CN102803406B - 防止基底被雷击的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种防止基底被雷击的方法，该方法包括向所述基底提供雷击防护剂组合物。所述雷击防护剂组合物包含反应性有机成分和传导性填料，能够在有机成分固化过程中自组装成非均相结构，该非均相结构包含位于(连续或半连续)聚合物富集域中的金属的连续三维网络。所得组合物具有异常高的导热性和导电性。

Description

防止基底被雷击的方法
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2009年6月12日提交的美国临时专利申请No.61/186,415(名称为“CURABLE CONDUCTIVE MATERIAL FOR LIGHTNING STRIKE PROTECTION”)以及于2009年6月12日提交的美国临时专利申请No.61/186,492(名称为“ELECTROMAGNETIC SHIELDING MATERIALS”)的优先权，它们的公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及导电聚合物材料，更具体而言，本发明涉及用于雷击防护(LSP)的导电组合物。
背景技术
由于强度与重量的良好结合，复合材料越来越多地被用于取代飞行器结构中的铝。虽然这使飞行器的燃料效率显著提高以及/或者使有效负载能力更大，但不幸的是，飞行器结构变得更易遭受雷击损害。这种更易受损的弱点的根源在于：相对于铝金属而言，复合材料(例如基于碳纤维强化材料的那些)具有较差的导电性。自然，由于阻热机理，导电性越差，材料吸收的能量就越多。已经报道，与相同质量的铝相比，碳纤维复合材料能够从雷击中吸收的能量的量大约是前者的2,000倍。所吸收的能量的增加导致“直接”和“间接”影响的增加。
直接影响涉及到对承重结构的物理或“直接”损坏，最严重类型的损害是剧烈穿透复合叠层体。“间接”影响涉及到由闪电的大的电磁场引起的电涌(electrical surge)。这些电涌能够破坏航空控制***，进而危及飞行员控制飞行器的能力。最近，间接影响甚至受到 更多关注，因为飞行器越来越朝向电传操纵***(fly-by-wire)发展。这正是为何使用大量盒子、衬垫、金属箔和网、粘合剂、金属套等形式的电磁干扰(EMI)屏蔽材料来屏蔽电气部件、线路和连接件的原因。
为了防止复合材料免遭上述影响，飞行器设计者试图通过在复合结构中整合高度传导性表层，从而将强电流保持在飞行器外表面上。已经进行和/或提出了大量制备这种雷击防护(LSP)表层的尝试，每种尝试都取得了不同程度的成功。例如，已经将基于金属(例如铜、铝或青铜)的金属线网和多孔金属箔(expanded metal foil，EMF)嵌入表面(或粘合剂)膜，并与底层的复合预浸料坯(composite prepreg)共固化。或者，已经将单根的电线与碳纤维交织在一起来制备混杂预浸料坯。类似的，已经使用金属沉积技术来包覆处于原始形式或织造形式的碳纤维或其他强化纤维。除了金属化纤维外，使用的另一种LSP方法是火焰喷射，其涉及将熔融金属(通常为铝)沉积在基底上。
已经进行了更新的尝试来克服纤维预浸料坯以及上述网、EMF、混杂物和金属化纤维中缺乏z-传导性的问题；这涉及将诸如碳纳米管(或纳米纤维)、石墨烯或纳米绳等高长径比的传导性填料掺入用作独立粘合剂膜的树脂中、或者掺入与碳纤维或碳纤维预浸料坯共同使用的树脂中。类似地，为了相同的目的，已经使用了低长径比颗粒或它们与高长径比颗粒的组合。相对于填充了大量填料的树脂，上述这些方法虽然更有效地提高了传导性，但是，它们仍然缺乏在LSP应用中所需的最佳传导性和载流能力。已经尝试了其他方法通过用固有传导性聚合物取代非传导性树脂来减轻这一问题。不幸的是，这些材料以及上述材料仍然存在下列问题：雷击防护作用有限、重量显著增加、制造上存在问题和/或诸如导热性和导电性、载流能力、粘度(或处理性能)和/或机械特性等基本性质的局限性。
在文献中提及的不同体系中，基于金属箔(特别是EMF)的那些体系在实际应用中是最成功的。尽管EMF存在于大多数固定翼和旋翼飞行器中，但EMF具有很多不希望的特征。例如，EMF体系由 于在有限的频率范围内提供屏蔽作用而表现出有限的“间接保护”作用。EMF体系已经表现出在等于或高于约1GHz范围的频率下非常易受影响。因此，飞行器设计者常常向飞行器添加额外的或更耐用的屏蔽材料来防护其在电通讯中受到破坏，而这增加了相当大的重量。EMF体系在制造或修复过程中还存在处理性能方面的问题。具体而言，EMF必须在供应者或原始设备制造者(OEM)处与粘合剂膜一体化，这既复杂又耗费成本。此外，EMF难以适应成形工具加工，具有粗缝(tack)问题，并且在正常的处理和切割操作中易于变皱和损坏。此外，在连接、接合和接地操作中保持面板之间的电整体性方面也存在问题。因此，OEM不得不用手铺设这些材料，由此导致要考虑劳动时间和成本。已经进行了大量尝试使EMF的铺设自动化，但是由于这些同样的问题再加上许多接合处的EMF重叠而引起的重量负担，所以几乎都没有成功。除了处理性能之外，基于铝和铜的金属网易受腐蚀，这归因于金属与底层碳之间的伽伐尼电位差。为了克服这一问题，通常在EMF层和碳层之间添加隔离层。不幸的是，添加这些层增加了额外的步骤，增加了工作量、成本并且使飞行器增加了更多的重量。
对于EMF体系，修补也是个问题。必须通过打磨以及切割或精整操作将损坏的箔充分除去并用新的EMF材料修补。将新箔接合至现有的箔使得传导性通路对准又成为问题，以及处理由夹带空气引起的孔隙效应也成为问题。
考虑以上问题，需要改进LSP材料，使其在z-方向上具有高的传导性、重量更轻、耐腐蚀、复杂程度降低(即较少的层)，以及在组装和修复复合结构过程中易于施加和一体化，从而能够在制造操作中实现自动化。
发明内容
在本发明的优选实施方案中，在共同拥有的美国专利申请No.12/055,789(于2008年3月26日提交，并且以U.S.2010/0001237公开，其全部内容以引用方式并入本文)中描述的材料被用作在固化 过程中原位形成的传导性基质，并且施加于基底上，以针对雷击提供直接或间接的防护作用。
在解决现有LSP体系中的各种问题的尝试中，本发明的一个实施方案使用一种雷击防护剂组合物，该组合物包含反应性有机成分和导电填料，能够在有机成分固化过程中自组装成非均相结构，该非均相结构包含位于(连续或半连续)聚合物富集域中的金属的连续三维网络，其导电率在本体金属导电率的几个数量级内。
在本发明的另一个实施方案中，提供了防止基底被雷击的方法，该方法包括：提供基底；向所述基底提供雷击防护剂组合物，其中所述雷击防护剂包含经填料填充的可固化材料，所述材料能够在固化过程中自组装形成传导性通路。在本发明的另一个实施方案中，可固化材料包含可固化有机化合物和填料(优选为带涂层的银填料)，并且在有机成分固化过程中，填料和有机成分发生相互作用，所述相互作用使填料自组装成传导性通路。
在本发明的又一个实施方案中，将所述组合物固化，由此形成穿过所述组合物的传导性通路，并且固化且自组装的组合物的传导率大于具有等量传导性填料的固化但并非自组装的组合物的传导率的100倍。
在本发明的另一个实施方案中，可固化有机化合物包含双酚F二缩水甘油醚，并且可固化有机化合物还包含固化剂，优选包含基于酞酐与二亚乙基三胺之间的反应的聚胺酐加合物。
在本发明另外的实施方案中，雷击防护剂组合物还对频率在1MHz和20GHz之间的电磁辐射提供屏蔽作用，其中所述屏蔽作用将所述电磁辐射降低至少20分贝。
在本发明的另一方面中，将雷击防护剂组合物提供至基底的步骤包括以下步骤：确认雷击防护体系的损坏部分，该损坏部分包含至少一个不连续的传导性通路；将所述组合物沉积在所述损坏部分上；以及使所沉积的组合物固化，从而提供至少一个自组装传导性通路，从而使损坏部分中的所述至少一个不连续通路变得完整。
在本发明另外的实施方案中，损坏的雷击防护体系包括传导性 多孔金属箔、金属网、碳-金属纤维交织物、金属化碳或经填料填充的传导性聚合物中的至少一者，并且在另一个实施方案中，损坏的雷击防护体系包含可固化材料，该材料能够在固化过程中自组装形成传导性通路。
在本发明另外的方面中，提供了一种对雷击防护剂(LSP)复合材料进行非破坏性测试的方法，该方法包括：提供能够起到雷击防护作用的导电组合物，测量所述组合物的电性能，以及将所测量的组合物的电性能与预先劣化的所述组合物的样品的导电性对等化，从而确定所述复合材料的劣化程度。在本发明的一个实施方案中，组合物包含可固化材料，该可固化材料能够在固化过程中自组装形成传导性通路。在本发明的另一个实施方案中，电性能包括电阻率。
由于形成了非均相结构，因此LSP组合物能够在颗粒浓度显著低于具有均相结构(该结构包含均匀部分在整个聚合物基质中的颗粒)的常规组合物相应浓度的条件下，产生传导性颗粒的渗流网络。此外，在固化过程中形成的非均相结构使颗粒可以熔结，从而消除颗粒之间的接触电阻，进而使导热性和导电性显著提高。此外，熔结金属的连续通路能够传送在雷击情况中遭受的大量热和电流。低填料负载与相关的连续通路自组装的组合使得LSP材料重量更轻、更容易制造和修复，其从节省燃料、有效负载能力这方面的原因以及构建与修复这些方面的原因来说是有利的。
由于组合物具有各向同性，因此它在所有正交方向上都具有传导性；由此使得复合结构的z-方向上的导电性和导热性显著改善。这种改善进而允许显著降低与存在于复合叠层体中的非传导性树脂层和现有EMF LSP体系等有关的电容效应和热积聚。
在本发明的另一个实施方案中，由于有机组分能够发生反应并形成共价键，因此可以容易地与反应性基底共固化或者在非反应性基底上固化(基底例如为热塑性基底或预先反应的热固性基底)。另外，对树脂化学性质进行合适的选择可能有助于替换通常存在于飞行器外部上的一层或多层，例如用于涂覆飞行器的底漆层和面漆层。此外，选择合适的填料能够提供抗雷击性能和抗腐蚀性能，而不需要使用隔 离层。
此外，本发明的组合物由于具有高传导性的各向同性性质，因此能够用作多功能材料，其用于防止免受雷击，以及(但不限于)屏蔽电磁场、消除静电荷积聚和用于使冰融化的热管(例如除冰材料)。此外，组合物的多功能性能克服了在将其整合到复合结构中之前必须使金属结构(例如，EMF)与粘合剂膜相组合的问题。
另外，未固化的(A阶(A-staged)或B阶，而不是C阶的)组合物具有期望的处理特性并且容易适应各种施加形式。这些形式(包括但不限于)可分配的粘合剂、喷涂、粘合剂膜、或者作为用于复合纤维预浸料坯或带的树脂或与之结合使用的树脂。
在本发明的另一个实施方案中，自组装组合物可以用于制备具有两层或更多层的叠层结构，使得顶层包括传导性自组装组合物并且底层包括重量更轻的、导电或不导电的树脂层。此外，相对于具有较低表面传导率的单片膜，叠层结构使得表面传导率提高，同时保持了既定重量。此外，可以改变每层的厚度从而进一步提高表面传导率，同时保持既定重量。
另外，在本发明的实施方式中，未固化的组合物与现有LSP体系组合使用，以创建独特的混合结构，由此产生了LSP防护作用与重量的有利结合。其例子包括(但不限于)作为B阶膜使用的自组装材料，其用于嵌入固体金属箔、EMF、金属化纤维、金属化织造纤维、金属化非织造物(例如纱幕)或金属-碳纤维交织物。
在本发明的又一个实施方案中，自组装组合物还对基底提供二次保护作用。例如，尽管初始的雷击可能是在直接受到袭击的区域中产生物理损坏，但是电流可能涌入整个基底/结构中并损坏远处的电气部件或表面。本发明的自组装传导性材料除了对直接受到袭击的区域提供初级保护外，还提供了分散并控制电涌的手段。
在本发明的另一个实施方案中，自组装组合物能够将在不同部分的LSP材料组装时或在修复LSP材料的过程中涉及的界面电桥连。在本发明另外的实施方案中，将该材料作为未固化的喷射涂料、未固化(不是C阶)的膜粘合剂、或使用第二粘合剂或树脂(其任选地 填充有传导性填料)来粘附的挠性固化膜而使用。在本发明另外的实施方案中，现有的要修复的基底或者要粘结的连接基底可以与自组装非均相材料具有相同的组成，或者是基于现有的LSP体系，例如基于(但不限于)EMF的现有LSP体系。
另外，组合物的自组装性质使得有可能使用自动化设备将LSP施加到复合结构上。其例子包括(但不限于)使用自动化喷射设备以喷射的形式施加自组装材料，使得所喷射的材料施加到阳模结构上的未固化的纤维强化聚合物外层，或施加到已经用脱模剂预处理的阴模结构的表面上。另外，可以使用自动化的纤维或带用铺放机(placement machine)将自组装材料与多根单向丝(例如纤维或带)联合施加。在相邻的丝固化后能够形成连续传导性通路的能力克服了与现有材料状态相关的上述问题。
此外，由于本文讨论的材料具有高传导性的各向同性性质，因此它们本身适于进行定量的非破坏性测试。在本发明进一步的实施方案中，可以测量固化组合物的传导率，以用于(但不限于)评价在制造受保护部件的过程中产生的缺陷、评价LSP材料的损坏程度或评价实地材料的材料性能的劣化程度。
因此，已经概述(相当广泛)了本发明的较重要的特征，以便可以更好地理解以下的详细描述并且更好地认识本发明对本领域的贡献。显然，本发明还具有以下将要描述的附加特征，这些特征将形成本文所附权利要求书的主题。就此而言，在对本发明的几个实施方案进行详细阐释之前，应当理解的是，本发明的应用并不限于以下描述中阐述或在附图中示意的细节和构造以及部件的布置方式。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式来实施和实现。
还应当理解的是，本文的措辞和术语旨在说明，而不应当视为对任何方面的限制。本领域的技术人员将会理解本公开所基于的构思，并且该构思可以容易得用作设计用于实现这项新技术的若干目的的其他结构、方法和体系的基础。重要的是，权利要求书应当视为包括了这样的等价构造，只要其没有偏离本发明的精神和范围即可。
因此，为了能够具体理解本发明的上述以及其他将变得更显而 易见的特征、优点和目的的实现方式，可以参照附图所示的本发明的实施方式对以上概述的发明进行更具体的描述，这些附图是说明书的一部分，其中在全部视图中，相同的参考符号表示相同的部件。然而，应当注意的是，附图仅示出了本发明的优选实施方案和可供选择的实施方案，因此不应当认为是对本发明范围的限制，这是因为本发明可以容许采用等效的其它实施方案。
附图简要说明
图1是本发明实施方案中复合叠层体的视图。
图2是示出在本发明实施方案中使用的自组装材料的电磁屏蔽效力相对于频率的关系的图。
图3是示出本发明实施方案中的LSP复合材料在区域1A雷击之后其损坏程度相对于涂层的表面电阻的关系的图。
发明详述
在本发明的第一个实施方案中，提供了防止基底被雷击的方法，该方法包括：提供基底，以及向该基底提供雷击防护剂组合物，其中该雷击防护剂组合物包含经填料填充的可固化材料，该材料能够在固化过程中自组装形成传导性通路。在聚合物基质固化过程中，传导性填料自组装成传导性通路，从而提供了克服现有技术材料的多种缺点的传导性LSP材料。
通过适当地选择组分材料和遵循特定的工艺条件，从而实现了自组装和结构形成的机制。在本发明的一个实施方案中，填料组分包含传导性填料(导热、导电或既导电又导热)，并且有机成分包含单体和可任选的固化剂。在有机材料反应过程中形成填料富集域使得填料颗粒之间能够直接接触。在热量存在下，颗粒可以进一步熔结在一起。熔结消除了先前未熔结的填料颗粒之间的接触电阻，从而实质性地改善了复合材料的导热性和/或导电性。
虽然尚未完全理解并且不希望被理论束缚，但是据信，自组装、域的形成以及熔结对有机材料的固化温度、固化时间和在固化过程中 施加的压力水平是敏感的。换句话说，域的形成和熔结是动力学驱动的过程。在另一个实施方案中，样品加热的速率将影响域的形成和熔结的程度。总之，可以调整工艺条件，以获得这样一种传导性粘合剂，该粘合剂在最小填料负载量下具有最佳的性能组合，这通常意味着成本降低，并且有机会利用其他在高填料负载量下会受到不利影响的那些性能。在一些情况中，当粘合剂用于不能承受高熔结温度的应用中时，可能使用较高的压力或者非常规的熔结技术来实现异常高的传导性。
对填料组分和反应性有机成分进行选择，以在混合时产生均匀的混合物。但是，在固化过程中，据信，由有机成分形成的最终聚合物却会对填料产生排斥作用，从而使组合物可以自组装成具有填料富集域的非均相复合物，在所述的域中，填料成分浓度显著大于本体填料浓度。因此，在复合物的整体(本体)填料浓度不变的情况下，填料颗粒与有机成分原位自组装成各自的高浓度区域。这种现象可以导致由最初填料之间接触很少(如果有的话)的混合物原位形成相互连接的填料颗粒的自组装网络。
可以使用多种途径使填料组分与有机成分之间产生排斥作用。但是，在本发明的优选实施方案中，这是通过用非极性涂料包覆填料颗粒并将经涂敷的填料混合到包含相对非极性的树脂和极性固化剂的反应性有机成分中实现的。在未固化状态中，树脂、固化剂和填料形成相对均匀的混合物，其中，经涂敷的填料与树脂彼此相容并形成相对均质的混合物。然而，随着加热，固化剂与树脂反应，从而形成在其上具有极性部分的聚合物，使得填料上的非极性涂层与聚合物上的极性部分之间产生排斥作用。该排斥作用导致聚合物富集域与填料富集域的自组装，这两种域各自的浓度显著大于相应的聚合物和填料的本体浓度。此外，大量域的形成能够产生连续的填料富集域，其中在大多数填料颗粒之间颗粒与颗粒充分接触。
在填料存在的情况下，有机成分固化时能够产生排斥效应的其他类型的相互作用可以包括(但不限于)：静电相互作用、氢键相互作用、偶极-偶极相互作用、感应偶极相互作用、亲水-疏水相互作用、 范德华相互作用以及金属相互作用(例如有机金属化合物与金属填料的相互作用)。其他形式的相互排斥作用可以由熵相关性效应产生，例如由有机化合物形成的聚合物的分子量差异。另外，相互排斥作用可以通过外部刺激(例如电场)而产生。
在填料存在的情况下，有机成分固化后形成的域产生其浓度大于本体(平均)填料浓度的填料富集域和其浓度大于本体(平均)填料浓度的有机物富集域。大于平均填料浓度的区域可以形成传导性填料的半连续或连续通路，其延伸贯穿整个固化组合物本体。这些通路提供了电子和/或热量子可以迁移通过其中的低阻力路线。换句话说，通路或通道允许导热性或导电性显著增强。该传导性通路还可以通过将填料颗粒熔结在一起而进一步加强。鉴于在雷击情况中有大量的电流和热必须被分散，所以这样的高传导性通路特别有益于LSP。
如本领域理解的那样，熔结是表面熔融现象，其中，颗粒在低于材料的本体熔融温度下融合在一起。这种行为是通过材料具有松弛至低能状态的倾向而引起的。这样，填料类型、尺寸和形状的选择能够极大地影响填料颗粒的可熔结性。某些颗粒，例如薄的、宽的、平的片状颗粒)通常是通过经各种研磨工艺对大颗粒进行剪切而形成的。该过程除了产生大量的表面积外，还产生大量的内应力。当对颗粒施加一定量的热量时，它们倾向于熔融并融合在一起，由此减小内应变并降低该颗粒的整体表面能。因此，用于本发明的优选填料颗粒是具有一定程度的导热性或导电性并易于熔结的那些。在本发明另外的实施方案中，优选的填料包含已经进行冷加工的金属颗粒，该冷加工赋予填料结构能够进一步熔结的应变。
熔结温度根据选作填料的材料以及填料颗粒的几何形状而变化。但是，在本发明的优选实施方案中，有利的是，使有机成分的固化和填料的熔结达到平衡，从而使它们同时发生。在本实施方案中，对固化温度和分布加以选择，使之与填料的熔结温度一致，以便有机成分变得排斥填料，而使填料颗粒被压在一起，一旦使得颗粒之间接触，则单个的填料颗粒就能熔结。据信，这会导致形成贯穿整个完全固化的组合物的连续填料结构。在本发明的优选实施方案中，对于银 片填料，熔结温度为至少约100℃，更优选为约150℃，还更优选高于150℃。
在本发明另一个实施方案中，低温固化可能是有利的。例如当将可固化组合物涂覆/施加至热敏基底时，可以调整固化剂和固化机制，以在低于50℃的温度，或者在低于室温(20℃-25℃)下获得固化的自组装材料。在本发明的那些在固化步骤中没有发生熔结的实施方案中(例如在低温固化环境中)，颗粒可以最初形成未熔结的自组装通路。可以稍后增加熔结步骤。该稍后增加的熔结步骤可以包括通过环境加热或通过电感应加热(例如通过雷击)来加热该自组装材料。
在本发明的实施方案中，自组装组合物可以在不进行加热的情况下固化。但是，在本发明的优选实施方案中，通过加热组合物使该组合物固化。热固化通常是在固化炉(例如对流炉或高压釜)中进行的，其中使用热空气或辐射热来升高组合物的温度。在本发明可供选择的实施方案中，可以使用其他固化方法，例如在电磁场中感应固化、微波固化、红外固化、电子束固化、紫外固化以及通过可见光固化。另外，可以通过采用放热固化反应来使固化反应自行加速。(例如)当组合物涂覆在热敏基底(例如塑料)上时，非热固化可能是有利的。
在本发明的一个实施方案中，填料包括无机填料。可用的填料包括纯金属(例如铝、铁、钴、镍、铜、锌、钯、银、镉、铟、锡、锑、铂、金、钛、铅和钨)、金属氧化物和陶瓷(例如氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化锌)。含碳填料可以包括石墨、碳黑、碳纳米管和碳纤维。合适的填料还包括合金以及上述填料的组合。另外的填料包括无机氧化物粉末，例如熔凝的二氧化硅粉末，氧化铝和氧化钛，以及铝、钛、硅和钨的硝酸盐。颗粒材料包括颗粒尺寸在几纳米到几十微米范围内的形式。
在本发明的实施方案中，基于固化组合物的总体积，填料的含量为约40体积％或更少。在本发明更优选的实施方案中，基于固化组合物的总体积，填料的含量为约30体积％或更少。在本发明最优选的实施方案中，基于固化组合物的总体积，填料的含量为约15体积％或更少。
在本发明的优选实施方案中，填料包括导电、导热或既导电又导热的材料。虽然在本发明的几个实施方案中优选使用金属和金属合金，但是填料可以包括传导性的可熔结的非金属材料。在本发明可供选择的实施方案中，填料可以包括杂化颗粒，其中一种填料(例如非传导性填料)被传导性的可熔结的材料(例如银)包覆。在这种方式中，可以减少所用银的总量，同时保持填料颗粒的可熔结性和熔结材料的传导性。
在本发明的实施方案中，填料组分必须能够与有机成分相互作用，从而使最终的材料具有非均相结构。在以上讨论的本发明的优选实施方案中，这是通过使极性有机成分与非极性填料相互作用来实现的。对于优选的填料材料(例如金属)，用具有所需极性程度的材料包覆填料。在本发明的一个优选实施方案中，填料的涂层包括非极性脂肪酸涂层，例如硬脂酸、油酸、亚油酸和棕榈酸。在本发明又一个实施方案中，填料涂层包括多种非极性材料中的至少一种，例如烷烃、石蜡、饱和或不饱和的脂肪酸、烯烃、脂肪酯、蜡质涂层、或低聚物和共聚物。在本发明另外的实施方案中，非极性涂层包括具有疏水末端的有机钛酸酯(ogranotitanate)或硅基涂层(例如含有疏水末端的硅烷、或功能性有机硅)。
在本发明另外的实施方案中，在将颗粒掺入可固化组合物之前，将涂料(或表面活性剂、偶联剂、表面改性剂等)施加到填料颗粒上。涂覆方法的例子包括(但不限于)由水性醇沉积涂料、由水性溶液沉积涂料、将涂料本体沉积在原始填料上(例如使用喷射溶液和锥形混合机、在碾磨机或磨碎机中将涂料与填料混合)以及蒸气沉积。在又一个实施方案中，在有机组分(即树脂与固化剂)之间发生反应之前，将涂料添加到组合物中以处理填料。
在本发明可供选择的实施方案中，将填料/涂层与聚合物的极性颠倒，其中该填料/涂层包括极性部分，而有机成分包括非极性聚合物。类似地，在本发明的采用极性以外的排斥作用来驱动自组装的实施方案中，可以将填料和有机组分的活性相互交换。
在本发明的优选实施方案中，有机成分包含环氧树脂和固化剂。 在本实施方案中，有机成分占总组合物的约60体积％至约100体积％。在本实施方案中，有机成分包含约70重量％至85重量％的双酚化合物(例如双酚F)二缩水甘油醚以及15重量％至30重量％的固化剂，例如基于酞酐与二亚乙基三胺之间的反应的聚胺酐加合物。
在本发明另外的实施方案中，合适的有机成分包括以下类型的单体、反应性低聚物或反应性聚合物：硅氧烷、酚醛树脂、酚醛清漆、丙烯酸酯(或丙烯酸树脂)、聚氨酯、脲、酰亚胺、乙烯基酯、聚酯、马来酰亚胺树脂、氰酸酯、聚酰亚胺、聚脲、氰基丙烯酸酯、苯并噁嗪、不饱和二烯聚合物以及它们的组合。固化化学取决于在有机成分中使用的聚合物或树脂。例如硅氧烷基质可以包括加成反应固化性基质、缩合反应固化性基质、过氧化物反应固化性基质或它们的组合。固化剂的选择取决于本文概述的填料组分和工艺条件的选择，从而将填料颗粒按照所需的那样自组装成传导性通路。
在另一个实施方案中，由于具有各向同性，所以组合物在所有的正交方向都具有传导性，由此使复合结构在z-方向上具有显著改善的导电性和导热性。这种改善进而允许显著降低与存在于复合叠层体中的非传导性树脂层和现有EMF LSP体系等相关的电容效应和热积聚。另外，该材料可以通过使复合材料基底的层中或层间的相邻碳纤维桥连而有利于热和电子迁移。在本发明的又一个实施方案中，自组装材料的高传导性的各向同性性质使它们适于定量的非破坏性测试，以下将对其进行更详细地讨论。
此外，未固化的(A阶或B阶，但不是C阶)自组装组合物具有有利的处理特性并且易于适应各种应用形式。在本发明的一个实施方案中，自组装组合物包含可流动的粘合剂(例如液体或糊状)，该粘合剂在有机成分的固化过程中能够粘附于反应性或非反应性的基底。因此，自组装组合物具有粘合性质，该粘合性质对某些应用技术具有加强作用并使得与基底的机械连接作用可以更强，从而加强了基底与粘合剂中的传导性网络之间的电连接。结果是粘合剂能够将两个相邻的表面粘合在一起同时还提供LSP防护作用。
在本发明另外的实施方案中，自组装组合物作为两部分体系来 提供，其中，可固化有机组分存在于“A-侧”，而固化剂存在于“B-侧”，这样，当混合时，固化反应开始进行。填料和任何其他任选组分可以位于A-侧或B-侧或两侧都有。
在另一个实施方案中，组合物是通常用于复合材料应用的B阶膜粘合剂的形式。另外，该膜粘合剂具有任选的载体织物(例如，非织造纱幕)，以加强处理特性。在又一个实施方案中，纱幕可以是导电的，从而进一步加强组合物的LSP能力。
在本发明的另一个实施方案中，可以通过向组合物添加溶剂而将该组合物以喷射流的形式施加至基底。在本发明的优选实施方案中，溶剂具有适于溶解(完全溶解或部分溶解)有机成分、同时能够在复合结构的常规操作条件下蒸发的结构。在本发明的使用环氧树脂的优选实施方案中，溶剂包括(但不限于)：丙酮、甲基乙基酮、甲苯、二甲苯、苯甲醇、乙酸丁酯、环己酮、二甲氧基乙烷、三氯乙烯、二醇醚以及它们的混合物。此外，还将根据所用的固化剂来选择溶剂。在一个优选实施方案中，有利的是，选择诸如丙酮等化学品，其对于环氧树脂起到溶剂的作用，而对于聚胺酐加合物则不是溶剂。在本发明的一个优选实施方案中，溶剂包含0.25重量份至1.5重量份的非溶剂组分。
在本发明的另一个实施方案中，组合物与纤维增强材料(例如纤维、纤维束、织造纤维或织物等)结合使用，从而制备涂覆或挤拉纤维、复合预浸料坯、带等。换句话说，组合物起到用于形成常规预浸料坯和相关材料的常规树脂组分的作用。在另外的实施方案中，本文讨论的自组装材料是顺应性的，并且有利于使用许多已知的制造技术，包括渗透技术，例如树脂传递模塑法、树脂膜熔渗法、真空辅助树脂传递模塑法等。
在本发明另外的实施方案中，自组装材料可以用于制备具有两层或更多层的叠层结构，使得顶层包含传导性自组装组合物，而底层包含重量较轻的导电树脂和/或非传导性树脂(如常规的贴面膜)。另外，可以以非传导性树脂为例，相对于具有较低表面传导率的单片膜，叠层结构提高了表面传导率，同时保持既定重量。另外，可以改 变每层的厚度从而进一步提高表面传导率，同时保持既定重量。
在本发明的又一个实施方案中，将未固化的组合物与现有的LSP体系联合使用，以构建独特的混合结构，由此产生LSP防护作用和重量的有利结合。其例子包括(但不限于)作为B阶膜使用的自组装材料，其用于嵌入固体金属箔、EMF、金属化纤维、金属化织造纤维、金属化非织造物(例如纱幕)或金属-碳纤维交织物。
可以使用本发明实施方案的方法和材料为各种基底、部件、机械、运载工具和设备提供雷击防护作用。在本发明的优选实施方案中，使用本发明的方法和材料为运载工具和诸如天线、雷达和风轮机等结构提供LSP，所述运载工具包括飞行器、海上运载工具和陆地运载工具。
参照图1，提供了本发明实施方案中的基底的例子，其是例如航天工业中通常采用的商业复合材料应用中常常遇到的基底的例子。图1中的基底由夹层型叠层结构构成，其中多层结构碳纤维预浸料坯4-6和10-12夹有位于内部的、轻质的蜂窝状核芯8，粘合剂膜层7和9将这些组件粘合在一起。LSP体系3施加在上面的碳层4-6之上。应当注意的是，商业上的LSP体系通常具有玻璃纤维隔离层，该隔离层有时用于防止发生在碳纤维基底与LSP体系(特别是具有与碳不同的伽伐尼电势的那些体系)中的金属物质之间的电偶腐蚀。本发明实施方案的自组装材料3提供了LSP并且随后涂覆保护性和装饰性底漆层2和面漆层1。在本发明可供选择的实施方案中，还经常遇到单片结构，即仅基于纤维预浸料坯的那些。预浸料坯和相关纤维强化树脂可以具有多种不同的形式，例如嵌入树脂中的织造纤维、在树脂中的单向纤维(例如大的层片或带的形式)、或浸渍树脂的挤拉纤维。纤维强化材料可具有许多不同类型的纤维和许多纤维结构，例如用玻璃、碳、硼、芳族聚酰胺、碳化硅等制成的纤维，纤维结构例如是单向丝束或织造织物。另外，如上所述，本发明的自组装材料可以与常规用于形成纤维预浸料坯、挤拉纤维束等的树脂组分结合使用。在另一个实施方案中，基底可以由纤维强化塑料构成。
在本发明的另一个实施方案中，由于有机成分能够反应并形成 共价键，因此可以容易地与反应性基底共固化或者在非反应性基底上固化(基底例如为热塑性基底或预先反应的热固性基底)。此外，对树脂化学性质进行合适的选择可能有助于替换通常存在于飞行器外部上的一层或多层，例如用于涂覆飞行器的底漆和面漆层(即图1中的层1和层2)。另外，在适当选择填料的情况下，本发明能够提供防雷击和抗腐蚀性能，而不需要使用隔离层。
此外，由于本发明的组合物具有高传导性的各向同性性质，因此其能够用作多功能材料，以实现下列目的：防止免受雷击，以及(但不限于)屏蔽由雷击的间接影响或人为原因(例如电子和通讯)引起的电磁场。此外，该材料还可以通过消散静电而起到消除静电荷积聚的作用，或者作为除冰体系的一部分而用作熔融冰的热管。此外，组合物的多功能性能克服了在将其整合到复合结构中之前必须将金属结构(例如EMF)与粘合剂膜相组合的问题。
在本发明另一个实施方案中，固化的自组装材料提供了沿复合材料飞行器或其他基底的外壳接地的流畅通路。该接地的通路通过使用传导性材料完成线路从而允许制造者减少电气设备的接地线的数量。
如以上提及的那样，LSP-纤维预浸料坯基底的制作可以通过在常规复合材料加工技术(例如高压釜固化、非高压釜固化或压塑成型)中使材料一起共固化来实现。可供选择的是，自组装粘合剂可以在底层复合材料基底固化之后进行固化。此外，自组装粘合剂可以固化到热塑性基底上。在另外的实施方案中，在复合材料加工和固化中通常遇到的压力水平升高可以进一步有助于填料颗粒熔结(这在组合物自组装之后发生)。复合材料应用的例子包括：机翼和尾部的外壳、操纵面、机翼、天线屏蔽器、直升机桨叶、风轮机桨叶、纵梁、翼梁和翼肋。
在本发明的另外一个实施方案中，自组装材料可以用作LSP粘合剂来粘结和/或密封接缝、螺栓、紧固件、铆钉等。该材料还可以提供跨接连接部分的机械整体性和电连续性，以防止接头内部或周围形成电弧。在本发明另外的实施方案中，该材料起到使复合材料接触 基底(例如飞机机架)的作用。
如以上提及的那样，当EMF损坏时，它很难修复。必须小心地打磨网状物并切掉底层损坏的结构，然后用新材料替换。修复的难度在于将新的EMF与现有的EMF接合。必须使新的EMF精确对准。如果没能精确对准，则产生间隙，而这些间隙在未来的雷击情况中将会限制流动电流；这最终会危及飞行器的安全。此外，采用简单的处理就能容易地使EMF变形。还已知EMF在涂漆过程中产生表面缺陷，而这需要再加工。由于这些原因，所以在使用现有状态的EMF材料时，为了确保充分修复，需要极为小心并且要花费很多时间。
在本发明另外的实施方案中，使用本发明的自组装材料来修复损坏的雷击表面。此修复方法克服了与金属箔和其它此类现有体系相关的修复难题。由于本发明的材料具有独特的自组装传导性结构，所以金属之间的界面不需要对准，这是因为当将自组装材料施加至修复位置时，该自组装材料将原位形成互连。在修复过程中采用本发明组合物的具体方式包括：将未固化的材料喷射或涂覆到要修复的部位，或预先形成B阶或C阶的片材，然后将该片材施加到损坏的区域。
在本发明的一个实施方案中，修复方法包括以下步骤：打磨面板以除去油漆并使包括原始传导性材料(金属箔、自组装传导性通路等)的损坏区域暴露，然后用刀具刺穿蜂窝状材料并绕着损坏区域的周边进行切割，剥离碳层和蜂窝状材料，以及打磨上面的三层碳层，形成阶梯式结构。然后用高速气动弯头磨机(pneumatic angle grinder)将孔的底部打磨平整，并用无油压缩空气除掉修复区域的灰尘。将粘合剂膜施加到蜂窝状材料中的孔的侧面和底部，将预制作的蜂窝状栓塞施加至修复区域，将额外的粘合剂膜置于蜂窝状材料和阶梯式嵌接区域上，然后施加与修复区域的阶梯尺寸相匹配的3层碳纤维预浸料坯，从尺寸最小的一个开始施加。将本发明实施方案的自组装LSP材料放在修复区域上使其与现有的导电用LSP交叠，将面板放在涂敷有防粘层的工具表面，并在它们周围构造真空封包，将整个组件压实约20分钟，然后在50磅/平方英寸(psi)的高压釜中、在177℃的恒温条件下固化2小时，接着用粒度为240的砂纸轻轻地摩擦面板 并用无油压缩空气吹干净，并且根据需要为面板涂敷底漆和面漆层。
在本发明另外的实施方案中，自组装LSP材料可以用于修复现有技术中的雷击防护体系，例如传导性多孔金属箔、金属网、碳-金属纤维交织物、金属化碳、金属化纤维玻璃或经填料填充的导电聚合物。本发明实施方案的独特的自组装材料能够容易地施加于损坏区域，并与现有传导性通路“自动”对准，从而在现有体系与本发明的自组装修复材料之间形成连续的传导性通道。
在本发明的另外的实施方案中，自组装传导性材料使得能够使用自动化的生产设备将LSP施加至复合结构。其例子包括(但不限于)：使用自动喷射设备以喷雾形式施加自组装材料，使得所喷射的材料施加到阳模结构上的未固化的纤维强化聚合物外层，或施加到已经用脱模剂预处理的阴模结构的表面上。此外，可以使用自动化的纤维或带用铺放机将自组装材料与多根单向丝(例如，纤维或带)联合施加。在相邻的丝固化后能够形成连续传导性通路的能力克服了与现有材料状况相关的上述制造和重量方面的问题。
在本发明的另外的实施方案中，自组装传导性材料允许非破坏性地检查(NDI)施加到表面的材料。NDI技术在诸如制作航天用复合结构的应用中是关键的。NDI方法允许显著节省制作时间和成本，同时还允许使得任务关键结构(mission-critical structure)达到最高质量标准。本发明的材料使得能够在外壳的整个使用期内对LSP外壳实施简单的非破坏性定量检查技术。可以通过使表面与标准电阻探针(例如4点探针)接触来快速检查固化的LSP层。然后可以将电阻值与涉及雷击防护水平和电磁干扰(EMI)屏蔽的性能相关联。表面电阻取决于材料的体积电导率和涂层的厚度。
在本发明的一个实施方案中，固化的自组装涂层在所有三个维度(宽度、长度和厚度)上都具有导电性。因此，可以容易地使用标准装置(例如与电阻表相连的4点探针)在涂层的表面上测量电阻。
虽然参照具体实施方案描述了本发明，但是，应当认识到，这些实施方案仅在于示例本发明的原理。本领域的普通技术人员将会理解，本发明的组合物、装置和方法可以以其他的方式和实施方案来构 建和实现。因此，本文的描述不应当理解成是对本发明的限制，因为其他的实施方案也落入了通过所附权利要求书所限定的本发明的范围内。
实施例
实施例中描述的自组装雷击防护剂组合物包含双酚F二缩水甘油醚(DGEBF)树脂(或者DGEBF与一缩二丙二醇二缩水甘油醚的共混物)、基于酞酐与二亚乙基三胺的反应的胺加合物固化剂和包覆有硬脂酸的银片(表面积为约0.8m2/g，在538℃下在空气中的重量损失为约0.3％)以及任选的基于甲苯、甲基乙基酮、乙酸乙酯和石油醚(分别为35重量％、32重量％、22重量％、11重量％)的混合物的溶剂。
这些涂料被转换成多种不同的应用形式、施加到复合叠层结构(测试板)上并与之共固化，并且测试防雷击性能。由于这些LSP材料和方法能够在所有正交方向上形成高传导性的连续电通路，因此其从根本上提供了针对雷击的防护作用。换言之，材料的成分在该材料固化过程中自组装形成传导性三维网络。此外，相对于现有状况的多孔金属箔保护体系，上述这些材料能够在实质性降低重量的条件下提供直接或间接的防护作用。最终，本发明实施方案的自组装LSP材料有潜力克服现有状况的材料中遇到的多种问题(例如处理、加工、自动化、修复方面的问题、上述提到的其他问题等)。以下，先描述材料、面板构造和雷击测试条件，之后列出支持性实施例。
图1示出了用于测试本文所述的不同防雷击体系的叠层测试面板的横截面。选择该叠层构造来代表可以在固定和/或旋转翼型飞行器中存在的构造类型。该构造也类似于用于风轮机和直升飞机桨叶(二者都易于被雷击)的复合材料桨叶中使用的复合叠层体。表1列出了构成面板的材料。所用的LSP体系在下文中详细描述。
表1用于制备雷击测试面板的材料列表
按照以下描述的通用工序制作60.9cm×60.9cm×1.27cm(24英寸×24英寸×1/2英寸)的复合材料面板。首先将材料切成60.9cm×121.8cm(24英寸×48英寸)的形状。分别用手布置层3-6和10-12(参见图1)，进行真空封袋，并在真空下压实，从而除去夹杂的空气并确保相邻层之间紧密接触。然后将两个叠层体从所述袋中取出并与蜂窝状核芯材料(层8)组装。将所得叠层体容纳在24英寸×48英寸大小的支撑架中，该支撑架粘附在铝台面的上表面(工具表面)。在布设材料之前，用 脱模剂涂料处理该铝台面的上表面。使雷击防护(LSP)层(层3)面向下抵靠着所述工具表面而定位。用防粘膜、吸胶布(bleeder cloth)和真空袋用薄膜覆盖该多层叠层体。用胶粘带将所述袋用薄膜粘附在工具表面上。在高压釜固化之前，对所述袋施加真空约20分钟。将整个叠层体-工具组件放在装有真空接头的高压釜中，并使用以下条件固化：
升温速度(ramp)：1.25℃/分钟(2°F/分钟)，即约2小时达到所需温度
均热：179+/-6℃(355+/-10°F)，2小时
压力：3.40个大气压(50磅/平方英寸)
冷却：大约45分钟至60分钟，在该过程中最大为3.75℃(6°F/分钟)，冷却至27℃(80°F) 
在静态真空下空气冷却过夜。
将固化的面板从真空袋/工具组件上移走并切成60.9cm×60.9cm(24英寸×24英寸的面板)的尺寸。用环氧树脂底漆和聚氨酯面漆涂料涂敷每个板。在涂敷之前，用粒度为240的砂纸轻轻打磨每个面板的表面。将遮蔽带施加到面板边缘外部2.54cm(1英寸)的位置。然后，施加环氧树脂底漆(层2)，其目标湿膜厚度和干燥厚度分别为38微米(0.0015英寸)和19微米(0.00075英寸)。在施加聚氨酯面漆(层1)之前，使该底漆干燥最少2小时。分两次施加聚氨酯面漆。第一次施加的目标湿膜厚度为50微米(0.002英寸)。第二次施加的湿膜厚度为64微米(0.0025英寸)。在第一次施加和第二次施加之间分配大约7-13分钟的干燥时间。在处理之前使面板干燥最少2小时。在以下实施例中进一步详细描述如何制备各种LSP材料以及如何将LSP材料掺入叠层体。
根据SAE ARP5412进行区域1A和区域2A雷击测试。将面板置于发射电极以下约2.54cm(1英寸)处。布置接地母线并在沿面板周围2.54cm(1英寸)的未涂漆位置用C形夹具将其固定。测试后对所有面板进行目测检查。根据闪电穿透的程度和表面区域损坏的程度将损坏程度量化。
实施例1
表2比较了各种LSP体系(如图1中的层3所图示的那样)的区域1A雷击结果。各种面板以及相应的LSP体系的具体情况如下所示：面板A不含雷击防护体系，即在面板制作过程中没有设置层3(参见图1)。面板B和C(现有技术)包含以预嵌入到贴面粘合剂膜中的形式提供的铝多孔金属箔和铜多孔金属箔(EMF)(分别为SG4528-016AL-104V和SG4528-04CU-103V，得自位于美国康涅狄格州Plainfield市的APCM-AME公司)，这些金属箔还与玻璃纤维隔离层(FGF 108-29M-990，Toray Composites America公司)相组合。该隔离层位于EMF-粘合剂膜和最外面的碳纤维层(图1中的层4)之间。参照1和参照2提供了之前由Welch等人的Spirit AeroSystems所报道的其它EMF数据(SAMPE Journal，Vol.44，No.4，2008年7 月/8月，pp.6-17)。该报道中所描述的面板构造与本文实施例制作的那些(参见图1)极其相似。参照1的LSP体系具有与面板A相同的构造，即嵌入到贴面膜(Surface Master 905)中的铝EMF，所述贴面膜置于玻璃纤维隔离层(Style 1581，S2玻璃)上。参照2的LSP由嵌入贴面膜(Surface Master 905)中的铜EMF构成。注意，参照2不含有玻璃隔离层，这与面板B、C和参照1不同。
面板D-F是基于本发明实施方案的自组装材料。基于以上提及的树脂、固化剂和填料，将用于面板D和E的LSP材料形成为粘合剂膜。具体而言，这两种膜是通过以下方式制备的：粘合剂糊剂包含17.8重量％的双酚F二缩水甘油醚、6.8重量％的胺加合固化剂以及75.4重量％的银片(25体积％)，使用Hauschild双重作用离心搅拌机混合。
然后将这些糊剂涂布成66.0cm×66.0cm(26英寸×26英寸)膜，所述膜的标称厚度为50微米。使用71.1em×68.6cm(28英寸×27英寸)的镜面进行膜的涂布，所述镜面牢固地覆盖有氟聚合物防粘膜(Airtech WL52000.002英寸)。将50微米(0.002英寸)厚的黄铜箔条放在该镜子的两个外侧边缘，以控制膜的厚度。名义上，将200克的自组装粘合剂施加到防粘膜上，使之形成两个在该防粘膜表面的宽度方向上延伸的珠状物。在压力下，用手将68.6cm(27英寸)宽×3.8cm厚(1.5英寸)的定制铝棒涂布器沿着防粘膜的表面向相对的一端缓慢移动。当该棒通过导电糊剂的珠状物时，糊剂被涂布成均匀的膜。通过黄铜箔条的厚度控制膜厚度。需要使用涂布棒进行多次浇铸(cast)，直到达到所需膜厚度和均匀性。
一旦粘合剂膜浇铸完成，就施加表层防粘膜以起到保护作用。使整个3层的叠层体(防粘膜、传导性膜和表层防粘膜)经过滑动辊，从而对膜的任何不规则处加以改善。然后将该叠层膜放到金属基底片上并在85℃的预热烘箱中部分固化(B阶化)13分钟。B阶化之后，该膜具有内聚性，但仍然具有挠性，并且表层防粘膜能够被移除而不会产生损坏。将B阶膜储存在-20℃或以下，直到需要对测试面板进行层合和固化为止。
面板F是根据本发明实施方案的LSP自组装粘合剂的喷涂形式。使用以下成分按照与以上相同的方式制备导电糊剂：6.5重量％双酚F二缩水甘油醚、6.5重量％的一缩二丙二醇二缩水甘油醚、4.8重量％的胺加合物固化剂以及82.24重量％的银片(33体积％)。按照约1重量份溶剂比2重量份糊剂的比例，将该糊剂与混合溶剂手动混合，所述混合溶剂包含36重量％的甲苯、32重量％的甲基乙基酮、22重量％的乙酸乙酯和10重量％的石油醚。使用HVLP喷枪将所得混合物喷涂到未固化的叠层板上。将所得材料装填到HVLP喷枪(约15-30磅/平方英寸空气，1.4mm的尖头)中，并施加到未固化的纤维玻璃隔离层(FGF108-29M-990，Toray Composites America公司)上，该隔离层由距离表面20-30em(8-12英寸)的三个未固化的底部碳层(层4-6)支承。涂层厚度为约107微米(0.0042英寸)。在环境条件下使该基底干燥至少10分钟，然后在上述条件下固化。
在讨论结果之前，重要的是评述雷击防护作用的基本标准。LSP的基本标准为防止“灾难性效应”，即危及飞行器安全性的效应，其防碍飞行器安全着陆。从结构的角度来说，期望在雷击之后保留底层的复合材料基底。理想的是，优选复合叠层基底中的纤维很少断裂或不断裂。此外，有利的是，对涂漆表面产生最小程度的外观损坏(虽然这不是关键要素)。使燃烧或烧焦区域最小化将最大程度地降低随后修复损坏表面所需的材料和时间的量。考虑到这些，检测本实施例和后面的实施例中的面板的结构损坏(即，碳层的损坏)和外观损坏、燃烧或烧焦区域的大小。
此外，还报道了在雷击测试过程中测量的作用积分(action integral)。根据SAE ARP5412，作用积分与所吸收的能量的量有关，并且是损坏程度的关键因素。对区域1A测试的作用积分应为2×106A2s(+/-20％)。在相同的测试条件下显著偏离并低于该值表示能量的显著吸收，这通常反映为对测试样品的物理损坏，例如烧穿、击穿等。
表2中的结果示出根据LSP体系的选择，针对区域1A雷击产生不同程度的保护作用或损坏。没有雷击防护作用的面板A表现出 灾难性失效。闪电穿透了该面板的全部六个碳层；由此产生大孔和大范围的燃烧损坏。此外，作用积分测量值大大低于可接受水平，其进一步表明，吸收了大量的雷击能量以及材料不能将电流充分接地。
所有现有状态的EMF体系(面板B、面板C、参照1和参照2)防止了闪电穿入底层的碳结构，但是产生了不同程度的表面损坏或外观损坏。鉴于面板B和C具有极其相似的结构，因而如预期的那样，其表现出量相当的表面/外观损坏。另外，表面损坏的水平显著小于观察到的铜体系(面板C和参照2)的表面损坏的水平。这样的结果很大程度上是因为LSP体系中由于存在密度较大的铜而具有较少体积的金属。如所预期的那样，较重的铜体系(面板C)的性能优于参照2，这是因为面板C的LSP体系中具有较多量的铜。可以理解的是，由于具有充足的LSP，所有的作用积分都是符合规定的。
与现有状态的EMF体系相似的是，基于本发明的材料和方法(其包括具有传导性通路的自组装材料)能够防止闪电穿入底层结构，进而产生可接受的作用积分。膜和喷涂形式的材料均是如此。面板D(伴有隔离层的膜式自组装材料)表现出接近于在面板参照2中使用的铜/贴面膜的性能和重量水平。相对于现有状态的EMF体系，在非均相膜(面板E)中去掉隔离层可以在实质性减轻重量的条件下提供防护作用。具体而言，面板E在比最轻的EMF基准(面板B和参照2)轻约22重量％的条件下防止了碳基底受到损坏。面板F证明，将传导性涂料直接喷射到碳预浸料坯上接着进行共固化能够针对区域1A模拟闪电提供直接防护作用，即，没有碳层被击穿。
表2区域1A雷击测试结果汇总
(a)参照1和参照2基于以前由Welch等人的Spirit AeroSystems报道的EMF LSP体系(SAMPE Journal，Vol.44，No.4，2008年7月/8月，pp.6-17)的区域1A测试结果。在该报道中描述的面板与表1所列的其余面板的构造极其类似。在实施例的正文描述和所参考的文章中可以发现进一步的细节。
(b)表面损坏对应于圆形区域的直径，该圆形区域已经由焦化、燃烧、或涂料和/或树脂的蒸发而产生外观损坏。 
实施例2
表3比较了多种LSP体系(如图1中层3所图示)的区域2A雷击结果。面板G(现有技术)包括与膜粘合剂(HCS2404-050，242g/m2， 复合材料)相组合的铝EMF(级别为016，Pacific Coast Composites公司)，其还与玻璃纤维隔离层(FGF108-29M-990，Toray Composites America公司)相组合。隔离层位于EMF-粘合剂膜和最外面的碳纤维层之间。采用与面板F相同的方式制备面板H，不同之处在于使用以下成分构成导电糊剂和混合溶剂。导电糊剂：25.1重量 ％的双酚F二缩水甘油醚、9.6重量％的胺加合物固化剂以及65.3重量％的银片(17体积％)。混合溶剂：50重量％丙酮、18重量％甲苯、16重量％甲基乙基酮、11重量％乙酸乙酯以及5重量％石油醚。
虽然表3中的两个面板均防止了灾难性失效并证明了可接受的作用积分(即0.25+/-20％)，但是基于铝EMF的面板G表现出第一碳纤维层的损坏。相比之下，对基于本发明实施方案的自组装材料的面板H，没有观察到碳层被击穿。此外，面积重量是基准的面积重量的一半。本发明这一独特的性能部分源于各向同性，该各向同性除了在x方向和y方向外还允许在z方向上有非常高的传导性。
表3区域2A雷击测试结果的总结
(a)表面损坏对应于圆形区域的直径，该圆形区域已经由焦化、燃烧、或涂料和/或树脂的蒸发而发生外观损坏。 
实施例3
如以上所提及的那样，本发明材料的自组装性质使得能够在材料固化过程中形成连续的传导性通路。这一特征是尤其独特的，因为其能够使结构的初始构造和现有结构修复过程中常常遇到的界面(例如两个相邻部分之间的接合处)电桥连。此外，该方法能够使LSP的制造工艺自动化。基于金属箔的现有材料缺乏在接合处形成连续界面的能力，这在介于独立的LSP EMF之间的界面处常常导致很大的电阻。另外，由于接合问题、脆性和重量方面的问题而阻碍了这些LSP的自动化。
为了说明本发明所具有的能够电桥连界面的能力，将用于面板H的相同的自组装LSP材料喷涂在两个不同的10cm×30cm(3.9英寸×11.8英寸)的单层碳纤维预浸料坯(3k-70-PW碳纤维环氧树脂)上。所得涂层的厚度为约75微米(0.003英寸)。然后在金属工具表面(涂层相对的表面)上将两个涂敷层对接在一起，由此沿两个样品的界面产生线性缺陷。将两个20cm×30cm(7.9英寸×11.8英寸)的碳纤维层放在接合层的背面。然后将整个结构真空封袋，并在177℃(350°F)下固化3小时。使用2×2点探针在每个初始涂层中以及在跨越对接接缝的位置以7cm的探针间隔来测量电阻。固化的涂层在跨越对接缺陷处表现出与在各初始样品中测量的导电性相当的导电性。这归因于材料的独特结构，该结构使得能够自组装传导性通路从而与预先存在的LSP体系形成电连接。
表4基于非均相/自组装传导性涂层的接合碳板的电阻值
  面板的位置   电阻值(a)(毫欧姆)
  在左边的叠层体中   91.1
  在右边的叠层体中   91.1
  跨越两个叠层体的原始对接处   88.9
(a)：使用2×2四点探针以7cm的探针间隔测量电阻。
实施例4
使用预先由区域1A模拟闪电击中的复合材料夹层面板作为测试样品。使用两种面板：基于多孔铜箔的面板G(现有技术)和基于自组装粘合剂涂层的面板H。根据FAA许可的方法使用逐步打磨的方式(DOT/FAA/AR-03/74)修复这两个面板。用基于实施例1中描述的上述自组装喷射粘合剂的喷射溶液修复这两个面板。将粘合剂-溶剂混合物装填到HVLP喷枪中(15-30磅/平方英寸空气，1.4mm的尖头)并施加到所修复的面板上。
整个修复工艺的具体情况如下所述：用双轨磨砂机打磨面板以除去涂层并使损坏处暴露出来。在面板G的情况中，该打磨还使铜EMF暴露，这允许自组装材料与箔形成电接触。然后在损坏区域的 周围形成穿透蜂窝状材料的圆形切口。剥离碳层和蜂窝状材料。然后用高速气动弯头磨机将孔的底部磨平。上面三层为碳，然后将其打磨掉，由此留下阶梯式结构。阶梯的尺寸为1.27cm/层。用无油压缩空气将修复区域除尘。接着，将粘合剂膜(参见表1)施加到蜂窝状材料中的孔的侧面以及底部。制作蜂窝状栓塞并施加至要修复的位置。将粘合剂膜放在蜂窝状材料和阶梯切口区域上。将与阶梯尺寸匹配的三层碳纤维预浸料坯(参见表1)施加到要修复的部位，从最小的一个开始施加。将自组装粘合剂喷射溶液喷射到修复区域，使得其与现有的导电用LSP交叠。将面板放在涂有防粘剂的工具表面上，并在它们周围构造真空袋。将所得组件压实20分钟，然后在高压釜中在50磅/平方英寸、177℃的等温条件下固化2小时。固化之后，用粒度为240的砂纸轻轻地摩擦面板并用无油压缩空气吹干净。然后按照之前描述的那样对其涂底漆并且上漆。
如前所述，在修复板的具有区域1A的修复位置上直接进行雷击。两种情况的修复都能够充分保护复合板，而对板没有产生任何结构上的显著损坏。损坏以修复处的边缘和顶部碳层的烧焦和树脂蒸发的形式与栓塞区域隔离。在这两种情况中，在雷击之后，栓塞均稳固地保持在原位置。在修复区域周围变色的涂料主要是容易通过清洁而除去的烟灰形式。
实施例5
使用以下配方制备本发明的自组装粘合剂糊剂：25.3重量％的双酚F二缩水甘油醚、9.7重量％的胺加合物固化剂以及65.0重量％的银片(约17体积％)。在Hauschild DAC 150FV搅拌机中将这些组分混合均匀。
然后按照1份混合溶剂比2份糊剂的比例将混合溶剂混合到糊剂中。该混合溶剂由50重量％的丙酮、18重量％的甲苯、16重量％的甲基乙基酮、11重量％的乙酸乙酯和5重量％的石油醚构成。
将所得涂料混合物用手简单地混合，然后在标准涂料振动器上混合5分钟。然后过滤该涂料混合物并将其装填到重力自流进料手持 式HVLP喷枪中，其尖头大小为1.4mm，空气压力为15-30磅/平方英寸。然后将涂料混合物喷到非传导性G11环氧树脂板基底上。(选择非传导性基底是因为它能透过电磁波，这允许测量传导性涂层的真实屏蔽效力。)然后将带涂层的基底在160℃下固化1小时。通过用4点探针测量，该固化膜的薄层电阻(sheet resistance)平均为0.036Ω/平方。膜厚度为约50微米(0.002英寸)。使用修改的MIL-STD-285程序在平面波中在30MHz至12GHz下测量涂层的电磁屏蔽效力。重要的是注意到，低于240MHz的测试结果是半定量的，这是因为60.9cm×60.9cm(24英寸×24英寸)样品固定器(孔)也开始阻碍EM的传播。图2的结果示出，基于本发明的涂层能够在宽的频率范围内提供高水平的屏蔽效力，即59dB或更高。
实施例6
将本发明实施方案的自组装LSP材料施加在商业的碳纤维强化聚合物(CFRP)层上。在这些表面CFRP层下面的支撑结构是 蜂窝状核芯，以及背侧的另外的CFRP层。这些平板在355+/-10°F的高压釜中共固化。结果得到了完全固化的CFRP蜂窝板，被裁切成24”×24”×约0.5”大小，其在一个表面上具有LSP涂层。
固化之后，这些平板在喷涂底漆层和面漆层之前接近于飞行器外壳复合结构。可以在LSP涂层的表面容易地进行电阻的测量。这些测量可以是使用设置在一起的4探针进行的点式测试，或者是其中每对探针都间隔既定距离的远距离测试。然后用航空级底漆和面漆涂覆这些板，并根据SAE 5412规范进行区域1A雷击测试。
图3示出了如何使用表面电阻来预测LSP性能，这是在制造过程中评价质量和在雷击或碰撞之后评价损坏程度时的评价方法。在图3中，将LSP涂层的电阻相对于相同板在区域1A雷击之后的损坏面积进行绘图。用4探针点式测试来测量涂层的电阻。被雷击的面板的损坏(或“干”)面积定义为没有涂层、LSP层和CFRP层的表面树脂。表3中的所有板仅有0-1个CFRP层表现出结构损坏。

Claims (23)

1.一种防止基底被雷击的方法，包括：
提供基底，
向所述基底提供雷击防护剂组合物，
其中所述雷击防护剂组合物包含可固化有机化合物和经涂敷的填料，所述可固化有机化合物和所述经涂敷的填料在固化过程中能够自组装形成传导性通路，
其中所述可固化有机化合物包含非极性的树脂和极性固化剂，并且所述经涂敷的填料包含被涂覆非极性涂层的填料颗粒，并且所述自组装是由所述填料颗粒上的所述非极性涂层与所述可固化有机化合物上的极性部分之间产生的排斥作用导致的。
2.权利要求1所述的方法，其中将所述雷击防护剂组合物固化，从而形成穿过该组合物的传导性通路。
3.权利要求2所述的方法，其中，已固化的自组装雷击防护剂组合物的传导率大于具有等量所述经涂敷的填料的已固化的并非自组装雷击防护剂组合物的传导率的100倍。
4.权利要求1所述的方法，其中所述可固化有机化合物包含双酚F二缩水甘油醚。
5.权利要求1所述的方法，其中所述极性固化剂包括基于酞酐与二亚乙基三胺之间的反应的聚胺酐加合物。
6.权利要求1所述的方法，其中所述经涂敷的填料包括银。
7.权利要求1所述的方法，其中所述非极性涂层包含硬脂酸。
8.权利要求1所述的方法，还包括加热所述雷击防护剂组合物使所述材料固化的步骤。
9.权利要求1所述的方法，其中将所述经涂敷的填料的颗粒熔结从而形成熔结的自组装传导性通路。
10.权利要求1所述的方法，其中将所述雷击防护剂组合物喷射到所述基底上。
11.权利要求1所述的方法，其中在将所述雷击防护剂组合物施加至所述基底时，所述雷击防护剂组合物是B阶膜的形式。
12.权利要求1所述的方法，其中所述基底包括运载工具本体。
13.权利要求12所述的方法，其中所述运载工具包括飞行器。
14.权利要求1所述的方法，其中将所述雷击防护剂组合物并入还包括预浸料坯基底的叠层结构中。
15.权利要求14所述的方法，其中所述叠层结构还包含另外的预形成的传导性基质。
16.权利要求15所述的方法，其中所述预形成的传导性基质包括多孔金属箔。
17.权利要求1所述的方法，其中所述雷击防护剂组合物还为至少一种电气装置提供接地的通路。
18.权利要求1所述的方法，其中所述雷击防护剂组合物还对频率在1MHz和20GHz之间的电磁辐射提供屏蔽作用，其中所述屏蔽作用将所述电磁辐射降低至少20分贝。
19.权利要求1所述的方法，其中所述雷击防护剂组合物包含少于40体积％的经涂敷的填料。
20.权利要求1所述的方法，其中所述雷击防护剂组合物包含少于15体积％的经涂敷的填料。
21.权利要求1所述的方法，其中所述向基底提供雷击防护剂组合物的步骤包括以下步骤：
确认雷击防护体系的损坏部分，所述损坏部分包括至少一个不连续的传导性通路；
将所述雷击防护剂组合物沉积在所述损坏部分上；以及
使所沉积的雷击防护剂组合物固化，以提供至少一个自组装传导性通路，从而使所述损坏部分中的所述至少一个不连续通路变得完整。
22.权利要求21所述的方法，其中所述雷击防护体系的所述损坏部分包括传导性多孔金属箔、金属网、碳-金属纤维交织物、金属化碳或经填料填充的传导性聚合物中的至少一者。
23.权利要求21所述的方法，其中所述雷击防护体系的所述损坏部分包含可固化材料，所述可固化材料能够在固化过程中自组装形成传导性通路。
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