КОМПОЗИТНАЯ СТРУКТУРА
COMPOSITE STRUCTURE

ВВЕДЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к композитной структуре и способу обеспечения электропроводящих дорожек в композите, в частности, но не исключительно, для конструкций корпуса воздушного судна.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Воздушные суда подвержены ударам молнии. Например, коммерческие воздушные суда в среднем подвергаются ударам дважды в год. В отличие от их металлических аналогов, композитные структуры в воздушном судне не готовы отводить экстремальные электрические токи и электромагнитные силы, генерируемые ударами молний. Композиционные материалы либо вообще являются непроводящими (например, стекловолокно), либо значительно менее проводящими, чем металлы (например, углеродное волокно), так что ток от удара молнии стремится найти доступные металлические пути. По этой причине защита от ударов молнии (LSP) представляет значительную проблему с тех пор, как более 30 лет назад на воздушных судах были использованы первые композиты.
Если вспышка молнии ударяет в незащищенную структуру, то электрический ток силой до 200000 А ищет путь наименьшего сопротивления. В процессе она может испарять металлические кабели систем управления, сплавлять петли на поверхностях управления и вызывать взрывы паров топлива внутри топливных баков, если ток образует электрическую дугу через зазоры вокруг крепежных элементов, а также между областями открытых краев, которые находятся при разных электрических потенциалах (известен как эффект краевого свечения). Эти непосредственные воздействия также, как правило, включают в себя испарение смолы в непосредственной области удара молнии с возможным прожогом слоистой структуры. Другие потенциально опасные непосредственные воздействия удара молнии могут включать в себя выброс горячих газов или горячих частиц в объем конструкции воздушного судна и искрение. Косвенные воздействия возникают, когда магнитные поля и разности электрических потенциалов в структуре вызывают переходные напряжения, которые могут повредить и даже уничтожить бортовую электронику, которая не была экранирована от ЭМП (электромагнитного поля) или защищена от удара молнии. Необходимость защиты композитных структур способствовала развитию ряда специализированных LSP материалов.
Обычные стратегии LSP имеют три цели: обеспечить соответствующие проводящие пути с тем, чтобы ток молнии оставался на внешней стороне этой структуры; устранить промежутки в этом проводящем пути для предотвращения образования электрической дуги в точках крепления и воспламенения паров топлива; и защитить проводку, кабели и чувствительное оборудование от разрушительных скачков напряжений или переходных процессов за счет тщательного заземления, экранирования от ЭМП и применения устройств подавления скачков напряжений, где это необходимо.
Традиционно, проводящие пути в композитных структурах были устроены одним из следующих способов: (1) присоединение металлической фольги к структуре в качестве внешнего слоя; (2) присоединение алюминиевой или медной сетки к структуре либо в качестве внешнего слоя, либо в качестве внедренного внутрь одного слоя; или (3) включение нитей проводящего материала в слоистую структуру. Все они требуют подключения проводящих дорожек к остальной части воздушного судна, чтобы дать току достаточное число маршрутов для безопасного выхода с воздушного судна. Это, как правило, достигается за счет использования соединительных полосок металлов (т.е. электрическое соединение) для подключения проводящего поверхностного слоя к внутренней «заземляющей плоскости» воздушного судна, которая включает металлические компоненты, такие как двигатели, трубопровод и т.д. Так как удары молнии могут притягиваться к металлическому крепежу в композитных структурах, может быть желательно предотвратить образование дуги или искрение между ними с помощью герметизирующих крепежных гаек или рукавов с пластиковыми крышками или полисульфидными покрытиями.
Для защиты внешней поверхности был разработан ряд металлических и металлизированных волоконных продуктов, как правило, тканых и нетканых экранов и растянутой фольги. Эти сетчатые продукты позволяют току молнии быстро передаваться по всей поверхности структуры, уменьшая его фокус. Одним из первых LSP материалов был алюминиевый провод, переплетенный с углеродным волокном в качестве части слоистого материала. Однако использование алюминия с углеродным волокном вело к риску гальванической коррозии. Медные провода снимают угрозу гальванической коррозии, но они в три раза тяжелее алюминия. Как только стекловолоконные композиты получили применение в воздушных суднах, промышленность исследовала фольгу и затем растянутую фольгу, которая могла быть соотверждена с внешним слоем слоистого материала. Также используются покрытые волокна (с никелем или медью, электроосажденными на углеродные и другие волокна), но они гораздо лучше выполняют задачи экранирования от ЭМП, чем задачи прямой защиты от удара молнии.
Алюминиевая сетка Astrostrike производится фирмой Astroseal Products (Честер, штат Коннектикут) из твердой фольги, которую затем перфорируют и растягивают, чтобы усилить формуемость и улучшить адгезию к композитным структурам.
Ряд поставщиков обеспечивают растянутую фольгу, которая не требует более дорогостоящего процесса плетения для производства и, по сообщениям, предлагает большую драпируемость и прилегание, чем тканые материалы. Фирма Dexmet (Ногатук, штат Коннектикут) поставляет большое разнообразие проводящих металлических изделий для воздушных судов, включая алюминий, медь, фосфористую бронзу, титан и другие материалы.
Strikegrid представляет собой анодированное фосфорной кислотой изделие из непрерывно растянутой алюминиевой фольги (CEAF), поставляемое фирмой Alcore (Эджвуд, штат Мэриленд), частью группы компаний M.C. Gill Corp. Они заявляют превосходную устойчивость к коррозии и долговечность по отношению к воздействию окружающей среды благодаря запатентованному покрытию. Изделие поставляется непрерывными рулонами шириной от 24-х дюймов до 36-ти дюймов (610 мм - 914 мм) и толщиной в 2 мил и 4 мил (0,6 и 1,2 мм).
Алюминиевая LSP сетка поставляется также ЕСС GmbH & Co. KG (бывшая C. Cramer & Co., Heek-Nienborg, Германия).
Среди последних разработок находятся LSP препреги «все-в-одном», которые содержат предварительно внедренные тканые или нетканые металлические сетки. По сообщениям от поставщиков этих продуктов, нанесенные первыми в укладках, эти продукты значительно сокращают затраты на комплектацию и производство.
LSP препрег Strike Guard изготавливается фирмой APCM (Пленфильд, штат Коннектикут) и продается через и при поддержке партнера/дистрибьютора Advanced Materials and Equipment (Barkhamsted, штат Коннектикут). LSP препреги от APCM выполнены либо из тканой, либо из нетканой металлической сетки, пропитанной термоплавкими адгезивными смолами, которые модифицированы добавками для повышения проводимости матрицы, что делает весь препрег проводящей системой. Варианты металлической сетки включают медь, алюминий, фосфористую бронзу и сложное полиэфирное волокно, покрытое никелем/медью, различных размеров, в диапазоне массы от 0,08 фунта/кв.фут до 0,060 фунт/кв.фут (от 3,83 Па до 2,87 Па). Препреги также доступны с облегченным нетканым стекловолоконным покрытием, что повышает качество поверхности, уменьшая пористость и необходимость вторичной финишной обработки перед покраской.
Отделочная LSP пленка от Henkel Corp. (Бей Пойнт, штат Калифорния) сочетает свою композитную отделочную пленку SynSkin и пленочные адгезивы Hysol с облегченными проводящими экранами Astrostrike фирмы Astroseal для обеспечения семейства отделочных слоев для защиты от молнии. Эти экраны также снижают стоимость приготовления поверхности к покраске, снижают число компонентов-сырьевых материалов и время комплектации и могут соотверждаться с препрегами. Как сообщается, уникальное сочетание наполнителей и матрицы из смолы фирмы SynSkin делает его почти невозможным для шлифовки после отвердевания, предлагая значительно лучшую защиту проводящего экрана во время шлифовки и окрашивания, чем полностью эпоксидные пленочные адгезивы.
Фирма Cytec Engineered Materials (Темпе, штат Аризона) также производит LSP продукты в виде композитной отделочной пленки SURFACE MASTER 905.
LSP продукты обеспечивают достаточную защиту только тогда, когда должным образом включены в общую защитную систему воздушного судна. Когда наслаивают композитные крылья, обшивки фюзеляжа и горизонтальные стабилизаторы, то медный штифт (тонкий или заостренный выступ, который служит в качестве точки крепления) помещают в качестве жесткой проводящей точки внутри слоистого материала, контактируя не только с внедренной медной сеткой, но также и с соединительными планками, которые закрывают промежуток между фюзеляжем и крылом.
Для своего среднефюзеляжного коммерческого пассажирского самолета 787, содержащего много композитных материалов, фирма The Boeing Co. (Сиэтл, штат Вашингтон) разработала многоуровневый подход к своей стратегии защиты от удара молнии. Boeing использует тонкую металлическую сетку или фольгу в наружных слоях композитного фюзеляжа и крыльев для быстрого рассеивания и направления заряда за борт и экранирования бортовой электроники. Чтобы избежать небольших зазоров между крепежными элементами обшивки крыла и их отверстиями, которые могут позволить искрение, Boeing устанавливает каждое крепление точно по месту, а затем герметизирует их с внутренней стороны. Boeing использует непроводящий наполнитель или стекловолокно для герметизации краев, где обшивка крыла совпадает с внутренними лонжеронами, чтобы предотвратить зазоры, которые могут позволить электронам «разбрызгиваться» во время удара молнии, вызывая явление, именуемое «краевое свечение». В топливных баках Boeing устраняет угрозу взрыва паров топлива путем установки азото-генерирующей системы (NGS), которая минимизирует концентрацию горючих паров в крыльевых баках посредством заполнения пространства инертным газообразным азотом.
Традиционно в центре внимания LSP было увеличение электропроводности композитной структуры. Тем не менее также важно защитить важнейшие части воздушного судна.
Настоящее изобретение направлено на устранение и/или смягчение описанных выше проблем и/или на обеспечение улучшения в целом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением предложена композитная структура и способ, определенный в любом из пунктов прилагаемой формулы изобретения.
Когда волоконно-армированные детали, содержащие проводящие волокна, такие как углеродные волокна, собраны в композитные структуры с металлическими крепежными элементами, существует вероятность того, что удар молнии разряжается непосредственно в любой крепежный элемент, выставленный за пределы воздушного судна. Поэтому проводящие волокна, которые непосредственно контактируют с пораженным крепежным элементом, могут в результате испытывать очень быстрое увеличение электрического заряда. В некоторых случаях это может приводить к развитию очень сильных электрических полей и электрических потенциалов на любых открытых концах волокон, присутствующих на внутренних поверхностях структуры. Если поле достаточно сильное, чтобы превысить диэлектрический порог пробоя атмосферы внутри структуры, может произойти пробой диэлектрика, что позволит электрическому разряду перейти на другую часть поверхности с более низким потенциалом. Это явление называется «краевым свечением».
Когда волоконно-армированная структура представляет собой крыло, а ее внутренняя поверхность содержит часть топливного бака воздушного судна, краевое свечение потенциально может привести к возгоранию топливного бака, что представляет собой угрозу для безопасности воздушного судна. По этой причине существуют жесткие требования к управлению этим явлением.
В соответствии с настоящим изобретением предложена композитная структура, содержащая одну или более электропроводящих дорожек и один или более изоляторов для изоляции дорожек от объема структуры.
Упомянутые дорожки обеспечивают защиту композитных структур воздушного судна от электрических разрядных явлений, таких как краевое свечение, отводя электричество от важнейших частей. В дополнение к этому упомянутые дорожки обеспечивают возможность управления направлением электрической проводимости.
В одном варианте осуществления структура содержит волокнистое армирование и матрицу из смолы для армирования, при этом упомянутые дорожки образованы из упомянутого волокнистого армирования и упомянутой матрицы из смолы для армирования. Предпочтительно, дорожки образованы из того же волокнистого армирования и из той же матрицы из смолы, что и волокнистое армирование и матрица объема структуры.
Одна проблема изобретения решается путем введения одной или более несплошностей в волокна, которые присоединяются к металлическому элементу композитной структуры, который может быть подвергнут удару молнии. Это защищает любую внутреннюю поверхность от краевого свечения.
В другом варианте осуществления изобретения упомянутые дорожки являются дискретными. Изоляторы могут включать несплошности в волокнистом армировании. Несплошности волокон могут быть введены в определенных местоположениях слоя в процессе укладывания слоистого материала с образованием композитной структуры. Это делается таким образом, чтобы гарантировать, что расстояние между несплошностями больше критической длины волокна для комбинации смола/волокна, чтобы избежать ухудшения механических свойств.
c
Критическая длина волокна (L) определяется как
,
f
с
в котором  σ* является пределом прочности волокна при растяжении [Па], d является диаметром волокна [м] и  τ является либо прочностью соединения матрица/волокна, либо пределом текучести матрицы на сдвиг (в зависимости от того, что меньше) [Па].
Один размер изолятора, который простирается в направлении волокон, может соответствовать n × критическая длина волокна, где n=1-100, предпочтительно n=1-50, более предпочтительно n=1-10.
В дополнительном варианте осуществления изобретения изоляторы образованы матрицей из смолы-изолятора.
В другом варианте осуществления изобретения предложен способ управления путями тока в композитной структуре, включающий обеспечение одной или более электропроводящих дорожек в структуре и изоляцию дорожек от объема структуры.
Упомянутые дорожки изолируют от структуры при помощи изоляторов.
В предпочтительном варианте осуществления композитную структуру приготавливают из укладки предварительно пропитанных смолой слоев материала для волокнистого армирования (или слоев препрега). Слои или складки располагаются с возможностью соединения металлических элементов непосредственно с внутренней поверхностью структуры. В один или более слоев могут быть введены один или более разрезов, чтобы гарантировать, что упомянутая дорожка изолирована. Структура затем отвердевает, что приводит к заполнению несплошностей в виде разрезов смолой или к образованию изоляторов, заполненных смолой.
Разрез или несплошность может быть введен любым приемлемым способом, включая надрез лезвием, лазерную резку, растяжение, ультразвуковое разрушение волокон. Он также может быть введен автоматически при помощи интеграций с роботизированным оборудованием, таким как ATL, AFP или другими системами, или даже при помощи ручной операции.
Во время отверждения смола из композита течет в разрез и отверждается, тем самым образуя упругий изоляционный барьер для переноса заряда от металлического элемента к поверхности. Это защищает от краевого свечения. Несколько несплошностей волокна могут быть введены в слой либо для повышения эффективности защиты, либо чтобы гарантировать, что создана безопасная зона, которая будет вбирать в себя допуски в положении несплошности по отношению к защищаемой поверхности, появляющиеся из-за допусков при производстве из-за операций обрезки и сверления.
Наконец, композитная структура может включать в себя другое оборудование для обнаружения или контроля целостности структуры.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Конкретные варианты осуществления изобретения теперь будут описаны только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 представляет схематический вид сверху структуры, выполненной не в соответствии с вариантом осуществления изобретения; и
Фигура 2 представляет схематический вид сверху другой структуры, выполненной в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Настоящее изобретение обеспечивает композитную структуру, содержащую дорожки для соединения соединительных металлических элементов друг с другом. Упомянутые дорожки изолированы от объема композитной структуры посредством изоляторов. Эти изоляторы предпочтительно образованы смолой для армирования упомянутой структуры.
На воздушном судне дорожки, предпочтительно, могут быть предусмотрены между механическими креплениями и/или шпангоутами, и/или поверхностными LSP структурами, и/или двигателями, и/или другими металлическими элементами, такими как соединительные полосы.
Упомянутые дорожки могут быть образованы из проводящих волокон для армирования, таких как углеродное волокно.
В качестве альтернативы могут быть использованы металлизированные полотна и/или металлизированные волокна. Теперь будут кратко раскрыты примеры таких волокон и/или полотен. Фирма Diamond Fiber Composites (Цинциннати, Огайо) покрывает углеродные волокна очень разнообразными металлами, включая никель, медь, серебро, золото, палладий, платину и металлические гибриды (многослойные покрытия) с использованием химически основанного способа нанесения покрытия, который обеспечивает равномерное покрытие. Эти волокна с покрытием могут быть получены в виде непрерывных длин волокон, измельченных волокон, тканых полотен и нетканых покрытий/матов.
Фирма Electro Fiber Technologies (Стратфорд, штат Коннектикут) предлагает единый или двойной металлические гибриды, нанесенные на углерод, графит, стекло, сложный полиэфир и другие синтетические волокна. Компания поставляет измельченные волокна (до 1 мм/0,04 дюйма в длину) и непрерывные жгуты от 3К до 80К, а также нетканые покрытия и маты.
Фирма Technical Fibre Products (Ньюберг, штат Нью-Йорк) поставляет электропроводящие нетканые маты и покрытия, использующие углерод, углерод с никелевым покрытием, алюминизированное стекло, карбид кремния, нержавеющую сталь и никелевые волокна.
2
2
Фирма Textile Products Inc. (Анахайм, штат Калифорния) поставляет Style №4607, гибридное полотно с углеродом/алюминием поверхностной плотностью 216 г/м, выполненное с использованием углеродного волокна AS4-3K и алюминиевой проволоки. Она также поставляет гибрид Style №4608 поверхностной плотностью 218 г/м с углеродным волокном T650/35-3K и алюминиевой проволокой. Оба они являются полотняными переплетениями, толщиной 14 мил (0,36 мм) и шириной 107 см/42 дюйма.
Фирма Varinit (Гривилл, Южная Каролина) поставляет электропроводящие армирующие полотна, разрабатывая и производя продукты в соответствии со спецификациями заказчика.
Вариант осуществления изобретения проиллюстрирован в отношении фигур 1 и 2. Фигура 1 показывает композитную структуру 10, которая состоит из укладки многочисленных слоев 12, 14, 18 из однонаправленных углеродных волокон для армирования, которые пропитаны матрицей из смолы с образованием препрегов. Слои препрегов состоят из препрега без материала 12 проводящей поверхности, препрега с материалом проводящей поверхности в виде растянутой медной фольги (ECF) 14 и препрега с непрерывным проводящим слоем 18 в виде жгутов углеродного волокна. В композитной структуре просверлено отверстие 16 под болт и выполнено таким образом, что механическое крепление, вставленное в отверстие 16, находится в непосредственном контакте со слоем 18. Это позволяет токам, вызванным ударом молнии по или вблизи крепежного элемента, быть отведенными в сторону от крепления.
На фигуре 2 ссылочные позиции соответствуют тем же частям по фигуре 1. Изоляторы 20 в виде надрезов жгутов 18 углеродного волокна присутствуют для управления направлением отвода токов от крепежного элемента в желаемое место в композитной структуре к точке, через которую ток может быть удален из структуры после удара молнии.
Композитная структура по фигуре 2 может быть образована путем обеспечения разрезов в жгутах из волокна для армирования. Разрезы или несплошности вводят при помощи лазерной резки во время фазы укладки структуры. После укладки, по мере того, как смола отверждается, она течет в зазор и отвердевает, тем самым образуя упругий изоляционный барьер для электрических зарядов и токов.
Несколько несплошностей волокна могут быть введены в слой либо для повышения эффективности защиты, либо для гарантии, что создана безопасная зона, которая будет вбирать в себя допуски в положении несплошностей по отношению к защищаемой поверхности, появляющиеся из-за допусков при производстве из-за операций обрезки и сверления.
Изолирующие несплошности в несколько раз превосходят критическую длину волокна, чтобы гарантировать, что механические характеристики композитной структуры не ухудшаются.
Матрица из смолы, как описано выше, может содержать любую подходящую смолу, включая термореактивные материалы, термопластичные материалы или смеси обоих. Предпочтительно, чтобы смола была свободна от проводящих ингредиентов, которые могут накапливаться в несплошности волокна и ухудшают ее изолирующие свойства.
Таким образом, здесь представлены структура и способ, который позволяет эффективно управлять электрическими зарядами и/или токами в композитных структурах, в частности, но не исключительно, в композитных конструкциях воздушных судов или конструкциях ветряной энергетики.