本申請是涉及并且要求2015年9月15日提交的標(biāo)題為“具有經(jīng)涂 覆和經(jīng)織構(gòu)化的銷構(gòu)件的緊固件(FASTENERS WITH COATED AND TEXTURED PIN MEMBERS)”的、共同擁有且尚待審決的美國申請 序列No.14/854,223的權(quán)益的部分接續(xù)申請，該美國申請序號No. 14/854,223要求2014年9月17日提交的標(biāo)題為“具有經(jīng)涂覆和經(jīng)織構(gòu) 化的銷構(gòu)件的緊固件(FASTENERS WITH COATED AND TEXTURED PIN MEMBERS)”的、共同擁有且尚待審決的美國臨時 專利申請序列No.62/051,602的權(quán)益，該兩件專利申請的整體內(nèi)容在 此通過引用的方式并入本文。本申請還要求2015年8月28日提交的 標(biāo)題為“用于緊固件的適形錐形密封件(CONFORMING CONICAL SEAL FOR FASTENERS)”的、共同擁有且尚待審決的美國臨時專利 申請序列No.62/211,250的權(quán)益，其整體內(nèi)容在此通過引用的方式并 入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及緊固件，且更具體來說，本實用新型涉及具有經(jīng) 涂覆的銷構(gòu)件和適形的錐形密封件的緊固件。

背景技術(shù)：

連續(xù)纖維增強復(fù)合材料在主要的和次要的飛機組件中被廣泛使用，以適用主要關(guān)注重量輕、更高的強度和耐蝕性的多種應(yīng)用。復(fù)合材料典型地由被定向在某些方向并環(huán)繞在支持性聚合物基質(zhì)中的細(xì)碳纖維構(gòu)成。由于復(fù)合材料的層以多種角度被布置，并取決于主要負(fù)載的方向，由此形成的結(jié)構(gòu)典型地是一種高度各向異性且異質(zhì)的堆疊層壓結(jié)構(gòu)。復(fù)合結(jié)構(gòu)的很大一部分被制造為近凈成形(near net-shape)，但得被鉆孔以便有利于使用機械緊固件來接合組件。在 復(fù)合材料中鉆緊固件孔的均勻性比不上在鋁或鋼上鉆緊固孔，因為個 別碳纖維以不規(guī)則角度斷裂并在緊固件和孔之間形成微孔。隨著切割 工具的磨損，表面碎屑增加，并且毛邊纖維或樹脂和分層的量增加。 包含這些缺陷的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)被稱為“加工引起的微織構(gòu)”。

除了他們的加工挑戰(zhàn)，與金屬結(jié)構(gòu)相比，飛機中的復(fù)合結(jié)構(gòu)更易 遭受雷擊損害。諸如鋁等金屬材料導(dǎo)電性很好且能夠消散雷擊引起的 高電流。碳纖維在抗電流的流動方面比鋁高100倍。類似地，經(jīng)常作 為基質(zhì)與碳纖維結(jié)合使用的環(huán)氧樹脂的電阻比鋁的電阻高100萬倍。 飛機的復(fù)合結(jié)構(gòu)區(qū)段通常表現(xiàn)得類似于各向異性導(dǎo)電體。因此，由于 碳纖維和環(huán)氧樹脂本身的高電阻、多層的構(gòu)造以及該結(jié)構(gòu)的各向異性 的本質(zhì)，復(fù)合結(jié)構(gòu)的雷電保護更加復(fù)雜。有些估算表明，每年每架服 役的商用飛機平均被雷擊至少一次。飛機在雷雨或者雷雨周圍飛行經(jīng) 常會遭受直擊雷以及旁側(cè)閃擊，這可能在飛機上產(chǎn)生電暈和流光。在 這種情況下，閃電放電通常在飛機上產(chǎn)生，并從飛機向外延伸。當(dāng)發(fā) 生放電時，附著點從飛機的頭部移動并進(jìn)入各種嵌板，這危害了飛機 蒙皮。放電通常穿過飛機的尾翼而離開飛機結(jié)構(gòu)。

保護飛機燃料系統(tǒng)免于因閃電而導(dǎo)致燃料蒸汽點燃甚至是更加 至關(guān)重要的。因為商用飛機含有相對大量的燃料，并且還包含非常敏 感的電子設(shè)施，為了獲得營運認(rèn)證，它們必須符合特定的一組與雷擊 保護有關(guān)的規(guī)定。眾所周知的是，緊固件經(jīng)常是用于將閃電流從飛機 蒙皮導(dǎo)通到諸如翼梁或翼肋等支撐結(jié)構(gòu)的主要路徑，并且緊固件主體 和上述結(jié)構(gòu)的部件之間的不良電接觸能夠?qū)е掠泻Φ木o固件電弧或 電火花。

為了避免在緊固件/復(fù)合結(jié)構(gòu)界面上發(fā)生潛在的點火，一些飛機使 用與緊固孔緊密接觸的緊固件。已經(jīng)知道的是，裸露的金屬緊固件和 復(fù)合結(jié)構(gòu)中的孔之間的緊密接觸是電流消散的最佳條件。一種實現(xiàn)緊 固件-復(fù)合材料孔之間緊密性的方式是使用有套筒的緊固件。這種方 式包含首先將緊密配合的套筒插入到孔中。然后將過盈配合的銷牽拉 入套筒中。這使套筒膨脹以使它與復(fù)合結(jié)構(gòu)中的孔壁接觸。雖然套筒 實質(zhì)上減少了緊固件和復(fù)合結(jié)構(gòu)之間的間隙，但是它不能消除由于鉆 孔引起的橫跨復(fù)合材料內(nèi)孔表面的織構(gòu)的存在所產(chǎn)生的小間隙。這種 加工所引起的織構(gòu)也使得額外的密封劑和絕緣材料陷入其中，從而抑 制了套筒和孔之間的緊密接觸。隨著切割工具磨損，這種情況變得更 糟，從而導(dǎo)致更多且更大的加工引起的缺陷。

為了避免這種情況，所述電流必須通過沿著緊固孔的內(nèi)表面暴露 的碳纖維消散。如果緊固件沒有與孔的內(nèi)側(cè)緊密接觸，那么由雷擊產(chǎn) 生的瞬時焦耳能在間隙中形成等離子體，其使空氣/金屬蒸汽離子化， 并產(chǎn)生以火花或熱離子噴射形式噴出的壓力聚積。金屬緊固件本身的 高導(dǎo)電性與飛機構(gòu)造中所使用的大量緊固件結(jié)合，創(chuàng)造了閃電附著到 緊固件的高概率的條件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個實施方式中，緊固件包括銷構(gòu)件和密封件，銷構(gòu)件包括細(xì) 長的桿體，所述細(xì)長的桿體具有第一端、與所述第一端相對的第二端、 具有外表面的圓柱形桿體部、位于所述細(xì)長的桿體的所述第一端的頭 部和位于所述細(xì)長的桿體的所述第二端的螺紋部分，所述頭部包括位 于所述頭部的下側(cè)的承載表面；所述密封件附接至所述銷構(gòu)件并與所 述銷構(gòu)件的所述頭部的所述承載表面并列。在一個實施方式中，所述 密封件由銅制成。在一個實施方式中，所述密封件包括密封部分和唇 部，所述密封部分具有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述唇 部從所述密封部分的所述第一側(cè)延伸出。在一個實施方式中，所述唇 部從所述密封部分成角度地延伸出。在一個實施方式中，所述密封件 包括從所述密封部分的側(cè)面軸向延伸出的管狀部分。在一個實施方式 中，所述密封件包括在約5微米到約100微米范圍內(nèi)的厚度。在一個 實施方式中，所述銷構(gòu)件包括涂層。在一個實施方式中，所述涂層是 金屬涂層。在一個實施方式中，所述金屬涂層選自于由金、銀和銅組 成的群組。在一個實施方式中，所述涂層由具有大于20％IACS的導(dǎo) 電率的材料制成。

在一個實施方式中，所述銷構(gòu)件的所述頭部涂覆有所述涂層。在 一個實施方式中，所述銷構(gòu)件的所述圓柱形桿體部的所述外表面涂覆 有所述涂層。在一個實施方式中，所述銷構(gòu)件的所述頭部和所述銷構(gòu) 件的所述圓柱形桿體部涂覆有所述涂層。在一個實施方式中，所述銷 構(gòu)件的所述螺紋部分和所述銷構(gòu)件的所述圓柱形桿體部涂覆有所述 涂層。在一個實施方式中，所述銷構(gòu)件完全涂覆有所述涂層。

在一個實施方式中，一種結(jié)構(gòu)和安裝在所述結(jié)構(gòu)中的緊固件的組 合，所述緊固件包括銷構(gòu)件和密封件，所述銷構(gòu)件具有細(xì)長的桿體， 所述細(xì)長的桿體具有第一端、與所述第一端相對的第二端、具有外表 面的圓柱形桿體部、位于所述細(xì)長的桿體的所述第一端的頭部和位于 所述細(xì)長的桿體的所述第二端的螺紋部分，所述頭部包括位于所述頭 部的下側(cè)的承載表面，所述密封件附接至所述銷構(gòu)件且與所述銷構(gòu)件 的所述頭部的所述承載表面并列。在一個實施方式中，所述結(jié)構(gòu)包括 復(fù)合材料。在一個實施方式中，所述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上由復(fù)合材料制成。在 一個實施方式中，所述結(jié)構(gòu)部分地由復(fù)合材料制成。在一個實施方式 中，所述結(jié)構(gòu)包括金屬材料。在一個實施方式中，所述金屬材料是鋁。 在一個實施方式中，所述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上由所述金屬材料制成。在一個實 施方式中，所述結(jié)構(gòu)部分地由所述金屬材料制成。

在一個實施方式中，一種制作緊固件的方法，包括如下步驟：提 供銷構(gòu)件，所述銷構(gòu)件包括細(xì)長的桿體，所述細(xì)長的桿體具有第一端、 與所述第一端相對的第二端、具有外表面的圓柱形桿體部、位于所述 細(xì)長的桿體的所述第一端的頭部和位于所述細(xì)長的桿體的所述第二 端的螺紋部分，所述頭部包括位于所述頭部的下側(cè)的承載表面；和在 與所述銷構(gòu)件的所述頭部的所述承載表面并列的位置將密封件附接 至所述銷構(gòu)件。在一個實施方式中，所述方法包括將所述銷構(gòu)件的至 少一部分涂覆有涂層的涂覆步驟。在一個實施方式中，所述涂層是金 屬涂層。在一個實施方式中，所述金屬涂層選自于由金、銀和銅組成 的群組。在一個實施方式中，所述涂層由具有大于20％IACS的導(dǎo)電 率的材料制成。在一個實施方式中，所述涂覆步驟包括將所述銷構(gòu)件 的所述頭部涂覆有所述涂層。在一個實施方式中，所述涂覆步驟包括 將所述圓柱形桿體部的所述外表面涂覆有所述涂層。在一個實施方式 中，所述涂覆步驟包括將所述銷構(gòu)件的所述頭部和所述圓柱形桿體部 涂覆有所述涂層。在一個實施方式中，所述涂覆步驟包括將所述銷構(gòu) 件的所述螺紋部分和所述圓柱形桿體部涂覆有所述涂層。在一個實施 方式中，所述涂覆步驟包括將所述銷構(gòu)件完全涂覆有所述涂層。

在一個實施方式中，一種將緊固件安裝至結(jié)構(gòu)的方法，包括如下 步驟：提供具有銷構(gòu)件和密封件的緊固件，所述銷構(gòu)件包括細(xì)長的桿 體，所述細(xì)長的桿體具有第一端、與所述第一端相對的第二端、具有 外表面的圓柱形桿體部、位于所述細(xì)長的桿體的所述第一端的頭部和 位于所述細(xì)長的桿體的所述第二端的螺紋部分，所述頭部包括位于所 述頭部的下側(cè)的承載表面，所述密封件適于定位在所述銷構(gòu)件上以便 所述密封件與所述銷構(gòu)件的所述頭部的所述承載表面并列；和在安裝 位置將所述緊固件安裝至所述結(jié)構(gòu)。在一個實施方式中，所述方法包 括將所述銷構(gòu)件的至少一部分涂覆有涂層的涂覆步驟。在一個實施方 式中，所述涂層是金屬涂層。在一個實施方式中，所述金屬涂層選自 于由金、銀和銅組成的群組。在一個實施方式中，所述涂層由具有大 于20％IACS的導(dǎo)電率的材料制成。在一個實施方式中，所述涂覆步 驟包括將所述銷構(gòu)件的所述頭部涂覆有所述涂層。在一個實施方式 中，所述涂覆步驟包括將所述圓柱形桿體部的所述外表面涂覆有所述 涂層。在一個實施方式中，所述涂覆步驟包括將所述銷構(gòu)件的所述頭 部和所述圓柱形桿體部涂覆有所述涂層。在一個實施方式中，所述涂 覆步驟包括將所述銷構(gòu)件的所述圓柱形桿體部和所述螺紋部分涂覆 有所述涂層。在一個實施方式中，所述涂覆步驟包括將所述銷構(gòu)件完 全涂覆有所述涂層。在一個實施方式中，所述結(jié)構(gòu)包括復(fù)合材料。在 一個實施方式中，所述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上由所述復(fù)合材料制成。在一個實施 方式中，所述結(jié)構(gòu)部分地由所述復(fù)合材料制成。在一個實施方式中， 所述結(jié)構(gòu)包括金屬材料。在一個實施方式中，所述金屬材料是鋁。在 一個實施方式中，所述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上由所述金屬材料制成。在一個實施 方式中，所述結(jié)構(gòu)部分地由所述金屬材料制成。在一個實施方式中， 所述方法進(jìn)一步包括修剪步驟，所述修剪步驟將所述密封件修剪成與 所述結(jié)構(gòu)平齊。在一個實施方式中，所述修剪步驟包括打磨所述密封 件。在一個實施方式中，所述方法進(jìn)一步包括在所述結(jié)構(gòu)的外表面上 提供金屬網(wǎng)(metallic mesh)的步驟，其中當(dāng)所述緊固件位于其安裝 位置時，所述緊固件的所述密封件與所述金屬網(wǎng)直接物理電接觸。在 一個實施方式中，所述密封件包括密封部分和唇部，所述密封部分具 有第一側(cè)和與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)，所述唇部從所述密封部分的 所述第一側(cè)延伸出，所述唇部與所述金屬網(wǎng)直接物理電接觸。在一個 實施方式中，所述金屬網(wǎng)由銅制成。

附圖說明

圖1是銷構(gòu)件的一個實施方式的側(cè)視圖，該銷構(gòu)件的選定表面涂 覆有材料；

圖2是密封件的一個實施方式的仰視透視圖；

圖3是將分別示出在圖1和2中的銷構(gòu)件和密封件組裝在一起的 仰視透視圖；

圖4是圖1所示的經(jīng)涂覆銷構(gòu)件的外表面的一個實施方式的照 片；

圖5是圖1所示的經(jīng)涂覆銷構(gòu)件的一個實施方式的外表面形貌的 照片；

圖6和圖7是具有織構(gòu)化表面的銷構(gòu)件的一個實施方式的照片；

圖8是具有適形的密封件的銷構(gòu)件的一個實施方式的側(cè)視圖；

圖9A和9B分別是適形的密封件的一個實施方式的俯視圖和側(cè)視 圖；

圖10示出了已安裝的緊固件的應(yīng)力分布分析的屏幕截圖；

圖11是安裝在結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)緊固件的橫截面的微照片；

圖12A是示出了安裝在結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)緊固件的微照片，而圖12B 是示出了圖8所示的銷構(gòu)件和密封件被安裝在結(jié)構(gòu)中的微照片；

圖13A和13B描繪了顯示含有安裝于其中的圖8的緊固件的結(jié)構(gòu) 在打磨步驟前和打磨步驟后的照片；

圖14A和14B分別為圖8的緊固件在打磨步驟之前和之后的示意 性圖示；

圖15A是安裝在具有相關(guān)聯(lián)銅網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)緊固件的微照 片，而圖15B是安裝在具有相關(guān)聯(lián)銅網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中的圖8所示緊固件的 微照片；

圖15C是圖表和對應(yīng)于該圖表中的具體數(shù)據(jù)點的有關(guān)照片，該圖 表示出了圖8所示的緊固件和標(biāo)準(zhǔn)緊固件之間的齊平公差(flushness tolerance)；

圖16A和16B是安裝在結(jié)構(gòu)中的常規(guī)緊固件的微照片(分別處于 40倍和600倍放大率)，而圖16C和16D是安裝在結(jié)構(gòu)中的圖8所 示的緊固件的微圖片(分別處于25倍和1000倍放大率)；

圖17A是示出雷擊損害對安裝在結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)緊固件的影響的照 片，而圖17B是示出雷擊損害對安裝在結(jié)構(gòu)中的圖8所示的緊固件的 影響的照片；

圖17C是示出雷擊損害對安裝在結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)緊固件的影響的微 照片，而圖17D是示出雷擊損害對安裝在結(jié)構(gòu)中的圖8所示的緊固件 的影響的微照片；

圖18A到18F示出了一系列模擬結(jié)果，該結(jié)果示出了圖8的緊固 件的接觸電阻的降低和最優(yōu)化電緊密性；和

圖19是示出接觸電阻率－圖8所示的緊固件(具有經(jīng)涂覆銷構(gòu)件 的緊固件)和陽極緊固件之間的預(yù)加載力的關(guān)系圖表。

具體實施方式

參照圖1，在一個實施方式中，銷構(gòu)件12包括細(xì)長的桿體14， 該桿體14具有圓柱形桿體部16、位于圓柱形桿體部16一端的頭部18和位于圓柱形桿體部16相對端的螺紋部分20。在一個實施方式中， 頭部18是埋頭形的頭部(countersunk head)。在一個實施方式中， 頭部18的外表面(包括頭部18的下側(cè)表面(例如承載表面)21)和 圓柱形桿體部16涂覆有涂層22。在一個實施方式中，涂層22是鎢。 在另一實施方式中，涂層22是鉬。在另一實施方式中，涂層22是耐 熔金屬，例如鉭或鈮。在另一實施方式中，涂層22是耐熔陶瓷，例 如氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)或其它金屬氧化物。在另一實 施方式中，僅頭部18的外表面被涂覆有涂層22。在另一實施方式中， 僅圓柱形桿體部16的外表面被涂覆有涂層22。在一個實施方式中， 涂層22降低了電接觸電阻并減小了引弧沖擊/電弧損傷的可能性。在 一個實施方式中，涂層22包括高電導(dǎo)率(高于20％IACS)并且與結(jié) 構(gòu)是電化學(xué)兼容(galvanically compatible)的以抗腐蝕，例如，陽極指 數(shù)小于1.0V。在一個實施方式中，該結(jié)構(gòu)包括復(fù)合結(jié)構(gòu)。在另一實施 方式中，該結(jié)構(gòu)包括金屬結(jié)構(gòu)。在另一實施方式中，該結(jié)構(gòu)包括纖維 金屬層壓結(jié)構(gòu)。

在一種實施方式中，涂層22是具有大約1納米到大約200微米 范圍內(nèi)的厚度的薄膜涂層。在一種實施方式中，通過物理氣相沉積來 施加涂層22。在另一種實施方式中，通過化學(xué)氣相沉積來施加涂層 22。在另一種實施方式中，通過選擇性添加處理來施加涂層22。在另 一種實施方式中，通過電鍍來施加涂層22。在另一種實施方式中，通 過噴霧法來施加涂層22。在另一種實施方式中，通過冷噴法來施加涂 層22。在另一種實施方式中，通過熱噴法來施加涂層22。在另一種 實施方式中，通過等離子體噴涂來施加涂層22。在另一種實施方式中， 通過濺射沉積法來涂施加涂層22。

在另一種實施方式中，頭部18的外表面和圓柱形桿體部16的外 表面被織構(gòu)化。在一種實施方式中，銷構(gòu)件12的頭部18的外表面和 圓柱形桿體部16的外表面被織構(gòu)化，以順應(yīng)(conform to)在復(fù)合結(jié) 構(gòu)中鉆出的緊固孔中內(nèi)在的由加工引起的微織構(gòu)，并且提供銷構(gòu)件12 和該復(fù)合結(jié)構(gòu)之間的機械互鎖。在一種實施方式中，織構(gòu)化的銷構(gòu)件12在安裝緊固件的過程中挖掘出過量被包埋的密封劑，同時使緊固件 與該結(jié)構(gòu)緊密接觸，由此降低界面處的電接觸電阻。本文中所使用的 術(shù)語“緊密接觸”意指銷構(gòu)件12的織構(gòu)化外表面被變形進(jìn)入銷構(gòu)件 和復(fù)合結(jié)構(gòu)之間所有的或?qū)嵸|(zhì)上所有的孔隙。在另一種實施方式中， 僅頭部18的外表面被織構(gòu)化。在另一種實施方式中，僅圓柱形桿體 部16的外表面被織構(gòu)化。

在一種實施方式中，通過諸如介質(zhì)噴砂等的表面重塑方法生成銷 構(gòu)件12的織構(gòu)化表面。在一種實施方式中，銷構(gòu)件12的織構(gòu)化表面 被噴砂處理。在一種實施方式中，噴砂處理采用細(xì)粒度玻璃珠介質(zhì) (100-170目)。在一種實施方式中，進(jìn)行噴砂處理直到銷構(gòu)件12的待 織構(gòu)化的外表面被完全覆蓋。在一種實施方式中，噴砂處理進(jìn)行至少 一分鐘。在一種實施方式中，噴砂處理進(jìn)行大約一分鐘。在一種實施 方式中，噴砂處理進(jìn)行兩次。在另一種實施方式中，銷構(gòu)件12的織 構(gòu)化表面通過去除工藝而生成，例如選擇性的電刻蝕、激光蝕刻、噴 砂和機械拋光。在另一種實施方式中，銷構(gòu)件12的織構(gòu)化表面通過 化學(xué)蝕刻來生成。在一種實施方式中，所述化學(xué)蝕刻利用50/50鹽酸 (HCl)。在一種實施方式中，所述化學(xué)蝕刻進(jìn)行大約30分鐘。在一種 實施方式中，銷構(gòu)件12用蒸餾水清洗大約15-20秒，并用加壓的室 溫空氣干燥大約1到2分鐘。

在另一種實施方式中，銷構(gòu)件12的頭部18的表面和圓柱形桿體 部16的表面通過如上所述的涂覆工藝和織構(gòu)化工藝的組合而被涂覆 和織構(gòu)化。在一種實施方式中，所述涂覆和織構(gòu)化工藝的組合基于其 特定的負(fù)載模式能被用于形成銷構(gòu)件12的功能特征。例如，在一種 實施方式中，在預(yù)負(fù)載較高的情況下，進(jìn)行織構(gòu)化/涂層化以降低接觸 電阻。在沒有預(yù)負(fù)載且與復(fù)合層沒有緊密接觸的位置，希望減少等離 子的生成和電弧形成/損害。

在一種實施方式中，銷構(gòu)件12是緊固件的一部分，所述緊固件 適于將多個工件彼此固定在一起，并且適于被安裝在這些工件的對準(zhǔn) 的孔內(nèi)。在一種實施方式中，所述工件由復(fù)合材料制成。在另一種實 施方式中，所述工件由金屬制成。在另一種實施方式中，所述工件由 纖維金屬層壓材料制成。在一種實施方式中，所述緊固件包括鎖定構(gòu) 件(圖中未示出)。在一種實施方式中，所述鎖定構(gòu)件是螺母。在另一 種實施方式中，所述鎖定構(gòu)件是軸環(huán)(collar)。在一種實施方式中， 緊固件10包括銷構(gòu)件12和安裝在銷構(gòu)件12的頭部18的承載表面21 上的密封件24，如圖2和3所示，并將在下文進(jìn)一步詳細(xì)討論。

在飛機經(jīng)歷雷擊時，閃電通常先附著于銷構(gòu)件12的頭部18。在 一種實施方式中，經(jīng)涂覆和/或織構(gòu)化的銷構(gòu)件12提高了接觸電阻。 這樣，所有的固體表面在微觀尺度是粗糙的，并且兩個工體之間的接 觸發(fā)生在由兩個表面上的凸出物的機械接觸產(chǎn)生的離散點處。對于所 有固體材料而言，真實接觸面積是表觀接觸面積的一小部分。隨著所 述接觸點的靠近，電流線變得更加扭曲，并且流線歸攏到一起穿過“a 點”。電結(jié)點由大量接觸“a點”構(gòu)成并且通常被以界面的電接觸電 阻來表征，電流通過“a點”從一個連接器組件傳導(dǎo)到另一個連接器 組件。

當(dāng)利用間隙配合在復(fù)合結(jié)構(gòu)中安裝緊固件時，被安裝的銷構(gòu)件12 的主要負(fù)載承載表面是頭部18的承載表面21。這是一種如下所述的 電接觸：通過該電接觸希望傳導(dǎo)高頻高壓電流，并且該電接觸是有效 防雷擊的第一道防線。如果所述電流具有容易流動的路徑，將不會發(fā) 生電弧以及產(chǎn)生的損害。由于異種材料、存在的電絕緣膜(如飛機密 封劑)和/或表面上的硬氧化層以及復(fù)合材料的不規(guī)則切割圖案，所述 銷或螺栓-復(fù)合材料的界面(pin or bolt to composite interface)被證明 可能是無效的電接觸。為了允許電流容易地流動通過銷/螺栓-復(fù)合材 料的界面，希望界面接觸電阻較低。

接觸電阻高度依賴于施加在兩個表面上使所述表面接觸的負(fù)載 以及接觸的材料表面的電學(xué)和機械性能。在界面處具有高導(dǎo)電性的軟 材料降低了接觸電阻，更高的負(fù)載也同樣能夠降低接觸電阻。銷構(gòu)件 接合處的負(fù)載由預(yù)負(fù)載來提供，并且主要依賴于幾何形狀/設(shè)計。如上 所述，使用頭部18的承載表面21上的材料涂層22或織構(gòu)以同時提 供在接觸界面處的低電阻率材料和為了更好地與所述結(jié)構(gòu)接觸的軟 適形層。具有高導(dǎo)電性的軟材料(諸如銅、金、銀或其他金屬/材料) 能夠被用于降低接觸電阻(參見例如圖2和3所示的銅密封件24)。

如上所述，銷構(gòu)件12的表面也能被織構(gòu)化以使得與周圍的復(fù)合 層更好的緊密接觸。當(dāng)安裝織構(gòu)化的銷構(gòu)件12時，織構(gòu)化的銷構(gòu)件 變形進(jìn)入到在給復(fù)合層鉆孔過程中所產(chǎn)生的小空隙中。當(dāng)織構(gòu)化的表 面變形進(jìn)入到空隙中時，它們在緊固件安裝過程中置換被包埋的密封 劑。銷構(gòu)件12的插入使得過量的密封劑被擠到銷構(gòu)件12/復(fù)合材料界 面的外面。因此，織構(gòu)化的銷構(gòu)件12在緊固件的安裝過程中挖掘出 了過量的被包埋的密封劑，同時使銷構(gòu)件12與復(fù)合結(jié)構(gòu)緊密接觸。 為了提高適形性和機械互鎖的水平，通過調(diào)整銷構(gòu)件12表面的拋光 織構(gòu)(surface texture)以提供表面微粗糙度(Sa)值。在一種實施方式 中，表面粗糙度(Sa)大于0.5微米。

如上所述，圖1示出了具有鎢涂層的銷構(gòu)件12的一個實施方式。 在一種實施方式中，使用等離子體噴涂在銷構(gòu)件12上沉積鎢并獲得 等于或大于7微米的表面粗糙度(Sa)。圖2示出了密封件24，并且圖 3示出了安裝有密封件24的銷構(gòu)件12，從而提高與頭部18的承載表 面21上的復(fù)合材料層的緊密性。在一種實施方式中，密封件24是截 頭圓錐，其形狀和尺寸被調(diào)整以配合在頭部18的承載表面21上。在 另一種實施方式中，這也能通過在頭部18的承載表面21上涂覆銅來 實現(xiàn)。在另一種實施方式中，密封件24是自備墊圈(captive washer)。 在另一種實施方式中，密封件24涂覆有涂層。在一種實施方式中， 密封件24的所述涂層包括涂層22。

圖4示出了經(jīng)涂覆銷構(gòu)件12的織構(gòu)差異的照片，而圖5示出了 經(jīng)涂覆銷構(gòu)件12的表面形貌。在一種實施方式中，銷構(gòu)件12的經(jīng)涂 覆表面具有7.5微米的平均表面粗糙度(Sa)。圖6和7分別是40×和 190×放大倍數(shù)下的織構(gòu)化銷構(gòu)件12的照片。如圖6和7中所示，織 構(gòu)化銷構(gòu)件12表現(xiàn)出實質(zhì)上的粗拋光。在一種實施方式中，織構(gòu)化 銷構(gòu)件12提供了沿著銷構(gòu)件12的織構(gòu)化表面改進(jìn)的電接觸，這使得 由密封劑引起的介電效應(yīng)減少到最小，促進(jìn)了更容易地傳導(dǎo)電流，降 低了跨銷構(gòu)件12/復(fù)合材料界面的電勢，并由此使得在沒有任何如電 弧放電的擊穿效應(yīng)的情況下傳導(dǎo)電流。

在一種實施方式中，在間隙配合的孔中，在銷構(gòu)件12的桿體14 和復(fù)合材料層之間沒有預(yù)負(fù)載，因此電接觸是相對弱的。因此，確保 銷構(gòu)件12和復(fù)合材料層之間有效的電流流動將是困難的。在沒有足 夠的電流被頭部18的承載表面21傳導(dǎo)的情況下，將有可能在桿體14 和鄰近的復(fù)合材料層之間的間隙處發(fā)生電弧放電。在這種情況下，電 弧放電的形成通常在金屬蒸汽本身中開始。具有高導(dǎo)電率的高溫熔融 材料的存在將確保不會出現(xiàn)足夠的金屬蒸汽以啟動電弧放電。即使開 始電弧放電，等離子體量將是少的。如果接觸是有效的，更高的導(dǎo)電 率也將確保電流更容易地在桿體14和復(fù)合材料層之間傳導(dǎo)。如前所 述，在某些實施方式中，材料(如鎢、鉬或耐熔金屬/陶瓷)能被用作 銷構(gòu)件12的桿體14上的涂層22，以確保減少電弧放電損傷。因為雷 擊生成高頻電流，電流由于“趨膚效應(yīng)”一般將靠近緊固件表面流動。 銷構(gòu)件12上的涂層也有助于以下方面：更高溫度熔點和高導(dǎo)電率的 材料將攜帶大部分電流，從而減少緊固件熔融或等離子體生成的可能 性。

因此，經(jīng)涂覆/經(jīng)織構(gòu)化的銷構(gòu)件12：

·改進(jìn)了復(fù)合材料和緊固件表面之間的電接觸；

·盡可能地減少了雷擊過程中緊固件的電弧放電；

·提供了間隙填充和機械互鎖的能力；

·降低了在緊固件桿體周圍電弧放電的過程中等離子體形成的可 能性；

·在緊固件中發(fā)生電弧放電的情況下，減少生成等離子體的量以 使等離子體更容易地被包容納。

具有適形的錐形密封件的經(jīng)涂覆緊固件

參考圖8、9A和9B，在一個實施方式中，緊固件110包括銷構(gòu) 件112，該銷構(gòu)件112具有細(xì)長的桿體部114，該桿體部114具有平 滑的圓柱形桿體部115、位于該平滑的圓柱形桿體部115一端的頭部 116和位于該平滑的圓柱形桿體部115相對端的螺紋部分117。在一 個實施方式中，頭部116是埋頭形的頭部。在一個實施方式中，鎖定 構(gòu)件適于被安裝至銷構(gòu)件112(圖中未示出)。在一個實施方式中， 鎖定構(gòu)件是嚙合銷構(gòu)件112的螺紋部分117的具有螺紋的螺母。在另 一實施方式中，鎖定構(gòu)件是適于被鍛造進(jìn)入銷構(gòu)件112的螺紋部分 117的鎖定凹槽中的軸環(huán)。

在一個實施方式中，銷構(gòu)件112被完全涂覆有涂層119。在一個 實施方式中，涂層119是金屬涂層。在一個實施方式中，涂層119是 軟金屬涂層。也就是說，涂層119被施加至細(xì)長的桿體部114(包括 平滑的圓柱形桿體部115和螺紋部分117)以及頭部116(包括頭部 116的下側(cè)(例如承載表面120))。在一個實施方式中，涂層119 是銅。在另一實施方式中，涂層119是銀。在另一實施方式中，涂層 119是金。在其它實施方式中，涂層119由具有高導(dǎo)電率的材料制成， 例如具有大于20％IACS的導(dǎo)電率的材料。

在其它實施方式中，涂層119可以由在銷構(gòu)件12的實施例中談 到的涂層22中的任意一種構(gòu)成，這些已經(jīng)在上面詳細(xì)描述過。

在另一實施方式中，銷構(gòu)件112部分地涂覆有涂層119。在一個 實施方式中，涂層119被施加到銷構(gòu)件112的頭部116，包括頭部116 的下側(cè)120。在另一實施方式中，涂層119被施加到頭部116(包括 頭部116的下側(cè)120)并且被施加到銷構(gòu)件112的平滑的圓柱形桿體 部115。在另一實施方式中，涂層119被施加到銷構(gòu)件112的平滑的 圓柱形桿體部115。在另一實施方式中，涂層119被施加到銷構(gòu)件112 的平滑的圓柱形桿體部115和螺紋部分117。

在另一實施方式中，銷構(gòu)件112不包括涂層119。

仍然參考圖8、9A和9B，在一個實施方式中，適形的密封件118 被附接至細(xì)長的桿體部114且與銷構(gòu)件112的頭部116的承載表面 120并列。在一個實施方式中，密封件118與銷構(gòu)件112是分離且不 同的。在一個實施方式中，密封件118可以被定位在結(jié)構(gòu)的孔中，且 然后該銷構(gòu)件112可以在安裝緊固件110的過程中被插入到密封件 118中。在一個實施方式中，密封件118是截頭圓錐形狀，且包括中 心定位的圓形通孔122，該通孔122的尺寸和形狀被設(shè)計為與銷構(gòu)件 112的桿體部114的周邊相匹配且與銷構(gòu)件112的頭部116的承載表 面120并列。在一個實施方式中，密封件118包括密封部分121。在 另一實施方式中，唇部123從密封部分121的一側(cè)延伸出。在一個實 施方式中，唇部123從密封部分121向上成角度。在另一實施方式中， 管狀部分125從密封部分121的相對側(cè)軸向延伸出。在一個實施方式 中，密封件118由銅制成。在一個實施方式中，密封件118的密封部 分121具有在約5微米到約100微米范圍內(nèi)的厚度。

應(yīng)當(dāng)注意的是，銷構(gòu)件112和緊固件10適于安裝于其中的結(jié)構(gòu) 150的所有固體表面在微觀尺度是粗糙的。表面微粗糙度由尖峰和槽 谷組成，它們的形狀、高度的差異、平均間隔及其它幾何特征取決于 用來加工這些表面的工藝細(xì)節(jié)。兩個工體之間的接觸在由兩個表面上 的凸出物之間的機械接觸產(chǎn)生的離散微點處發(fā)生。對于所有固體材料 而言，真實接觸面積是用于寬范圍常規(guī)接觸負(fù)載的表觀接觸面積的一 小部分。

參考圖10和11，當(dāng)通過該接觸表面來施加機械負(fù)載時，接觸凸 出物的形變模式是彈性的、塑性的或彈性和塑性的混合，這取決于局 部機械應(yīng)力和諸如彈性系數(shù)和硬度等材料屬性。在匹配組件是金屬的 塊狀電界面中，接觸表面通常包含氧化物或其它電絕緣層。通常情況 下，僅接觸表面的凸出物處的電絕緣膜被位移或橫跨界面的電勢超過 電絕緣膜的介電強度時，界面才變得導(dǎo)電。為了簡便起見，在電連接 器領(lǐng)域中，離散點通常被假定是圓形的。在匹配表面的粗糙度形貌是 各向同性的情況下，這種假設(shè)提供了可接受的平均接觸點的幾何描 述。雖然這種假設(shè)對于金屬結(jié)構(gòu)是可以接受的，但在匹配表面以定向 的微織構(gòu)為特征或在本質(zhì)上是明顯的各向異性的時，其變得無效。緊 固件與其周邊的CFRP結(jié)構(gòu)之間的真實接觸面積占表觀面積非常小的 百分比，這歸因于CFRP結(jié)構(gòu)的多層構(gòu)造和各向異性的本質(zhì)，這又進(jìn) 一步使得緊固件和周邊CRFP結(jié)構(gòu)之間的電接觸的質(zhì)量變得復(fù)雜。

圖12A示出了安裝在結(jié)構(gòu)(例如鋁板)中的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，其顯示 了銷構(gòu)件的頭部與該結(jié)構(gòu)之間的微間隙。在一個實施方式中，參考圖 12B，適形的密封件118適于使緊固件(例如銷構(gòu)件112的頭部116 的承載表面120)和承受最小機械負(fù)載的結(jié)構(gòu)150之間的真實接觸面 積最大化。在一個實施方式中，結(jié)構(gòu)150包括復(fù)合材料。在另一實施 方式中，結(jié)構(gòu)150實質(zhì)上由復(fù)合材料制成。在另一實施方式中，結(jié)構(gòu) 150部分地由復(fù)合材料制成。在另一實施方式中，結(jié)構(gòu)150包括金屬 材料。在一個實施方式中，該金屬材料是鋁。在另一實施方式中，結(jié) 構(gòu)150實質(zhì)上由金屬材料制成。在另一實施方式中，結(jié)構(gòu)150部分地 由金屬材料制成。

在一個實施方式中，適形的密封件118包括多層構(gòu)造，該多層構(gòu) 造具有提供宏觀適形性(macroscopic conformity)的相對軟但又具有 高導(dǎo)電性的基層和提供微觀適形性的更軟頂層。

在一個實施方式中，下文描述安裝具有密封件的緊固件110的方 法。在一個實施方式中，參考圖8、9A、9B、13A、13B、14A和14B， 該方法包括如下步驟：將銷構(gòu)件112涂覆有涂層119(如上所述的完 全或部分地涂覆)，將密封件118附接至緊固件110(例如銷構(gòu)件112)， 和將緊固件110安裝至結(jié)構(gòu)150。在一個實施方式中，當(dāng)不像如上所 述的那樣向銷構(gòu)件112涂覆涂層119時，則可以不包括涂覆步驟。在 另一實施方式中，在安裝緊固件110的過程中，密封件118可以被定 位在結(jié)構(gòu)150的孔中，且然后將銷構(gòu)件112插入至密封件118中。在 一個實施方式中，與安裝步驟有關(guān)的，通過鎖定構(gòu)件(例如螺母或軸 環(huán))向緊固件110施加預(yù)負(fù)載，且通過具有定位在銷構(gòu)件112的頭部 116和結(jié)構(gòu)150之間的密封件118的銷構(gòu)件112向結(jié)構(gòu)150施加力。 由于密封件118適形銷構(gòu)件112的頭部116和結(jié)構(gòu)150之間的內(nèi)在微 粗糙度，所以密封件118的一部分被向著銷釘元件112的邊緣向上擠 壓并從結(jié)構(gòu)150的表面之上突出。參考圖13A、13B、14A和14B， 通過打磨密封件118的頂部(例如靠近唇部123的地方)和在必要時 打磨結(jié)構(gòu)150的方式將密封件118修整成與結(jié)構(gòu)150的表面相平齊。 在一個實施方式中，打磨步驟與為施加涂料152來制備結(jié)構(gòu)150表面 的準(zhǔn)備工作同時進(jìn)行。

圖15A和15B是示出不具有密封件118的銷構(gòu)件的橫載面的照片 (圖15A)和顯示具有密封件118的銷構(gòu)件112的橫截面照片(圖 15B)。如圖所示，密封件118的內(nèi)含與銅網(wǎng)154一起被提供，這改 進(jìn)了涂料粘性。

參考圖15C，緊固件110改進(jìn)了結(jié)構(gòu)150中的埋頭范圍，在該范 圍上保持與銅網(wǎng)154的連接。如圖15C中所示的圖表，圖左側(cè)所示的 緊固件110的齊平公差比圖右側(cè)所示的不具有密封件的基線密封件更 寬。

圖16A至16D是示出在不具有密封件的常規(guī)緊固件(圖16A和 16B)與具有密封件18的緊固件(圖16C和16D)之間的銷/CFRP 界面的差別的照片。密封件118和CFRP結(jié)構(gòu)50之間的微觀適形性 加強了從緊固件至結(jié)構(gòu)150的電流轉(zhuǎn)移并減少了電弧放電。

圖17A至17D是示出了不具有密封件118的緊固件(圖17A和 17C)以及具有密封件118的緊固件(圖17B和17D)對鋁板的破壞 效果之間的差別。密封件118增加了緊固件110和結(jié)構(gòu)之間在鄰近密 封件118的區(qū)域中的電緊密度。如將在下文所更詳細(xì)描述的，這降低 了靠近鎖定構(gòu)件(例如螺母或軸環(huán))的電場的量級。

參考圖18A到18F，其示出了模擬結(jié)果，密封件118減小了銷構(gòu) 件112的頭部116周圍的接觸電阻，由此實現(xiàn)了優(yōu)化的電緊密度。該 納米級的適形性改進(jìn)了電流向飛機結(jié)構(gòu)150的上板的轉(zhuǎn)移。在雷擊期 間，附接至頭部116的外部放電會趨向附接至具有更大電場的區(qū)域。 在緊固件110具有密封件118的情況下，電場會低得多，這導(dǎo)致具有 平面場分布的所謂的等電位表面。這種電場的平面效應(yīng)使得由穿過尖 銳邊緣的大的集中流動造成的結(jié)構(gòu)損壞的量降到最低。

密封件118的優(yōu)點在于大幅度地降低了緊固件組件中緊固件110 和周邊材料之間的電荷累積。時間依賴性電位具有較低的峰值，這導(dǎo) 致螺母區(qū)域的承載表面周邊的電場量級的大幅度降低。典型地，螺母 區(qū)域和尖銳邊緣周邊的大電場會導(dǎo)致介電擊穿和邊緣流光效應(yīng)。電場 的大幅度降低是增強的電流傳輸?shù)闹苯咏Y(jié)果。

參考圖19，緊固件110包括減小的接觸電阻。接觸電阻測量結(jié)果 顯示出具有涂層119和密封件118的緊固件110相對于不具有涂層 119和密封件118的基線銷構(gòu)件具有改進(jìn)的電流轉(zhuǎn)移。

應(yīng)該理解的是，本文公開的實施方式僅是示例性的，而且在不背 離本實用新型的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以做出多 種變化和修改。所有的這些變化和修改都旨在被包括在權(quán)利要求的范 圍內(nèi)。