專利名稱：用于最小化雷擊影響的光譜選擇性涂層及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請涉及用于阻止等離子破壞和退化的涂層和方法，并且更具體地涉及用于將經(jīng)得起雷擊和暴露于類似的等離子的能力給予襯底的涂層和相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
碳纖維增強塑料(“CFRP”)材料逐漸地用于代替鋁形成商用飛機的蒙皮壁板 (skin panels)和結(jié)構(gòu)組件。由于碳纖維復(fù)合材料所提供的較高的強度_重量比，與鋁相比，CFRP材料是有優(yōu)勢的。然而，CFRP材料似乎比鋁材料對于來自雷擊的災(zāi)難性破壞 (catastrophic damage)更敏感。CFRP材料中與典型雷擊相關(guān)的缺陷似乎是由高溫驅(qū)動的。當(dāng)受到雷擊時， 復(fù)合材料中的碳纖維變?yōu)榉浅?。該溫度可以超過樹脂的氣化溫度(pyrolization temperature)，使樹脂從固體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。內(nèi)部氣壓的相應(yīng)增加通過分層和可能地?fù)舸┫聦酉到y(tǒng)或結(jié)構(gòu)造成對結(jié)構(gòu)的破壞。該高溫還能夠引起對纖維的永久性破壞，導(dǎo)致纖維直徑的膨脹。與材料熱膨脹系數(shù)結(jié)合的局部加熱也影響破壞。與雷擊有關(guān)的撞擊力起源于聲學(xué)、 電磁學(xué)和氣體學(xué)。這些力在相應(yīng)高溫下能夠超過材料拉力強度極限。電流解決方法使用電通路有效傳導(dǎo)并分配電流，努力地遠(yuǎn)離閃電附著地帶以避免火花。這些電通路整合到CFRP材料設(shè)計中，例如在外部漆層(例如，聚氨酯(polyurethane) 層)下面。然而，盡管使用設(shè)計良好的電通路傳導(dǎo)電流，仍舊觀察到實質(zhì)上的結(jié)構(gòu)破壞。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員繼續(xù)尋找用于避免由雷擊引起的結(jié)構(gòu)破壞的新技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明公開的用于減少由襯底和等離子之間相互作用引起的對襯底的結(jié)構(gòu)破壞的方法可以包括的步驟有確定等離子的光譜輻射率處于峰值的波長，其中該波長是等離子的溫度的函數(shù)；制備能夠給予襯底在圍繞波長的光譜波段上的閾值電磁反射率的涂層和將涂層施加到襯底。在另一個方面，本發(fā)明公開的用于減少由襯底和雷擊之間接觸所引起的對襯底的結(jié)構(gòu)破壞的方法可以包括以下步驟制備能夠給予襯底在真空紫外光譜中的閾值電磁反射率的涂層和將該涂層施加到襯底。本發(fā)明公開的用于最小化雷擊影響的光譜選擇性涂層及其相關(guān)方法的其他方面從下列描述、附圖和權(quán)利要求中會顯而易見。


圖1是黑體模型(black body modeling)輻射能的光譜輻射率隨波長和溫度變化的圖解說明；圖2A是具有0. 2的輻射加熱吸收系數(shù)的襯底的外表面和內(nèi)表面溫度隨時間變化的圖解說明；
圖2B是具有0. 1的輻射加熱吸收系數(shù)的襯底的外表面和內(nèi)表面溫度隨時間變化的圖解說明；圖3A是對于不同閃電等離子溫度的有效紫外吸收率隨波長變化的圖解說明；圖;3B是對于不同表皮溫度的有效紅外發(fā)射率隨波長變化的圖解說明；圖4是對不同金屬的等離子波長的圖解說明；圖5A是用包含球狀顏料的光譜選擇性涂層涂覆的襯底的示意橫斷面圖；圖5B是用包含片狀顏料的光譜選擇性涂層涂覆的襯底的示意橫斷面圖；圖6是光譜和接近20000K等離子的厚鋁層的凈余反射率的圖解說明；圖7是對置于20000K等離子和CFRP襯底之間的鋁層的凈余反射率(net reflectivity)隨厚度變化的圖解說明；和圖8是按照本發(fā)明的一個方面的具有光譜選擇性涂層的CFRP襯底的方框圖。
具體實施例方式閃電對襯底具有直接和間接影響。具體地，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)除了其他的直接影響之外，例如電阻式加熱、電磁和聲學(xué)力和電火花，輻射加熱具有顯著的直接影響。間接影響包括導(dǎo)線束和航空電子裝置收到的強的電磁脈沖(EMP)、束縛電荷和感生電壓。通常的閃電(lightning)直接影響保護(hù)提供了這樣的襯底(例如，飛機的外部結(jié)構(gòu))，其能夠經(jīng)得起在高達(dá)200000安培電流閃電等離子的初始和隨后附著而沒有有害后果。通常的閃電直接影響保護(hù)也可以保證隨著電流在閃電附著和出口點之間傳輸，在結(jié)構(gòu)結(jié)點或者在燃料和液壓耦合器上沒有火花發(fā)生。依照本發(fā)明，閃電直接影響保護(hù)也可以包括保護(hù)不受閃電等離子(或者任何其他破壞的高溫等離子體)和襯底之間的輻射加熱。具體地，在本發(fā)明的一個方面中，襯底可以擁有光譜選擇性涂層，其被設(shè)計并制造成用于提供從閃電等離子源輻射的入射紫外線 (“UV”)能的高水平反射率。在另一個方面，該光譜選擇性涂層也可以在紅外(“頂”)波段發(fā)射，由此有助于通過將從閃電等離子中吸收的能量再輻射回環(huán)境而將其耗散，從而最小化滲入襯底的熱量，如上所述該熱量可以不利地影響襯底。如這里所使用的，“襯底”廣義上指能夠由雷擊或者其他破壞性等離子破壞的任何襯底。該襯底可以是任何不是固有反射UV能量的襯底或者是需要額外的UV反射率的襯底。 CFRP材料只是適合的襯底的一個示例。閃電被認(rèn)為具有大約^OOOK的等離子溫度，可能從大約25000到大約30000K的
范圍變化。因此，參考圖1，其是關(guān)于從黑體放射的電磁輻射的光譜輻射率的普朗克定律 (Plank' s law)的圖解說明，閃電的峰值波長出現(xiàn)在大約lOOnm。在較高等離子溫度下， 峰值波長向左移動(即，較高能量UV)。在較低溫度下，峰值波長向右移動(即，較低能量 UV)。因此，在一個方面，本發(fā)明的光譜選擇性涂層可以被配置成反射或者反向散射 (backscatter)來自閃電等離子的較短波長(例如，大約IOOnm)的入射UV能量。在另一個方面，本發(fā)明的光譜選擇性涂層可以被配置成反射或者反向散射在真空紫外(“VUV”)狀態(tài)(regime)(即200nm到lOnm)中的入射UV能量。在還另一個方面，本發(fā)明的光譜選擇性涂層可以被配置成反射或者反向散射在影響雷擊性能的其他UV狀態(tài)中的入射UV能量，其他 UV 狀態(tài)包括 UVC (低于 280nm)、UVB (320nm-280nm)和 UVA (400nm-320nm)。在還另一個方面，本發(fā)明的光譜選擇性涂層可以在低于500nm下提供高反射率。圖2A和2B示出襯底的外表面和內(nèi)表面溫度如何受到對UV能量的吸收系數(shù)的影響。第一襯底具有20密耳鈮涂層(高熔點反射金屬/反光金屬)，以產(chǎn)生0. 2的等離子輻射的加熱吸收系數(shù)(20%的入射能被吸收到面板表面中)。鈮被選作為外層，以便避免與材料相變和氧化相關(guān)的能量項，以便在參數(shù)趨勢中僅示出吸收率的影響。在暴露于具有30500K 的等離子溫度的10. ^kA模擬雷擊時，第一襯底的外表面達(dá)到大約33 峰值溫度，并且內(nèi)表面達(dá)到大約500下的峰值溫度(參看圖2A)。相比，具有0.1的等離子輻射加熱吸收系數(shù)的第二襯底達(dá)到大約1869 T的峰值外表面溫度，峰值內(nèi)表面溫度相對較低(參看圖 2B)。因此，吸收系數(shù)的減小減少了背側(cè)吸熱溫度，并且同樣地減少了與破壞相關(guān)的輻射加熱。類似的分析示出在雷擊之后較高的頂發(fā)射率的益處，其中較高的發(fā)射率有效地再輻射來自面板雷擊后表面(the panel post-strike surface)的熱量，這是由于與周圍環(huán)境相比升高但在低于閃電等離子的溫度下的表面溫度引起的。上文確定了控制襯底光譜吸收率的益處。在這個情形中，如果UV吸收率能夠被減小到0. 1，那么峰值外表面溫度被限制在1869下。如果在雷擊之后頂發(fā)射率被最大化，那么背側(cè)吸熱溫度被限制。通過有選擇地調(diào)整涂層發(fā)射率，低UV吸收率和高頂發(fā)射率是有可能的。圖3A示出暴露于10000K、15000K和20000K的閃電溫度的表面的有效涂層吸收率。通過積分光譜吸收率與和溫度相關(guān)的光譜黑體發(fā)射的乘積并且除以總的黑體發(fā)射，執(zhí)行這個分析。參數(shù)包括兩個吸收系數(shù)值，在X軸上示出低于躍遷波長時的一個，和高于躍遷波長時的一個。低于躍遷波長，該吸收系數(shù)是0. 3，高于躍遷波長，該吸收系數(shù)是0. 8 (階梯函數(shù))。對于示出的較高的等離子溫度的范圍，高于和低于0. 5微米的躍遷波長，有效UV吸收系數(shù)仍然接近于0. 3的低值。高IR(波長大于大約1. 0微米)吸收系數(shù)沒有不利地影響期望的低UV吸收系數(shù)。這是因為在這些溫度頂中只存在小部分源能量。圖:3B示出在沿著X軸的參數(shù)躍遷波長針對19221(、13661(和8111(的表皮溫度的有效頂發(fā)射率。低于躍遷波長，該吸收系數(shù)是0. 3，并且高于躍遷波長，該吸收系數(shù)是0. 8。環(huán)境溫度是70下。這里，對于較高的表皮溫度，該有效頂發(fā)射率被躍遷波長改變很少。因此，通過閃電等離子溫度和隨后的表面溫度的溫度狀態(tài)可以有助于涂層光譜選擇性，該隨后的表面溫度在從約IOOnm UV峰值(根據(jù)的源溫度)到大約1 μ m及以上的其中頂表面發(fā)射是顯著的范圍隔開峰值能量光譜的狀態(tài)。在一個方面，本發(fā)明的光譜選擇性涂層可以通過在襯底的表面上沉積顆粒被設(shè)計并制造成在UV波長是反射的并且在頂波長是發(fā)射的(emissive)，這些顆粒與UV波長相比是相對大的，并且與頂波長相比是相對小的。包括VUV反射率測量的UV反射率測量可以用工業(yè)中可利用的專用工具。在一個實例中，這些顆?？梢允墙饘?例如，鈮顆粒)。如另一個實例，這些顆?？梢园⊿^2或者TiO2，及其組合。顆?？梢员话诳梢允菍梢姽馔该骰蛘甙胪该鞯恼澈蟿┲?。例如，該粘合劑可以是聚氨酯。顏料、粘合劑、環(huán)境和人視覺反應(yīng)的相互作用產(chǎn)生所感知的亮度和顏色。這些特性也可以分解為方向性和光譜定量。
金屬暴露于UV能量通過金屬傳播的VUV光譜區(qū)的現(xiàn)象被認(rèn)為是金屬的紫外線透光度。圖4確定候選金屬(和非金屬)，示出材料內(nèi)部可以發(fā)生傳播的源黑體溫度和波長。 例如在30000K，該黑體峰值波長對應(yīng)于小于1.0E-7m(IOOnm)的數(shù)字。當(dāng)暴露于30000K等離子時，具有超過該黑體峰值能量波長的等離子波長的金屬將傳播輻射能量。隨著能量傳播通過金屬，其也被散射和吸收，由此導(dǎo)致凈余高輻射吸收系數(shù)。因此，這些金屬可以不被認(rèn)為是用于UV反射率提高的適當(dāng)候選。代替的，具有低于峰值能量黑體波長的金屬等離子波長的金屬可以用于提供在此UV波段中是反射的涂層材料。另外，在產(chǎn)生的雷擊溫度金屬光學(xué)性質(zhì)應(yīng)該仍然起作用。在亞微米波長仍然透射的兩種類型的材料是硅氧烷基聚合物(silicone based polymers)和含氟聚合物(fluoropolymers)，盡管目前這些在VUV中不是透射的。硅氧烷基聚合物對于60微米厚度的膜在250nm具有百分之85的透光度。代替可用VUV透射粘合劑材料，顏料可以混合到例如聚氨酯的標(biāo)準(zhǔn)粘合劑。由于有適當(dāng)調(diào)和的顏料/粘合劑體積分?jǐn)?shù)，粘合劑被期望只腐蝕到下層顏料顆粒(包括粘合劑殘渣)的深度而很少影響表面反射率的退化。在這一點上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解(1)功能顏料顆粒可以束縛在襯底的上表面并且含在粘合劑材料內(nèi)部的襯底的上表面，(2)顏料顆?？梢员话谠赩UV中足夠透明的粘合劑材料內(nèi)，( 顏料顆?？梢员话谠赩UV中不透明(或者幾乎不透明)的粘合劑材料內(nèi)，和(4)其組合。在另一個方面，本發(fā)明的光譜選擇性涂層也可以限制頂中的反射率，因而以類似于“冷光鏡”的方式起作用。冷光鏡是專門的介質(zhì)鏡，二向色濾光器，其反射可見光譜同時有效地傳送頂波長。通常，與復(fù)合壁板涂層所需的覆蓋層相比且與復(fù)合板涂層將容許的成本相比，用作光學(xué)目的的冷光鏡相對小并且昂貴。該冷光鏡通過堆積材料層制成，其通過光學(xué)性質(zhì)和層厚度導(dǎo)致波前的相長和相消干擾。二向色濾光器通常不可用于與峰值雷擊輻射能相關(guān)的波長(即，大約lOOnm)。實現(xiàn)涂層想要的二向色功能性的一種方法是通過使用表面顆粒的分布，這些表面顆粒與UV波長相比相對大并且與頂波長相比相對小。如圖5A所示，球狀涂層顏料顆粒10 可以懸浮在粘合劑12中并且在襯底14(例如，CFRP襯底)上方分層，從而形成光譜選擇性涂層。類似地，如圖5B所示，片狀涂層顏料顆粒16可以懸浮在粘合劑18中并且在襯底20 上方分層。根據(jù)米氏理論(MIE theory)，根據(jù)顆粒光學(xué)性質(zhì)，短波長將反向散射并且較大波長將正向散射。該顆粒材料也可以由多層堆疊制成，其中該材料是通過不同沉積過程生成， 經(jīng)研磨和過篩，從而產(chǎn)生適合的粒徑分布/粒度分布。 鋁是選擇用于被設(shè)計用于研究日光VUV的空間基光學(xué)傳感器(space-based optical sensors)的普通反射材料。圖6示出接近等離子的非氧化鋁的總光譜反射率。 總光譜反射率包括橫向電場(TE)和橫向磁場(TM)偏振。如果朗伯?dāng)U展光源(lambertian extended source)位于鋁的前面，那么光子將作為波長和入射角的函數(shù)從鋁反射。使用蒙特卡羅法(Monte Carlo method)詢問該表面，從而模擬在20000K輻射環(huán)境中厚的鋁層的凈余反射率?；诠庾V的/空間的反射率和入射光子的入射角的概率函數(shù)，該凈余反射率是 0. 87。圖7示出夾在20000K閃電等離子和CFRP襯底之間時，鋁的凈余反射率隨厚度的變化。鋁的一個問題是其必須是大約10 μ m(即，大約0. 5密耳)，以達(dá)到大約百分之80的凈余反射率。因此，作為涂層顏料，鋁可以需要可觀的涂層厚度和重量。同樣，鋁可以更適合作為具有適合鈍化層(鋁快速氧化)的附飾膜(applique film)，盡管例如鈮的金屬會更適合熱環(huán)境。圖8示出暴露于20000K閃電等離子的具有涂層的襯底，其中涂層包括用SW2和 TiO2的8層四分之一波長片(wave stack)處理的1 μ m厚的鋁層。該涂層子層SW2的厚度Tsw2可以使用等式1確定，如下
權(quán)利要求
1.一種用于減少由襯底和等離子之間相互作用引起的對襯底的結(jié)構(gòu)破壞的方法，所述方法包含以下步驟確定波長，所述等離子的光譜輻射率在該波長處于峰值，所述波長是所述等離子的溫度的函數(shù)；制備能夠給予所述襯底在圍繞所述波長的光譜波段上的閾值電磁反射率的涂層；和將所述涂層施加到所述襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述等離子是閃電等離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底是復(fù)合襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述復(fù)合襯底包括碳纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述波長是最多大約500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述波長是大約lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述涂層包括大體上球狀顆粒和粘合劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述涂層包括大體上片狀顆粒和粘合劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述涂層在紅外光譜發(fā)射。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述涂層包括多個顏料顆粒，所述多個顏料顆粒包括四分之一波長片，該四分之一波長片包括二氧化硅和二氧化鈦。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述涂層包括多個顏料顆粒，所述多個顏料顆粒包括四分之一波長片，該四分之一波長片包括第一材料和第二材料，其中所述第一材料具有與所述第二材料不同的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在鋁層上方接收所述四分之一波長片。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述閾值電磁反射率是至少大約90%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述閾值電磁反射率是至少大約99%。
15.一種結(jié)構(gòu)，其包含 襯底；和根據(jù)權(quán)利要求1、2和5到14的任何一項的涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減少由襯底和等離子之間相互作用引起的對襯底的結(jié)構(gòu)破壞的方法，該方法的步驟包括確定等離子的光譜輻射率處于峰值的波長，該波長是等離子溫度的函數(shù)；制備能夠給予襯底在圍繞該波長的光譜波段上的閾值電磁反射率的涂層和將涂層施加到襯底。
文檔編號B64D45/02GK102449076SQ201080023881
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月29日
發(fā)明者M·M·萊德 申請人:波音公司