用于復合結構的傳導性表面材料的制作方法
【專利說明】用于復合結構的傳導性表面材料
【背景技術】
[0001] 纖維增強聚合物基質復合材料（PMC)是常用于需要抵抗侵蝕環境、高強度和/或 低重量的應用中的高性能結構材料。這些應用的實例包括飛機組件（例如機尾、機翼、機身 以及螺旋槳）、高性能汽車、船殼以及自行車骨架。
[0002] 用于航天應用的復合結構部件通常包括表面膜，以在上漆前為復合結構提供所需 的性能特性。所述表面膜是用以提升結構部件的表面質量，同時減少勞力、時間和成本。所 述表面膜通常是在制造結構部件的過程中與纖維增強聚合物基質復合材料進行共固化。常 規的基于環氧樹脂的復合預浸體和表面膜因其絕緣性質而對電磁能（EME)事件（例如雷擊 (LS)、靜電放電（ESD)和電磁干擾（EMI))呈現較差耐受性。環氧樹脂所呈現的相對高電阻 率（低導電率）會抑制雷擊能量充分消散，從而導致蒙皮刺穿和底層復合結構剝離。另外， 復合物表面上所生成的電荷可殘留很長時間，從而提高了低相對濕度環境中會損傷電子系 統的ESD風險和燃油箱蒸汽空間點火的風險。此外，基于環氧樹脂的表面膜的不良導電性 會抑制電荷載體迀移，其會削弱復合結構提供EMI屏蔽的能力。為了將雷擊對復合結構的 損傷降到最低，需提高復合結構的導電率，為飛機上的復合部件提供LS/ESD/EMI保護。然 而，不希望并入會顯著增加飛機總重量的傳導性材料。此外，常規的表面膜對例如基于苯甲 醇的溶液等用于脫漆目的的商業脫漆溶液非常不耐受。那些脫漆劑可能導致表面膜隆起和 /或起泡，從而使得重漆過程更為麻煩。因此，需要一種重量輕，可以經受住使用常規脫漆溶 液反復脫漆，并且也還能經受住暴露于紫外（UV)輻射的多官能性傳導性表面材料。
【發明內容】
[0003] 本發明提供一種電傳導性表面材料，其是多層結構，所述多層結構是由厚度等于 或小于3密耳（76.2ym)的極薄傳導性層和形成于所述傳導性層的至少一表面上的樹脂膜 構成。所述樹脂膜是由基于環氧化物的可固化組合物形成，由此在固化時，所述固化樹脂層 具有彡180°C的玻璃化轉變溫度（Tg)，以及根據ASTMD-3363所測大于7H的表面鉛筆硬度。
[0004] 所述傳導性表面材料可與纖維增強聚合復合襯底在250°F到355°F(120°C到 180°C)范圍內的溫度下共固化形成復合結構。此外，所述傳導性表面材料可以用以形成適 用于自動化鋪帶（ATL)或自動化鋪絲（AFP)的狹窄線帶。
【附圖說明】
[0005] 由以下本發明各方面的詳細描述連同描繪本發明各實施例的附圖將更輕易理解 本發明的特征。
[0006] 圖1示意性展示根據一個實施例的三層傳導性表面材料的組裝。
[0007] 圖2示意性展示根據一個實施例的復合結構，其上具有三層傳導性表面材料。
【具體實施方式】
[0008] 本文揭示一種重量輕，能夠提供LS/ESD/EMI保護，可以經受住使用常規脫漆溶液 反復脫漆，并且還能經受住暴露于紫外（UV)輻射的多官能性電傳導性表面材料。與用于LS/ESD/EMI保護的常規傳導性層壓板相比，本文所揭示的傳導性表面材料可以顯著節省重 量，比一些常規傳導性層壓板重量降低50%到80%。
[0009] 所述傳導性表面材料是一種多層結構，其包括極薄傳導性層和形成于所述傳導性 層的兩個相對表面至少一者上的可固化樹脂膜。所述傳導性層可以為固體金屬箔或層或者 碳層。在本說明書內，碳包括石墨。所述傳導性層優選具有小于10mQ，優選小于5mQ的電 阻率。此外，所述傳導性層優選具有<3密耳（76.2ym)，優選3ym到38ym的厚度。所 述樹脂膜每一面具有小于〇.lpsf?(或500gsm)的膜重量，例如0. 01到0. 03psf?(或50到 150gsm)。在一個實施例中，所述傳導性表面材料是一種三層結構，其包括夾于兩樹脂膜間 的傳導性層。所述兩樹脂膜可能具有相同的樹脂組成或不同的樹脂組成。在所述三層結構 的一個實施例中，所述傳導性層是厚度為3ym到5ym的微米薄金屬箔，并且所述形成于所 述金屬箔每一面上的樹脂膜具有〇. 01到〇. 〇3psf(或50到150gsm)的膜重量。舉例來說， 金屬層/箔可以由金屬，例如銅、鋁、青銅或其合金等形成。
[0010] 所述傳導性表面材料可以通過使用常規的涂覆技術將可固化液體樹脂組合物涂 覆于傳導性層（例如固體金屬箔）的一個或兩個表面上而制得。
[0011] 或者，所述傳導性表面材料可以通過將預制樹脂膜層壓到傳導性層的一面上，形 成雙層結構或將兩預制樹脂膜層壓到所述傳導性層的相對表面上以形成三層結構而制得。
[0012] 圖1示意性說明如何根據一個實例制造三層傳導性表面材料。將由可剝離的離型 紙背襯12支撐的第一樹脂膜11層壓到金屬箔13的一表面上，并將第二樹脂膜14層壓到 金屬箔13的相對表面上，以形成三層結構20。所述層壓過程可通過施加壓力和熱來進行。 離型紙背襯12可以在層壓后剝離。為了形成雙層結構，可省略第二樹脂膜14,并且金屬箔 是由其本身的可剝離載體支撐。
[0013] 本文所揭示的傳導性表面材料被設計成與纖維增強聚合復合襯底在高于 150°F(65°C)，更特定地，介于250 °F到350°F(或120°C到175°C)范圍內的溫度下進行 共固化。所述纖維增強聚合復合襯底是由經過可固化基質樹脂浸漬或灌注的增強纖維構 成。在一些實施例中，所述復合襯底可以為預浸體層片或預浸體疊層。所述預浸體疊層是 由多個以堆棧順序配置的預浸體層片構成。各預浸體層片是由經過基質樹脂（例如環氧樹 脂）浸漬/灌注的呈織物或定向排列的連續纖維形式的增強纖維構成。所述定向排列的纖 維可以為單向或多向纖維。一般來說，可將可固化傳導性表面材料施加到處于未固化或部 分固化狀態的纖維增強聚合物復合襯底，隨后共固化，以形成完全固化的復合結構，其上粘 合有硬化表面膜作為最外層。
[0014] 參考圖2,為了形成復合結構，使三層結構20與復合襯底30接觸，使得樹脂膜14 與復合襯底30直接接觸。在一個實施例中，復合襯底30為預浸體疊層。在所述實施例中， 剝離紙背襯12,并使樹脂膜11與工具表面接觸，然后將多個預浸體層片以堆棧配置迭合于 樹脂膜14上。所述工具表面可以為平面或非平面（例如曲線表面或一些其它三維構型）。 隨后可將所述預浸體層片逐一往上迭合于所述工具上。或者，所述預浸體層片可在不同位 置組裝，隨后再置于樹脂膜14上。可將一或多種核心結構（例如發泡體或蜂巢結構）插入 預浸體疊層的層片之間，如所屬領域中已知。在完全真空下壓實整個組合件后，即可對所述 整個組合件進行加熱或加壓，讓所述表面材料的所述預浸體疊層和所述樹脂膜固化成最終 具有選定形狀的硬化復合結構。當將所述復合結構移出模塑工具后，原來與所述工具表面 接觸的樹脂膜11成為所述復合結構的最外層。
[0015] 可以通過省略第二樹脂膜14來修改圖2中的組合件，使金屬箔13與所述復合襯 底接觸。
[0016] 所述傳導性表面材料可以用于形成適用于自動化鋪帶（ATL)或自動化鋪絲（AFP) 過程中的連續預浸體帶，進而形成最外層為所述傳導性表面材料的可固化復合結構。就 ATL/AFP應用來說，所述傳導性表面材料可呈原樣使用或層壓到由可固化基質樹脂和呈單 向纖維或機織物形式的纖維增強體構成的預浸體層片上。將所述傳導性表面材料或層壓預 浸體層片分割成具有適宜AFP寬度（例如0. 125英寸到1. 5英寸或3. 17mm到38. 1mm，包括 〇? 25英寸到0? 50英寸或6. 35mm到12. 77mm)或ATL寬度（例如6英寸到12英寸或152mm 到305mm)的狹窄線帶。
[0017] ATL和AFP是利用計算機控制的機器人將一層或若干層纖維帶或纖維束放置于模 具表面（例如心軸）上以產生復合部件或結構的過程。示例性應用包括飛機機翼蒙皮和機 身。ATL/AFP過程涉及將一或多條線帶并列分配于心軸表面上，以產生具有所需寬度和長度 的層，然后將額外層累加于前一層上，以提供具有所需厚度的疊層。ATL/AFP系統配備有分 配預浸體帶和將其直接壓到心軸表面上的構件。
[0018] AFP自動地將許多單根預浸漬纖維束或狹窄切割線帶（例如0. 125英寸到1. 5英 寸）置于心軸上，以組成指定的總預浸體帶寬。材料是以高速度放置，其在放置期間使用數 值控