专利名称：用于最小化雷击影响的光谱选择性涂层及相关方法
技术领域：
本专利申请涉及用于阻止等离子破坏和退化的涂层和方法，并且更具体地涉及用于将经得起雷击和暴露于类似的等离子的能力给予衬底的涂层和相关方法。
背景技术：
碳纤维增强塑料(“CFRP”)材料逐渐地用于代替铝形成商用飞机的蒙皮壁板 (skin panels)和结构组件。由于碳纤维复合材料所提供的较高的强度_重量比，与铝相比，CFRP材料是有优势的。然而，CFRP材料似乎比铝材料对于来自雷击的灾难性破坏 (catastrophic damage)更敏感。CFRP材料中与典型雷击相关的缺陷似乎是由高温驱动的。当受到雷击时， 复合材料中的碳纤维变为非常热。该温度可以超过树脂的气化温度(pyrolization temperature)，使树脂从固体转变为气体。内部气压的相应增加通过分层和可能地击穿下层系统或结构造成对结构的破坏。该高温还能够引起对纤维的永久性破坏，导致纤维直径的膨胀。与材料热膨胀系数结合的局部加热也影响破坏。与雷击有关的撞击力起源于声学、 电磁学和气体学。这些力在相应高温下能够超过材料拉力强度极限。电流解决方法使用电通路有效传导并分配电流，努力地远离闪电附着地带以避免火花。这些电通路整合到CFRP材料设计中，例如在外部漆层(例如，聚氨酯(polyurethane) 层)下面。然而，尽管使用设计良好的电通路传导电流，仍旧观察到实质上的结构破坏。因此，本领域技术人员继续寻找用于避免由雷击引起的结构破坏的新技术。
发明内容
在一个方面，本发明公开的用于减少由衬底和等离子之间相互作用引起的对衬底的结构破坏的方法可以包括的步骤有确定等离子的光谱辐射率处于峰值的波长，其中该波长是等离子的温度的函数；制备能够给予衬底在围绕波长的光谱波段上的阈值电磁反射率的涂层和将涂层施加到衬底。在另一个方面，本发明公开的用于减少由衬底和雷击之间接触所引起的对衬底的结构破坏的方法可以包括以下步骤制备能够给予衬底在真空紫外光谱中的阈值电磁反射率的涂层和将该涂层施加到衬底。本发明公开的用于最小化雷击影响的光谱选择性涂层及其相关方法的其他方面从下列描述、附图和权利要求中会显而易见。
图1是黑体模型(black body modeling)辐射能的光谱辐射率随波长和温度变化的图解说明；图2A是具有0. 2的辐射加热吸收系数的衬底的外表面和内表面温度随时间变化的图解说明；
图2B是具有0. 1的辐射加热吸收系数的衬底的外表面和内表面温度随时间变化的图解说明；图3A是对于不同闪电等离子温度的有效紫外吸收率随波长变化的图解说明；图;3B是对于不同表皮温度的有效红外发射率随波长变化的图解说明；图4是对不同金属的等离子波长的图解说明；图5A是用包含球状颜料的光谱选择性涂层涂覆的衬底的示意横断面图；图5B是用包含片状颜料的光谱选择性涂层涂覆的衬底的示意横断面图；图6是光谱和接近20000K等离子的厚铝层的净余反射率的图解说明；图7是对置于20000K等离子和CFRP衬底之间的铝层的净余反射率(net reflectivity)随厚度变化的图解说明；和图8是按照本发明的一个方面的具有光谱选择性涂层的CFRP衬底的方框图。
具体实施例方式闪电对衬底具有直接和间接影响。具体地，现在已经发现除了其他的直接影响之外，例如电阻式加热、电磁和声学力和电火花，辐射加热具有显著的直接影响。间接影响包括导线束和航空电子装置收到的强的电磁脉冲(EMP)、束缚电荷和感生电压。通常的闪电(lightning)直接影响保护提供了这样的衬底(例如，飞机的外部结构)，其能够经得起在高达200000安培电流闪电等离子的初始和随后附着而没有有害后果。通常的闪电直接影响保护也可以保证随着电流在闪电附着和出口点之间传输，在结构结点或者在燃料和液压耦合器上没有火花发生。依照本发明，闪电直接影响保护也可以包括保护不受闪电等离子(或者任何其他破坏的高温等离子体)和衬底之间的辐射加热。具体地，在本发明的一个方面中，衬底可以拥有光谱选择性涂层，其被设计并制造成用于提供从闪电等离子源辐射的入射紫外线 (“UV”)能的高水平反射率。在另一个方面，该光谱选择性涂层也可以在红外(“顶”)波段发射，由此有助于通过将从闪电等离子中吸收的能量再辐射回环境而将其耗散，从而最小化渗入衬底的热量，如上所述该热量可以不利地影响衬底。如这里所使用的，“衬底”广义上指能够由雷击或者其他破坏性等离子破坏的任何衬底。该衬底可以是任何不是固有反射UV能量的衬底或者是需要额外的UV反射率的衬底。 CFRP材料只是适合的衬底的一个示例。闪电被认为具有大约^OOOK的等离子温度，可能从大约25000到大约30000K的
范围变化。因此，参考图1，其是关于从黑体放射的电磁辐射的光谱辐射率的普朗克定律 (Plank' s law)的图解说明，闪电的峰值波长出现在大约lOOnm。在较高等离子温度下， 峰值波长向左移动(即，较高能量UV)。在较低温度下，峰值波长向右移动(即，较低能量 UV)。因此，在一个方面，本发明的光谱选择性涂层可以被配置成反射或者反向散射 (backscatter)来自闪电等离子的较短波长(例如，大约IOOnm)的入射UV能量。在另一个方面，本发明的光谱选择性涂层可以被配置成反射或者反向散射在真空紫外(“VUV”)状态(regime)(即200nm到lOnm)中的入射UV能量。在还另一个方面，本发明的光谱选择性涂层可以被配置成反射或者反向散射在影响雷击性能的其他UV状态中的入射UV能量，其他 UV 状态包括 UVC (低于 280nm)、UVB (320nm-280nm)和 UVA (400nm-320nm)。在还另一个方面，本发明的光谱选择性涂层可以在低于500nm下提供高反射率。图2A和2B示出衬底的外表面和内表面温度如何受到对UV能量的吸收系数的影响。第一衬底具有20密耳铌涂层(高熔点反射金属/反光金属)，以产生0. 2的等离子辐射的加热吸收系数(20%的入射能被吸收到面板表面中)。铌被选作为外层，以便避免与材料相变和氧化相关的能量项，以便在参数趋势中仅示出吸收率的影响。在暴露于具有30500K 的等离子温度的10. ^kA模拟雷击时，第一衬底的外表面达到大约33 峰值温度，并且内表面达到大约500下的峰值温度(参看图2A)。相比，具有0.1的等离子辐射加热吸收系数的第二衬底达到大约1869 T的峰值外表面温度，峰值内表面温度相对较低(参看图 2B)。因此，吸收系数的减小减少了背侧吸热温度，并且同样地减少了与破坏相关的辐射加热。类似的分析示出在雷击之后较高的顶发射率的益处，其中较高的发射率有效地再辐射来自面板雷击后表面(the panel post-strike surface)的热量，这是由于与周围环境相比升高但在低于闪电等离子的温度下的表面温度引起的。上文确定了控制衬底光谱吸收率的益处。在这个情形中，如果UV吸收率能够被减小到0. 1，那么峰值外表面温度被限制在1869下。如果在雷击之后顶发射率被最大化，那么背侧吸热温度被限制。通过有选择地调整涂层发射率，低UV吸收率和高顶发射率是有可能的。图3A示出暴露于10000K、15000K和20000K的闪电温度的表面的有效涂层吸收率。通过积分光谱吸收率与和温度相关的光谱黑体发射的乘积并且除以总的黑体发射，执行这个分析。参数包括两个吸收系数值，在X轴上示出低于跃迁波长时的一个，和高于跃迁波长时的一个。低于跃迁波长，该吸收系数是0. 3，高于跃迁波长，该吸收系数是0. 8 (阶梯函数)。对于示出的较高的等离子温度的范围，高于和低于0. 5微米的跃迁波长，有效UV吸收系数仍然接近于0. 3的低值。高IR(波长大于大约1. 0微米)吸收系数没有不利地影响期望的低UV吸收系数。这是因为在这些温度顶中只存在小部分源能量。图:3B示出在沿着X轴的参数跃迁波长针对19221(、13661(和8111(的表皮温度的有效顶发射率。低于跃迁波长，该吸收系数是0. 3，并且高于跃迁波长，该吸收系数是0. 8。环境温度是70下。这里，对于较高的表皮温度，该有效顶发射率被跃迁波长改变很少。因此，通过闪电等离子温度和随后的表面温度的温度状态可以有助于涂层光谱选择性，该随后的表面温度在从约IOOnm UV峰值(根据的源温度)到大约1 μ m及以上的其中顶表面发射是显著的范围隔开峰值能量光谱的状态。在一个方面，本发明的光谱选择性涂层可以通过在衬底的表面上沉积颗粒被设计并制造成在UV波长是反射的并且在顶波长是发射的(emissive)，这些颗粒与UV波长相比是相对大的，并且与顶波长相比是相对小的。包括VUV反射率测量的UV反射率测量可以用工业中可利用的专用工具。在一个实例中，这些颗粒可以是金属(例如，铌颗粒)。如另一个实例，这些颗粒可以包括S^2或者TiO2，及其组合。颗粒可以被包含在可以是对可见光透明或者半透明的粘合剂中。例如，该粘合剂可以是聚氨酯。颜料、粘合剂、环境和人视觉反应的相互作用产生所感知的亮度和颜色。这些特性也可以分解为方向性和光谱定量。
金属暴露于UV能量通过金属传播的VUV光谱区的现象被认为是金属的紫外线透光度。图4确定候选金属(和非金属)，示出材料内部可以发生传播的源黑体温度和波长。 例如在30000K，该黑体峰值波长对应于小于1.0E-7m(IOOnm)的数字。当暴露于30000K等离子时，具有超过该黑体峰值能量波长的等离子波长的金属将传播辐射能量。随着能量传播通过金属，其也被散射和吸收，由此导致净余高辐射吸收系数。因此，这些金属可以不被认为是用于UV反射率提高的适当候选。代替的，具有低于峰值能量黑体波长的金属等离子波长的金属可以用于提供在此UV波段中是反射的涂层材料。另外，在产生的雷击温度金属光学性质应该仍然起作用。在亚微米波长仍然透射的两种类型的材料是硅氧烷基聚合物(silicone based polymers)和含氟聚合物(fluoropolymers)，尽管目前这些在VUV中不是透射的。硅氧烷基聚合物对于60微米厚度的膜在250nm具有百分之85的透光度。代替可用VUV透射粘合剂材料，颜料可以混合到例如聚氨酯的标准粘合剂。由于有适当调和的颜料/粘合剂体积分数，粘合剂被期望只腐蚀到下层颜料颗粒(包括粘合剂残渣)的深度而很少影响表面反射率的退化。在这一点上，本领域技术人员将理解(1)功能颜料颗粒可以束缚在衬底的上表面并且含在粘合剂材料内部的衬底的上表面，(2)颜料颗粒可以被包含在在VUV中足够透明的粘合剂材料内，( 颜料颗粒可以被包含在在VUV中不透明(或者几乎不透明)的粘合剂材料内，和(4)其组合。在另一个方面，本发明的光谱选择性涂层也可以限制顶中的反射率，因而以类似于“冷光镜”的方式起作用。冷光镜是专门的介质镜，二向色滤光器，其反射可见光谱同时有效地传送顶波长。通常，与复合壁板涂层所需的覆盖层相比且与复合板涂层将容许的成本相比，用作光学目的的冷光镜相对小并且昂贵。该冷光镜通过堆积材料层制成，其通过光学性质和层厚度导致波前的相长和相消干扰。二向色滤光器通常不可用于与峰值雷击辐射能相关的波长(即，大约lOOnm)。实现涂层想要的二向色功能性的一种方法是通过使用表面颗粒的分布，这些表面颗粒与UV波长相比相对大并且与顶波长相比相对小。如图5A所示，球状涂层颜料颗粒10 可以悬浮在粘合剂12中并且在衬底14(例如，CFRP衬底)上方分层，从而形成光谱选择性涂层。类似地，如图5B所示，片状涂层颜料颗粒16可以悬浮在粘合剂18中并且在衬底20 上方分层。根据米氏理论(MIE theory)，根据颗粒光学性质，短波长将反向散射并且较大波长将正向散射。该颗粒材料也可以由多层堆叠制成，其中该材料是通过不同沉积过程生成， 经研磨和过筛，从而产生适合的粒径分布/粒度分布。 铝是选择用于被设计用于研究日光VUV的空间基光学传感器(space-based optical sensors)的普通反射材料。图6示出接近等离子的非氧化铝的总光谱反射率。 总光谱反射率包括横向电场(TE)和横向磁场(TM)偏振。如果朗伯扩展光源(lambertian extended source)位于铝的前面，那么光子将作为波长和入射角的函数从铝反射。使用蒙特卡罗法(Monte Carlo method)询问该表面，从而模拟在20000K辐射环境中厚的铝层的净余反射率。基于光谱的/空间的反射率和入射光子的入射角的概率函数，该净余反射率是 0. 87。图7示出夹在20000K闪电等离子和CFRP衬底之间时，铝的净余反射率随厚度的变化。铝的一个问题是其必须是大约10 μ m(即，大约0. 5密耳)，以达到大约百分之80的净余反射率。因此，作为涂层颜料，铝可以需要可观的涂层厚度和重量。同样，铝可以更适合作为具有适合钝化层(铝快速氧化)的附饰膜(applique film)，尽管例如铌的金属会更适合热环境。图8示出暴露于20000K闪电等离子的具有涂层的衬底，其中涂层包括用SW2和 TiO2的8层四分之一波长片(wave stack)处理的1 μ m厚的铝层。该涂层子层SW2的厚度Tsw2可以使用等式1确定，如下
权利要求
1.一种用于减少由衬底和等离子之间相互作用引起的对衬底的结构破坏的方法，所述方法包含以下步骤确定波长，所述等离子的光谱辐射率在该波长处于峰值，所述波长是所述等离子的温度的函数；制备能够给予所述衬底在围绕所述波长的光谱波段上的阈值电磁反射率的涂层；和将所述涂层施加到所述衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述等离子是闪电等离子。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是复合衬底。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述复合衬底包括碳纤维。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长是最多大约500nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述波长是大约lOOnm。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层包括大体上球状颗粒和粘合剂。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层包括大体上片状颗粒和粘合剂。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层在红外光谱发射。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层包括多个颜料颗粒，所述多个颜料颗粒包括四分之一波长片，该四分之一波长片包括二氧化硅和二氧化钛。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层包括多个颜料颗粒，所述多个颜料颗粒包括四分之一波长片，该四分之一波长片包括第一材料和第二材料，其中所述第一材料具有与所述第二材料不同的折射率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在铝层上方接收所述四分之一波长片。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值电磁反射率是至少大约90%。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述阈值电磁反射率是至少大约99%。
15.一种结构，其包含 衬底；和根据权利要求1、2和5到14的任何一项的涂层。
全文摘要
本发明涉及用于减少由衬底和等离子之间相互作用引起的对衬底的结构破坏的方法，该方法的步骤包括确定等离子的光谱辐射率处于峰值的波长，该波长是等离子温度的函数；制备能够给予衬底在围绕该波长的光谱波段上的阈值电磁反射率的涂层和将涂层施加到衬底。
文档编号B64D45/02GK102449076SQ201080023881
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月18日 优先权日2009年5月29日
发明者M·M·莱德 申请人:波音公司