具有增强的导电性的复合结构体、其制造方法及飞机与流程

本发明主要涉及在固化之前将导电体放置到复合结构体内部的方法。

背景技术：

飞机中使用雷电防护、电磁效应(eme)管理和接地系统，以防止燃料箱内或附近发生电弧或点火和对飞机其他组件的电气损坏。这样的系统不仅消散雷击，其还提供电屏蔽、接地和浪涌抑制。

过去，大多数飞机都是由导电很好的铝制成的。然而，现代飞机使用先进的复合材料，诸如碳纤维增强聚合物(cfrp)，其导电性要低得多。因此，导电路径必须设计成与这样的材料一起使用以承载电流。

对复合材料的传统布线的现有方法需要大量材料、重量和人力以安装、保养和维护导电体和系统。例如，用于雷电防护的扩展铜箔(ecf)以卷形式安装，并且在给定的箔条内良好地导电，但是对相邻箔条的导电是有限的。

期望以低成本和低重量冲击提供对复合材料的这些问题的任何解决方案。优选使用可在复合材料层压过程中所制造的材料。

在过去，导电涂料被提出作为改善复合结构体外表面的电导率的方法。然而，过去的使用含粒子的涂料尝试由于其适度的导电性和应用中的困难而未成功。

已经提出的另一个解决方案是使用液态金属(即，在室温附近的液体)填充复合材料中的空间。然而，液态金属倾向于与复合结构体中所使用的钛和其它结构金属形成脆性金属间化合物，这会严重降低结构金属的机械性能。

那么，所需要是提高复合材料内的导电性的解决方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的限制，并且为了克服在阅读和理解本说明书时将变得显而易见的其它限制，本发明公开了在固化之前将导电体放置到复合结构体体内部的方法、装置和制品。通过装配一个或多个复合层形成层压叠层，其中，复合层预浸渍有树脂。在固化层压叠层之前，将一个或多个导电体放置在复合层中的至少一个上。在固化层压叠层之前，一个或多个电绝缘体可选地放置在复合层中的至少一个中的导电体中的一个或多个附近。然后将包括复合层、导电体和电绝缘体的层压叠层固化以产生复合结构体。

附图说明

现在参考附图，其中相同的附图标号自始至终表示相应的部件：

图1是示出根据一个实施例的复合结构体的截面图。

图2是示出根据一个实施例的如何将导电层涂覆到复合结构体的截面图。

图3是根据一个实施例的如何固化复合结构体的截面图。

图4是示出根据一个实施例的制造过程的流程图。

图5是根据一些实施例的飞机的示意图。

图6是示出根据一些实施例的飞机制造和保养方法的流程图。

具体实施方式

在优选实施例的以下描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中以图示的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并进行结构改变。

综述

在一个实施例中，一种在固化之前将导电体，且可选地绝缘体放置到复合结构体内部的方法，提供了在复合结构体内或在复合结构体上的电路迹线图案的创建。

导体和绝缘体在复合结构体铺设处理(layupprocess)中作为层被沉积。当复合结构被装配(优选地使用自动方法)时，并且在复合结构体固化之前，单独的导体和绝缘体以预定的方式沉积到一个或多个预浸渍有树脂的未固化复合层的表面上。

导体是导电层，并且可以放置在复合结构体的复合层的不同层上。也可以以在层之间提供导电路径的方式沉积导体。此外，一个层可以电接合到另一个层或与另一个层绝缘。

绝缘体是绝缘层，并且可以放置在复合结构体的与导电层相邻的复合层的不同层上。也可以以在层之间提供绝缘路径的方式沉积绝缘体。此外，一个层可以与另一个层选择性地电绝缘。

可以根据需要放置导体以在特定方向引导电流。此外，可以针对不同的电流密度以不同的厚度沉积导体。导体的放置也可以用作替代或修复雷电防护、eme管理系统或接地系统的损坏。

在复合结构体固化过程中，将实现导体的最终电性能。导体可以具有或不具有与导体一起沉积的电绝缘材料或涂层。

该方法消除了对不同的导体、绝缘体、布线、布线支撑、引线(feedthrough)以及相关材料和处理的需要，以便传输电流和信号以沿着或穿过复合结构传输。它还允许导体的直接应用以替代或增强现有的雷电防护、eme管理或接地系统。

该方法产生大量的重量节省和大量的劳力节省。它允许将现有布线安装方法转换成更自动化和更便宜的制造方法，诸如机器人方法。

结构描述

图1是示出根据一个实施例的由诸如cfrp的复合材料组成的复合结构体10的截面图。复合结构体10使用铺设处理制造，其通常包括通过装配一个或多个复合层14形成层压叠层12，其中，复合层14预浸渍有树脂，并且然后使用热、光和/或压力固化层压叠层12以产生复合结构体10。

在一个实施例中，一个或多个导电体16在装配期间和固化之前选择性地放置在复合层14中的至少一个上，并且然后也在装配期间和固化之前将一个或多个附加复合层14铺设在导电体16中的至少一个上。可选地，在固化层压叠层12之前，一个或多个电绝缘体18放置在复合层14中的至少一个中的导体16中的一个或多个附近。在另一个实施例中，在装配期间和固化之前，导电体16和电绝缘体18中的至少一个沉积在表面层20的至少一部分(其也是复合层14)上。

在两个实施例中，导电体16和电绝缘体18两者沉积在未固化的复合层14上。此后，包括复合层14、导电体16和电绝缘体18的层压叠层12被固化以产生复合结构体10。最终结果是导电体16和电绝缘体18在复合结构体10的内部和/或导电体16或电绝缘体18中的至少一个被放置在复合结构体10的表面层20的至少一部分上。

导电体16中的每一个包括一层或多层导电材料，诸如装载有多个导电粒子的油墨或涂料。这些导电粒子将通常是嵌入或溶解于载体(诸如油脂、环氧树脂、树脂、溶剂或其它材料)中的纳米粒子或微粒子(诸如铜(cu)或银(ag))，其也可以包括低温烧结剂。粒子尺寸使得能够在用于固化层压叠层12的温度下进行烧结，并且允许油墨渗透到复合层14中。

电绝缘体18中的每一个包括一层或多层电绝缘材料，诸如塑料、陶瓷或环氧类材料。绝缘层压印(印刷，print)在导电体16的附近，以防止不期望的电流流动。此外，如果没有电绝缘体18，油墨可能迁移到其它层中，产生非预期的电连接。尽管电绝缘体18被示出为在导电体16上或上方，但是它们可以在导电体16的下方或在与导电体16相同的平面上。

用作导电体16的组合物包括可通过包括喷墨印刷的若干处理所涂覆的印刷电子产品的可商购的油墨或涂料。实验已包括gc电子银涂料ii^tm、60％微粒子银/树脂涂料，以及90％纳米粒子银油墨的novacentrixmetalonhps-dev^tm。为了比较的目的，微粒子银/树脂涂料具有10e-3ohm-cm的典型电阻率，而纳米粒子银油墨在其沉积和烧结或固化形式中具有通常为10e-5ohm-cm或更好的典型电阻率。实验结果表明，纳米粒子银油墨比微粒子银/树脂涂料更令人满意。

涂覆之后，除了时间之外，微粒子涂料通常不需要固化步骤。然而，纳米粒子油墨通常需要干燥和固化两个步骤，其中油墨在其涂覆之后且在层压叠层12的固化之前立即干燥一段时间，其驱除任何非银产品，诸如稳定剂、载体剂或表面氧化物。

固化被定义为足以固化层压叠层12的温度和时间环境，并且可能或可能不足以烧结导电体16的金属成分。固化步骤是其中导电体16的金属粒子连接到其自身并与复合层14接合。固化步骤可以需要烘烤、感应加热、激光加热、闪光加热或其它类似方法中的至少一种，以及在压力下或不在压力下。

导电材料的大多数固化步骤需要会损坏复合结构体10中的碳/环氧树脂的温度，但是在该实施例中的导电体16可以在约100℃和约200℃之间的低温下加工，以产生高导电性材料，而不会损坏复合结构体10。(通用的许多cfrp系统具有环氧树脂基体，其在远高于177℃的固化温度的温度下是不稳定的。)

因此，在铺层处理期间涂覆到未固化的复合层14的导电体16和电绝缘体18同时且在与层压叠层12相同的温度下固化。这允许导电体16被放置在复合结构体10内的适于电力、电信号的传输或雷电防护、eme管理和接地系统的位置。相比之下，沉积在已经固化的复合结构体10上的导电体通常仅被涂覆到复合结构体10的暴露的外表面。

此外，可以选择性地涂覆电绝缘体18以允许导电体16电连接到复合层14、导体16的其它层，以及层压叠层12中或层压叠层12上的其它特征或组件。

最终结果使导电体16能够具有高导电性，而不损坏复合结构体10。在一个实施例中，复合结构体10是飞机或其它车辆的结构，并且导电体16是网状物或在复合结构体10的表面层20(例如外表面)下面的其它导电性结构，而复合结构体10的相对表面(例如内表面)是燃料箱(未示出)的表面或与燃料箱相邻的表面。

涂层描述

图2是根据一个实施例的如何将导电体16涂覆到复合层14的截面图。在该实施例中，诸如喷墨打印机的涂覆器22用于将导电体16沉积在复合层14上，尽管也可以使用其它涂覆器。在一个示例中，将银纳米粒子油墨配制剂放置在涂覆器22的储存器内，其然后将导电体16以预定的方式作为导体迹线图案涂覆到预浸渍有树脂的未固化复合层14的表面上，优选地在自动装配期间。涂覆器22还可以用于以相同的方式沉积电绝缘体18(未示出)，以及表面层20(未示出)上的导电体16或电绝缘体18。

注意，导电体16和电绝缘体18的图案、形状、尺寸或厚度取决于具体应用的电要求。然而，导电体16和电绝缘体18可以包含所需的任何图案、形状、尺寸或厚度，诸如直线(用于电力、接地等)和片状物(patch)(用于孔)。例如，可以在复合结构体10中钻出紧固件孔的位置放置片状物，使得在钻孔完成之后，孔将包含导电和/或绝缘材料层。此外，在一个实施例中，导电体16和电绝缘体18具有约0.5mil至1mil的厚度，其通常小于复合层14的厚度，复合层14通常为约7mil。

固化描述

图3是示出根据一个实施例如何将包括复合层14、导电体16和电绝缘体18的层压叠层12固化以产生复合结构体10的截面图。在该实施例中，使用为诸如高压釜的热和压力施加源的固化设备24以固化包括复合层14、导电体16和电绝缘体18的层压叠层12，尽管也可以使用其它固化设备。固化设备24还可以用于固化表面层20上的导电体16或电绝缘体18。固化层压叠层12的时间可以由树脂或油墨确定，这取决于涂覆到层压叠层12的具体油墨。

制造处理描述

图4是示出根据一个实施例的制造处理的流程图。

框26表示通过装配一个或多个复合层14形成层压叠层12的步骤，其中，复合层14预浸渍有树脂。注意，可以在该步骤中或该步骤之前执行各种步骤。

框28表示通过在复合层14上选择性地沉积导电体16和电绝缘体18，或者通过在表面层20中的至少一部分上选择性地沉积导电体16或电绝缘体18中的一个或多个，将一个或多个导电体16和电绝缘体18放置或涂覆在复合层14中的至少一个上的步骤。任何合适的材料转印方法可以用于该步骤，其包括喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、干膜转印、金属化、电镀等。

框30表示当层压叠层12在框28之前仅部分形成时，完成层压叠层12的装配的可选步骤，使得层压叠层12在该步骤中完全形成。具体地，该框包括在固化之前将一个或多个附加复合层14选择性地放置在导电体16和电绝缘体18上。此外，框28和框30可以根据需要重复以完成层压叠层12的装配。

框32表示执行包括复合层14、导电体16和电绝缘体18的层压叠层12的原位固化以产生复合结构体10的步骤。固化步骤在由复合层14、导电体16和电绝缘体18的组成，以及复合层14、导电体16和电绝缘体18的相互作用所确定的温度和压力下执行。例如，固化可以压缩导电体16的金属纳米粒子，以及使用热、光和/或压力固化和硬化复合层14、导电体16和电绝缘体18。

框34表示附加处理的步骤，如果有的话。例如，如果在固化之后需要复合结构体10的附加制造，则根据需要采用适当的工具。

框36表示所得到的复合结构体10，其包括复合层14、导电体16和电绝缘体18，其中，导电体16和电绝缘体18在复合结构体10的内部和/或在复合结构体10的表面20上。

上述处理步骤可用于任何数量的不同涂覆或处理。例如，这些涂覆或处理可能包括以下内容：

●将导电体16或电绝缘体18沉积在复合结构体10的孔、通孔或其他结构元件中，用于导电或绝缘目的，诸如雷电防护、eme管理和接地系统。

●为了结构的目的，将导电体16或电绝缘体18沉积在复合结构体10的孔、通孔或其他结构元件中(可与电气目的相结合)。

维修应用或处理可能包括上述涂覆或处理中的任何一个的替代或维修，以及由导电体16建立的雷电防护网的电维修。

飞机的示例以及制造和操作飞机的方法

为了更好地了解所描述的系统和技术的实现的各个方面，现在介绍飞机和飞机机翼的简要描述。图5是根据一些实施例的飞机38的示意图。如图5所描绘的，飞机38由纵轴(x轴)、横轴(y轴)和垂直轴(z轴)限定。在各种实施例中，飞机38包括具有内舱42的机身40。飞机38包括联接到机身40的翼44。飞机38还可包括由机翼44支撑的发动机46。在一些实施例中，飞机38进一步包括多个高级系统诸如电气系统48和环境系统50。在其它实施例中，可以包括任何数量的其它系统。

虽然示出了航空航天的示例，但是本文所公开的原理可以应用于诸如汽车工业的其它工业。因此，除了飞机38之外，本文所公开的原理可以应用于其他交通工具，例如陆上交通工具、海运交通工具、太空交通工具等。

可以在如图6所示的飞机制造和保养方法52以及如图5所示的飞机38的上下文中描述本公开的示例。在预生产期间，说明性方法52可以包括飞机46的规格和设计(框54)以及材料采购(框56)。在生产期间，可以进行飞机38的组件和子配件制造(框58)和系统集成(框60)。在一些实施例中，组件和子配件制造(框58)和系统集成(框60)可以同时进行。例如，随着框58中的各种组件和/或子配件完成制造，它们可以在框60处集成到飞机38中，而其他组件和/或子配件正在框58中制造。通过这些方法形成的所描述的系统、方法和装配可以用于飞机38的规格和设计(框54)、飞机38的材料采购(框56)、组件和子配件制造(框58)和/或系统集成(框60)中的任何一种。

此后，飞机38可以通过认证和交付(框62)以投入运行(框64)。在运行中(框64)，飞机38可以被安排日常维护和保养(框66)。日常维护和保养(框66)可以包括飞机38的一个或多个检查系统的修改、重新配置、翻新等。通过这些方法形成的所描述的系统、方法和装配可用于认证和交付(框62)、运行中(框64)和/或维护和保养(框66)中的任何一种。

说明性方法52的过程的每一个可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如客户)执行或实施。为了本说明书的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主要系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的供应商、分包商和供应商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。

可以在制造和保养方法中的任何一个或多个阶段(说明性方法52)期间采用本文所示或所描述的装置和方法。例如，对应于组件和子配件制造(框58)的组件或子配件可以以类似于当飞机38在运行(框64)中时所产生的组件或子配件的方式加工或制造。此外，可以在生产阶段(框58)和(框60)期间利用装置、方法或其组合中的一个或多个示例，例如通过大幅度加快装配或降低飞机38的成本。类似地，例如但不限于当飞机38在运行(框64)中和/或在维护和保养(框66)期间时，可以利用装置或方法实现的一个或多个示例或其组合。

替代方案

为了说明和描述的目的，呈现了上述实施例的描述，但并不旨在穷举或限于所描述的实施例。可以使用许多替代方案、修改和变化来代替上述特定元件。

导电体16和电绝缘体18主要提供对复合结构体10的导电性和绝缘增强。然而，导电体16和电绝缘体18还可以根据导电体16和电绝缘体18以及复合结构体10的性能提供结构增强。

除了cu或ag之外的金属粒子和合金，ti可以用于导电体16中，并且也可以使用可能的非金属增强剂(缓冲剂、稳定剂、封端剂(cappingagent)等)。此外，可以组合或层叠多个金属微粒子合金以对导电体16的最终性能提供特定的增强。然而，期望导电体16内的粒子通常在足够低以不会损坏复合结构体10的温度下，并且在低于金属粒子的熔点的温度下固化、烧结、组合或聚集。

导电体16还可以包括除银以外含有少量钛(ti)的制剂。通过将碳的薄表面层转化为碳化钛(tic)，钛可促进与碳纤维的粘合性。导电体16中的高导电性银对碳具有较小的亲和力，因此在tic的顶部形成较厚但附着的层。

最后，尽管上述描述涉及飞机和航空航天交通工具、结构和应用，但本发明也适用于其它交通、结构和应用。意在本发明的范围不受该详细描述的限制，而是由其所附权利要求限制。

进一步地，本公开包括根据以下项的实施例：

1.一种用于制造具有增强的导电性的复合结构体的方法，包括：

通过装配一个或多个复合层形成层压叠层，其中，复合层预浸渍有树脂；

在固化层压叠层之前将一个或多个导电体放置在复合层中的至少一个上；以及

固化包括复合层和导电体的层压叠层，以产生复合结构体；

其中，导电体包括导电油墨和导电涂料中的至少一种。

2.根据项1的方法，其中，当形成层压叠层时，复合层是未固化的复合层。

3.根据项1的方法，进一步包括在固化层压叠层之前，在导电体中的至少一个上放置一个或多个附加复合层。

4.根据项3的方法，其中，导电体在复合结构体内部。

5.根据项1的方法，其中，导电体中的至少一个放置在层压叠层的表面层的至少一部分上。

6.根据项1的方法，其中，通过在复合层上沉积一个或多个导电层而将导电体放置在复合层上。

7.根据项1的方法，其中，导电体包括在复合结构体内或在复合结构体上的电路迹线图案。

8.根据项1的方法，其中，导电体放置在复合层的不同层上。

9.根据项1的方法，其中，导电体提供在复合层之间的至少一个导电路径。

10.根据项1的方法，其中，导电体具有不同的厚度。

11.根据项1的方法，其中，导电体中至少一个在层压叠层的固化之前被干燥。

12.根据项1的方法，其中，导电油墨或导电涂料由包含低温烧结剂的制剂中包含铜和银中的至少一种的多个粒子组成。

13.根据项12的方法，其中，粒子的尺寸使得能够在用于固化层压叠层的温度下进行烧结。

14.根据项1的方法，进一步包括在固化层压叠层之前，将一个或多个电绝缘体放置在复合层中的至少一个中的导电体中的一个或多个附近。

15.根据项1的方法，其中，层压叠层在约100℃和约200℃之间的温度下固化。

16.一种具有增强的导电性的复合结构体，包括：

(a)层压叠层，包含：

(1)一个或多个复合层，其中，复合层预浸渍有树脂，以及

(2)一个或多个导电体，放置在复合层中的至少一个上，其中，复合层中的至少一个是未固化的复合层；

(b)其中，包括复合层和导电体的层压叠层是固化的层压叠层。

17.根据项16的复合结构体，进一步包括放置在导电体中的至少一个上的一个或多个附加复合层。

18.根据项17的复合结构体，其中，导电体在复合结构体内部。

19.根据项16的复合结构体，其中，导电体中的至少一个放置在层压叠层的表面层的至少一部分上。

20.根据项16的复合结构体，其中，导电体包括沉积在复合层上的一个或多个导电层。

21.根据项16的复合结构体，其中，导电体包括在复合结构体内或在复合结构体上的电路迹线图案。

22.根据项16的复合结构体，其中，导电体放置在复合层中的不同层上。

23.根据项16的复合结构体，其中，导电体在复合层之间提供至少一个导电路径。

24.根据项16的复合结构体，其中，导电体具有不同的厚度。

25.根据项16的复合结构体，其中，导电油墨或导电涂料由包含低温烧结剂的制剂中包含铜和银中的至少一种的多个粒子组成。

26.根据项26的复合结构体，其中，粒子的尺寸使得能够在用于固化层压叠层的温度下进行烧结。

27.根据项16的复合结构体，进一步包括一个或多个电绝缘体，放置在复合层中的至少一个中的导电体中的一个或多个附近。

28.一种具有增强的导电性的飞机，包括：

复合结构体，包括：

(a)层压叠层，包括：

(1)一个或多个复合层，其中，复合层预浸渍有树脂，以及

(2)一个或多个导电体，放置在复合层中的至少一个上，其中，复合层中的至少一个是预浸渍有树脂的未固化复合层；

(b)其中，包括复合层和导电体的层压叠层是固化的层压叠层。

29.根据项28的飞机结构，其中，复合结构体包含复合材料，复合材料由碳纤维增强聚合物(cfrp)形成，并且导电体形成雷电防护系统的、电磁效应(eme)管理系统、或接地系统的一部分。

30.根据项28的飞机结构，进一步包括放置在导电体上中的至少一个上的一个或多个附加复合层。

31.根据项30的飞机结构，其中，导电体在复合结构体内部。

32.根据项28的飞机结构，其中，导电体中的至少一个放置在层压叠层的表面层的至少一部分上。

33.根据项28的飞机结构，其中，导电体包括沉积在复合层上的一个或多个导电层。

34.根据项28的飞机结构，其中，导电体包括在复合结构体内或在复合结构体上的电路迹线图案。

35.根据项28的飞机结构，其中，导电体放置在复合层中的不同层上。

36.根据项28的飞机结构，其中，导电体在复合层之间提供至少一个导电路径。

37.根据项28的飞机结构，其中，导电体具有不同的厚度。

38.根据项28的飞机结构，其中，导电油墨或导电涂料由包含低温烧结剂的制剂中包含铜和银中的至少一种的多个粒子组成。

39.根据项38的飞机结构，其中，粒子的尺寸使得能够在用于固化层压叠层的温度下进行烧结。

40.根据项28的飞机结构，进一步包括一个或多个电绝缘体，放置在复合层中的至少一个中的导电体中的一个或多个附近。