BR102017024110B1

BR102017024110B1 - Método de produção de um aquecedor de nanotubo de carbono, e, sistema de aquecedor.

Info

Publication number: BR102017024110B1
Application number: BR102017024110-6A
Authority: BR
Inventors: Wenping Zhao; Zaffir A. Chaudhry; Galdemir Cezar Botura; Tommy M. Wilson, Jr.; Brad Hartzler; Jin Hu
Original assignee: Goodrich Corporation
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2022-11-29
Also published as: EP3339178B1; EP3339178A1; US10863586B2; US20180176993A1; BR102017024110A2

Abstract

Um método de produção de um aquecedor de nanotubos de carbono inclui a impregnação de uma matriz de fibra de nanotubos de carbono seca com uma resina condutora, a resina condutora sendo feita de uma resina orgânica e de um material de preenchimento condutor. O aquecedor de nanotubos de carbono é leve, forte e mantém a condutividade elétrica e resistência adequadas para uso como um aquecedor.

Description

FUNDAMENTOS

[001] Uma aeronave que se move através o ar é frequentemente submetida à formação de gelo, e dispositivos anticongelamento ou de degelo devem ser usados para remover ou impedir que o gelo se acumule nas superfícies externas da aeronave. Para qualquer tipo de aquecedores elétricos ou aquecedores de degelo, quanto mais próximo o aquecedor estiver do revestimento de um aerofólio, nacela, ogiva, capô do motor, ou outra parte da aeronave, menos energia é necessária para aquecer ou descongelar o componente da aeronave devido à proximidade do aquecedor à superfície externa. Assim, aplicações aeroespaciais de aquecedores de degelo tentam colocar esses aquecedores o mais próximo possível da superfície externa.

[002] Vários tipos de sistemas de proteção contra gelo (IPS) foram desenvolvidos para proteger a aeronave dos efeitos perigosos da formação de gelo, incluindo sistemas de degelo eletrotérmicos, sistemas de sangria de ar anticongelamento e sistemas de degelo de partida pneumática, dentre outros. Os sistemas de degelo eletrotérmico (ETDS) normalmente usam fios metálicos para derreter o gelo, convertendo energia elétrica em energia térmica. O uso de fios metálicos como elementos de resistência incorporados nos sistemas de degelo apresenta vários problemas, incluindo uma baixa durabilidade dos fios, alto peso e eficiência mínima do uso de energia.

[003] Os fios de nanotubos de carbono (CNT) foram propostos como uma alternativa aos fios metálicos em sistemas de proteção contra o gelo. Os CNTs são alótropos de carbono com uma nanoestrutura geralmente cilíndrica e têm uma variedade de usos em nanotecnologia, eletrônica, óptica e outras ciências de materiais. Os CNTs são térmica e eletricamente condutores. Devido a essas propriedades, os CNTs podem ser usados como aquecedores para impedir a formação de gelo em aeronaves ou outros veículos. No entanto, o aglutinante usado para aplicar os CNTs a um sistema de proteção contra gelo pode afetar significativamente a resistência elétrica resultante do aquecedor CNT e o desempenho geral na proteção contra gelo.

SUMÁRIO

[004] Um método de produção de um aquecedor de nanotubos de carbono impregnando a matriz de fibra de nanotubo de carbono com uma matriz de resina condutora, em que a resina condutora compreende uma resina orgânica e um material de preenchimento condutor, e cura da matriz de fibra de nanotubo de carbono impregnado.

[005] Um sistema de aquecedor inclui uma matriz de fibra de nanotubo de carbono e uma matriz de resina condutora. A matriz de resina condutora inclui uma resina orgânica e um material de preenchimento. A resina condutora impregna a matriz de fibra de nanotubos de carbono.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[006] A FIG.1 é um diagrama de fluxo que representa um método de produção de uma matriz de resina de nanotubos de carbono.

[007] As FIGs. 2A-2D são diagramas esquemáticos de uma matriz de nanotubos de carbono impregnados em diversos usos.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[008] Quando os nanotubos de carbono (CNT) são usados como um elemento de aquecimento, eles são normalmente ligados entre si por um aglutinante ou resina, que normalmente é uma resina orgânica "pura" não condutora. Se a resina tiver uma resistência muito alta, pode impactar negativamente a resistência geral do aquecedor CNT e criar usos ineficientes da energia quando o aquecedor CNT estiver em uso. Nesta divulgação, um polímero condutor é usado como aglutinante para CNTs (ou outras moléculas de nanocarbono) para criar uma chapa de aquecimento CNT eletricamente condutora.

[009] Naturalmente, os CNTs ocorrem como uma rede não tecida. Assim, para uma aplicação de aquecimento por CNT, uma chapa de CNT pode estar ligada dentro de uma estrutura, como uma estrutura compósita. O agente de ligação é normalmente uma película adesiva feita de resina orgânica, tal como uma resina epóxi ou fenólica. No estado da técnica, durante um processo de cura da resina, a resina impregna a chapa de CNT, o que aumenta a integridade estrutural da matriz de CNT. No entanto, a impregnação da matriz de CNT com a resina também aumenta a resistência elétrica da chapa de CNT. Em alguns casos, a resistência é aumentada de 50% para 300% pela adição da resina. Assim, as resinas orgânicas puras tradicionais podem criar problemas de resistividade com aquecedores CNT. Como alternativa, esta divulgação propõe o uso de resinas orgânicas com preenchimentos de partículas condutoras. O uso de resinas orgânicas condutoras minimiza a alteração de resistência que ocorre quando a matriz de CNT é impregnada, mas ainda proporciona a integridade estrutural necessária para os aquecedores CNT.

[0010] A FIG.1 é um diagrama de fluxo que representa o método 10 de produção de uma matriz de resina de nanotubos de carbono. O método 10 começa com a etapa 12, obtendo uma matriz de CNT.A matriz de CNT é um CNT "seco", e ainda não foi impregnado com uma resina. A matriz de CNT normalmente é de material não tecido e contém fibras de CNT frouxas.

[0011] Em seguida, na etapa 14, uma resina é aplicada na matriz de CNT. A resina é uma resina condutora, feita tanto com uma resina orgânica quanto com um material de preenchimento condutor. A resina condutora é preparada antes da aplicação à matriz de CNT, misturando-se o material de preenchimento condutor na resina orgânica pura. A resina orgânica pode ser epóxi, fenólica, BMI, poli-imida, termoplástica, PEI, PEEK ou outro material apropriado. O material de preenchimento pode ser metálico, tal como prata, ouro, cobre, uma liga metálica ou um material condutor não metálico. A resina pode ser aplicada à matriz de CNT, infiltrando-se a matriz, ou anexando-se uma resina de película à matriz de CNT e aquecendo o conjunto.

[0012] A aplicação da matriz de resina condutora à matriz de fibra de CNT permite a variação das resistências ao longo da matriz de CNT impregnada completa. A resina condutora tem uma diferença de resistência em relação a da matriz de fibra de CNT seca, e a adição da resina condutora à matriz de fibra de CNT altera a resistência da matriz de CNT. A aplicação de resina condutora à matriz de CNT pode ser variada, de modo que a espessura, concentração ou quantidade de resina condutora seja alterada ao longo da matriz de CNT. Isto permite a variação das resistências ao longo da superfície da matriz de CNT, conforme desejado para uma superfície de aeronave ou outra superfície que precisa de um aquecedor. A resistência da matriz de CNT também pode ser variada, aplicando-se apenas a resina condutora a certas partes da matriz.

[0013] Após a aplicação da resina à matriz de CNT, a matriz de resina pode ser curada (etapa 16) para consolidar ainda mais a ligação entre as fibras de CNT e a resina condutora. Isto consolida a matriz de CNT impregnada e a prepara para a aplicação em campos aeroespaciais ou de outra tecnologia apropriada. Uma vez preparada a matriz de CNT impregnada, ela pode ser ligada a outros materiais, tais como revestimentos metálicos ou camadas protetoras de fibra de vidro pré-impregnadas, para criar um conjunto de aquecimento.

[0014] A matriz de resina de CNT concluída pode ser aplicada a qualquer superfície de uma aeronave, tal como a borda dianteira de um aerofólio, partes do motor da aeronave, a cauda da aeronave ou outras estruturas que requerem aquecimento. Esta matriz de resina de CNT pode substituir aquecedores eletrotérmicos, aquecedores térmicos duplos e outros tipos de sistemas de aquecimento em aeronaves.

[0015] As FIGs. 2A-D são diagramas esquemáticos que representam uma matriz de CNT impregnada com uma resina condutora em diversos usos. A FIG.2A mostra o conjunto da matriz impregnada 20. A matriz 20 inclui a matriz de fibra de CNT 22 e a resina condutora 28, que inclui a resina orgânica 24 e material de preenchimento condutor 26. A matriz 20 é montada pela impregnação da matriz de fibra de CNT 22 com a resina condutora 28. A etapa de impregnação está representada por setas, e discutida em referência à FIG.1.

[0016] A matriz de fibra de CNT 22 é uma matriz de fibra seca que é de material não tecido. Este tipo de matriz de CNT está comercialmente disponível. A matriz de fibra de CNT 22 é tanto eletricamente condutora quanto termicamente condutora, tornando a matriz de fibra de CNT 22 em bons elementos de aquecimento para proteção contra gelo ou outros usos de aquecimento.

[0017] A resina orgânica 24 é uma resina tradicional, tal como epóxi, fenólica, bismaleimida (BMI), poli-imida, termoplástica, polieterimida (PEI), poliéter éter cetona (PEEK) ou outro material apropriado. A resina orgânica 24, por si só, não é condutora. Quando o material de preenchimento condutor 26 é adicionado à resina orgânica 24, é formada uma resina condutora 28 que é utilizada para impregnar a matriz de fibras de CNT. A inserção da resina condutora 28 na matriz de fibra de CNT permite a integridade estrutural da CNT, mas mantém a condutividade elétrica e uma resistência mais consistente se o material de preenchimento condutor 26 estiver na resina orgânica 24.

[0018] O material de preenchimento condutor 26 é um material condutor usado para tornar a resina orgânica 28 eletricamente condutora. O material de preenchimento condutor 26 pode ser metálico, tal como prata, ouro, cobre ou uma liga. Alternativamente, o material de preenchimento condutor 26 pode ser outro material condutor apropriado. A adição do material de preenchimento condutor 26 à resina orgânica 24 minimiza a alteração da resistência que ocorre quando a matriz de fibras de CNT 22 é impregnada. No estado da técnica, a resistência de uma matriz de fibra de CNT alteraria entre 50% e 300% quando a matriz de fibra de CNT fosse impregnada com uma resina orgânica pura.

[0019] Quando a matriz de fibra de CNT 22 e a resina condutora 28 são combinadas na matriz de CNT impregnada 20, o aquecedor CNT resultante é estruturalmente perfeito, mas a resistência da matriz de fibra de CNT 22 não é significativamente alterada pela adição da resina condutora 28.

[0020] A FIG.2B mostra uma modalidade alternativa da matriz impregnada 30, contendo matriz de fibra de CNT 32 e a resina condutora 38. De forma semelhante à FIG.2A, a resina condutora 38 contém uma resina orgânica e um preenchimento condutor. Nesta modalidade, a matriz de fibras de CNT 32 é impregnada (mostrada por setas) com uma quantidade menor de resina condutora 38. Assim, a resina condutora 38 impregna apenas uma seção da matriz de fibra de CNT 32, ao invés de toda a matriz de fibra de CNT 22. Isso cria uma zona condutora altamente elétrica, onde a matriz de fibra de CNT 32 é impregnada com a resina condutora 38.

[0021] A FIG.2C mostra o conjunto de aquecedor CNT 48 onde a resina condutora 40 é utilizada para ligar as matrizes de fibras de CNT 42, 44 uma à outra. Tal como acontece com as figuras anteriores, a resina condutora 40 contém uma resina orgânica e um preenchimento condutor. No conjunto de aquecedor 48, a resina condutora 40 pode ser usada como um conector para juntar dois ou mais aquecedores de chapa de CNT uns aos outros. Um uso alternativo para a resina condutora para aquecedores CNT é para reparar aquecedores CNT. A resina condutora pode ser usada para estabelecer uma conexão entre as áreas reparadas de um aquecedor CNT e as áreas não danificadas de um aquecedor CNT.A resina condutora também pode ser usada para reparar aquecedores não CNT, tais como aquecedores metálicos.

[0022] A FIG. 2D mostra o conjunto de aquecedor CNT 58, onde a resina condutora 50 é utilizada para ligar a matriz de fibra de CNT 52 à barra de barramento 56.Tal como acontece com as figuras anteriores, a resina condutora 50 contém uma resina orgânica e um preenchimento condutor. A barra de barramento 56 é metálica. A barra de barramento 56 permite que o conjunto de aquecedor CNT 58 estabeleça uma conexão elétrica com fios, eletrônicos ou outros dispositivos. Assim, a resina condutora 50 também pode ser usada como um aglutinante para conectar as chapas do aquecedor CNT à fiação elétrica externa.

[0023] Esta matriz CNT impregnada é mais leve, tem menos massa e é mais forte do que os tipos anteriores de aquecedor. A resina condutora proposta usada para impregnar aquecedores CNT reduzirá o impacto da resina sobre a resistência elétrica do aquecedor CNT resultante, enquanto mantém os benefícios estruturais de uma resina orgânica pura tradicional. Esta resina condutora também pode ser usada para outras aplicações do aquecedor CNT, tais como unir os aquecedores CNT e reparar aquecedores CNT danificados, sem alterar significativamente a resistência dos aquecedores CNT.

Discussão das Modalidades Possíveis

[0024] São apresentadas a seguir as descrições não exclusivas de possíveis modalidades da presente invenção.

[0025] Um método de produção de um aquecedor de nanotubos de carbono inclui a impregnação da matriz de fibra de nanotubo de carbono com uma matriz de resina condutora, em que a resina condutora compreende uma resina orgânica e um material de preenchimento condutor, e cura da matriz de fibra de nanotubo de carbono impregnado.

[0026] O método do parágrafo anterior pode opcionalmente incluir adicional e/ou alternativamente qualquer uma ou mais das seguintes características, configurações e/ou componentes adicionais:

[0027] O método inclui a variação da resistência da matriz de fibra de nanotubos de carbono ao longo de um comprimento da matriz de fibra de nanotubos de carbono através do ajuste da quantidade de matriz de resina condutora aplicada à matriz de fibra de nanotubos de carbono.

[0028] O método inclui juntar uma segunda matriz de fibra de nanotubos de carbono impregnada à primeira matriz de fibra de nanotubos de carbono impregnada com a resina condutora.

[0029] O método inclui a reparação da matriz de fibra de nanotubos de carbono impregnada com a resina condutora.

[0030] A matriz de fibras de nanotubos de carbono é de material não tecido.

[0031] A resina orgânica é selecionada do grupo consistindo em resina epóxi, fenólica, bismaleimida, poli-imida, termoplástica, polieterimida, poliéter-étercetona e polietercetona.

[0032] O material de preenchimento é prata, ouro, cobre ou uma liga dos mesmos.

[0033] A impregnação da matriz de fibra de nanotubos de carbono com uma matriz de resina condutora compreende a infiltração da matriz de fibra de nanotubos de carbono.

[0034] A impregnação da matriz de fibra de nanotubos de carbono com uma matriz de resina condutora compreende a ligação da resina condutora como uma resina de película à matriz de fibra de nanotubos de carbono e o aquecimento da resina de película e da matriz de fibra de nanotubos de carbono.

[0035] A impregnação da matriz de fibra de nanotubos de carbono com uma matriz de resina condutora compreende a aplicação da resina condutora a uma primeira porção da matriz de fibra de nanotubos de carbono, e em que uma segunda porção da matriz de fibra de nanotubos de carbono não é impregnada.

[0036] O método inclui a aplicação da matriz de nanotubos de carbono impregnada a uma barra de barramento antes da cura da matriz de fibra de nanotubo de carbono impregnada.

[0037] Um sistema de aquecedor inclui uma matriz de fibra de nanotubo de carbono e uma matriz de resina condutora. A matriz de resina condutora inclui uma resina orgânica e um material de preenchimento. A resina condutora impregna a matriz de fibra de nanotubos de carbono.

[0038] O sistema de aquecedor do parágrafo anterior pode incluir, opcionalmente, adicional e/ou alternativamente, qualquer um ou mais dos seguintes recursos, configurações e/ou componentes adicionais:

[0039] A matriz de fibras de nanotubos de carbono é de material não tecido.

[0040] A resina orgânica é selecionada do grupo consistindo em resina epóxi, fenólica, bismaleimida, poli-imida, termoplástica, polieterimida, poliéter-étercetona e polietercetona.

[0041] O material de preenchimento é prata, ouro, cobre ou uma liga dos mesmos.

[0042] A quantidade de resina condutora que impregna a matriz de fibra de nanotubos de carbono varia ao longo de um comprimento da matriz de fibra de nanotubos de carbono.

[0043] O sistema de aquecedor inclui uma segunda matriz de fibra de nanotubos de carbono impregnada pela resina condutora, a segunda matriz de fibra de nanotubos de carbono conectada à primeira matriz de fibra de nanotubos de carbono pela resina condutora.

[0044] A matriz de fibra de nanotubos de carbono é parcialmente impregnada com a resina condutora, resultando em pelo menos uma porção da matriz de fibra de nanotubos de carbono sem a resina condutora.

[0045] O sistema de aquecedor inclui uma porção danificada da matriz de fibra de nanotubos de carbono reparada pela resina condutora.

[0046] O sistema de aquecedor inclui uma barra de barramento ligada à matriz de fibra de nanotubos de carbono impregnada.

[0047] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a modalidades exemplares, será compreendido por aqueles versados na técnica que várias alterações podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material em particular aos ensinamentos da invenção sem se afastar de seu escopo essencial. Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitada à(s) modalidade(s) divulgada(s) em particular, mas que a invenção inclua todas as modalidades abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Método de produção de um aquecedor de nanotubo de carbono, caracterizado pelo fato de que compreende: impregnação de uma matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) com uma matriz de resina condutora (28, 38, 40), em que a matriz de resina condutora (28, 38, 40) compreende uma resina orgânica (24) e um material de preenchimento condutor (26); e cura da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) impregnada.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a variação da resistência da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) ao longo de um comprimento da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) através do ajuste da quantidade de matriz de resina condutora (28, 38, 40) aplicada à matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44).

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a junção de uma segunda matriz de fibra de nanotubos de carbono (44) impregnada à primeira matriz de fibra de nanotubos de carbono (42) impregnada com a resina condutora (40).

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a reparação da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) impregnada com a resina condutora (28, 38, 40).

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz de fibra de nanotubos de carbono (22) é de material não tecido.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resina orgânica (24) é selecionada do grupo consistindo em resina epóxi, fenólica, bismaleimida, poli-imida, termoplástica, polieterimida, poliéter-étercetona e polietercetona.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de preenchimento condutor (26) é prata, ouro, cobre ou uma liga dos mesmos.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a impregnação da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) com uma matriz de resina condutora (28, 38, 40) compreende a infiltração da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44).

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a impregnação da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) com uma matriz de resina condutora (28, 38, 40) compreende a ligação da resina condutora (28, 38, 40) como uma resina de película à matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) e o aquecimento da resina de película e da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44).

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a impregnação da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) compreende a aplicação da resina condutora (28, 38, 40) apenas a uma primeira porção da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44).

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a aplicação da matriz de nanotubos de carbono (52) impregnada a uma barra de barramento (56) antes da cura da matriz de fibra de nanotubo de carbono impregnada.

12. Sistema de aquecedor, caracterizado pelo fato de que compreende: uma matriz de fibra de nanotubo de carbono (22, 32, 42, 44); e uma matriz de resina condutora (28, 38, 40) que compreende: uma resina orgânica (24), e um material de preenchimento condutor (26), em que a matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) é impregnada com a matriz de resina condutora (28, 38, 40).

13. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) é de material não tecido.

14. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a resina orgânica (24) é selecionada do grupo consistindo em resina epóxi, fenólica, bismaleimida, poli-imida, termoplástica, polieterimida, poliéter-étercetona e polietercetona.

15. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o material de preenchimento condutor (26) é prata, ouro, cobre ou uma liga dos mesmos.

16. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a quantidade de resina condutora (28, 38, 40) que impregna a matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) varia ao longo de um comprimento da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44).

17. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma segunda matriz de fibra de nanotubos de carbono (44) impregnada pela resina condutora (40), a segunda matriz de fibra de nanotubos de carbono (44) conectada à primeira matriz de fibra de nanotubos de carbono (42) pela resina condutora (40).

18. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) é parcialmente impregnada com a resina condutora (28, 38, 40), resultando em pelo menos uma porção da matriz de fibra de nanotubos de carbono (22, 32, 42, 44) sem a resina condutora (28, 38, 40).

19. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma porção danificada da matriz de fibra de nanotubo de carbono (22, 32, 42, 44) reparada pela resina condutora (28, 38, 40).

20. Sistema de aquecedor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma barra de barramento (56) ligada à matriz de fibra de nanotubos de carbono impregnada.