. В этом случае бумагу необходимо удалить перед тем, как ламинат или структура будут проходить стадию продольного разрезания. В этом варианте осуществления полимерный лист можно наносить перед тем, как ламинат или структура будут проходить стадию продольного разрезания без образования нежелательных обрезков, что происходит при использовании бумаги.

Альтернативно ламинат или структуру можно изготавливать, используя полимерный лист в качестве материала-основы вместо бумаги. Поскольку стадия производственного процесса, заключающаяся в импрегнировании смолой, может включать применение высоких температур, полимерный лист при этом варианте осуществления должен являться устойчивым к тепловому воздействию.

Однако при производстве ламината или структуры в большинстве случаев является обычным, когда полимерный лист прессуют на смолу или волокна, применяя высокое давление. Это используют для создания более сильного адгезивного соединения между полимерным листом и смолой и волокнами и, как полагают, это вносит вклад в эффективность действия полимерного листа, которое направлено на сохранение равномерной ширины полосы.

Таким образом, предпочтительно, когда перед проведением стадии продольного разрезания полимерный лист наносят при воздействии силы сжатия, по меньшей мере, 0,1 MПa, желательнее, по меньшей мере, 0,2 MПa, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 0,4 MПa. Как правило, полимерный лист наносят, создавая силу сжатия набором компрессионных валков. Создаваемое валками давление измеряют, пропуская через валки чувствительную к давлению пленку Fujifilm Prescale в комбинации с полимерным листом. После сжатия такую пленку затем вынимают из валков и анализируют с помощью Prescale FPD-8010E цифровой системы анализа для определения среднего давления, создаваемого валками.

Поэтому вследствие равномерной ширины полосы появляется возможность автоматической укладки множества параллельных полос в контакте друг с другом.

Таким образом, в третьем аспекте данное изобретение относится к способу укладки множества полос с помощью автоматизированного устройства для укладки полос, причем данное устройство располагают так, чтобы укладывать полосы параллельно друг другу с перекрыванием менее 1,00 мм.

Предпочтительно, когда перекрывание составляет менее 0,80 мм, желательнее менее 0,60 мм или даже менее 0,40 мм. Близлежащие полосы также могут находиться в контакте друг с другом, по меньшей мере, вдоль части их длины.

В одном из вариантов осуществления ламинат или структура могут находиться в виде предварительно импрегнированного смолой ламината или структуры (препрега). Благодаря липкости смолы, слой волокон и слой-подложку можно приклеивать к проводящему слою.

В другом варианте осуществления ламинат или структура могут не содержать смолу. В подобный материал можно вводить смолу в соответствии с укладкой материала в форму. Слой волокон можно приклеить к проводящему слою, соединяя их в расплавленном состоянии.

В еще одном варианте осуществления слой-подложка может содержать клеящее вещество для приклеивания слоя-подложки к проводящему слою.

В следующем варианте осуществления слой волокон может содержать упрочняющий волокнистый материал подходящей массы для упрочнения композитной структуры, при этом обеспечивая также требуемые поверхностные свойства.

В другом варианте осуществления ламинат или структура могут содержать проводящий слой для улучшения электропроводности полосы. Это в особенности благоприятно для обеспечения защиты композитной структуры, на которую наносят полосу, от ударов молнии. Проводящий слой может присутствовать в виде раскатанной металлической фольги, как правило, медной, алюминиевой или бронзовой металлической фольги и/или их комбинаций. При желании металлическую фольгу можно подвергать анодной обработке.

Проводящий слой может содержать способный к отверждению материал в форме способного к отверждению органического соединения и наполнитель. Наполнитель можно адаптировать так, чтобы при отверждении органического соединения он подвергался самоорганизации с образованием электропроводящих путей.

Проводящий слой может содержать проводящую добавку в форме проводящего наполнителя или проводящих частиц. Частицы могут представлять собой металлическую стружку, металлические или углеродные, или графитовые частицы, наночастицы или частицы с металлическим или углеродным поверхностным покрытием и/или их комбинации. Проводящий слой можно располагать на слое волокон. Проводящий слой может также содержать металлические волокна или волокна с металлическим покрытием, они могут присутствовать в форме неориентированного переплетения или тканого полотна. Такие проводящие волокна можно комбинировать с непроводящими волокнами.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения способный к отверждению материал содержит способное к отверждению органическое соединение и наполнитель, предпочтительно серебряный наполнитель с покрытием, и данный наполнитель и данное органическое соединение взаимодействуют в ходе отверждения органического соединения, причем вышеуказанное взаимодействие вызывает самоорганизацию наполнителя с образованием электропроводящих путей.

Мы обнаружили, что вышеуказанные проводящие слои могут деформироваться в большей или меньшей степени при продольном разрезании материала. Деформирование зависит от выбора материала листа-основы и от свойств проводящего слоя.

В следующем варианте осуществления настоящего изобретения проводящий слой содержит реакционноспособное органическое соединение и электропроводящий наполнитель, который в ходе отверждения органического соединения способен подвергаться самоорганизации с образованием гетерогенной структуры, состоящей из непрерывной, трехмерной сетки металла, находящейся среди (непрерывных или полунепрерывных) доменов, обогащенных полимером, электропроводность которой отличается на несколько порядков величины от таковой для простых металлов. В другом варианте осуществления настоящего изобретения проводящий слой содержит наполненный, способный к отверждению материал, способный к самоорганизации с образованием электропроводящих путей в ходе процесса отверждения.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения отверждают композицию, формируя тем самым электропроводящие пути через нее, и проводимость отвержденной подвергшейся самоорганизации композиции более чем в 100 раз превышает проводимость отвержденной не подвергшейся самоорганизации композиции, содержащей эквивалентное количество проводящего наполнителя.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способное к отверждению органическое соединение представляет собой диглицидиловый эфир бисфенола F или бисфенола A, и данное способное к отверждению органическое соединение, кроме того, содержит отверждающий реагент, предпочтительно представляющий собой аддукт полиаминангидрид, получающийся в результате взаимодействия фталевого ангидрида с диэтиленамином. Другие подходящие способные к отверждению органические соединения могут представлять собой любую из таких смол и/или их компонентов либо по отдельности, либо в комбинации, как описано выше в данном документе. Проводящий слой функционирует в качестве защиты от ударов молнии (LSP), где композиция, кроме того, обеспечивает экранирование от электромагнитного излучения с частотой от 1 MГц до 20 ГГц, где вышеуказанное экранирование понижает электромагнитное излучение, по меньшей мере, на 20 децибел.

Вследствие образования гетерогенной структуры LSP композиция способна вызывать формирование перколированной сетки проводящих частиц при концентрациях частиц существенно ниже таковой для традиционных композиций, которые обладают гомогенными структурами, состоящими из однородно распределенных по всей полимерной матрице частиц. Более того, гетерогенная структура, образующаяся в ходе отверждения, обеспечивает спекание частиц, исключая этим контактное сопротивление между частицами и, в свою очередь, приводя к поразительным улучшениям тепло- и электропроводности. К тому же непрерывный канал спекшегося металла позволяет переносить значительные количества тепла и электрического тока, которые возникают в ходе представляющего собой удар молнии события. Сочетание более низкого содержания наполнителя и соответствующей самоорганизации непрерывных каналов обусловливает возможность получения LSP материалов, которые обладают меньшей массой и которые легче изготовить и восстановить, что предпочтительно по причинам экономии топлива, полезной нагрузки, а также по причинам конструирования и восстановления.

Благодаря своей изотропной природе, композиция проводящего слоя является проводящей во всех ортогональных направлениях, сообщая тем самым композитным структурам существенно улучшенную электро- и теплопроводность в z-направлении. В свою очередь, такое улучшение создает возможность значительного уменьшения емкостных эффектов и генерации тепла, которые обусловлены присутствием непроводящих слоев смол в композитном ламинате, а также в существующих EMF LSP системах и им подобных.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения из-за способности органического компонента к взаимодействию и образованию ковалентных связей ее можно легко соотвердить с реакционноспособными или нереакционноспособными (например, термопластами или заранее прореагировавшими термореактопластами) субстратами, соответственно, или провести отверждение на них. Вдобавок подходящий выбор химических свойств смолы потенциально предоставляет возможность замещения одного или нескольких слоев, находящихся, как правило, на внешней стороне воздушного судна, таких как грунтовочный слой и верхний слой покрытия, используемых для окраски воздушного судна. Кроме того, с помощью подходящего выбора наполнителя она способна обеспечить необходимые эксплуатационные свойства в отношении ударов молнии и коррозии без необходимости применения изоляционного слоя. Помимо этого, благодаря ее высокопроводящей, изотропной природе, ее можно использовать в качестве многофункционального материала в целях защиты от ударов молнии и для экранирования от электромагнитных полей, устранения накопления статического заряда и теплоотвода для плавления льда (например, препятствующего обледенению материала), но не ограничиваясь этим.

Кроме того, неотвержденная (A-стадийная или B-стадийная, однако не C-стадийная) композиция проводящего слоя обладает желаемыми свойствами в отношении пригодности к обработке и ее легко адаптировать к различным типам практических применений. Подобные типы охватывают расходный адгезив, покрытие распылением, адгезивную пленку или в качестве смолы, которую следует использовать в них или в сочетании с композиционным волокнистым препрегом или лентой, как описано в данном документе, но не ограничены ими.

В следующем варианте осуществления настоящего изобретения можно использовать самоорганизующуюся композицию для получения такой ламинатной структуры из двух или более слоев, в которой верхний слой является проводящей самоорганизующейся композицией, а нижележащие слои представляют собой более легкие электропроводящие или непроводящие слои смолы. Кроме того, ламинатная структура предоставляет возможность повышения поверхностной проводимости при сохранении заданной массы по отношению к монолитной пленке с более низкой поверхностной проводимостью. Помимо этого, для дальнейшего увеличения поверхностной проводимости при сохранении заданной массы можно изменять толщину каждого слоя. Кроме того, в одном из вариантов осуществления по настоящему изобретению для создания уникальной гибридной структуры неотвержденную проводящую композицию применяют в комбинации с существующими LSP системами, получая тем самым привлекательные сочетания в отношении LSP защиты и массы. Примеры включают самоорганизующийся материал, используемый в качестве B-стадийной пленки для включения цельнометаллической фольги, EMF, металлизированных волокон, металлизированных тканых волокон, металлизированных нетканых материалов (например, «вуалей») или комбинированных тканых материалов из металлических и углеродных волокон, но не ограничены ими.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения проводящий слой дополнительно обеспечивает вторичную защиту субстрата. Например, несмотря на то, что первоначальный удар молнии может производить физическое повреждение непосредственно в области удара, электрический ток может резко нарастать по всему(ей) субстрату/структуре и повреждать удаленные электрические компоненты или поверхности. Самоорганизованный проводящий материал по настоящему изобретению в дополнение к первичной защите непосредственно в области удара молнии обеспечивает способы диссипации и регулирования такого скачка электричества.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения проводящий слой способен электрически связывать межфазные границы, возникающие в связи с процессами сборки различных областей в LSP материалах. В дополнительных вариантах осуществления настоящего изобретения проводящий слой наносят в виде неотвержденного покрытия, наносимого распылением, неотвержденного (не являющегося C-стадийным) пленочного адгезива или в виде гибкой отвержденной пленки, присоединяемой с помощью вторичного адгезива или смолы, который(ую) при желании наполняют проводящим наполнителем.

Кроме того, проводящий слой обусловливает возможность применения автоматизированного оборудования для нанесения LSP на композиционную структуру или ламинат до или после продольного разрезания. Примеры включают нанесение самоорганизующегося материала распылением с помощью автоматизированного оборудования для распыления, так чтобы распыляемый материал наносился на неотвержденный, армированный волокнами полимерный наружный слой на позитивной форме-структуре или на поверхность негативной формы-структуры, которую предварительно обрабатывают разделительной смазкой. Слой самоорганизующейся композиции, используемый в качестве внешнего проводящего слоя, может обеспечивать защиту от ударов молнии (LSP) и экранирование от электромагнитных помех (EMI) при использовании для практических применений, таких как детали воздушных судов.

В некоторых вариантах осуществления можно достичь повышенной электропроводности самоорганизующихся композиций, комбинируя термореактивные полимеры с электропроводящими добавками, такими как металлическая стружка и/или проводящие наночастицы, диспергированные, по существу, равномерно по всей пленке или на ней. Является преимуществом то, что эти композиции могут значительно снижать необходимость использования решеток из относительно тяжелых металлов для повышения электропроводности проводящего слоя, обеспечивая значительное уменьшение массы. Например, можно достичь снижения массы примерно от 50 до 80% по сравнению с проводящими, нанесенными на поверхность пленками с включенными металлическими решетками. Отсутствие подобных использующих решетки вариантов осуществления нанесенных на поверхность пленок, раскрытых в данном документе, может дополнительно способствовать легкости изготовления и снижать стоимость компонентов композита, образуемого с этими нанесенными на поверхность пленками.

В частности, было обнаружено, что варианты осуществления проводящего слоя, содержащего проводящие добавки серебряной стружки, проявляют в существенной степени повышенную проводимость. Как обсуждается ниже, без привязки к теории полагают, что при выбранных концентрациях, например, примерно более 35 вес. %, серебряная стружка, по существу, принимает взаимосвязанную, ламеллярную конфигурацию по всей композиции. Такая ламеллярная конфигурация обеспечивает формирование самоорганизующегося проводящего слоя, по существу, с однородным непрерывным проводящим каналом и относительно высокой проводимостью/низким сопротивлением. Например, можно достичь значений двухмерной проводимости проводящего слоя примерно порядка от 10 до 50 мΩ/(ед. площади). Удельное электрическое сопротивление этих самоорганизующихся проводящих слоев можно дополнительно снизить до значений примерно порядка от 0,2 до 15 мΩ/(ед. площади), добавляя другие проводящие добавки, такие как серебряная нанопроволока. Примечательно, эти значения удельного электрического сопротивления сравнимы с таковыми для металлов, таких как алюминий (например, примерно 0,2 мΩ/(ед. площади)), указывая на возможность реализации замены тяжелых, содержащих решетки нанесенных на поверхность пленок, образованных по вариантам осуществления проводящих композиций, раскрытых в данном документе.

Удельное электрическое сопротивление измеряют с помощью источника электроэнергии (программируемый 30V/2A блок энергопитания TTi EL302P фирмы Thurlby Thandar Instruments, Кембридж, Великобритания), способный изменять как напряжение, так и ток, который используют для определения удельного электрического сопротивления. Образец композита контактирует с электродами (покрытые оловом медные шнуры) источника электроэнергии и его зажимают на месте с помощью зажима (примите необходимые меры, чтобы электроды 10 не прикасались друг к другу и не контактировали с другими металлическими поверхностями, поскольку это даст неправильный результат). Зажим обладает непроводящим покрытием или слоем для предотвращения образования электропроводящего пути от одного шнура к другому. Применяют ток силой 1 ампер и замеряют напряжение. С помощью закона Ома затем можно рассчитать удельное электрическое сопротивление (V/I).

Варианты осуществления проводящей композиции также можно специально приспособить для соответствия требованиям разнообразных практических применений, подбирая тип и/или количество проводящих добавок. Например, защиту от электростатического разряда (ESD) можно повысить, если проводящие добавки или наполнители находятся в концентрации достаточной для придания композиции поверхностного удельного электрического сопротивления, находящегося в диапазоне приблизительно от 1 Ω/(ед. площади) до 1×10⁸ Ω/(ед. площади). В другом примере защиту экранированием от электромагнитных помех (EMI) можно повысить, если проводящие добавки присутствуют в концентрации достаточной для придания композиции поверхностного удельного электрического сопротивления, находящегося в диапазоне приблизительно от 1×10^-6 до 1×10⁴ Ω/(ед. площади). В следующем примере защиту от ударов молнии (LSP) можно улучшить, если проводящие добавки находятся в концентрации достаточной для придания композиции поверхностного удельного электрического сопротивления, находящегося в диапазоне примерно от 1×10^-6 до 1×10^-3 Ω/(ед. площади).

Металлы и их сплавы можно применять в качестве эффективных проводящих добавок или наполнителей благодаря их относительно высокой электропроводимости. Примеры металлов и сплавов для использования согласно вариантам осуществления по настоящему раскрытию могут охватывать серебро, золото, никель, медь, алюминий, а также их сплавы и смеси, но не ограничены ими. В некоторых вариантах осуществления морфология проводящих металлических добавок может включать одну или несколько из числа стружек, порошков, волокон, проволок, микросфер и наносфер по отдельности или в комбинации.

В некоторых вариантах осуществления можно применять драгоценные металлы, такие как золото и серебро благодаря их стабильности (например, устойчивости к окислению) и эффективности. В других вариантах осуществления серебро благодаря его более низкой стоимости можно применять в большей степени по сравнению с золотом. Можно понять, однако, что в системах, в которых миграция серебра может являться проблематичной, альтернативно можно применять золото. Преимуществом является то, что, как обсуждается ниже, в случае содержащих в качестве наполнителя серебро и золото эпоксидных соединений возможно достижение значений поверхностного удельного электрического сопротивления примерно менее 20 мΩ/(ед. площади).

В других вариантах осуществления проводящий слой может содержать покрытые металлом частицы или наполнители. Примеры покрытых металлом частиц могут включать покрытые металлом стеклянные полые шарики, покрытый металлом графит и покрытые металлом волокна. Примеры металлов, которые можно использовать в качестве субстратов или покрытий, могут включать серебро, золото, никель, медь, алюминий и их смеси, но не ограничены ими.

В следующих вариантах осуществления проводящие добавки или наполнители могут содержать проводящие «вуали». Примеры подобных проводящих «вуалей» могут охватывать нетканые «вуали», покрытые металлом, металлические решетки/фольги, углеродное плетеное полотно или покрытое металлом углеродное плетеное полотно, но не ограничены ими. Примеры металлов, которые можно использовать в этом качестве, могут включать серебро, золото, никель, медь, алюминий и их смеси, но не ограничены ими.

Вариа