專利名稱：防止基底被雷擊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)電聚合物材料，更具體而言，本發(fā)明涉及用于雷擊防護(hù)(LSP)的導(dǎo)電組合物。
背景技術(shù)：
由于強(qiáng)度與重量的良好結(jié)合，復(fù)合材料越來(lái)越多地被用于取代飛行器結(jié)構(gòu)中的鋁。雖然這使飛行器的燃料效率顯著提高以及/或者使有效負(fù)載能力更大，但不幸的是，飛行器結(jié)構(gòu)變得更易遭受雷擊損害。這種更易受損的弱點(diǎn)的根源在于相對(duì)于鋁金屬而言，復(fù)合材料(例如基于碳纖維強(qiáng)化材料的那些)具有較差的導(dǎo)電性。自然，由于阻熱機(jī)理，導(dǎo)電性越差，材料吸收的能量就越多。已經(jīng)報(bào)道，與相同質(zhì)量的鋁相比，碳纖維復(fù)合材料能夠從雷擊中吸收的能量的量大約是前者的2，000倍。所吸收的能量的增加導(dǎo)致“直接”和“間接”影響的增加。直接影響涉及到對(duì)承重結(jié)構(gòu)的物理或“直接”損壞，最嚴(yán)重類型的損害是劇烈穿透復(fù)合疊層體?！伴g接”影響涉及到由閃電的大的電磁場(chǎng)引起的電涌(electrical surge)。這些電涌能夠破壞航空控制系統(tǒng)，進(jìn)而危及飛行員控制飛行器的能力。最近，間接影響甚至受到更多關(guān)注，因?yàn)轱w行器越來(lái)越朝向電傳操縱系統(tǒng)(fly-by-wire)發(fā)展。這正是為何使用大量盒子、襯墊、金屬箔和網(wǎng)、粘合劑、金屬套等形式的電磁干擾(EMI)屏蔽材料來(lái)屏蔽電氣部件、線路和連接件的原因。為了防止復(fù)合材料免遭上述影響，飛行器設(shè)計(jì)者試圖通過在復(fù)合結(jié)構(gòu)中整合高度傳導(dǎo)性表層，從而將強(qiáng)電流保持在飛行器外表面上。已經(jīng)進(jìn)行和/或提出了大量制備這種雷擊防護(hù)(LSP)表層的嘗試，每種嘗試都取得了不同程度的成功。例如，已經(jīng)將基于金屬(例如銅、招或青銅)的金屬線網(wǎng)和多孔金屬箔(expanded metal foil,EMF)嵌入表面(或粘合劑)膜，并與底層的復(fù)合預(yù)浸料還(composite prepreg)共固化。或者，已經(jīng)將單根的電線與碳纖維交織在一起來(lái)制備混雜預(yù)浸料坯。類似的，已經(jīng)使用金屬沉積技術(shù)來(lái)包覆處于原始形式或織造形式的碳纖維或其他強(qiáng)化纖維。除了金屬化纖維外，使用的另一種LSP方法是火焰噴射，其涉及將熔融金屬(通常為鋁)沉積在基底上。已經(jīng)進(jìn)行了更新的嘗試來(lái)克服纖維預(yù)浸料坯以及上述網(wǎng)、EMF、混雜物和金屬化纖維中缺乏Z-傳導(dǎo)性的問題；這涉及將諸如碳納米管(或納米纖維)、石墨烯或納米繩等高長(zhǎng)徑比的傳導(dǎo)性填料摻入用作獨(dú)立粘合劑膜的樹脂中、或者摻入與碳纖維或碳纖維預(yù)浸料坯共同使用的樹脂中。類似地，為了相同的目的，已經(jīng)使用了低長(zhǎng)徑比顆?；蛩鼈兣c高長(zhǎng)徑比顆粒的組合。相對(duì)于填充了大量填料的樹脂，上述這些方法雖然更有效地提高了傳導(dǎo)性，但是，它們?nèi)匀蝗狈υ贚SP應(yīng)用中所需的最佳傳導(dǎo)性和載流能力。已經(jīng)嘗試了其他方法通過用固有傳導(dǎo)性聚合物取代非傳導(dǎo)性樹脂來(lái)減輕這一問題。不幸的是，這些材料以及上述材料仍然存在下列問題雷擊防護(hù)作用有限、重量顯著增加、制造上存在問題和/或諸如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、載流能力、粘度(或處理性能)和/或機(jī)械特性等基本性質(zhì)的局限性。在文獻(xiàn)中提及的不同體系中，基于金屬箔(特別是EMF)的那些體系在實(shí)際應(yīng)用中是最成功的。盡管EMF存在于大多數(shù)固定翼和旋翼飛行器中，但EMF具有很多不希望的特征。例如，EMF體系由于在有限的頻率范圍內(nèi)提供屏蔽作用而表現(xiàn)出有限的“間接保護(hù)”作用。EMF體系已經(jīng)表現(xiàn)出在等于或高于約IGHz范圍的頻率下非常易受影響。因此，飛行器設(shè)計(jì)者常常向飛行器添加額外的或更耐用的屏蔽材料來(lái)防護(hù)其在電通訊中受到破壞，而這增加了相當(dāng)大的重量。EMF體系在制造或修復(fù)過程中還存在處理性能方面的問題。具體而言，EMF必須在供應(yīng)者或原始設(shè)備制造者(OEM)處與粘合劑膜一體化，這既復(fù)雜又耗費(fèi)成本。此外，EMF難以適應(yīng)成形工具加工，具有粗縫(tack)問題，并且在正常的處理和切割操
作中易于變皺和損壞。此外，在連接、接合和接地操作中保持面板之間的電整體性方面也存在問題。因此，OEM不得不用手鋪設(shè)這些材料，由此導(dǎo)致要考慮勞動(dòng)時(shí)間和成本。已經(jīng)進(jìn)行了大量嘗試使EMF的鋪設(shè)自動(dòng)化，但是由于這些同樣的問題再加上許多接合處的EMF重疊而引起的重量負(fù)擔(dān)，所以幾乎都沒有成功。除了處理性能之外，基于鋁和銅的金屬網(wǎng)易受腐蝕，這歸因于金屬與底層碳之間的伽伐尼電位差。為了克服這一問題，通常在EMF層和碳層之間添加隔離層。不幸的是，添加這些層增加了額外的步驟，增加了工作量、成本并且使飛行器增加了更多的重量。對(duì)于EMF體系，修補(bǔ)也是個(gè)問題。必須通過打磨以及切割或精整操作將損壞的箔充分除去并用新的EMF材料修補(bǔ)。將新箔接合至現(xiàn)有的箔使得傳導(dǎo)性通路對(duì)準(zhǔn)又成為問題，以及處理由夾帶空氣引起的孔隙效應(yīng)也成為問題?？紤]以上問題，需要改進(jìn)LSP材料，使其在Z-方向上具有高的傳導(dǎo)性、重量更輕、耐腐蝕、復(fù)雜程度降低(即較少的層)，以及在組裝和修復(fù)復(fù)合結(jié)構(gòu)過程中易于施加和一體化，從而能夠在制造操作中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，在共同擁有的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 12/055，789 (于2008年3月26日提交，并且以U. S. 2010/0001237公開，其全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文)中描述的材料被用作在固化過程中原位形成的傳導(dǎo)性基質(zhì)，并且施加于基底上，以針對(duì)雷擊提供直接或間接的防護(hù)作用。在解決現(xiàn)有LSP體系中的各種問題的嘗試中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案使用一種雷擊防護(hù)劑組合物，該組合物包含反應(yīng)性有機(jī)成分和導(dǎo)電填料，能夠在有機(jī)成分固化過程中自組裝成非均相結(jié)構(gòu)，該非均相結(jié)構(gòu)包含位于(連續(xù)或半連續(xù))聚合物富集域中的金屬的連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)，其導(dǎo)電率在本體金屬導(dǎo)電率的幾個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了防止基底被雷擊的方法，該方法包括提供基底；向所述基底提供雷擊防護(hù)劑組合物，其中所述雷擊防護(hù)劑包含經(jīng)填料填充的可固化材料，所述材料能夠在固化過程中自組裝形成傳導(dǎo)性通路。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可固化材料包含可固化有機(jī)成分和填料(優(yōu)選為帶涂層的銀填料)，并且在有機(jī)成分固化過程中，填料和有機(jī)成分發(fā)生相互作用，所述相互作用使填料自組裝成傳導(dǎo)性通路。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，將所述組合物固化，由此形成穿過所述組合物的傳導(dǎo)性通路，并且固化且自組裝的組合物的傳導(dǎo)率大于具有等量傳導(dǎo)性填料的固化但并非自組裝的組合物的傳導(dǎo)率的100倍。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可固化有機(jī)成分包含雙酚F 二縮水甘油醚，并且可固化有機(jī)成分還包含固化劑，優(yōu)選包含基于酞酐與二亞乙基三胺之間的反應(yīng)的聚胺酐加合物。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，雷擊防護(hù)劑組合物還對(duì)頻率在IMHz和20GHz之間的電磁輻射提供屏蔽作用，其中所述屏蔽作用將所述電磁輻射降低至少20分貝。在本發(fā)明的另一方面中，將雷擊防護(hù)劑組合物提供至基底的步驟包括以下步驟
確認(rèn)雷擊防護(hù)體系的損壞部分，該損壞部分包含至少一個(gè)不連續(xù)的傳導(dǎo)性通路；將所述組合物沉積在所述損壞部分上；以及使所沉積的組合物固化，從而提供至少一個(gè)自組裝傳導(dǎo)性通路，從而使損壞部分中的所述至少一個(gè)不連續(xù)通路變得完整。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，損壞的雷擊防護(hù)體系包括傳導(dǎo)性多孔金屬箔、金屬網(wǎng)、碳-金屬纖維交織物、金屬化碳或經(jīng)填料填充的傳導(dǎo)性聚合物中的至少一者，并且在另一個(gè)實(shí)施方案中，損壞的雷擊防護(hù)體系包含可固化材料，該材料能夠在固化過程中自組裝形成傳導(dǎo)性通路。在本發(fā)明另外的方面中，提供了一種對(duì)雷擊防護(hù)劑(LSP)復(fù)合材料進(jìn)行非破壞性測(cè)試的方法，該方法包括提供能夠起到雷擊防護(hù)作用的導(dǎo)電組合物，測(cè)量所述組合物的電性能，以及將所測(cè)量的組合物的電性能與預(yù)先劣化的所述組合物的樣品的導(dǎo)電性對(duì)等化，從而確定所述復(fù)合材料的劣化程度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，組合物包含可固化材料，該可固化材料能夠在固化過程中自組裝形成傳導(dǎo)性通路。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，電性能包括電阻率。由于形成了非均相結(jié)構(gòu)，因此LSP組合物能夠在顆粒濃度顯著低于具有均相結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)包含均勻部分在整個(gè)聚合物基質(zhì)中的顆粒)的常規(guī)組合物相應(yīng)濃度的條件下，產(chǎn)生傳導(dǎo)性顆粒的滲流網(wǎng)絡(luò)。此外，在固化過程中形成的非均相結(jié)構(gòu)使顆粒可以熔結(jié)，從而消除顆粒之間的接觸電阻，進(jìn)而使導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性顯著提高。此外，熔結(jié)金屬的連續(xù)通路能夠傳送在雷擊情況中遭受的大量熱和電流。低填料負(fù)載與相關(guān)的連續(xù)通路自組裝的組合使得LSP材料重量更輕、更容易制造和修復(fù)，其從節(jié)省燃料、有效負(fù)載能力這方面的原因以及構(gòu)建與修復(fù)這些方面的原因來(lái)說(shuō)是有利的。由于組合物具有各向同性，因此它在所有正交方向上都具有傳導(dǎo)性；由此使得復(fù)合結(jié)構(gòu)的Z-方向上的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性顯著改善。這種改善進(jìn)而允許顯著降低與存在于復(fù)合疊層體中的非傳導(dǎo)性樹脂層和現(xiàn)有EMF LSP體系等有關(guān)的電容效應(yīng)和熱積聚。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，由于有機(jī)組分能夠發(fā)生反應(yīng)并形成共價(jià)鍵，因此可以容易地與反應(yīng)性基底共固化或者在非反應(yīng)性基底上固化(基底例如為熱塑性基底或預(yù)先反應(yīng)的熱固性基底)。另外，對(duì)樹脂化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行合適的選擇可能有助于替換通常存在于飛行器外部上的一層或多層，例如用于涂覆飛行器的底漆層和面漆層。此外，選擇合適的填料能夠提供抗雷擊性能和抗腐蝕性能，而不需要使用隔離層。
此外，本發(fā)明的組合物由于具有高傳導(dǎo)性的各向同性性質(zhì)，因此能夠用作多功能材料，其用于防止免受雷擊，以及(但不限于)屏蔽電磁場(chǎng)、消除靜電荷積聚和用于使冰融化的熱管(例如除冰材料)。此外，組合物的多功能性能克服了在將其整合到復(fù)合結(jié)構(gòu)中之前必須使金屬結(jié)構(gòu)(例如，EMF)與粘合劑膜相組合的問題。另外，未固化的(A階(A-staged)或B階，而不是C階的)組合物具有期望的處理特性并且容易適應(yīng)各種施加形式。這些形式(包括但不限于)可分配的粘合劑、噴涂、粘合劑膜、或者作為用于復(fù)合纖維預(yù)浸料坯或帶的樹脂或與之結(jié)合使用的樹脂。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，自組裝組合物可以用于制備具有兩層或更多層的疊層結(jié)構(gòu)，使得頂層包括傳導(dǎo)性自組裝組合物并且底層包括重量更輕的、導(dǎo)電或不導(dǎo)電的樹脂層。此外，相對(duì)于具有較低表面?zhèn)鲗?dǎo)率的單片膜，疊層結(jié)構(gòu)使得表面?zhèn)鲗?dǎo)率提高，同時(shí)保持了既定重量。此外，可以改變每層的厚度從而進(jìn)一步提高表面?zhèn)鲗?dǎo)率，同時(shí)保持既定重量。另外，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，未固化的組合物與現(xiàn)有LSP體系組合使用，以創(chuàng)建獨(dú)特的混合結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生了 LSP防護(hù)作用與重量的有利結(jié)合。其例子包括(但不限于)作為B階膜使用的自組裝材料，其用于嵌入固體金屬箔、EMF、金屬化纖維、金屬化織造纖維、金屬化非織造物(例如紗幕)或金屬-碳纖維交織物。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，自組裝組合物還對(duì)基底提供二次保護(hù)作用。例如，盡管初始的雷擊可能是在直接受到襲擊的區(qū)域中產(chǎn)生物理?yè)p壞，但是電流可能涌入整個(gè)基底/結(jié)構(gòu)中并損壞遠(yuǎn)處的電氣部件或表面。本發(fā)明的自組裝傳導(dǎo)性材料除了對(duì)直接受到襲擊的區(qū)域提供初級(jí)保護(hù)外，還提供了分散并控制電涌的手段。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，自組裝組合物能夠?qū)⒃诓煌糠值腖SP材料組裝時(shí)或在修復(fù)LSP材料的過程中涉及的界面電橋連。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，將該材料作為未固化的噴射涂料、未固化(不是C階)的膜粘合劑、或使用第二粘合劑或樹脂(其任選地填充有傳導(dǎo)性填料)來(lái)粘附的撓性固化膜而使用。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，現(xiàn)有的要修復(fù)的基底或者要粘結(jié)的連接基底可以與自組裝非均相材料具有相同的組成，或者是基于現(xiàn)有的LSP體系，例如基于(但不限于)EMF的現(xiàn)有LSP體系。另外，組合物的自組裝性質(zhì)使得有可能使用自動(dòng)化設(shè)備將LSP施加到復(fù)合結(jié)構(gòu)上。其例子包括(但不限于)使用自動(dòng)化噴射設(shè)備以噴射的形式施加自組裝材料，使得所噴射的材料施加到陽(yáng)模結(jié)構(gòu)上的未固化的纖維強(qiáng)化聚合物外層，或施加到已經(jīng)用脫模劑預(yù)處理的陰模結(jié)構(gòu)的表面上。另外，可以使用自動(dòng)化的纖維或帶用鋪放機(jī)(placement machine)將自組裝材料與多根單向絲(例如纖維或帶)聯(lián)合施加。在相鄰的絲固化后能夠形成連續(xù)傳導(dǎo)性通路的能力克服了與現(xiàn)有材料狀態(tài)相關(guān)的上述問題。此外，由于本文討論的材料具有高傳導(dǎo)性的各向同性性質(zhì)，因此它們本身適于進(jìn)行定量的非破壞性測(cè)試。在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方案中，可以測(cè)量固化組合物的傳導(dǎo)率，以用于(但不限于)評(píng)價(jià)在制造受保護(hù)部件的過程中產(chǎn)生的缺陷、評(píng)價(jià)LSP材料的損壞程度或評(píng)價(jià)實(shí)地材料的材料性能的劣化程度。因此，已經(jīng)概述(相當(dāng)廣泛)了本發(fā)明的較重要的特征，以便可以更好地理解以下的詳細(xì)描述并且更好地認(rèn)識(shí)本發(fā)明對(duì)本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。顯然，本發(fā)明還具有以下將要描述的附加特征，這些特征將形成本文所附權(quán)利要求書的主題。就此而言，在對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)闡釋之前，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用并不限于以下描述中闡述或在附圖中示意的細(xì)節(jié)和構(gòu)造以及部件的布置方式。本發(fā)明能夠具有其他實(shí)施方式并且能夠以各種方式來(lái)實(shí)施和實(shí)現(xiàn)。還應(yīng)當(dāng)理解的是，本文的措辭和術(shù)語(yǔ)旨在說(shuō)明，而不應(yīng)當(dāng)視為對(duì)任何方面的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解本公開所基于的構(gòu)思，并且該構(gòu)思可以容易得用作設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)新技術(shù)的若干目的的其他結(jié)構(gòu)、方法和體系的基礎(chǔ)。重要的是，權(quán)利要求書應(yīng)當(dāng)視為包括了這樣的等價(jià)構(gòu)造，只要其沒有偏離本發(fā)明的精神和范圍即可。因此，為了能夠具體理解本發(fā)明的上述以及其他將變得更顯而易見的特征、優(yōu)點(diǎn)和目的的實(shí)現(xiàn)方式，可以參照附圖所示的本發(fā)明的實(shí)施方式對(duì)以上概述的發(fā)明進(jìn)行更具體的描述，這些附圖是說(shuō)明書的一部分，其中在全部視圖中，相同的參考符號(hào)表示相同的部件。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，附圖僅示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案和可供選擇的實(shí)施方案，因此不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，這是因?yàn)楸景l(fā)明可以容許采用等效的其它實(shí)施方案。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖I是本發(fā)明實(shí)施方案中復(fù)合疊層體的視圖。圖2是示出在本發(fā)明實(shí)施方案中使用的自組裝材料的電磁屏蔽效力相對(duì)于頻率的關(guān)系的圖。圖3是示出本發(fā)明實(shí)施方案中的LSP復(fù)合材料在區(qū)域IA雷擊之后其損壞程度相對(duì)于涂層的表面電阻的關(guān)系的圖。發(fā)明詳述在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案中，提供了防止基底被雷擊的方法，該方法包括提供基底，以及向該基底提供雷擊防護(hù)劑組合物，其中該雷擊防護(hù)劑組合物包含經(jīng)填料填充的可固化材料，該材料能夠在固化過程中自組裝形成傳導(dǎo)性通路。在聚合物基質(zhì)固化過程中，傳導(dǎo)性填料自組裝成傳導(dǎo)性通路，從而提供了克服現(xiàn)有技術(shù)材料的多種缺點(diǎn)的傳導(dǎo)性LSP材料。通過適當(dāng)?shù)剡x擇組分材料和遵循特定的工藝條件，從而實(shí)現(xiàn)了自組裝和結(jié)構(gòu)形成的機(jī)制。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，填料組分包含傳導(dǎo)性填料(導(dǎo)熱、導(dǎo)電或既導(dǎo)電又導(dǎo)熱)，并且有機(jī)成分包含單體和可任選的固化劑。在有機(jī)材料反應(yīng)過程中形成填料富集域使得填料顆粒之間能夠直接接觸。在熱量存在下，顆?？梢赃M(jìn)一步熔結(jié)在一起。熔結(jié)消除了先前未熔結(jié)的填料顆粒之間的接觸電阻，從而實(shí)質(zhì)性地改善了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和/或?qū)щ娦?。雖然尚未完全理解并且不希望被理論束縛，但是據(jù)信，自組裝、域的形成以及熔結(jié)對(duì)有機(jī)材料的固化溫度、固化時(shí)間和在固化過程中施加的壓力水平是敏感的。換句話說(shuō)，域的形成和熔結(jié)是動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的過程。在另一個(gè)實(shí)施方案中，樣品加熱的速率將影響域的形成和熔結(jié)的程度?？傊?，可以調(diào)整工藝條件，以獲得這樣一種傳導(dǎo)性粘合劑，該粘合劑在最小填料負(fù)載量下具有最佳的性能組合，這通常意味著成本降低，并且有機(jī)會(huì)利用其他在高填料負(fù)載量下會(huì)受到不利影響的那些性能。在一些情況中，當(dāng)粘合劑用于不能承受高熔結(jié)溫度的應(yīng)用中時(shí)，可能使用較高的壓力或者非常規(guī)的熔結(jié)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)異常高的傳導(dǎo)性。對(duì)填料組分和反應(yīng)性有機(jī)成分進(jìn)行選擇，以在混合時(shí)產(chǎn)生均勻的混合物。但是，在固化過程中，據(jù)信，由有機(jī)成分形成的最終聚合物卻會(huì)對(duì)填料產(chǎn)生排斥作用，從而使組合物可以自組裝成具有填料富集域的非均相復(fù)合物，在所述的域中，填料成分濃度顯著大于本體填料濃度。因此，在復(fù)合物的整體(本體)填料濃度不變的情況下，填料顆粒與有機(jī)成分原位自組裝成各自的高濃度區(qū)域。這種現(xiàn)象可以導(dǎo)致由最初填料之間接觸很少(如果有的話)的混合物原位形成相互連接的填料顆粒的自組裝網(wǎng)絡(luò)?？梢允褂枚喾N途徑使填料組分與有機(jī)成分之間產(chǎn)生排斥作用。但是，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，這是通過用非極性涂料包覆填料顆粒并將被覆填料混合到包含相對(duì)非極性的樹脂和極性固化劑的反應(yīng)性有機(jī)成分中實(shí)現(xiàn)的。在未固化狀態(tài)中，樹脂、固化劑和填料形成相對(duì)均勻的混合物，其中，被覆的填料與樹脂彼此相容并形成相對(duì)均質(zhì)的混合物。然而，隨著加熱，固化劑與樹脂反應(yīng)，從而形成在其上具有極性部分的聚合物，使得填料上的非極性涂層與聚合物上的極性部分之間產(chǎn)生排斥作用。該排斥作用導(dǎo)致聚合物富集域與填料富集域的自組裝，這兩種域各自的濃度顯著大于相應(yīng)的聚合物和填料的本體濃度。此外，大量域的形成能夠產(chǎn)生連續(xù)的填料富集域，其中在大多數(shù)填料顆粒之間顆粒與顆粒充分接觸。在填料存在的情況下，有機(jī)成分固化時(shí)能夠產(chǎn)生排斥效應(yīng)的其他類型的相互作用可以包括(但不限于)靜電相互作用、氫鍵相互作用、偶極-偶極相互作用、感應(yīng)偶極相互作用、親水-疏水相互作用、范德華相互作用以及金屬相互作用(例如有機(jī)金屬化合物與金屬填料的相互作用)。其他形式的相互排斥作用可以由熵相關(guān)性效應(yīng)產(chǎn)生，例如由有機(jī)化合物形成的聚合物的分子量差異。另外，相互排斥作用可以通過外部刺激(例如電場(chǎng))而產(chǎn)生。在填料存在的情況下，有機(jī)成分固化后形成的域產(chǎn)生其濃度大于本體(平均)填料濃度的填料富集域和其濃度大于本體(平均)填料濃度的有機(jī)物富集域。大于平均填料濃度的區(qū)域可以形成傳導(dǎo)性填料的半連續(xù)或連續(xù)通路，其延伸貫穿整個(gè)固化組合物本體。這些通路提供了電子和/或熱量子可以遷移通過其中的低阻力路線。換句話說(shuō)，通路或通道允許導(dǎo)熱性或?qū)щ娦燥@著增強(qiáng)。該傳導(dǎo)性通路還可以通過將填料顆粒熔結(jié)在一起而進(jìn)一步加強(qiáng)。鑒于在雷擊情況中有大量的電流和熱必須被分散，所以這樣的高傳導(dǎo)性通路特別有益于LSP。如本領(lǐng)域理解的那樣，熔結(jié)是表面熔融現(xiàn)象，其中，顆粒在低于材料的本體熔融溫度下融合在一起。這種行為是通過材料具有松弛至低能狀態(tài)的傾向而引起的。這樣，填料類型、尺寸和形狀的選擇能夠極大地影響填料顆粒的可熔結(jié)性。某些顆粒，例如薄的、寬的、平的片狀顆粒)通常是通過經(jīng)各種研磨工藝對(duì)大顆粒進(jìn)行剪切而形成的。該過程除了產(chǎn)生大量的表面積外，還產(chǎn)生大量的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)對(duì)顆粒施加一定量的熱量時(shí)，它們傾向于熔融并融合在一起，由此減小內(nèi)應(yīng)變并降低該顆粒的整體表面能。因此，用于本發(fā)明的優(yōu)選填料顆粒是具有一定程度的導(dǎo)熱性或?qū)щ娦圆⒁子谌劢Y(jié)的那些。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，優(yōu)選的填料包含已經(jīng)進(jìn)行冷加工的金屬顆粒，該冷加工賦予填料結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步熔結(jié)的應(yīng)變。熔結(jié)溫度根據(jù)選作填料的材料以及填料顆粒的幾何形狀而變化。但是，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，有利的是，使有機(jī)成分的固化和填料的熔結(jié)達(dá)到平衡，從而使它們同時(shí)發(fā)生。在本實(shí)施方案中，對(duì)固化溫度和分布加以選擇，使之與填料的熔結(jié)溫度一致，以便有機(jī)成分變得排斥填料，而使填料顆粒被壓在一起，一旦使得顆粒之間接觸，則單個(gè)的填料顆粒就能熔結(jié)。據(jù)信，這會(huì)導(dǎo)致形成貫穿整個(gè)完全固化的組合物的連續(xù)填料結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，對(duì)于銀片填料，熔結(jié)溫度為至少約100°c，更優(yōu)選為約150°C，還更優(yōu)選高于150。。。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中，低溫固化可能是有利的。例如當(dāng)將可固化組合物涂覆/施加至熱敏基底時(shí)，可以調(diào)整固化劑和固化機(jī)制，以在低于50°C的溫度，或者在低于室溫(20°C -25V )下獲得固化的自組裝材料。在本發(fā)明的那些在固化步驟中沒有發(fā)生熔結(jié)的實(shí)施方案中(例如在低溫固化環(huán)境中)，顆?？梢宰畛跣纬晌慈劢Y(jié)的自組裝通路?？梢陨院笤黾尤劢Y(jié)步驟。該稍后增加的熔結(jié)步驟可以包括通過環(huán)境加熱或通過電感應(yīng)加熱(例如通過雷擊)來(lái)加熱該自組裝材料。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，自組裝組合物可以在不進(jìn)行加熱的情況下固化。但是，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，通過加熱組合物使該組合物固化。熱固化通常是在固化爐(例如對(duì)流爐或高壓釜)中進(jìn)行的，其中使用熱空氣或輻射熱來(lái)升高組合物的溫度。在本發(fā)明可供選擇的實(shí)施方案中，可以使用其他固化方法，例如在電磁場(chǎng)中感應(yīng)固化、微波固化、紅外固化、電子束固化、紫外固化以及通過可見光固化。另外，可以通過采用放熱固化反應(yīng)來(lái)使固化反應(yīng)自行加速。(例如)當(dāng)組合物涂覆在熱敏基底(例如塑料)上時(shí)，非熱固化可能是有利的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，填料包括無(wú)機(jī)填料?？捎玫奶盍习兘饘?例如鋁、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鈕、銀、鎘、銦、錫、鋪、鉬、金、鈦、鉛和鶴)、金屬氧化物和陶瓷(例如氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化鋅)。含碳填料可以包括石墨、碳黑、碳納米管和碳纖維。合適的填料還包括合金以及上述填料的組合。另外的填料包括無(wú)機(jī)氧化物粉末，例如熔凝的二氧化硅粉末，氧化鋁和氧化鈦，以及鋁、鈦、硅和鎢的硝酸鹽。顆粒材料包括顆粒尺寸在幾納米到幾十微米范圍內(nèi)的形式。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，基于固化組合物的總體積，填料的含量為約40體積％或更少。在本發(fā)明更優(yōu)選的實(shí)施方案中，基于固化組合物的總體積，填料的含量為約30體積％或更少。在本發(fā)明最優(yōu)選的實(shí)施方案中，基于固化組合物的總體積，填料的含量為約15體積％或更少。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，填料包括導(dǎo)電、導(dǎo)熱或既導(dǎo)電又導(dǎo)熱的材料。雖然在本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案中優(yōu)選使用金屬和金屬合金，但是填料可以包括傳導(dǎo)性的可熔結(jié)的非金屬材料。在本發(fā)明可供選擇的實(shí)施方案中，填料可以包括雜化顆粒，其中一種填料(例如非傳導(dǎo)性填料)被傳導(dǎo)性的可熔結(jié)的材料(例如銀)包覆。在這種方式中，可以減少所用銀的總量，同時(shí)保持填料顆粒的可熔結(jié)性和熔結(jié)材料的傳導(dǎo)性。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，填料組分必須能夠與有機(jī)成分相互作用，從而使最終的材料具有非均相結(jié)構(gòu)。在以上討論的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，這是通過使極性有機(jī)成分與非極性填料相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于優(yōu)選的填料材料(例如金屬)，用具有所需極性程度的材料包覆填料。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，填料的涂層包括非極性脂肪酸涂層，例如硬脂酸、油酸、亞油酸和棕櫚酸。在本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方案中，填料涂層包括多種非極性材料中的至少一種，例如烷烴、石蠟、飽和或不飽和的脂肪酸、烯烴、脂肪酯、蠟質(zhì)涂層、或低聚物和共聚物。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，非極性涂層包括具有疏水末端的有機(jī)鈦酸酯(ogranotitanate)或娃基涂層(例如含有疏水末端的娃燒、或功能性有機(jī)娃)。
在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，在將顆粒摻入可固化組合物之前，將涂料(或表面活性劑、偶聯(lián)劑、表面改性劑等)施加到填料顆粒上。涂覆方法的例子包括(但不限于)由水性醇沉積涂料、由水性溶液沉積涂料、將涂料本體沉積在原始填料上(例如使用噴射溶液和錐形混合機(jī)、在碾磨機(jī)或磨碎機(jī)中將涂料與填料混合)以及蒸氣沉積。在又一個(gè)實(shí)施方案中，在有機(jī)組分(即樹脂與固化劑)之間發(fā)生反應(yīng)之前，將涂料添加到組合物中以處理填料。在本發(fā)明可供選擇的實(shí)施方案中，將填料/涂層與聚合物的極性顛倒，其中該填料/涂層包括極性部分，而有機(jī)成分包括非極性聚合物。類似地，在本發(fā)明的采用極性以外的排斥作用來(lái)驅(qū)動(dòng)自組裝的實(shí)施方案中，可以將填料和有機(jī)組分的活性相互交換。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，有機(jī)成分包含環(huán)氧樹脂和固化劑。在本實(shí)施方案中，有機(jī)成分占總組合物的約60體積％至約100體積％。在本實(shí)施方案中，有機(jī)成分包含約70
重量％至85重量％的雙酚化合物(例如雙酚F) 二縮水甘油醚以及15重量％至30重量％的固化劑，例如基于酞酐與二亞乙基三胺之間的反應(yīng)的聚胺酐加合物。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，合適的有機(jī)成分包括以下類型的單體、反應(yīng)性低聚物或反應(yīng)性聚合物硅氧烷、酚醛樹脂、酚醛清漆、丙烯酸酯(或丙烯酸樹脂)、聚氨酯、脲、酰亞胺、乙烯基酯、聚酯、馬來(lái)酰亞胺樹脂、氰酸酯、聚酰亞胺、聚脲、氰基丙烯酸酯、苯并噁嗪、不飽和二烯聚合物以及它們的組合。固化化學(xué)取決于在有機(jī)成分中使用的聚合物或樹月旨。例如硅氧烷基質(zhì)可以包括加成反應(yīng)固化性基質(zhì)、縮合反應(yīng)固化性基質(zhì)、過氧化物反應(yīng)固化性基質(zhì)或它們的組合。固化劑的選擇取決于本文概述的填料組分和工藝條件的選擇，從而將填料顆粒按照所需的那樣自組裝成傳導(dǎo)性通路。在另一個(gè)實(shí)施方案中，由于具有各向同性，所以組合物在所有的正交方向都具有傳導(dǎo)性，由此使復(fù)合結(jié)構(gòu)在Z-方向上具有顯著改善的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這種改善進(jìn)而允許顯著降低與存在于復(fù)合疊層體中的非傳導(dǎo)性樹脂層和現(xiàn)有EMF LSP體系等相關(guān)的電容效應(yīng)和熱積聚。另外，該材料可以通過使復(fù)合材料基底的層中或?qū)娱g的相鄰碳纖維橋連而有利于熱和電子遷移。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，自組裝材料的高傳導(dǎo)性的各向同性性質(zhì)使它們適于定量的非破壞性測(cè)試，以下將對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)地討論。此外，未固化的(A階或B階，但不是C階)自組裝組合物具有有利的處理特性并且易于適應(yīng)各種應(yīng)用形式。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，自組裝組合物包含可流動(dòng)的粘合劑(例如液體或糊狀)，該粘合劑在有機(jī)成分的固化過程中能夠粘附于反應(yīng)性或非反應(yīng)性的基底。因此，自組裝組合物具有粘合性質(zhì)，該粘合性質(zhì)對(duì)某些應(yīng)用技術(shù)具有加強(qiáng)作用并使得與基底的機(jī)械連接作用可以更強(qiáng)，從而加強(qiáng)了基底與粘合劑中的傳導(dǎo)性網(wǎng)絡(luò)之間的電連接。結(jié)果是粘合劑能夠?qū)蓚€(gè)相鄰的表面粘合在一起同時(shí)還提供LSP防護(hù)作用。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，自組裝組合物作為兩部分體系來(lái)提供，其中，可固化有機(jī)組分存在于“A-側(cè)”，而固化劑存在于“B-側(cè)”，這樣，當(dāng)混合時(shí)，固化反應(yīng)開始進(jìn)行。填料和任何其他任選組分可以位于A-側(cè)或B-側(cè)或兩側(cè)都有。在另一個(gè)實(shí)施方案中，組合物是通常用于復(fù)合材料應(yīng)用的B階膜粘合劑的形式。另外，該膜粘合劑具有任選的載體織物(例如，非織造紗幕)，以加強(qiáng)處理特性。在又一個(gè)實(shí)施方案中，紗幕可以是導(dǎo)電的，從而進(jìn)一步加強(qiáng)組合物的LSP能力。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過向組合物添加溶劑而將該組合物以噴射流的形式施加至基底。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，溶劑具有適于溶解(完全溶解或部分溶解)有機(jī)成分、同時(shí)能夠在復(fù)合結(jié)構(gòu)的常規(guī)操作條件下蒸發(fā)的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的使用環(huán)氧樹脂的優(yōu)選實(shí)施方案中，溶劑包括(但不限于)丙酮、甲基乙基酮、甲苯、二甲苯、苯甲醇、乙酸丁酯、環(huán)己酮、二甲氧基乙烷、三氯乙烯、二醇醚以及它們的混合物。此外，還將根據(jù)所用的固化劑來(lái)選擇溶劑。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，有利的是，選擇諸如丙酮等化學(xué)品，其對(duì)于環(huán)氧樹脂起到溶劑的作用，而對(duì)于聚胺酐加合物則不是溶劑。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，溶劑包含O. 25重量份至I. 5重量份的非溶劑組分。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，組合物與纖維增強(qiáng)材料(例如纖維、纖維束、織造纖維或織物等)結(jié)合使用，從而制備涂覆或擠拉纖維、復(fù)合預(yù)浸料坯、帶等。換句話說(shuō)，組合物起到用于形成常規(guī)預(yù)浸料坯和相關(guān)材料的常規(guī)樹脂組分的作用。在另外的實(shí)施方案中，本文討論的自組裝材料是順應(yīng)性的，并且有利于使用許多已知的制造技術(shù)，包括滲透技術(shù)，例如樹脂傳遞模塑法、樹脂膜熔滲法、真空輔助樹脂傳遞模塑法等。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，自組裝材料可以用于制備具有兩層或更多層的疊層
結(jié)構(gòu)，使得頂層包含傳導(dǎo)性自組裝組合物，而底層包含重量較輕的導(dǎo)電樹脂和/或非傳導(dǎo)性樹脂(如常規(guī)的貼面膜)。另外，可以以非傳導(dǎo)性樹脂為例，相對(duì)于具有較低表面?zhèn)鲗?dǎo)率的單片膜，疊層結(jié)構(gòu)提高了表面?zhèn)鲗?dǎo)率，同時(shí)保持既定重量。另外，可以改變每層的厚度從而進(jìn)一步提高表面?zhèn)鲗?dǎo)率，同時(shí)保持既定重量。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，將未固化的組合物與現(xiàn)有的LSP體系聯(lián)合使用，以構(gòu)建獨(dú)特的混合結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生LSP防護(hù)作用和重量的有利結(jié)合。其例子包括(但不限于)作為B階膜使用的自組裝材料，其用于嵌入固體金屬箔、EMF、金屬化纖維、金屬化織造纖維、金屬化非織造物(例如紗幕)或金屬-碳纖維交織物?？梢允褂帽景l(fā)明實(shí)施方案的方法和材料為各種基底、部件、機(jī)械、運(yùn)載工具和設(shè)備提供雷擊防護(hù)作用。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，使用本發(fā)明的方法和材料為運(yùn)載工具和諸如天線、雷達(dá)和風(fēng)輪機(jī)等結(jié)構(gòu)提供LSP，所述運(yùn)載工具包括飛行器、海上運(yùn)載工具和陸地運(yùn)載工具。參照

圖1，提供了本發(fā)明實(shí)施方案中的基底的例子，其是例如航天工業(yè)中通常采用的商業(yè)復(fù)合材料應(yīng)用中常常遇到的基底的例子。圖I中的基底由夾層型疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中多層結(jié)構(gòu)碳纖維預(yù)浸料坯4-6和10-12夾有位于內(nèi)部的、輕質(zhì)的蜂窩狀核芯8，粘合劑膜層7和9將這些組件粘合在一起。LSP體系3施加在上面的碳層4-6之上。應(yīng)當(dāng)注意的是，商業(yè)上的LSP體系通常具有玻璃纖維隔離層，該隔離層有時(shí)用于防止發(fā)生在碳纖維基底與LSP體系(特別是具有與碳不同的伽伐尼電勢(shì)的那些體系)中的金屬物質(zhì)之間的電偶腐蝕。本發(fā)明實(shí)施方案的自組裝材料3提供了 LSP并且隨后涂覆保護(hù)性和裝飾性底漆層2和面漆層I。在本發(fā)明可供選擇的實(shí)施方案中，還經(jīng)常遇到單片結(jié)構(gòu)，即僅基于纖維預(yù)浸料坯的那些。預(yù)浸料坯和相關(guān)纖維強(qiáng)化樹脂可以具有多種不同的形式，例如嵌入樹脂中的織造纖維、在樹脂中的單向纖維(例如大的層片或帶的形式)、或浸潰樹脂的擠拉纖維。纖維強(qiáng)化材料可具有許多不同類型的纖維和許多纖維結(jié)構(gòu)，例如用玻璃、碳、硼、芳族聚酰胺、碳化硅等制成的纖維，纖維結(jié)構(gòu)例如是單向絲束或織造織物。另外，如上所述，本發(fā)明的自組裝材料可以與常規(guī)用于形成纖維預(yù)浸料坯、擠拉纖維束等的樹脂組分結(jié)合使用。在另一個(gè)實(shí)施方案中，基底可以由纖維強(qiáng)化塑料構(gòu)成。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，由于有機(jī)成分能夠反應(yīng)并形成共價(jià)鍵，因此可以容易地與反應(yīng)性基底共固化或者在非反應(yīng)性基底上固化(基底例如為熱塑性基底或預(yù)先反應(yīng)的熱固性基底)。此外，對(duì)樹脂化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行合適的選擇可能有助于替換通常存在于飛行器外部上的一層或多層，例如用于涂覆飛行器的底漆和面漆層(即圖I中的層I和層2)。另外，在適當(dāng)選擇填料的情況下，本發(fā)明能夠提供防雷擊和抗腐蝕性能，而不需要使用隔尚層O此外，由于本發(fā)明的組合物具有高傳導(dǎo)性的各向同性性質(zhì)，因此其能夠用作多功能材料，以實(shí)現(xiàn)下列目的防止免受雷擊，以及(但不限于)屏蔽由雷擊的間接影響或人為原因(例如電子和通訊)引起的電磁場(chǎng)。此外，該材料還可以通過消散靜電而起到消除靜電荷積聚的作用，或者作為除冰體系的一部分而用作熔融冰的熱管。此外，組合物的多功能性能克服了在將其整合到復(fù)合結(jié)構(gòu)中之前必須將金屬結(jié)構(gòu)(例如EMF)與粘合劑膜相組合的問題。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中，固化的自組裝材料提供了沿復(fù)合材料飛行器或其他基底的外殼接地的流暢通路。該接地的通路通過使用傳導(dǎo)性材料完成線路從而允許制造者減少電氣設(shè)備的接地線的數(shù)量。如以上提及的那樣，LSP-纖維預(yù)浸料坯基底的制作可以通過在常規(guī)復(fù)合材料加工技術(shù)(例如高壓釜固化、非高壓釜固化或壓塑成型)中使材料一起共固化來(lái)實(shí)現(xiàn)。可供選擇的是，自組裝粘合劑可以在底層復(fù)合材料基底固化之后進(jìn)行固化。此外，自組裝粘合劑可以固化到熱塑性基底上。在另外的實(shí)施方案中，在復(fù)合材料加工和固化中通常遇到的壓力水平升高可以進(jìn)一步有助于填料顆粒熔結(jié)(這在組合物自組裝之后發(fā)生)。復(fù)合材料應(yīng)用的例子包括機(jī)翼和尾部的外殼、操縱面、機(jī)翼、天線屏蔽器、直升機(jī)槳葉、風(fēng)輪機(jī)槳葉、縱梁、翼梁和翼肋。在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施方案中，自組裝材料可以用作LSP粘合劑來(lái)粘結(jié)和/或密封接縫、螺栓、緊固件、鉚釘?shù)取Ｔ摬牧线€可以提供跨接連接部分的機(jī)械整體性和電連續(xù)性，以防止接頭內(nèi)部或周圍形成電弧。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，該材料起到使復(fù)合材料接觸基底(例如飛機(jī)機(jī)架)的作用。如以上提及的那樣，當(dāng)EMF損壞時(shí)，它很難修復(fù)。必須小心地打磨網(wǎng)狀物并切掉底層損壞的結(jié)構(gòu)，然后用新材料替換。修復(fù)的難度在于將新的EMF與現(xiàn)有的EMF接合。必須使新的EMF精確對(duì)準(zhǔn)。如果沒能精確對(duì)準(zhǔn)，則產(chǎn)生間隙，而這些間隙在未來(lái)的雷擊情況中將會(huì)限制流動(dòng)電流；這最終會(huì)危及飛行器的安全。此外，采用簡(jiǎn)單的處理就能容易地使EMF變形。還已知EMF在涂漆過程中產(chǎn)生表面缺陷，而這需要再加工。由于這些原因，所以在使用現(xiàn)有狀態(tài)的EMF材料時(shí)，為了確保充分修復(fù)，需要極為小心并且要花費(fèi)很多時(shí)間。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，使用本發(fā)明的自組裝材料來(lái)修復(fù)損壞的雷擊表面。此修復(fù)方法克服了與金屬箔和其它此類現(xiàn)有體系相關(guān)的修復(fù)難題。由于本發(fā)明的材料具有獨(dú)特的自組裝傳導(dǎo)性結(jié)構(gòu)，所以金屬之間的界面不需要對(duì)準(zhǔn)，這是因?yàn)楫?dāng)將自組裝材料施加至修復(fù)位置時(shí)，該自組裝材料將原位形成互連。在修復(fù)過程中采用本發(fā)明組合物的具體方式包括將未固化的材料噴射或涂覆到要修復(fù)的部位，或預(yù)先形成B階或C階的片材，然后將該片材施加到損壞的區(qū)域。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，修復(fù)方法包括以下步驟打磨面板以除去油漆并使包括原始傳導(dǎo)性材料(金屬箔、自組裝傳導(dǎo)性通路等)的損壞區(qū)域暴露，然后用刀具刺穿蜂窩狀材料并繞著損壞區(qū)域的周邊進(jìn)行切割，剝離碳層和蜂窩狀材料，以及打磨上面的三層碳層，形成階梯式結(jié)構(gòu)。然后用高速氣動(dòng)彎頭磨機(jī)(pneumatic angle grinder)將孔的底部打磨平整，并用無(wú)油壓縮空氣除掉修復(fù)區(qū)域的灰塵。將粘合劑膜施加到蜂窩狀材料中的孔的側(cè)面和底部，將預(yù)制作的蜂窩狀栓塞施加至修復(fù)區(qū)域，將額外的粘合劑膜置于蜂窩狀材料和階梯式嵌接區(qū)域上，然后施加與修復(fù)區(qū)域的階梯尺寸相匹配的3層碳纖維預(yù)浸料坯，從尺寸最小的一個(gè)開始施加。將本發(fā)明實(shí)施方案的自組裝LSP材料放在修復(fù)區(qū)域上使其與現(xiàn)有的導(dǎo)電用LSP交疊，將面板放在涂敷有防粘層的工具表面，并在它們周圍構(gòu)造真空封包，將整個(gè)組件壓實(shí)約20分鐘，然后在50磅/平方英寸(psi)的高壓釜中、在177°C的恒溫條件下固化2小時(shí)，接著用粒度為240的砂紙輕輕地摩擦面板并用無(wú)油壓縮空氣吹干凈，并且根據(jù)需要為面板涂敷底漆和面漆層。在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，自組裝LSP材料可以用于修復(fù)現(xiàn)有技術(shù)中的雷擊防護(hù)體系，例如傳導(dǎo)性多孔金屬箔、金屬網(wǎng)、碳-金屬纖維交織物、金屬化碳、金屬化纖維玻璃
或經(jīng)填料填充的導(dǎo)電聚合物。本發(fā)明實(shí)施方案的獨(dú)特的自組裝材料能夠容易地施加于損壞區(qū)域，并與現(xiàn)有傳導(dǎo)性通路“自動(dòng)”對(duì)準(zhǔn)，從而在現(xiàn)有體系與本發(fā)明的自組裝修復(fù)材料之間形成連續(xù)的傳導(dǎo)性通道。在本發(fā)明的另外的實(shí)施方案中，自組裝傳導(dǎo)性材料使得能夠使用自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備將LSP施加至復(fù)合結(jié)構(gòu)。其例子包括(但不限于)使用自動(dòng)噴射設(shè)備以噴霧形式施加自組裝材料，使得所噴射的材料施加到陽(yáng)模結(jié)構(gòu)上的未固化的纖維強(qiáng)化聚合物外層，或施加到已經(jīng)用脫模劑預(yù)處理的陰模結(jié)構(gòu)的表面上。此外，可以使用自動(dòng)化的纖維或帶用鋪放機(jī)將自組裝材料與多根單向絲(例如，纖維或帶)聯(lián)合施加。在相鄰的絲固化后能夠形成連續(xù)傳導(dǎo)性通路的能力克服了與現(xiàn)有材料狀況相關(guān)的上述制造和重量方面的問題。在本發(fā)明的另外的實(shí)施方案中，自組裝傳導(dǎo)性材料允許非破壞性地檢查(NDI)施加到表面的材料。NDI技術(shù)在諸如制作航天用復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中是關(guān)鍵的。NDI方法允許顯著節(jié)省制作時(shí)間和成本，同時(shí)還允許使得任務(wù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(mission-critical structure)達(dá)到最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明的材料使得能夠在外殼的整個(gè)使用期內(nèi)對(duì)LSP外殼實(shí)施簡(jiǎn)單的非破壞性定量檢查技術(shù)。可以通過使表面與標(biāo)準(zhǔn)電阻探針(例如4點(diǎn)探針)接觸來(lái)快速檢查固化的LSP層。然后可以將電阻值與涉及雷擊防護(hù)水平和電磁干擾(EMI)屏蔽的性能相關(guān)聯(lián)。表面電阻取決于材料的體積電導(dǎo)率和涂層的厚度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，固化的自組裝涂層在所有三個(gè)維度(寬度、長(zhǎng)度和厚度)上都具有導(dǎo)電性。因此，可以容易地使用標(biāo)準(zhǔn)裝置(例如與電阻表相連的4點(diǎn)探針)在涂層的表面上測(cè)量電阻。雖然參照具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，這些實(shí)施方案僅在于示例本發(fā)明的原理。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，本發(fā)明的組合物、裝置和方法可以以其他的方式和實(shí)施方案來(lái)構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)。因此，本文的描述不應(yīng)當(dāng)理解成是對(duì)本發(fā)明的限制，因?yàn)槠渌膶?shí)施方案也落入了通過所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
實(shí)施例實(shí)施例中描述的自組裝雷擊防護(hù)劑組合物包含雙酚F 二縮水甘油醚(DGEBF)樹脂(或者DGEBF與一縮二丙二醇二縮水甘油醚的共混物)、基于酞酐與二亞乙基三胺的反應(yīng)的胺加合物固化劑和包覆有硬脂酸的銀片(表面積為約O. 8m2/g，在538°C下在空氣中的重量損失為約O. 3% )以及任選的基于甲苯、甲基乙基酮、乙酸乙酯和石油醚(分別為35重量％、32重量％、22重量％、11重量％ )的混合物的溶劑。這些涂料被轉(zhuǎn)換成多種不同的應(yīng)用形式、施加到復(fù)合疊層結(jié)構(gòu)(測(cè)試板)上并與之共固化，并且測(cè)試防雷擊性能。由于這些LSP材料和方法能夠在所有正交方向上形成高傳導(dǎo)性的連續(xù)電通路，因此其從根本上提供了針對(duì)雷擊的防護(hù)作用。換言之，材料的成分在該材料固化過程中自組裝形成傳導(dǎo)性三維網(wǎng)絡(luò)。此外，相對(duì)于現(xiàn)有狀況的多孔金屬箔保護(hù)體系，上述這些材料能夠在實(shí)質(zhì)性降低重量的條件下提供直接或間接的防護(hù)作用。最終，本發(fā)明實(shí)施方案的自組裝LSP材料有潛力克服現(xiàn)有狀況的材料中遇到的多種問題(例如處理、加工、自動(dòng)化、修復(fù)方面的問題、上述提到的其他問題等)。以下，先描述材料、面板構(gòu)造和雷擊測(cè)試條件，之后列出支持性實(shí)施例。圖I示出了用于測(cè)試本文所述的不同防雷擊體系的疊層測(cè)試面板的橫截面。選擇該疊層構(gòu)造來(lái)代表可以在固定和/或旋轉(zhuǎn)翼型飛行器中存在的構(gòu)造類型。該構(gòu)造也類似于用于風(fēng)輪機(jī)和直升飛機(jī)槳葉(二者都易于被雷擊)的復(fù)合材料槳葉中使用的復(fù)合疊層體。表I列出了構(gòu)成面板的材料。所用的LSP體系在下文中詳細(xì)描述。表I用于制備雷擊測(cè)試面板的材料列表
[008權(quán)利要求
1.ー種防止基底被雷擊的方法，包括 提供基底， 向所述基底提供雷擊防護(hù)劑組合物， 其中所述雷擊防護(hù)劑組合物包含經(jīng)填料填充的可固化材料，所述可固化材料在固化過程中能夠自組裝形成傳導(dǎo)性通路。
2.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可固化材料包含可固化有機(jī)成分和填料。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述有機(jī)成分固化過程中，所述填料與所述有機(jī)成分發(fā)生相互作用，所述相互作用使所述填料自組裝成傳導(dǎo)性通路。
4.權(quán)利要求I所述的方法，其中將所述組合物固化，從而形成穿過該組合物的傳導(dǎo)性通路。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中，已固化且自組裝的所述組合物的傳導(dǎo)率大于具有等量所述傳導(dǎo)性填料的已固化但并非自組裝的組合物的傳導(dǎo)率的100倍。
6.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述可固化有機(jī)成分包含雙酚Fニ縮水甘油醚。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述可固化有機(jī)成分還包含固化劑。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述固化劑包括基于酞酐與ニ亞こ基三胺之間的反應(yīng)的聚胺酐加合物。
9.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述填料包括銀。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述填料還包括非極性涂層。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述涂層包含硬脂酸。
12.權(quán)利要求I所述的方法，還包括加熱所述組合物使所述材料固化的步驟。
13.權(quán)利要求I所述的方法，其中將所述填料的顆粒熔結(jié)從而形成熔結(jié)的自組裝傳導(dǎo)性通路。
14.權(quán)利要求I所述的方法，其中將所述組合物噴射到所述基底上。
15.權(quán)利要求I所述的方法，其中在將所述組合物施加至所述基底時(shí)，所述組合物包含B階膜。
16.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述基底包括運(yùn)載工具本體。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述運(yùn)載工具包括飛行器。
18.權(quán)利要求I所述的方法，其中將所述雷擊防護(hù)劑組合物并入還包括預(yù)浸料坯基底的疊層結(jié)構(gòu)中。
19.權(quán)利要求18所述的方法，其中所述疊層結(jié)構(gòu)還包含另外的預(yù)形成的傳導(dǎo)性基質(zhì)。
20.權(quán)利要求19所述的方法，其中所述預(yù)形成的傳導(dǎo)性基質(zhì)包括多孔金屬箔。
21.權(quán)利要求I所述的方法，其中自組裝后的所述材料還為至少ー種電氣裝置提供接地的通路。
22.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述雷擊防護(hù)劑組合物還對(duì)頻率在IMHz和20GHz之間的電磁輻射提供屏蔽作用，其中所述屏蔽作用將所述電磁輻射降低至少20分貝。
23.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述組合物包含少于40體積％的傳導(dǎo)性填料。
24.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述組合物包含少于15體積％的傳導(dǎo)性填料。
25.權(quán)利要求I所述的方法，其中所述向基底提供雷擊防護(hù)劑組合物的步驟包括以下步驟確認(rèn)雷擊防護(hù)體系的損壞部分，所述損壞部分包括至少ー個(gè)不連續(xù)的傳導(dǎo)性通路； 將所述組合物沉積在所述損壞部分上；以及 使所沉積的組合物固化，以提供至少ー個(gè)自組裝傳導(dǎo)性通路，從而使所述損壞部分中的所述至少ー個(gè)不連續(xù)通路變得完整。
26.權(quán)利要求25所述的方法，其中損壞的雷擊防護(hù)體系包括傳導(dǎo)性多孔金屬箔、金屬網(wǎng)、碳-金屬纖維交織物、金屬化碳或經(jīng)填料填充的傳導(dǎo)性聚合物中的至少ー者。
27.權(quán)利要求25所述的方法，其中損壞的雷擊防護(hù)體系包含可固化材料，所述可固化材料能夠在固化過程中自組裝形成傳導(dǎo)性通路。
28.ー種對(duì)雷擊防護(hù)劑(LSP)復(fù)合材料進(jìn)行非破壞性測(cè)試的方法，包括 提供能夠起到雷擊防護(hù)作用的導(dǎo)電組合物； 測(cè)量所述組合物的電性能；以及 將所測(cè)量的所述組合物的電性能與所述組合物的預(yù)先劣化的樣品的導(dǎo)電性對(duì)等化，以確定所述復(fù)合材料的劣化程度。
29.權(quán)利要求28所述的方法，其中所述組合物包含可固化材料，所述可固化材料能夠在固化過程中自組裝形成傳導(dǎo)性通路。
30.權(quán)利要求28所述的方法，其中所述電性能包括電阻率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種防止基底被雷擊的方法，該方法包括向所述基底提供雷擊防護(hù)劑組合物。所述雷擊防護(hù)劑組合物包含反應(yīng)性有機(jī)成分和傳導(dǎo)性填料，能夠在有機(jī)成分固化過程中自組裝成非均相結(jié)構(gòu)，該非均相結(jié)構(gòu)包含位于(連續(xù)或半連續(xù))聚合物富集域中的金屬的連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)。所得組合物具有異常高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。
文檔編號(hào)C09D5/00GK102803406SQ201080025991
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者塞思·B·卡拉瑟斯, 尼古拉斯·D·赫夫曼 申請(qǐng)人:洛德公司