高温聚合基体复合物衬底及保护其免于暴露于高温的方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及用于复合物的涂层，更具体地，涉及用于高温聚合物基体复合物(“HTPMC”)的碳基屏障涂层(carbon-based barrier coatings，碳基防蚀涂层)以及用于改进保护HTPMC免于发生热氧化降解的方法。
【背景技术】
[0002]由于在使用聚合物基体复合物替换金属部件时重量减轻，所以在飞机和航空航天工业中通常使用诸如HTPMC等聚合物基体复合物(“PMC”)。然而，在存在空气的情况下暴露于高温(例如，350华氏度至700华氏度)会降低PMC和HTPMC的机械性能并且可致使PMC和HTPMC发生热氧化降解，从而限制其使用寿命缩短和/或将其使用限制于低温环境。例如，HTPMC通常在存在空气的情况下的高温中具有近似1000小时到3000小时之间的有限寿命，这归因于氧化反应，该氧化反应使HTPMC发生严重降解。在高温下防止氧气和/或湿气渗透HTPMC的表面可使热氧化降解明显减少或者延迟发生热氧化降解。
[0003]已经若干次尝试利用各种涂覆材料来延长PMC和HTPMC衬底的寿命。已经开发出陶瓷基屏障涂层或者层、金属基屏障涂层或者层以及氧气屏障涂层或者层与PMC和HTPMC衬底一起使用，这些屏障涂层利用气体、蒸气、化学品和/或香味防止、减少、延迟或者抑制选择的衬底发生渗透。
[0004]然而，已知涂层具有不充分的低屏障性能，其允许氧气和湿气过于易于渗透并且与HTPMC衬底反应，而且在其他方面也存在缺陷。陶瓷基屏障涂层不能防止热氧化降解，不能防止氧气扩散，并且如果暴露时间足够长，也不能充分地降温。陶瓷基屏障涂层在高速气流下也不具有示范性的期望延展性范围，诸如，在排气洗涤飞行器结构中所遇到的延展性范围。此外，如果将HTPMC衬底暴露于局部加热，则扩散热量以降低局部衬底温度的能力是比较理想的，但陶瓷基屏障涂层仅提供绝缘性并且不能提供散热。氧气屏障涂层不能经受在350° F至700° F范围内的高温下长时间的使用而不发生裂化、散裂、脱粘和/或腐蚀。
[0005]此外，陶瓷基和金属基屏障涂层具有与PMC和HTPMC的热膨胀系数(CTE)完全不同(或者不相符)的CTE，这会导致陶瓷基或者金属基屏障涂层与致使涂层裂缝、碎裂以及从衬底上剥落的PMC或HTPMC之间应变失配，从而使衬底暴露于环境，从而导致PMC或HTPMC发生降解。金属基或者陶瓷基屏障涂层还具有高密度并且可增加不可接受的重量。
[0006]无机和有机聚合物涂层也可用作屏障涂层，但具有允许氧气到达HTPMC衬底并且导致发生热氧化降解的不可接受的高渗透性。包括聚合物衬底上的碳涂层的多层涂层不适用于涂覆HTPMC。
[0007]因此，存在用于改进HTPMC衬底的屏障涂层的空间以及用于改进保护HTPMC衬底免于发生热氧化降解的方法，这种方法需要提供优于已知屏障涂层和方法的优点。
【发明内容】
[0008]通过将具有低渗透性的薄的导电碳基屏障涂层施加到HTPMC衬底的表面上来保护HTPMC衬底免于在存在空气的情况下暴露于高温并且防止发生热氧化降解而实现上述目的和其他目的，从而将HTPMC衬底的寿命从1000小时至3000小时之间延长至约10000小时至约15000小时之间，或者甚至高达60000小时。
[0009]涂覆有本文公开的导电的碳基屏障涂层的HTPMC衬底可以用于长期耐久性、高温、以及高流速率的环境，诸如飞行器、太空船、船只、以及其他船舶、发动机机舱、进口管道、吹气襟翼、排气洗涤结构、热量生成设备附近的区域，该热量生成设备诸如为辅助动力装置(APU)、用于高性能超声波结构、极超声波结构和空间再入车辆结构的采暖结构部件、以及还具有诸如发电涡轮机、汽车和其他车辆发送机、发动机机舱和进风道、可替代能量的应用、以及相关技术等推进式系统。公开的用于HTPMC衬底的碳基屏障涂层合并为用于空间应用的原子氧屏障。
[0010]碳基屏障涂层以非常轻的重量以及良好的柔性提供屏障保护，从而产生更长的寿命、更低的燃料成本、更大的货物容量、和/或根据使用碳基屏障涂层的HTPMC的环境改善的操作性能。在屏障涂层中使用碳基材料提供与碳纤维增强复合物(诸如HTPMC)的改善的热膨胀兼容性，以防止涂层在高温时发生裂化、分离、散裂、从HTPMC衬底剥落或者脱粘。
[0011]在一个实施方式中，用于保护HTPMC结构免于在存在空气的情况下暴露于高温的方法包括将导电的碳基屏障涂层施加在HTPMC衬底的表面上。在制造HTPMC衬底之后并且在期望环境中使用之前，可以执行碳基屏障涂层的施加，或者可以在组装由HTPMC衬底制成的结构之后或者在修理、维护、或者翻修HTPMC衬底之后，可以施加碳基屏障涂层。碳基屏障涂层包括石墨烯、不定形碳、或者包括石墨烯和不定形碳的组合的混合物，并且通过用于将液体、气体或者膜施加在衬底上的任何已知方法将碳基屏障涂层施加在HTPMC结构上。典型的涂覆方法包括喷溅法、旋转涂覆法、泥浆沉积法、挤压法、共固化法、二次粘合法、气相沉积法、溅射沉积法、以及等离子喷涂法。碳基屏障涂层被施加在一个或多个薄层中的HTPMC结构的表面上，该碳基屏障涂层具有约10纳米至约100000纳米(或者0.01微米至100微米)的总厚度并且具有约0.1克/平方米至约20克/平方米的重量。碳基屏障涂层具有约O至约100个气体渗透单元的渗透性和小于HTPMC结构的第二热膨胀系数的10倍的第一热膨胀系数，以防止碳基屏障涂层裂化、散裂、或者从HTPMC结构剥落。
[0012]在其他实施方式中，碳基屏障涂层还可包括抗腐蚀屏障成分，或者额外的抗腐蚀屏障涂层可被施加在碳基屏障涂层的顶部上，以保护碳基屏障涂层免于磨蚀、冲击、或者其他物理危害，这些危害会破坏碳基屏障涂层。
[0013]具有碳基屏障涂层的HTPMC衬底和包括具有碳基屏障涂层的HTPMC衬底的飞行器也被视为在本公开的范围内。将参考所附附图在下文的详细描述中对本公开的各种实施方式的优点进行说明。
【附图说明】
[0014]图1是具有碳基屏障涂层的示例性HTPMC衬底的视图。
[0015]图2是具有碳基屏障涂层的另一示例性HTPMC衬底的视图。
[0016]图3是具有碳基屏障涂层的又一示例性HTPMC衬底的视图。
[0017]图4是用于保护HTPMC衬底免于在存在空气的情况下暴露于高温的示例性方法的流程图。
[0018]图5是用于保护HTPMC衬底免于在存在空气的情况下暴露于高温的另一示例性方法的流程图。
[0019]图6是使用具有碳基屏障涂层的HTPMC衬底的飞行器的视图。
【具体实施方式】
[0020]在下文的详细描述中，参考航空结构描述了保护HTPMC衬底免于在存在空气的情况下暴露于高温的涂覆有导电的碳基屏障涂层的HTPMC衬底以及相关方法的各种实施方式，从而示出了本公开的基本原理。本领域技术人员应当认识到，在示意性实施方式的其他模拟应用或者环境和/或利用示出性实施方式的其他模拟变化或者等同变化可以实现本公开。例如，用于保护HTPMC衬底免于在存在空气的情况下暴露于高温的导电碳基屏障涂层以及方法可应用于汽车行业的发动机应用或者经受高温的石油钻探行业中的油井应用。本领域普通技术人员应当认识并且理解到，保护本公开的HTPMC衬底的涂覆有导电碳基屏障涂层的HTPMC衬底及相关方法可应用于涉及车辆和结构的多种应用中。还应注意，本文中未详细描述本公开领域的普通技术人员通常已知的这些方法、程序、部件或者功能。
[0021]本公开提供一种保护HTPMC衬底免于发生热氧化降解的涂覆有导电碳基屏障涂层(或者涂覆HTPMC衬底)的HTPMC衬底以及相关方法。出于申请之目的，“保护”指氧气和湿气不能渗透碳基屏障涂层。
[0022]更具体地，参考附图，图1是本公开中的涂覆的HTPMC衬底20A的一种实施方式的视图。涂覆的HTPMC衬底20A包括HTPMC衬底22，该HTPMC衬底具有第一表面24和第二表面25以及第一热膨胀系数(CTE)。出于申请之目的，热膨胀系数被定义为给定材料的每单位尺寸在温度变化时的变化。不同的材料具有不同的膨胀速率。当温度变化时，热膨胀系数越低，材料尺寸受到的变化越小。通常，以单位k1(百万分率(ppm)(膨胀)/摄氏度(V )(温度))测量热膨胀系数。HTPMC衬底22可包括聚酰亚胺HTPMC、双马来酰亚胺HTPMC、无机聚合物、以及其他高温聚合物，诸如聚苯并噁唑、苯并噁嗪、为聚醚醚酮或者其他合适的聚合物基体复合物等。典型聚酰亚胺的CTE的范围为约20ppm/