專利名稱：：飛機(jī)中使用的低密度雷擊防護(hù)物的制作方法飛機(jī)中使用的低密度雷擊防護(hù)物
背景技術(shù)：
：飛機(jī)才幾身的外表面通常由復(fù)合材料、鋁和/或鋼制成。當(dāng)由鋁或鋼制成時(shí)，飛機(jī)具有高導(dǎo)電路徑，類似法拉第籠，且電流可以從雷擊的進(jìn)入點(diǎn)(entrypoint)穿過(guò)該外表面到達(dá)引出點(diǎn)(exitpoint)且不會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞飛機(jī)。但是，具體就現(xiàn)代飛機(jī)(和飛機(jī)零件)而言，越來(lái)越多地采用復(fù)合材料以降低飛機(jī)重量。這些材料通常包含碳或石墨纖維，由于碳或石墨的較低電導(dǎo)率，該材料不能提供與全金屬結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。目前，用于復(fù)合材料(如在飛機(jī)構(gòu)造中使用者)的雷擊防護(hù)物使用嵌入到粘附在復(fù)合材料表面上的表面薄膜中的多孔金屬網(wǎng)(絲網(wǎng))以消耗雷擊引發(fā)的能量。絲網(wǎng)可以嵌入表面薄膜中或單獨(dú)使用。美國(guó)專利5,470,413論述了將絲網(wǎng)嵌入表面薄膜的方法。美國(guó)專利5,417,385論述了制造具有雷擊防護(hù)層的結(jié)構(gòu)。有時(shí)使用表面薄膜的附加層(extralayer)以確保用于上漆的光滑表面和防止微裂紋。如果使用鋁作為絲網(wǎng)，也可以使用附加的玻璃纖維隔離層以防止電偶腐蝕。飛機(jī)和航天工業(yè)使用某些復(fù)合材料提供雷擊防護(hù)。一種這樣的復(fù)合材料使用嵌入待保護(hù)部件表面中或置于該表面上的0.040lb/ft2(186克/平方米(gsm))面密度的銅絲網(wǎng)。0.030lb/ft2(140gsm)面密度的表面薄膜(表面薄膜通常是含有填料和改性劑的粘合劑或環(huán)氧樹(shù)脂)通常與復(fù)合結(jié)構(gòu)和銅絲網(wǎng)一起固化，獲得0.0701b/ft2(326gsm)總面密度。但是，由于擔(dān)心表面薄膜微開(kāi)裂，有時(shí)加入附加的粘合劑層。所得面密度為約0.10lb/ft2(466gsm)。另一復(fù)合結(jié)構(gòu)使用置于待保護(hù)部件表面上的0.016lb/ft2(74gsm)面密度的鋁絲網(wǎng)。在鋁絲網(wǎng)上放置0.051b/ft2(232gsm)的表面薄膜。如果部件材料是碳復(fù)合材料，則鋁絲網(wǎng)還需要通常0.091lb/ft2(423gsm)的玻璃纖維隔離層。由于鋁的導(dǎo)電性不如銅，因此隔離層被提供用于防止與下方的碳復(fù)合材料的電偶腐蝕，而且其也有助于雷擊防護(hù)。復(fù)合結(jié)構(gòu)的總面密度為0.157lb/ft27(730gsm)。降低雷擊防護(hù)材料的密度是有意義的。此領(lǐng)域內(nèi)的研究集中于使用金屬粒子、箔和/或絲網(wǎng)。實(shí)例包括以油漆形式施加的銅粉和嵌入環(huán)氧聚合物涂層或其它聚合物涂層中的銅絲網(wǎng)。在一些實(shí)施方案中，這些材料提供充分的雷擊防護(hù)。但是，至少部分由于金屬粒子/絲網(wǎng)和聚合物之間的熱膨脹系數(shù)(CTE，s)差異，這些材料可能在飛機(jī)在飛行條件下經(jīng)歷的熱循環(huán)狀況過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋。也就是說(shuō)，在高海拔處，飛機(jī)(和雷擊防護(hù)材料)承受相對(duì)較低的溫度，而在地面上，飛機(jī)暴露在相對(duì)較高的溫度下。溫度變化可能是極端的，如果雷擊防護(hù)材料中所用的導(dǎo)電材料和聚合物具有明顯不同的CTE，s，就會(huì)導(dǎo)致微裂紋。這種微裂紋會(huì)導(dǎo)致濕氣或化學(xué)品進(jìn)入復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而可能降低結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。提供密度低于目前所用的雷擊防護(hù)材料并且能夠經(jīng)受飛機(jī)在使用條件下經(jīng)歷的熱循環(huán)的雷擊防護(hù)材料是有利的。本發(fā)明提供了這類雷擊防護(hù)材料、包括這些材料的飛機(jī)和飛機(jī)部件、以及制備這些材料的方法。對(duì)本發(fā)明而言，術(shù)語(yǔ)"飛機(jī)部件"意圖包括飛機(jī)的各種零件，包括但不限于飛機(jī)的機(jī)身部分、飛機(jī)的各種操縱面(如襟翼、活動(dòng)輔助翼、尾翼等)、以及飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)及其各種部件(發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)搶、吊架(pylon)等)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開(kāi)了雷擊防護(hù)材料、其制備方法及用途。還公開(kāi)了包括由上述材料形成的雷擊防護(hù)層最外層的復(fù)合材料，該復(fù)合材料用于形成包含該復(fù)合材料的飛機(jī)和飛機(jī)部件的外部的一部分。通過(guò)在飛機(jī)或獨(dú)立的飛機(jī)部件的外部施加底漆、油漆、薄膜或粘合層中的一種或多種來(lái)制造雷擊防護(hù)材料，其中底漆、油漆、薄膜或粘合層包括在含聚合物的載體中的低密度導(dǎo)電納米粒子。低密度導(dǎo)電納米粒子理想地以基本均勻的方式遍布在整個(gè)含聚合物的載體中。理想地，含聚合物的載體包括熱固性和/或熱塑性聚合物，或在固化前包括構(gòu)成熱固性聚合物的單體。合適的聚合物的一個(gè)實(shí)例是環(huán)氧樹(shù)脂，其在固化時(shí)在其施加表面上形成熱固性聚合物。在使用中，施8加該材料作為用于形成飛機(jī)結(jié)構(gòu)元件的金屬或復(fù)合材料的頂層，其可以任選包括底漆和/或油漆外涂層。低密度導(dǎo)電納米粒子可以包括各種此類材料中的一種或多種，包括碳納米管、碳納米纖維、金屬納米線、金屬粉末、金屬涂布的玻璃或聚合微球等。使用薄膜層可以提供比底漆或油漆層更高的導(dǎo)電納米粒子負(fù)載量，并由此可以提供更高的雷擊防護(hù)水平。在本發(fā)明的一方面，該材料包括金屬粉末(如銅粉)、碳納米管或納米纖維(也已知為多壁碳納米管的一種類型(除非針對(duì)特定用途使用不同的名稱，其統(tǒng)稱為碳納米管)和含聚合物的載體的組合。載體可以是油漆、底漆或聚合物涂層(如表面薄膜或粘合劑)形式。金屬粉末與碳納米管的組合實(shí)現(xiàn)了至少兩個(gè)目的。第一，可以獲得與單獨(dú)的金屬粉末幾乎相同的雷擊防護(hù)，但具有更低的總密度。第二，碳納米管與金屬粉末的混合物產(chǎn)生的層的熱膨脹系數(shù)(CTE)比只含金屬粉末或碳納米管的層更接近下方層。該層的CTE越接近下方層，在該層經(jīng)受飛機(jī)在正常運(yùn)行下遇到的溫度擺動(dòng)時(shí)發(fā)生層離的可能性就越小。在這方面，金屬粉末通常具有4納米至100微米的粒度。理想地，粒子的尺寸設(shè)為提供足以用作雷擊防護(hù)材料的電性質(zhì)(即電導(dǎo)率)。粒子的形狀可以是不規(guī)則的，或者是光滑和圓形的，或具有紋理(texture)。合適的起紋理的粒子(texturedparticles)的一個(gè)實(shí)例是將碳納米管嵌入銅中的"釘狀(spiky)"銅粉。盡管不希望受制于特定理論，但人們認(rèn)為碳納米管的存在使聚合物的CTE更接近金屬粉末，因此該材料可以承受與飛機(jī)在飛行中經(jīng)受的條件相關(guān)的熱循環(huán)狀況。金屬粉末如銅粉與金屬粉末/碳納米管總量的重量比可以為約0.2至約0.999。金屬粉末/碳納米管與聚合物的重量比可以為約0.1至約0.8。碳納米管/金屬粉末的濃度足以使施加了該材料的飛機(jī)的表面電阻率低到足以耗散雷擊能量且不破壞下方的層(即復(fù)合材料中在雷擊防護(hù)層下方的層)。復(fù)合材料可以包括一層或多層油漆、底漆和/或包括金屬粉末/碳納米管的薄膜，并可以任選包括隔離層，特別是在不使用這種隔離層時(shí)材料的電阻率沒(méi)有低到足以提供充分防護(hù)的情況下。9在本發(fā)明的另一方面，低密度金屬絲網(wǎng)如銅絲網(wǎng)(即，密度為約0.03lb/ft2)可以用在聚合物薄膜(即，密度為約0.02lb/ft2)中的碳納米管(CNT)或石墨納米薄片來(lái)增強(qiáng)。在這方面，該材料是薄膜形式，而非油漆或底漆。碳納米管可以以低至表面薄膜重量的約1重量％存在?？梢詢?yōu)化CNT重量以匹配銅絲網(wǎng)CTE，由此使微裂紋最小化并能夠使用更輕的表面薄膜?？梢允褂眠@種組合提供面密度為約0.05lb/ft2的雷擊防護(hù)系統(tǒng)。更低密度的金屬絲網(wǎng)也可以與聚合物薄膜中的金屬粉末和碳納米管或石墨納米薄片的組合一起使用。在本發(fā)明的另一方面，雷擊防護(hù)材料包括金屬涂布的(例如，銀涂布的)中空玻璃微球和/或金屬涂布的碳納米管(統(tǒng)稱為銀粒子)。盡管不希望受制于特定理論，但人們認(rèn)為金屬涂層有助于粒子分散在薄膜、底漆或油漆中。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)化學(xué)鍍(electrolessplating)來(lái)將銀涂層施加到碳納米管上，并認(rèn)為這改進(jìn)了涂有該材料的復(fù)合材料的界面粘附?？梢詫?duì)金屬涂布的粒子進(jìn)行預(yù)處理，如氧化、敏化處理和活化處理，這可以在粒子上引入各種官能團(tuán)。這些官能團(tuán)可以改進(jìn)粒子向油漆、底漆或薄膜中的分散，增加活化位點(diǎn)數(shù)量并降低沉積速率，即，需要施加多少材料來(lái)實(shí)現(xiàn)足以提供雷擊防護(hù)的電導(dǎo)率。使用具有金屬涂層的微球有助于使金屬保持分散在油漆中，因?yàn)榻饘偻坎己?求的密度與油漆相似，而金屬粉末往往比油漆更稠密。對(duì)多數(shù)方面而言，可以使用多層來(lái)實(shí)現(xiàn)所需雷擊防護(hù)效果。例如，復(fù)合材料可以包括一層或多層金屬涂布粒子如涂銀粒子、以及玻璃纖維隔離層和/或碳納米管層。另一方面，可以僅將碳納米管添加到聚合物薄膜、油漆或底漆中。由于10,10扶手椅型構(gòu)型的碳納米管具有接近銅的電阻率并且比銅輕六倍，其對(duì)于雷擊防護(hù)系統(tǒng)的重量減輕具有最高潛力。納米管可以通過(guò)各種方法定向。可以研究枳4成、化學(xué)和;磁方法以4吏納米管定向。例如，納米管可以與粘合劑混合并擠出成薄膜涂層以實(shí)現(xiàn)約20%管的定向?？梢允惯M(jìn)給螺桿(feedscrew)振動(dòng)以改進(jìn)納米管在流動(dòng)方向上的定向(類似于用于再生熱塑性材料的振動(dòng)注射成型)?？梢詫⒓{米管官能化以與各納米管的尾部或頭部反應(yīng)，從而使其自組裝(類似于脂質(zhì)雙層組裝)。但是，該實(shí)施方案要求優(yōu)化納米管負(fù)載量，以使納米管彼此吸引，同時(shí)也確保環(huán)氧基團(tuán)不與納米管上的官能團(tuán)反應(yīng)。最后，可以制造納米管以使鎳粒子粘附到一端上?？梢詫嗚F合金納米粒子和碳納米管(帶有鎳粒子)添加到粘合劑、底漆或油漆中，并施加^t場(chǎng)以使納米管定向。另一方面，使用已經(jīng)在面內(nèi)定向的石墨納米薄片(20至60重量%)來(lái)取代傳統(tǒng)雷擊防護(hù)材料中所用的金屬絲網(wǎng)。在此方面，該材料為薄膜、油漆或底漆形式。薄片可以做得更大以比碳納米管更充分地覆蓋面積，且納米薄片明顯不如單壁碳納米管昂貴。薄片無(wú)需完全剝離以最有效地工作(即，在整個(gè)厚度內(nèi)更大的接觸面積)。人們相信，穿過(guò)各薄片的電阻率在導(dǎo)電金屬的范圍內(nèi)，或例如可以通過(guò)用導(dǎo)電金屬涂布各薄片來(lái)調(diào)節(jié)。在本發(fā)明的另一方面，可以在聚合物薄膜、油漆或底漆中使用金屬納米棒/納米線/納米束(統(tǒng)稱為納米線)以提供抗雷擊性。由于它們較高的電導(dǎo)率，銅、銀或鋁納米線是優(yōu)選的。可以將納米線添加到現(xiàn)有的金屬絲網(wǎng)和聚合物中，或代替金屬絲網(wǎng)使用。在本發(fā)明的另一方面，可以將已經(jīng)改性以降低其固有電阻率的納米管或其它納米粒子添加到薄膜、底漆或油漆中。例如，全金端接的(entirelygoldend-bonded)多壁碳納米管具有比未改性的單壁碳納米管高得多的電導(dǎo)率(Phys.Rev.Lett.96057001，其全文經(jīng)此引用并入本網(wǎng)。在本發(fā)明的另一方面，可以例如使用溶劑過(guò)濾法來(lái)將碳納米管、石墨納米薄片或其它納米粒子制成紙或氈?？梢栽谠旒埢蛟鞖诌^(guò)程中使用增粘劑或粘合劑、纖維或其它粒子以幫助加工?？梢圆捎妙A(yù)浸料坯或液體成型法，用樹(shù)脂浸漬這種納米增強(qiáng)的紙或氈，隨后通過(guò)將樹(shù)脂浸漬的紙或氈成型為所需形狀并固化該樹(shù)脂來(lái)將所得紙或氈成型為復(fù)合材料層。在本發(fā)明的最終方面，可以將該碳納米管、石墨納米薄片或其它納米粒子紡成紗線或拉伸成薄膜。紗線可以紡成放置到預(yù)浸料坯上并用樹(shù)脂滲透的布或編織物或纖維。碳納米管、金屬粉末/碳納米管混合物、用碳納米管增強(qiáng)的低密度金屬絲網(wǎng)、金屬涂布粒子和/或定向石墨納米薄片的使用可以提供顯著的減重和/或縮短的制造周期。理想地，復(fù)合材料提供充足的雷擊防護(hù)以至少通過(guò)區(qū)域2A雷擊試驗(yàn)，更優(yōu)選可以通過(guò)區(qū)域1A雷擊試驗(yàn)。此外，該材料理想地具有用于飛機(jī)制造和應(yīng)用的合意的熱循環(huán)性能。例如，優(yōu)選當(dāng)該表面薄膜、底漆涂層或油漆層暴露在-65。F至160。F的熱循環(huán)下時(shí)在至少2000次循環(huán)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生微裂紋。這些低密度材料不僅可用于制備雷擊防護(hù)材料(如飛機(jī)和飛機(jī)部件的外部)，也可用在它們的修理中。參考下列詳述，容易理解包括本文中所述的低密度材料的薄膜、油漆和底漆在修理領(lǐng)域中的用途。圖l是顯示碳納米纖維(多壁紙杯(Dkiecup)構(gòu)型)的示意圖。圖2是顯示單壁碳納米管(SWCNT)構(gòu)型的示意圖。圖3提供了顯示Cu-VGCF復(fù)合粒子在(a)1Ccm-2，(b)5Ccm-2，和(c)15Ccm-2處生長(zhǎng)的顯微照片。與(a)-(c)對(duì)應(yīng)的放大圖顯示在(d)-(f)中。(由下述文件復(fù)制Arai，S.;Endo，M.(2003)carbonnanofiber-coopercompositepowderpreparedbyelectrodeposition(通過(guò)電；冗積制成的碳納米纖維-銅復(fù)合4分末)，五/e"rac/2em&^yCowmwm'ca"ora5,797-799)。圖4是顯示層壓制件形式的傳統(tǒng)雷擊防護(hù)材料的示意圖。圖5是顯示在雷擊防護(hù)復(fù)合材料的表面層中使用納米增強(qiáng)材料的示意圖。具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明，本文描述了為復(fù)合結(jié)構(gòu)(如飛機(jī)工業(yè)中所用的那些)提供雷擊防護(hù)的雷擊防護(hù)材料。一方面，該材料包括如圖1中所示的包含銅粒子和碳納米纖維(CNF，s)的"碳納米管-銅"粉末。另一方面，該材料包括如圖2中所示的碳納米管(CNT，s)，該CNTs可任選鍍以例如銅的金屬。在任一實(shí)施方案中，金屬粉末與CNF，s或CNT，s的混合物基本分散在表面薄膜、底漆或油漆上或分散在其中以形成雷擊防護(hù)材料。包含碳納米管-金屬粉末或CNT，s的底漆或油漆可以通過(guò)如噴涂的傳統(tǒng)方式施加在復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面上以形成雷擊防護(hù)材^"。當(dāng)以表面薄膜形式形成時(shí)，雷擊防護(hù)材料可以與復(fù)合結(jié)構(gòu)一起固化。在表面薄膜上或遍布在表面薄膜中或在底漆或油漆中的碳納米管-銅粉或CNT，s的量的濃度足以提供足夠低的表面電阻率以耗散雷擊能量，并顯著防止對(duì)雷擊防護(hù)材料下方的復(fù)合結(jié)構(gòu)的層的破壞。如果需要，也可以將該碳納米管-金屬粉末或CNT，s添加到帶有輕質(zhì)金屬絲網(wǎng)的聚合物中。本發(fā)明的碳納米管-金屬粉末-或CNT-增強(qiáng)的油漆、底漆或表面薄膜可以達(dá)到區(qū)域1A雷擊防護(hù)要求，并降低復(fù)合板的重量。此外，本發(fā)明的雷擊防護(hù)材料在至少2,000次熱循環(huán)中不會(huì)產(chǎn)生微裂紋。與傳統(tǒng)材料相比，用碳納米管-金屬粉末或CNT，s取代多孔金屬絲網(wǎng)可以明顯減輕重量并縮短制造周期。下面更詳細(xì)描述本發(fā)明的這些和其它方面。參照下列詳述并根據(jù)下列定義，可以更好地理解本發(fā)明。如本文中所用的，本文中描述了雷擊防護(hù)材料，其為復(fù)合結(jié)構(gòu)(如飛機(jī)和航天工業(yè)中所用的那些)提供雷擊防護(hù)。各種適4元性認(rèn)證機(jī)構(gòu)擬定了飛機(jī)制造廠必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)?；诶讚舻目赡苄院屠讚糁猩傻睦纂娏鞯目赡軓?qiáng)度，官方機(jī)構(gòu)對(duì)每架飛機(jī)指定了不同的潛在雷擊區(qū)域以及這些區(qū)域中的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)必須耐受的可能的電流波形。這些區(qū)域被標(biāo)示為區(qū)域1A和1B、區(qū)域2A和2B、及區(qū)域3。這些區(qū)域在美國(guó)專利5,417,385和SAEARP5414中已經(jīng)定義，并且為本領(lǐng)域技術(shù)人員所充分理解。飛機(jī)的表面可以分成被稱作雷擊區(qū)域的一組區(qū)域。這些區(qū)域代表了可能經(jīng)受各種類型的雷電流并因此經(jīng)受雷電環(huán)境的各種要素(components)的區(qū)域。有三個(gè)主要分區(qū)，代表了1.可能經(jīng)受最初雷擊附著(lightningattachment)和首次回?fù)舻膮^(qū)域。2.不可能經(jīng)受首次回?fù)簦赡芙?jīng)受后繼回?fù)舻膮^(qū)域。當(dāng)飛機(jī)相對(duì)于閃電通道運(yùn)動(dòng)而造成從前方的初始附著點(diǎn)向后掃過(guò)通道時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。3.不可能經(jīng)受任何電弧附著但必須在附著點(diǎn)之間傳導(dǎo)電流的區(qū)13域。區(qū)域1和2細(xì)分成如下的具體雷擊附著區(qū)域區(qū)域1A和2A,在該區(qū)域閃電通道不可能長(zhǎng)時(shí)糾纏(hang-on),因?yàn)轱w機(jī)相對(duì)于該通道的運(yùn)動(dòng)造成附著點(diǎn)以與該運(yùn)動(dòng)方向相反的方向劃過(guò)飛才凡表面。區(qū)域IB和2B,在該區(qū)域閃電通道附著點(diǎn)在閃電殘余過(guò)程中不可能移動(dòng)，因?yàn)樵撐恢檬呛缶壔虼笠?largepromontory)，飛機(jī)和通道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不能從此處進(jìn)一步掃過(guò)附著點(diǎn)。最后，另一區(qū)域(區(qū)域1C)被定義為其中根據(jù)電流參數(shù)沿閃電通道的變化和附著點(diǎn)掃過(guò)飛機(jī)表面所花費(fèi)的時(shí)間，對(duì)飛機(jī)的威脅降低。具體區(qū)域定義如下區(qū)域1A-首次回?fù)魠^(qū)域在閃電通道附著過(guò)程中可能以低閃電糾纏(hang-on)期望值發(fā)生首次回?fù)舻娘w機(jī)表面的所有區(qū)域。區(qū)域IB-具有長(zhǎng)時(shí)糾纏的首次回?fù)魠^(qū)域在閃電通道附著過(guò)程中可能以高閃電糾纏期望值發(fā)生首次回?fù)舻娘w機(jī)表面的所有區(qū)域。區(qū)域1C-首次回?fù)舻倪^(guò)渡區(qū)域在閃電通道附著過(guò)程中可能以低閃電糾纏期望值發(fā)生幅度降低的首次回?fù)舻娘w機(jī)表面的所有區(qū)域。區(qū)域2A-掃及(swept)雷擊區(qū)域其中后繼回?fù)艨赡芤缘烷W電糾纏期望值被掃過(guò)的飛機(jī)表面的所有區(qū)域。區(qū)域2B-長(zhǎng)時(shí)糾纏的掃及雷擊區(qū)域其中帶有后繼回?fù)舻拈W電通道可能以高的閃電糾纏期望值被掃過(guò)的飛機(jī)表面的所有區(qū)域。區(qū)域3不可能發(fā)生閃電通道的任何附著的不在區(qū)域1A、1B、1C、2A或2B中的那些區(qū)域，以及飛才幾位于其它區(qū)域下方或之間和/或在直接或掃及雷擊附著點(diǎn)之間傳導(dǎo)相當(dāng)大量電流的那些部分。14任何飛機(jī)上的雷擊區(qū)域位置取決于飛機(jī)的幾何形態(tài)和操作因素，并通常隨飛機(jī)的不同而變。適航性官方機(jī)構(gòu)指定了飛機(jī)制造廠必須遵守的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)各飛機(jī)部件指定不同的潛在雷擊區(qū)域，并指定電流波分量。該結(jié)構(gòu)必須耐受這種雷擊而不會(huì)穿透該部件的厚度。飛機(jī)部件在地到空到地運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)受熱循環(huán)。這種熱循環(huán)可能在表面薄膜內(nèi)造成微裂紋。這種微裂紋可能延伸到復(fù)合結(jié)構(gòu)中，從而因暴露在濕氣和/或其它化學(xué)品中而造成永久破壞。因此，最好配制該表面薄膜以使其當(dāng)暴露在-65。F至160。F的熱循環(huán)下時(shí)在至少2,000個(gè)循環(huán)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生微裂紋。開(kāi)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)以配制符合如下指定的區(qū)域1A雷擊和微裂紋試驗(yàn)的納米復(fù)合薄膜、底漆和油漆。雷擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)1-當(dāng)量面密度表1列出了各種金屬和納米粒子的電阻。在金屬中，銀提供最低的電阻率，其次是銅和鋁。鎳和青銅的電阻率較高。在現(xiàn)有技術(shù)的航空結(jié)構(gòu)和部件中已經(jīng)使用鎳和青銅提供雷擊防護(hù)；但與本文所述的材料相比，這些金屬的使用通常造成對(duì)碳/環(huán)氧板的更大的雷擊破壞。表l:各種材料的電阻率<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表2列出了各種納米增強(qiáng)材料的材料性質(zhì)。例如鋁和可以包含該材料的環(huán)氧基質(zhì)之類的標(biāo)準(zhǔn)材料被包括作為基線，通過(guò)該基線來(lái)比較納米增強(qiáng)材料的性質(zhì)。表2:候選納米增強(qiáng)材料性質(zhì)模量GPa熱導(dǎo)率W/mK電阻率(Microohms/cm)碳納米纖維3005-200050-100碳納米管100040-40002-50石墨納米薄片10003000050銀納米線220約4003AS4石墨纖維230201500環(huán)氧基質(zhì)70絕緣體絕緣體4呂702202.8表3列出了雷擊系統(tǒng)的各種面密度。如下所示，參照鋁絲網(wǎng)系統(tǒng)，納米增強(qiáng)系統(tǒng)的面密度提供比鋁明顯更低的面密度，并相應(yīng)提供顯著的重量減輕。表3-雷擊系統(tǒng)的面密度層鋁絲網(wǎng)系統(tǒng)的面密度(gms)納米增強(qiáng)的鋁絲網(wǎng)系統(tǒng)的面密度(gsm)C-SWNT(10,10)系統(tǒng)的面密度(gsm)總系統(tǒng)355310135與鋁基線相比的重量減輕12.5%62%符合雷擊防護(hù)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是要等于或小于銅絲網(wǎng)基線的最小面密度。對(duì)工業(yè)用途而言，作為對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中常用的薄表層復(fù)合結(jié)構(gòu)造成最小破壞的基線銅絲網(wǎng)面密度，0.029lb/ft2(135gsm)是可接受的。可以使用電阻與密度差的比率來(lái)計(jì)算當(dāng)量面密度。例如，假定0.029lb/ft2(135gsm)的可接受的基線銅面密度，在0.5或0.015lb/ft216(70gsm)的因數(shù)下計(jì)算鋁的面密度，其中0.016lb/ft2(74gsm)是可接受的面密度。鋁的較輕密度足以補(bǔ)償與銅相比提高的電阻，從而得到總體上更輕的絲網(wǎng)。但是，所需的重玻璃纖維隔離層抵消了這種重量?jī)?yōu)勢(shì)。由于鎳具有與銅類似的密度，其需要約四倍的面密度以提供相同的雷擊防護(hù)。銀的導(dǎo)電性略高一些且略重，因此其需要與銅大致相同的面密度以提供相同的雷擊防護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)2-連貫性和最大間隙符合雷擊防護(hù)的另一標(biāo)準(zhǔn)是作為導(dǎo)電連貫性和最大間隙而設(shè)定的?，F(xiàn)有技術(shù)的多孔銅絲網(wǎng)具有足以將電導(dǎo)向板邊緣(其在此接地)的連貫性。粒子之間可能具有一些間隙，它們可以通過(guò)表面上的等離子充電來(lái)克服。0.029lb/ft2(135gsm)的銅絲網(wǎng)的最大間隙為0.125英寸(3.18毫米)。這可以用作將粒子或紗線之間所需的最大間隙設(shè)定至小于0.120英寸(3.05毫米)的指導(dǎo)。所選納米粒子的電阻率和長(zhǎng)徑比決定了該標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)與粒子，尤其是納米粒子一起使用時(shí)，這種間隙標(biāo)準(zhǔn)是重要的。全文經(jīng)此引用并入本文的Shaw等人(2004)Ontheimprovedpropertiesofinjection-molded,carbonnanotube-filledPET/PVDFblends(關(guān)于注射成形的、碳納米管填充的PET/PVDF混合物的改進(jìn)性質(zhì))，Jowr"a/Power5bwrces136,37-44中報(bào)道了通過(guò)在聚對(duì)苯二曱酸乙二酯和聚偏二氟乙烯的混合物中的聚對(duì)笨二曱酸乙二酯(PET)層中含有CNT，s，與在相同碳載量下充分分散的CNT-填充PET相比的2500%的電導(dǎo)率改進(jìn)。通過(guò)在PET層內(nèi)含有CNT，s,聚合物中存在連續(xù)導(dǎo)電路徑。標(biāo)準(zhǔn)3-熱循環(huán)和開(kāi)裂現(xiàn)有技術(shù)的雷擊防護(hù)材料包括嵌入粘合膜中的金屬絲網(wǎng)。在熱循環(huán)后，這類現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中的開(kāi)裂通常在金屬絲網(wǎng)的邊界處發(fā)生?？梢岳缡褂脙蓚€(gè)薄膜或厚度為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中的絲網(wǎng)/薄膜層的兩倍的薄膜來(lái)延緩微裂紋的開(kāi)始?？梢酝ㄟ^(guò)粘合劑內(nèi)銅絲網(wǎng)的重量分?jǐn)?shù)和所造成的熱膨脹系數(shù)失配來(lái)解釋這種開(kāi)裂。熱膨脹應(yīng)力，c/(公式l)也是臨界應(yīng)力的分量，c^=￡aAr(1)其中a是CTE,且Zir是熱循環(huán)溫度i。嵌絲網(wǎng)薄膜(screenembeddedfilm)的熱膨脹otc可以使用公式2中所示的混合法則來(lái)評(píng)估，其中P^是銅的體積分?jǐn)?shù)，c^是銅的CTE,^是粘合劑基質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)，且是粘合劑基質(zhì)的CTE。嵌絲網(wǎng)薄膜的模量&也可以使用混合法則評(píng)估。相反，本發(fā)明的雷擊防護(hù)材料可以設(shè)計(jì)為使雷擊防護(hù)材料(無(wú)論是否為油漆、底漆、薄膜或粘合劑層的形式)的CTE基本類似于被其施加的下方層的CTE以使開(kāi)裂最小化。這可以例如通過(guò)明智地選擇本文所述的低密度導(dǎo)電納米粒子和聚合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，該材料可以不僅提供低密度電導(dǎo)率，還使熱循環(huán)過(guò)程中觀察到的開(kāi)裂最小化。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地使用本文提供的教導(dǎo)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電納米粒子和聚合物，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腃TE。篩選材料的一種方法包括如下所述的熱循環(huán)試樣可以在120。F和95%相對(duì)濕度下進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)。在初次調(diào)節(jié)后，停止?jié)穸瓤刂撇囟冉抵?65°F，持續(xù)最小時(shí)間。然后將試樣從-65。F到160下熱循環(huán)30分鐘，使該溫度在各溫度界限下保持恒定三分鐘，最少循環(huán)400個(gè)周期。隨后取出試樣，并目測(cè)和/或使用模滲透劑檢查表面的開(kāi)裂。這些步驟重復(fù)總共五個(gè)循環(huán)組。下面更詳細(xì)描述滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的本發(fā)明的低密度導(dǎo)電層、復(fù)合材料、包括該復(fù)合材料的飛機(jī)(和飛機(jī)部件)、和制造該復(fù)合材料的方法。I.金屬粉末/碳納米管混合物A.金屬粉末可以使用當(dāng)存在于基質(zhì)材料中時(shí)以合適的濃度提供適當(dāng)電阻率以使所得復(fù)合材料的密度可接受的任何粉末。表1列出了各種金屬和納米粒子的電阻率。18在金屬中，銀提供最低電阻率，其次是銅和鋁。鎳和青銅更高。盡管在航空航天領(lǐng)域中已經(jīng)使用鎳和青銅來(lái)提供雷擊防護(hù)，它們的使用通常造成對(duì)許多復(fù)合材料中存在的碳/環(huán)氧板的更大破壞。為此，銀和銅是優(yōu)選金屬。金屬粉末的粒度可以為約4納米至100微米，盡管優(yōu)選粒度會(huì)隨粉末是主要(primary)填料、是與CNT，s—起使用還是補(bǔ)充絲網(wǎng)而改變。選擇本文所述的各種底漆、油漆和/或薄膜中的粒度和粒子濃度以使該材料具有足夠低的密度和電導(dǎo)率。如本文所述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以改變?cè)摑舛群土６纫垣@得具有所需性質(zhì)的合適的底漆、油漆和/或薄膜層。B.碳納米纖維/納米管碳納米纖維和熱固性樹(shù)脂，以及它們?cè)诰哂袑?dǎo)電層的復(fù)合材料的補(bǔ)片中的用途。如，425專利中所教導(dǎo)的那樣，為確保表面上的電導(dǎo)率，含有小比例納米纖維或納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。從經(jīng)濟(jì)角度看，碳納米纖維(也稱作多壁碳納米管)的使用優(yōu)于成本更高的單壁或雙壁碳納米管；但是，它們的電導(dǎo)率明顯較低。相應(yīng)地，在本文所述的一些實(shí)施方案中，使用相對(duì)大量的相對(duì)低成本的碳納米纖維，從而提供某一電導(dǎo)率。在另一些實(shí)施方案中，使用相對(duì)少量的相對(duì)高導(dǎo)電的碳納米管(理想地與金屬粉末或其它導(dǎo)電材料結(jié)合)，以提供與使用更大量的導(dǎo)電性較差的碳納米纖維時(shí)相比相對(duì)等量的電導(dǎo)率。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)使用基于固體銅粒子的油漆來(lái)提供雷擊防護(hù)。但是，多數(shù)這些油漆沒(méi)有通過(guò)區(qū)域1A雷擊試驗(yàn)，因?yàn)樗鼈儾环祥g隙標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過(guò)區(qū)域2A試驗(yàn)。碳納米纖維可以在表面薄膜、底漆或油漆內(nèi)定向并與各種金屬粉末結(jié)合以提供具有合適的雷擊防護(hù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。金屬粉末與銅粉/碳納米纖維或納米管總量的重量比為約0.2至0.999。不希望受制于特定理論，但納米管被認(rèn)為有助于達(dá)到本文所述的間隙要求，其中較長(zhǎng)的納米管是優(yōu)選的。納米管也有助于通過(guò)降低基質(zhì)熱膨脹系數(shù)(CTE)來(lái)使微裂紋最小化，并能夠使用更輕的表面薄膜。復(fù)合結(jié)構(gòu)的油漆層、底漆層和/或最外層可以含有碳納米管以使表面電阻率低到足以耗散雷擊能量而不會(huì)破壞下方的層。此外，不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)碳納米管的濃度還可以通過(guò)這些納米管的定向來(lái)改變電阻率。用碳納米管取代現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的多孔金屬箔可以提供顯著的重量減輕和/或縮短的制造周期。納米管可以通過(guò)各種方法定向，包括機(jī)械、化學(xué)和-茲方法。例如，例如，納米管可以與粘合劑混合并擠出成薄膜涂層?？梢允惯M(jìn)給螺桿振動(dòng)以改進(jìn)纖維在流動(dòng)方向上的定向(類似于用于再生熱塑性材料的振動(dòng)注射成型)?？梢詫⒓{米管官能化以與各納米管的尾部或頭部反應(yīng)，從而使其自組裝(類似于脂質(zhì)雙層組裝)。但是，這涉及優(yōu)化納米管負(fù)載量，以使納米管彼此吸引，同時(shí)也確保用于形成包含該納米管的層的熱固性單體(即環(huán)氧樹(shù)脂)不會(huì)干擾該方法。另外，可以制備納米管以使鎳粒子粘附到一端上?？梢詫嗚F合金納米粒子和碳納米管(帶有鎳粒子)添加到粘合劑、底漆或油漆中，并施加;st場(chǎng)以使納米管定向。碳納米管可以紡成紗線或繩束并織成織物或成型為紙或氈以取代多孔金屬絲網(wǎng)。c.碳納米管/金屬粉末混合物的原位制備可以使用鍍銅浴通過(guò)電沉積法制備碳納米管-銅復(fù)合粉末。該浴含有均勻分散的碳納米管。具有刺球(spikyball)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的粒子在電鍍初期積聚在電鍍電極上，并可以容易地分離以產(chǎn)生碳納米管-銅粉。這類方法描述在Arai,S.;Endo,M.(2003)Carbonnanofiber-copercompositepowderpreparedbyelectrodeposition(通過(guò)電沉積制成的碳納米纖維-銅復(fù)合粉末),五/ecfrac/zem/s^yC。/wwwm'c加'om15，797-799,其全文經(jīng)此引用并入本文。在本發(fā)明中，納米管可以嵌入或不嵌入銅粒子中。II.銅絲網(wǎng)和碳納米粒子和/或銅刺球的組合通過(guò)將碳納米粒子(納米管和/或納米纖維)或銅刺球添加到聚合物薄膜和銅絲網(wǎng)中，可以避免與由多次熱循環(huán)中的應(yīng)力引起的裂紋有關(guān)的問(wèn)題。將銅絲網(wǎng)嵌入納米增強(qiáng)的熱固性粘合劑層中并固化。碳納米粒子或銅球的添加由于納米增強(qiáng)的表面薄膜的CTE降低以使納米增強(qiáng)的表面薄膜的CTE更接近被其施加的下方層而使微裂紋最小化。兩者越匹配，該層越不可能剝離和/或開(kāi)裂。通過(guò)添加粘合層來(lái)延遲微裂紋的開(kāi)始。對(duì)于一層粘合劑，銅的體積分?jǐn)?shù)為約16%。對(duì)于兩層粘合劑，這可以降至8%。這導(dǎo)致含絲網(wǎng)的兩層粘合膜的熱膨脹應(yīng)力的約一半。但是，這顯著提高了重量；因此優(yōu)選添加納米管以降低粘合劑的CTE?？梢约尤肷僦?重量％的單壁碳納米管以使碳納米管增強(qiáng)的粘合膜的CTE與銅絲網(wǎng)匹S己。如果使用多壁碳納米管和/或銅刺球，需要略高一些的濃度?？梢哉{(diào)節(jié)油漆或底漆中碳納米管-銅粉的濃度以幫助使油漆和其下方的材料之間的CTE差異最小化。在通過(guò)底漆或油漆層提供雷擊防護(hù)所需的電導(dǎo)率的那些部件中，這特別重要。例如，飛^/L中的某些部件用鉸鏈緊固，且"導(dǎo)電"油漆可能與鉸鏈緊固件分離。如果導(dǎo)電油漆從鉸鏈上剝離，則會(huì)損失"接地性"。導(dǎo)電油漆在使用過(guò)程中與緊固件分離的一個(gè)原因在于，在環(huán)境(熱)使用過(guò)程中在緊固件和導(dǎo)電油漆之間存在熱膨脹系數(shù)差異?？梢哉{(diào)節(jié)銅和碳納米管的使用以幫助使CTEs的失配最小化。另一方法是在輕質(zhì)多孔鋁或銅絲網(wǎng)上生長(zhǎng)碳納米管。III.金屬涂布的微球和/或碳納米管碳納米管可以使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)來(lái)用金屬如銀涂布。用銀涂布碳納米管的一種方式是如Feng和Yuan,J.Mat.Sci.，39:3241-3243(2004)中所述的化學(xué)鍍，其內(nèi)容經(jīng)此引用并入本文。通常，通過(guò)氧化、親水處理、敏化處理和/或活化處理來(lái)將碳納米管預(yù)處理，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂械偷幕瘜W(xué)反應(yīng)性，并且不充當(dāng)金屬涂層沉積的催化劑。預(yù)處理提供了能夠鍍金屬如銀的活化位點(diǎn)。也可以使用提供這類活化位點(diǎn)的其它預(yù)處理步驟?？梢岳缡褂孟跛徇M(jìn)行氧化。可以例如通過(guò)將這些管浸在酸性氯化錫溶液中、漂洗并隨后將這些管浸在酸性氯化鈀溶液中來(lái)進(jìn)行敏化和活化。在敏化、活化和化學(xué)鍍過(guò)程中，可以使用超聲來(lái)攪拌反應(yīng)混合物。這些步驟為納米管表面提供了各種官能團(tuán)，例如羧酸、酮和羥基。化學(xué)鍍可以在碳納米管上提供約10-20納米厚的金屬涂層。金屬原子橫向和垂直聚集以形成連續(xù)層。當(dāng)所用金屬是銀時(shí)，所得的涂銀碳納米管可用于提供低密度導(dǎo)電層。上述方法也可用于在中空玻璃微球上施加銀涂層。涂銀中空玻璃^f效球和/或涂4艮碳納米管在底漆、油漆、薄膜或粘合層中以足夠的濃度存在以使表面電阻率低到足以耗散雷擊能量而不會(huì)破壞下方的層。用金屬涂布微球或納米管來(lái)取代傳統(tǒng)雷擊防護(hù)材料中使用的多孔金屬絲網(wǎng)造成顯著的重量減輕和/或縮短的制造周期。微球和/或納米管的密度比金屬粒子更接近油漆的密度。例如，對(duì)于具有5微米銀涂層的70微米平均直徑微球來(lái)說(shuō)，涂銀微球的密度為約0.126lb/in3(3.5g/cm3)。初始計(jì)算預(yù)測(cè)，在表面薄膜為0.02lb/ft2時(shí)，25-35體積％的涂銀微球或涂銀碳納米管符合雷擊面密度標(biāo)準(zhǔn)，且大中空微球(即比碳納米管大)與碳納米管一起使用有助于降低達(dá)到本文所述的間隙標(biāo)準(zhǔn)的可能性。可以使用超聲喇叭(hom)/輥以幫助混合和分散粒子，以及幫助實(shí)現(xiàn)所需薄膜厚度。不希望受制于特定理論，但銀涂層據(jù)信有助于分散和提高納米管和/或微球與薄膜、底漆或油漆的粘合。在本發(fā)明的一方面，納米管與輕質(zhì)銅絲網(wǎng)結(jié)合。初始計(jì)算預(yù)測(cè)，在表面薄膜為0.02lb/ft2時(shí)，與0.015化他2銅絲網(wǎng)結(jié)合的10-20體積％的涂銀納米管產(chǎn)生0.05lb/ft2的密度，并由于納米增強(qiáng)的表面薄膜的熱膨脹系數(shù)的降低而使微裂紋最d、化。IV.碳納米管由于10,10碳納米管的電阻率接近銅并比銅輕六倍，其對(duì)于在雷擊防護(hù)系統(tǒng)的重量減輕具有最高潛力。(對(duì)于區(qū)域1A雷擊防護(hù)，聚合物薄膜中需要10-20重量％)。但是，在可以實(shí)現(xiàn)益處之前需要克服一些障礙。首先是可能需要面內(nèi)定向以將電導(dǎo)出到鉸鏈。可以通過(guò)各種方法使納米管定向。可以如上所述研究機(jī)械、化學(xué)和磁方法以使納米管定向。Collins等人在5We"ce，第292巻，4月27日，3001(其全文經(jīng)此引用并入本文)中的研究發(fā)現(xiàn)，納米管可以攜帶極高電流密度，并且在恒定電壓下，多壁納米管或單壁納米管繩的外殼氧化直至整個(gè)結(jié)構(gòu)被氧化。因此，不僅較低電阻的納米管比納米纖維優(yōu)選，而且多壁納米管和納米管繩的載流能力對(duì)雷擊防護(hù)也是理想的。一些定向技術(shù)可以提供符合間隙標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。符合間隙標(biāo)準(zhǔn)的另一方法是將納米管嵌入到在熱固性材料內(nèi)的熱塑性薄層中，反之亦然。應(yīng)使用更高載量的30至55重量。/。的單壁碳納米管以補(bǔ)償其它手性構(gòu)型管(因?yàn)殡y以分離10，10構(gòu)型)，補(bǔ)償加工對(duì)管的破壞，或補(bǔ)償管的無(wú)規(guī)定向。可以用碳納米管造紙，這有助于消除層內(nèi)間隙。通常使用溶劑過(guò)濾法造紙，并通過(guò)管之間的范德華力使紙保持在一起。但是，也可以在該方法中使用樹(shù)脂增粘劑以使管粘合在一起。這些紙可以在無(wú)規(guī)定向下制造或它們可以使用高能,茲體定向。V.納米石墨烯片和石墨納米薄片石墨烯是致密填充到苯環(huán)結(jié)構(gòu)中的碳原子單層的名稱，并廣泛用于描述許多碳基材料，包括石墨、大富勒烯、納米管等(例如碳納米管通常被認(rèn)為是巻成納米級(jí)圓筒的石墨烯片)的性質(zhì)。作為定義，石墨烯是spz鍵合碳原子的單平片。其不是碳的同素異形體，因?yàn)樵撈木哂邢薅ǔ叽缜移渌匾苑橇愕幕瘜W(xué)計(jì)量比出現(xiàn)在邊緣。典型的石墨烯具有化學(xué)式C62H2Q。石墨烯是芳香性的，并且僅包括六邊形晶胞。如果存在五邊形晶胞，則平面巻成錐形，且如果存在七邊形晶胞，則片材變成鞍形。平面石墨烯本身被認(rèn)為不以游離形式存在，對(duì)于彎曲結(jié)構(gòu)(煤煙(soot)、富勒烯和納米管)的形成來(lái)說(shuō)不穩(wěn)定。石墨烯可以優(yōu)選通過(guò)高度定向的熱解石墨(pyroliticgraphite)的小臺(tái)面(mesas)的機(jī)械剝離(反復(fù)剝離)來(lái)制備。石墨烯具有令人感興趣的電性能，其遷移率最多為104cm2V—V1,因此適用于制備本文所23述的復(fù)合材料。一層或數(shù)層石墨烯平面的納米級(jí)石墨烯片(NGP，S)有時(shí)在文獻(xiàn)中更常被稱作石墨納米薄片(GNP，s)。通常使用超聲能來(lái)剝離石墨薄片，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)聲處理時(shí)間來(lái)控制剝離程度。石墨納米薄片可以面內(nèi)定向以取代熱固性聚合物導(dǎo)電層中的現(xiàn)有技術(shù)金屬絲網(wǎng)。石墨納米薄片比單壁碳納米管便宜，并且可以以比碳納米管更充分地覆蓋飛機(jī)或飛機(jī)部件表面的尺寸制造。層的分離比薄片的完全剝落更合意，因?yàn)楦赡芘c相鄰薄片接觸，從而在樹(shù)脂中混合形成薄膜時(shí)符合間隙標(biāo)準(zhǔn)。但是，在制造隨后用樹(shù)脂浸漬的高負(fù)載石墨紙和氈時(shí)，需要完全剝落。表面薄膜、底漆或油漆中的石墨納米薄片增強(qiáng)需要高達(dá)40-60重量％以提供區(qū)域1A雷擊防護(hù)。薄片應(yīng)該面內(nèi)定向，這可以通過(guò)振動(dòng)(超聲或其它機(jī)械振動(dòng))、剪切流或共價(jià)鍵合實(shí)現(xiàn)。它們也可以用聚合物涂布并如美國(guó)專利5,846,356中所述般使用電場(chǎng)定向。石墨納米薄片也可以使用用于使碳納米管彼此共價(jià)鍵合的與美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)2005/0069701類似的技術(shù)在邊緣上彼此共價(jià)鍵合。官能團(tuán)可以連接到石墨納米薄片邊緣上并隨后彼此交聯(lián)。交聯(lián)劑應(yīng)該不能自聚合。應(yīng)該小心確保環(huán)氧基質(zhì)也交聯(lián)到薄片表面上。如果這不發(fā)生，則會(huì)發(fā)生薄片的層之間的開(kāi)裂，這是不可接受的?？梢栽跓崴苄运芰现型坎糋NP，s以定向或改進(jìn)結(jié)構(gòu)表面的耐破壞性。已經(jīng)在美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)2004/0231790中成功地使用聚偏二氟乙烯(PVDF)以提供與350。F固化環(huán)氧預(yù)浸料坯的互滲機(jī)械鍵。在該專利申請(qǐng)中，使用熱塑性層以使復(fù)合結(jié)構(gòu)隨后彼此粘合。在本發(fā)明中，其可用于在石墨納米薄片(或其它納米粒子)和環(huán)氧表面薄膜之間提供中間層，也可用于石墨納米薄片在后繼加工中的定向。為此，也可以使用其它熱塑性塑料，如PS、PPS、PEI和PEEK。VI.金屬納米纟奉、納米線和納米繩可以在聚合物薄膜、油漆或底漆中使用金屬納米棒/納米線/納米繩(統(tǒng)稱為納米線)以提供抗雷擊性。銅、銀或鋁因其更高的電導(dǎo)率而是優(yōu)選的?？梢詫⒓{米線添加到現(xiàn)有金屬絲網(wǎng)和聚合物中或代替金24屬絲網(wǎng)使用。盡管銅或鋁納米線可能需要與現(xiàn)有技術(shù)的金屬絲網(wǎng)相同的當(dāng)量含量，但其可以改進(jìn)熱循環(huán)中的抗^t裂紋性，因此可以使用更輕的表面薄膜(0.020化很2代替?zhèn)鹘y(tǒng)的0.030b/ft2)?？梢詫⒓{米線直接添加到樹(shù)脂中或以紗網(wǎng)(veil)構(gòu)造制造。紗網(wǎng)將確保符合間隙標(biāo)準(zhǔn)。VII.改性碳納米管可以將經(jīng)過(guò)改性以降低電阻率的碳納米管或其它納米粒子添加到薄膜、底漆或油漆中。例如，可以使用全金端接的多壁碳納米管。通過(guò)將金屬原子鍵合到碳納米管的末端或側(cè)面上，更有效地增加或制造電子路徑，由此降低電阻率?？梢允褂没诮档偷碾娮杪屎捅疚乃龅拈g隙標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)量面密度而針對(duì)區(qū)域1A雷擊防護(hù)設(shè)計(jì)這些改性納米粒子的濃度。這些改性納米管可以面內(nèi)定向或作為低密度金屬絲網(wǎng)的替代物或補(bǔ)充物用在兩相聚合物中。VIII.可以包括低密度材料的底漆/油漆/薄膜上述低密度導(dǎo)電材料可以存在于底漆、油漆和/或薄膜中，隨后用于在復(fù)合材料上形成低密度導(dǎo)電層。例如，圖l中所示的包含銅粒子和/或碳納米纖維(CNFs)的"碳納米管-銅粉"、圖2中所示的帶或不帶金屬涂層的碳納米管(CNTs)、以及金屬涂布的微球和/或碳納米管和石墨納米薄片也可以分散在表面薄膜、底漆或油漆上或分散在其中以形成雷擊防護(hù)材料。下面更詳細(xì)描述薄膜、底漆和/或油漆的其它組熱固性聚合物本文所述的底漆、油漆和/或薄膜通常包括熱固性聚合物。可用的傳統(tǒng)熱固性樹(shù)脂體系包括，例如，環(huán)氧類樹(shù)脂體系、雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)基質(zhì)、酚醛樹(shù)脂、聚酯、PMR-15聚酰亞胺、乙炔封端樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、聚氨酯、自由基引發(fā)的熱固性樹(shù)脂等。由于熱固性樹(shù)脂的這種相當(dāng)多的選4爭(zhēng)，可以按需要調(diào)節(jié)本發(fā)明的底漆、油漆和/或薄膜。例如在美國(guó)專利5,470,413中描述了合適的熱固性樹(shù)脂體系的實(shí)例，其內(nèi)容經(jīng)此引用并入本文。25合適的環(huán)氧樹(shù)脂包括用于制造飛機(jī)部件的已知熱固性環(huán)氧/纖維增強(qiáng)預(yù)浸料坯中所用的那些。它們通常尤其基于下列物質(zhì)中的一種或多種雙酚A的二縮水甘油醚(2，2-雙(4-羥苯基)丙烷)或均三(4-羥苯基)丙烷、三(4-羥苯基)曱烷、雙酚F、四溴雙酚A、它們的聚環(huán)氧化物縮合產(chǎn)物、脂環(huán)族環(huán)氧化物、環(huán)氧基改性的酚醛清漆樹(shù)脂(酚-曱醛樹(shù)脂)、以及由表氯醇與苯胺、鄰-、間-或?qū)?氨基酚和亞甲基二苯胺的反應(yīng)生成的環(huán)氧化物。環(huán)氧樹(shù)脂體系含有將樹(shù)脂固化成固體難熔產(chǎn)物的環(huán)氧固化劑。為此，可以使用酸性、中性或堿性的環(huán)氧固化劑。實(shí)例具體包括胺硬化劑、酚、酸酐、聚酰胺、以及路易斯酸和》威。也可使用促進(jìn)劑以減少固化時(shí)間，其包括咪唑和取代脲。所用硬化劑的量通常在化學(xué)計(jì)算上相當(dāng)于樹(shù)脂中每個(gè)環(huán)氧基需要一個(gè)胺基團(tuán)。在添加納米增強(qiáng)材料時(shí)，可能需要對(duì)化學(xué)計(jì)算量進(jìn)行一定調(diào)節(jié)?？梢詫⒓{米增強(qiáng)材料添加到熱固性單體、硬化劑或混合樹(shù)脂中。分散方法取決于何時(shí)添加納米增強(qiáng)材料。例如，如果將納米增強(qiáng)材料添加到B-級(jí)樹(shù)脂中，高粘度可能要求加熱和超聲分散或高剪切混合。也可以使用熱或粘合劑將納米增強(qiáng)材料沉積到薄膜表面上以使其在復(fù)合材料加工過(guò)程中保持定位。熱塑性聚合物也可以將納米增強(qiáng)材料添加到熱塑性聚合物中以與熱塑性結(jié)構(gòu)固結(jié)，或與熱固性結(jié)構(gòu)粘合?？捎玫膫鹘y(tǒng)熱塑性體系包括例如，聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚硫化乙烯(PES)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚石風(fēng)(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚/氧化物、尼龍、芳族熱塑性聚酯、芳族聚砜、熱塑性聚酰亞胺、液晶聚合物、熱塑性彈性體等?？梢詫⒓{米增強(qiáng)材料在固化之前添加到隨后與熱固性材料混合的熱塑性塑料中，反之亦然?？梢詫⒓{米增強(qiáng)材料添加到隨后與另一熱塑性塑料混合的一種熱塑性塑料中(例如同時(shí)制造丸粒并隨后擠出)。底漆底漆增強(qiáng)油漆與復(fù)合材料的粘合性。有幾種類型的可以使用的市售底漆，這些底漆是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。底漆可以是水基的、溶劑基的、或者是100%固體組合物。術(shù)語(yǔ)"100%固體"是指幾乎不含可自聚合的溶劑的組合物(即，低粘單體，如丙烯酸曱酯)。也就是說(shuō)，所得層包括幾乎沒(méi)有或完全沒(méi)有材料蒸發(fā)的100%固體。一種類型的底漆是二元環(huán)氧底漆。環(huán)氧底漆提供了防腐蝕性以及與多數(shù)面漆和/或?qū)訅簩拥恼澈媳砻?。?dāng)面漆是聚氨酯時(shí)，環(huán)氧底漆是優(yōu)選的，因?yàn)檫@類油漆通常與其它底漆不相容。油漆用于粉刷飛機(jī)的油漆(paint)主要由熱固性聚合物構(gòu)成。它們可以包括水或揮發(fā)性有機(jī)溶劑(VOC)或是100%固體組合物。最常見(jiàn)的油漆類型包括瓷漆、環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸酯和聚氨酯。施力口底;黍禾口/或油;黍的方法將包含低密度導(dǎo)電材料(例如本文所述的碳納米纖維-銅粉)的底漆或油漆經(jīng)由傳統(tǒng)方式(如噴涂法)施加到復(fù)合結(jié)構(gòu)表面上以形成雷擊防護(hù)材料。例如，可以使用傳統(tǒng)上漆法，如壓力給漆槍、高容積低壓力(HVLP)系統(tǒng)、無(wú)氣噴涂法和靜電噴涂法來(lái)施加底漆和/或油漆。在生產(chǎn)工作中主要使用無(wú)氣噴涂和靜電噴涂。無(wú)氣噴霧器迫使油漆通過(guò)在極高流體壓力(通常1,200至3,600psi)下工作的小噴嘴。靜電噴霧系統(tǒng)在接頭(tip)裝入油漆。在油漆和要上漆的物體之間設(shè)定高的電壓差。電荷吸引油漆粒子且它們包裹在該物體周圍。傳統(tǒng)系統(tǒng)使用在噴才倉(cāng)下產(chǎn)生約40-50psi的高壓源，如空氣壓縮才幾。高壓^f吏油;黍霧化，以使其可以施加到表面上。高容積低壓力(HVLP)系統(tǒng)使用相對(duì)較低的壓力來(lái)霧化油漆(3-5psi)。這種類型的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于盡可能減少過(guò)度噴涂，且大部分油漆附著到要上漆的表面上。兩種主要類型的HVLP噴霧系統(tǒng)是渦輪系統(tǒng)和轉(zhuǎn)化噴槍。在執(zhí)行環(huán)境限制的地區(qū)中，高度推薦當(dāng)?shù)嘏鷾?zhǔn)的施加設(shè)備，如HVLP噴槍。瓷漆通常在使用瓷漆稀釋劑稀釋至適當(dāng)稠度后噴在環(huán)氧底漆上。第二類型的面漆(topcoat)是丙烯酸清漆。丙烯酸清漆具有低固含量，這可能使它們相對(duì)難以施加。丙烯酸清漆可以稀釋，但稀釋增加了voc的量。聚氨酯油漆是用于施加面漆的最通行選擇之一，因?yàn)槠淠陀茫峁└吖鉂娠椕?，并且?duì)化學(xué)品的耐性相對(duì)較好。聚氨酯油漆具有高固含量(許多是100%固體組合物)，并且它們往往非常緩慢地固化。較慢的固化時(shí)間允許油漆流動(dòng)，這形成提供高光澤外觀的極平坦表面。聚氨酯瓷漆可以在使用之前與催化劑混合，并且如果噴涂，可以將它們的稠度降至更低粘度。油漆通常以提供合適保護(hù)但使隨時(shí)間開(kāi)裂最小化的厚度來(lái)施加。無(wú)論所用的底漆或油漆的類型如何，均需要適當(dāng)?shù)鼗旌系灼峄蛴推?。在底漆或油漆可能包括相?duì)較細(xì)的金屬粒子(如銅粒子、碳納米粒子或納米管、金屬涂布玻璃微球、石墨納米薄片等)的情況下，這特別重要。為確保添加劑適當(dāng)分散，可以在施加的1周內(nèi)振蕩油漆，例如在油漆搖振器上，并理想地在即將使用之前攪拌。通常，在施加油漆之前，將油漆與交聯(lián)劑(催化劑)混合。一旦添加催化劑，化學(xué)交聯(lián)就此開(kāi)始，且施加該油漆的機(jī)會(huì)窗開(kāi)啟。油漆也可以包括緩凝劑和促凝劑。油漆緩凝劑是減緩油漆干燥時(shí)間的溶劑，促進(jìn)劑加速干燥時(shí)間。在涼爽溫度下可能需要促凝劑以幫助干燥過(guò)程。底漆或油漆組合物是包括在固化時(shí)聚合形成熱固性聚合物的單體的那些，以使所得聚合物層(底漆或油漆層)包括基本分散在整個(gè)層中的粒子。為有助于分散粒子，可以將粒子表面改性，在底漆/油漆制劑中可以存在分散劑，或可以在施加之前混合底漆/油漆制劑。當(dāng)在表面薄膜中形成時(shí)，雷擊防護(hù)材料可以與復(fù)合結(jié)構(gòu)一起固化。表面薄膜上或遍布表面薄膜之中或在底漆或油漆中的納米增強(qiáng)材料的量具有足夠的濃度以使表面電阻率低到足以耗散雷擊能量并基本防止對(duì)該雷擊防護(hù)材料下方的復(fù)合結(jié)構(gòu)層的破壞。本發(fā)明的納米增強(qiáng)油漆、底漆或表面薄膜可以達(dá)到區(qū)域1A雷擊防護(hù)要求，并降低復(fù)合板的重量。此外，雷擊防護(hù)材料在2,000個(gè)熱循環(huán)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生微裂紋。與傳統(tǒng)材料相比，用納米增強(qiáng)材料取代多孔金屬絲網(wǎng)或?qū)⒅亓繙p輕的多孔金屬絲網(wǎng)與納米增強(qiáng)材料合并可以造成顯著的重量減輕和縮短的制造28用于制備層壓材料的聚合片也可以通過(guò)將各種材料如金屬粉末、碳納米纖維/納米管、金屬絲網(wǎng)、石墨烯片等加入用作層壓材料(其用于制造飛機(jī)和/或飛機(jī)部件的外表面)最上層的聚合片中來(lái)提供低密度雷擊防護(hù)物。例如油漆和底漆之類的片材理想地由上述熱固性或熱塑性材料形成。選擇片材的厚度和片材中存在的低密度導(dǎo)電材料的量以提供合適的電導(dǎo)率和密度。理想地，納米增強(qiáng)片的密度小于約0.071b/ft2，優(yōu)選小于或等于0.05lb/ft2。可以使用粘合層將低密度導(dǎo)電聚合片粘合到層壓材料上，并優(yōu)選與復(fù)合層壓材料一起原位固化。IX.包含低密度導(dǎo)電底漆/油漆或片材的復(fù)合材料本文所述的復(fù)合材料是用于制備飛機(jī)機(jī)身、飛機(jī)操縱面、機(jī)身部件或推進(jìn)系統(tǒng)部件的傳統(tǒng)復(fù)合材料，只是將常用于提供雷擊防護(hù)的金屬絲網(wǎng)層換成低密度導(dǎo)電層。這些復(fù)合材料通常包括疊加的片、層和板。最外層通常是導(dǎo)電層并且可以是包括本文所述的各種低密度導(dǎo)電材料的底漆、油漆或聚合物片材形式。當(dāng)導(dǎo)電層是聚合物片材或底漆時(shí)，其可以被一層或更多底漆和/或油漆層覆蓋。具有較低電導(dǎo)率的復(fù)合層通常位于導(dǎo)電層下方。當(dāng)導(dǎo)電層是底漆或油漆層以外的聚合物片材時(shí)，其通常與復(fù)合層一起原位固化或使用粘合層粘合。復(fù)合層通常是紡織玻璃纖維、芳族聚酰胺或碳預(yù)浸料坯，盡管也可以使用其它纖維，且該層也可以是無(wú)紡層。附加層可以包括各種預(yù)浸料坯、織物、蜂窩狀內(nèi)芯、泡沫內(nèi)芯、樹(shù)脂和粘合層。該結(jié)構(gòu)可以使用經(jīng)樹(shù)脂薄膜浸漬法或樹(shù)脂傳遞模塑法而用樹(shù)脂浸漬的干燥織物制成。導(dǎo)電層也可以干燥鋪設(shè)并在復(fù)合材料制造過(guò)程中用聚合物浸漬。理想地，納米增強(qiáng)的復(fù)合材料除了雷擊防護(hù)外還具有幾種合意性能。這類性能的實(shí)例包括與下方材料匹配的熱膨脹系數(shù)、環(huán)境抗性(即uv、水、火焰和/或流體抗性)和與傳統(tǒng)雷擊材料相比改進(jìn)的韌度。29此外，與傳統(tǒng)雷擊材料相比，可以改進(jìn)電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、滲透性、摩擦、磨損、固化收縮性、強(qiáng)度和勁度。為進(jìn)一步增加合意的性能，表面薄膜也可以包括便于操作的稀洋紗背襯。稀洋紗可以是載體稀洋紗或輕質(zhì)稀洋紗，其中之一或兩者可以是機(jī)織的，或在包括碳、碳納米管或納米纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺、聚酯、其它熱塑性纖維及它們的混合物的墊子中。本文所述的雷擊復(fù)合材料和傳統(tǒng)雷擊復(fù)合材料之間的比較可見(jiàn)于圖4和5。圖4是顯示層壓制件形式的傳統(tǒng)雷擊材料的示意圖。粘合層中的鋁絲網(wǎng)(10)和電流隔離體(20)(如玻璃纖維)一起構(gòu)成雷擊防護(hù)覆蓋層。在雷擊防護(hù)層(30)下方的附加層可以是例如預(yù)浸料碳、玻璃纖維或芳族聚酰胺織物(即結(jié)構(gòu)層壓材料)。由于相對(duì)較密的鋁絲網(wǎng)，該材料具有相對(duì)較高的密度。相反，圖5顯示了雷擊復(fù)合材料的表面層中的納米增強(qiáng)材料可以如何降低總密度。包含納米增強(qiáng)材料(40)的表面層形成雷擊防護(hù)覆蓋層。對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的方法，雷擊防護(hù)層(30)下方的附加層可以是例如預(yù)浸料碳、玻璃纖維或芳族聚酰胺織物。現(xiàn)有技術(shù)中和本文所述的雷擊防護(hù)復(fù)合材料中的層是類似的，只是隔離層的去除和相對(duì)低密度的表面層有效降低了復(fù)合材料的總密度(和相應(yīng)地，重量x在另一實(shí)施方案中，除表面層外，結(jié)構(gòu)層壓層中也包含納米粒子以賦予提高的剛性、提高的熱性能和降低的總重量。該實(shí)施方案可以提供相對(duì)改進(jìn)的熱機(jī)械性能和高于10%的重量減輕。X.包括該復(fù)合材料的飛才幾本文所述的復(fù)合材料可用于取代經(jīng)受雷擊的飛機(jī)部件，如短艙、機(jī)身、機(jī)翼、水平尾翼和其它操縱面中的一些或所有復(fù)合材料。這些部件是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。例如，短艙包括風(fēng)扇殼、推力反向器、入口、支架和相關(guān)系統(tǒng)。XI.制備復(fù)合材料的方法也公開(kāi)了制造包括本文所述的低密度導(dǎo)電材料的復(fù)合材料的方法。在本發(fā)明的一方面，該方法包括形成不含導(dǎo)電層的復(fù)合材料，并施加本文所述的包括導(dǎo)電組分的一層或多層油漆或底漆層。當(dāng)?shù)灼岚ǖ兔芏葘?dǎo)電材料時(shí)，覆蓋底漆的油漆可以也包含或不含低密度導(dǎo)電材料。當(dāng)該材料包括含有低密度復(fù)合材料的油漆或底漆層時(shí)，第一步驟包括形成或以其它方式獲得金屬粉末/金屬涂布微球、金屬涂布碳納米管、碳納米纖維、碳納米管、石墨納米薄片等以及該底漆和/或油漆組合物中的其它組分，并將該低密度導(dǎo)電材料以適當(dāng)濃度分散在底漆和/或油漆組合物中以提供具有適當(dāng)電導(dǎo)率以充當(dāng)雷擊防護(hù)材料的所得底漆和/或油漆層。濃度預(yù)計(jì)隨所需雷擊防護(hù)程度而變，盡管區(qū)域1A最需要雷擊防護(hù)。然后，一旦該材料適當(dāng)分散在底漆或油漆中，就將該底漆或油漆以所需厚度施加到復(fù)合材料的剩余部分上。當(dāng)?shù)兔芏葘?dǎo)電材料是聚合物片材(或浸漬紙或氈)形式時(shí)，該方法包括首先形成具有所需低密度導(dǎo)電材料濃度的片材，然后例如使用粘合層將該片材粘合到該復(fù)合材料剩余部分上或原位固化。與底漆和油漆組合物不同，片材可以包括各種組分，例如具有納米增強(qiáng)聚合物的低密度金屬絲網(wǎng)，該納米增強(qiáng)聚合物不能使用可以在施加片材時(shí)使用的相同技術(shù)(即，噴涂)來(lái)施加。但是，片材可以包括油漆或底漆組合物中可用的任何低密度導(dǎo)電材料。片材厚度可以為0.003英寸至0.010英寸，并且可以使用用于形成聚合物片材的已知方法(例如壓延)使用刮刀等來(lái)控制厚度。在使用UV可聚合材料的那些實(shí)施方案中，可以使用紫外線實(shí)現(xiàn)聚合，在其它實(shí)施方案中，可以通過(guò)使成型中的片材暴露于熱以促進(jìn)聚合反應(yīng)。熱固性片材可以與熱固性復(fù)合層原位聚合或隨后粘合。熱塑性低密度導(dǎo)電片材可以加熱并與熱塑性復(fù)合層壓接，或使用電阻或超聲焊接等粘合。片材也可以粘合到熱固性或熱塑性層上。低密度導(dǎo)電片材、紙、氈或低密度導(dǎo)電干燥納米增強(qiáng)材料可以與干織物層或預(yù)浸料坯疊合以隨后使用樹(shù)脂傳遞模塑或樹(shù)脂浸漬法浸漬聚合物。納米增強(qiáng)材料可以使用隨后蒸發(fā)的溶劑或水噴到載體上，刷涂或在干燥使用時(shí)以粉末形式分布在其上等。當(dāng)使用紙或氈基系統(tǒng)，例如石墨氧化物紙和銀納米線紙時(shí)，可以使導(dǎo)電納米粒子之間的任何間隙最小化。在一個(gè)實(shí)施方案中，將納米增強(qiáng)材料添加到溶劑或其它流體或表面活性劑中以^t納米增強(qiáng)材料?；旌衔锟梢允褂贸暬驒C(jī)械法混合。隨后通過(guò)細(xì)篩過(guò)濾懸浮液，并使其干法成型造紙。紙可以就這樣使用或用額外的干燥或官能化法進(jìn)一步處理。Gou,J.(2006)Single-wallednanotubebuckypaperandnanocomposites(單壁納米管巴基紙和納米復(fù)合材料)，尸o/少wer/"/w"加'o加/55，1283-1288(其全文經(jīng)此引用并入本文)報(bào)道了造紙法的實(shí)例。在一個(gè)實(shí)施方案中，用增稠劑、石墨烯納米薄片(GNP)和溶劑的混合物來(lái)噴涂干碳織物預(yù)成型坯，并在浸漬樹(shù)脂之前使溶劑蒸發(fā)。然后將該預(yù)成型坯浸漬樹(shù)脂薄膜并固化。通過(guò)在樹(shù)脂浸漬之前使用反復(fù)噴涂，可以獲得相對(duì)較高的GNP載量(或可以以類似方式施加的其它納米微粒)，例如最多約45重量％。在另一實(shí)施方案中，可以使用粉末撒布機(jī)，其中將納米微粒以粉末形式施加到織物，如碳纖維基織物上，在添加納米粒子之前向其中加入增稠劑。然后將施加了粉末的織物用樹(shù)脂浸漬并固化。也可以由此實(shí)現(xiàn)高載量。XII.修理用途可以使用本文所述的材料來(lái)修理受損的飛機(jī)和飛機(jī)部件。例如，可以使用包括低密度材料的聚合物(如上文在油漆和底漆部分中所述的那些)填充裂紋，以便為修補(bǔ)過(guò)的裂紋提供充足的雷擊防護(hù)?？梢允褂冒ǖ兔芏炔牧系谋∧?lái)修補(bǔ)相對(duì)較大的區(qū)域，其中薄膜最適用。對(duì)于更小的區(qū)域和/或裂紋，可以-使用本文所述的油漆和/或底漆。本發(fā)明的所有方面提供了適用于制備具有可接受的雷擊防護(hù)的飛機(jī)和飛機(jī)部件以及適用于修理這類飛機(jī)和飛機(jī)部件的低密度導(dǎo)電復(fù)合材料。參照下列非限制性實(shí)例將會(huì)更好地理解本發(fā)明。實(shí)施例1初始計(jì)算預(yù)測(cè)，在表面薄膜為0.02至0.025lb/ft2時(shí)，與低密度(例32如0.015lb/ft2)銅絲網(wǎng)結(jié)合的5至15體積％的銅刺球和碳納米纖維或金屬涂布納米纖維或其混合物符合雷擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。這會(huì)產(chǎn)生小于0.055lb/ft2(254gsm)的面密度，這導(dǎo)致與現(xiàn)有技術(shù)的雷擊防護(hù)材料相比超過(guò)10%的重量減輕。實(shí)施例2圖2中所示的單壁碳納米管(SWCNT)的CTE估計(jì)在與管軸垂直的方向上低至-0.83x10-6/°F(-1.5xl(r6/°C),且在與管軸平行的方向上為-6.7x1(T6/°F(-12x10-6/°C)。需要低至1體積°/。的SWCNT將表面薄膜的CTE降低至接近銅的CTE。平坦的多孔銅或鋁絲網(wǎng)可以與該納米增強(qiáng)的表面薄膜一起使用。平坦的絲網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)更輕更薄的薄膜(0.020lb/f^而非傳統(tǒng)的0.030lb/ft2)，從而降低這整個(gè)系統(tǒng)的重量。這也導(dǎo)致與現(xiàn)有技術(shù)的雷擊防護(hù)材料相比超過(guò)10%的系統(tǒng)重量減輕。實(shí)施例3可以將單壁或多壁碳納米管或其混合物以15至55重量。/。添加到聚合物薄膜中，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域1A雷擊防護(hù)。如果使用定向的10,10扶手椅構(gòu)型的單壁碳納米管，則需要更低的范圍，并且與現(xiàn)有技術(shù)的雷擊防護(hù)材料相比造成最多50%的重量減輕。其它手性碳納米管構(gòu)型需要更高的濃度。納米管可以摻入兩相聚合物的層中或作為紙或氈以確保符合間隙標(biāo)準(zhǔn)(例如，在PVDF中的50重量％的CNT,和在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)的30°/。至50重量％的CNT/PVDF層)?？偙∧っ婷芏葹?.020至0.040lb/ft2。實(shí)施例4石墨烯或石墨納米薄片可以以30至55重量o/。添加到聚合物薄膜(0.020至0.0301b/ft2)中，以符合區(qū)域1A雷擊防護(hù)。納米薄片應(yīng)該膨脹但沒(méi)有完全剝落以確保電導(dǎo)率。完全剝落的納米薄片可以摻入層或兩相聚合物或紙基或氈基系統(tǒng)中。這導(dǎo)致與現(xiàn)有技術(shù)的雷擊防護(hù)材料相比超過(guò)10%的重量減輕。上文例示了本發(fā)明并且不被視為其限制。通過(guò)下列權(quán)利要求指定本發(fā)明，其中包括這些權(quán)利要求的等同物。本文提到的所有專利和出版物出于所有目的全文經(jīng)此引用并入本文。權(quán)利要求1.一種用于為復(fù)合材料或金屬基底提供所需雷擊防護(hù)程度的薄膜，其包含聚合薄膜，所述聚合薄膜具有以提供所需雷擊防護(hù)的載量和方式分散在整個(gè)表面薄膜中或分散在該表面薄膜上的含納米粒子的低密度導(dǎo)電材料。2.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導(dǎo)電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網(wǎng)、金屬涂布的微球以及帶或不帶金屬涂層的下列納米粒子碳納米纖維、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物。3.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導(dǎo)電材料是碳納米管紗線，其中該紗線是機(jī)織、編織或纖維制成的。4.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導(dǎo)電材料是包含帶或不帶金屬涂層的單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物的紙或氈形式。5.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導(dǎo)電材料包含選自化學(xué)改性的單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物的化學(xué)改性材料。6.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述薄膜包含面密度為約0.015至約0.050lb/ft2(70至232gsm)的有或無(wú)載體的熱固性聚合物。7.如權(quán)利要求6所述的薄膜，其中所述熱固性聚合物包含選自環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、氰酸酯、雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺和聚氨酯的聚合材料。8.如權(quán)利要求6所述的薄膜，其中所述載體是稀洋紗。9.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述表面薄膜包含面密度為約0.015至約0.050lb/ft2(70至232gsm)的有或無(wú)載體的熱塑性聚合物。10.如權(quán)利要求9所述的薄膜，其中所述熱塑性聚合物包含選自聚偏二氟乙烯、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮、聚芳基醚酮、聚苯硫醚、聚醚酮酮、聚氨酯、聚酰胺、聚砜、聚酰亞胺、液晶聚酯、聚甲基丙烯酸曱酯及它們的組合的聚合材料。11.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述表面薄膜包含總面密度為約0.015至約0.050lb/ft2(70至232gsm)的熱固性和/或熱塑性聚合物的兩相組合。12.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中所述薄膜提供了區(qū)域IA雷擊防護(hù)。13.—種用于提供雷擊防護(hù)的復(fù)合材料，其包含a)表面薄膜，和b)位于該表面薄膜下方并粘合到其上的結(jié)構(gòu)織物或預(yù)浸料層，其中將低密度導(dǎo)電材料以提供所需雷擊防護(hù)的載量和方式添加并分散到所述結(jié)構(gòu)織物或預(yù)浸料層上。14.如權(quán)利要求13所述的復(fù)合材料，其中所述結(jié)構(gòu)織物或預(yù)浸料層為機(jī)織織物、編織纖維或帶材形式。15.—種復(fù)合材料，其包含如權(quán)利要求1所述的薄膜和通過(guò)一層或多層預(yù)浸料層的疊合和固化所形成的一層或多層，其中所述薄膜和一層或多層粘合到飛機(jī)部件上。16.—種油漆或底漆，其包含約10至約90重量％的熱固性和/或熱塑性樹(shù)脂、約0至約80重量％的溶劑或稀釋劑、以及包含納米粒子的自由流動(dòng)的低密度導(dǎo)電材料，其中所述低密度導(dǎo)電材料以約1至約60重量％的量存在。17.如權(quán)利要求16所述的油漆或底漆，其中所述自由流動(dòng)的低密度導(dǎo)電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬涂布的微球、以及帶或不帶金屬涂層的下列納米粒子碳納米纖維、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物。18.如權(quán)利要求13所述的油漆或底漆，其中所述自由流動(dòng)的低密度導(dǎo)電材料由化學(xué)改性的單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物制成。19.一種飛機(jī)部件，其包含如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的薄膜、如權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的復(fù)合層、或如權(quán)利要求16-18中任一項(xiàng)所述的油漆或底漆層。20.—種修理飛機(jī)和/或飛機(jī)部件的方法，其包括使用如權(quán)利要求16-18中任一項(xiàng)所述的底漆和/或油漆組合物來(lái)修理飛機(jī)或飛機(jī)部件。21.—種修理飛機(jī)和/或飛機(jī)部件的方法，其包括將如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的薄膜或如權(quán)利要求13-15中任一項(xiàng)所述的復(fù)合材料施加到飛4幾或飛纟幾部件上。22.—種制備適用于低密度雷擊防護(hù)復(fù)合材料中的薄膜的方法，其包括a)將熱塑性聚合物熔融，b)將包含納米粒子的低密度導(dǎo)電材料添加到熔融的熱塑性聚合物中，以使該低密度導(dǎo)電材料混合在整個(gè)熔融的熱塑性聚合物中，c)將步驟b)的熔融的熱塑性聚合物成形為薄膜，和d)使該薄膜冷卻。23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述低密度導(dǎo)電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網(wǎng)、金屬涂布的微球、以及帶或不帶金屬涂層的下列納米粒子碳納米纖維、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物。24.—種制備適用在低密度雷擊防護(hù)復(fù)合材料中的薄膜的方法，其包括a)提供適用于形成熱固性聚合物的單體或單體混合物，b)將包含納米粒子的低密度導(dǎo)電材料添加到單體或單體混合物中，以使該低密度導(dǎo)電材料基本均勻地混合在整個(gè)單體中，c)使步驟b)的單體成形為薄膜厚度，和d)使單體固化。25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述低密度導(dǎo)電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網(wǎng)、金屬涂布的微球、以及帶或不帶金屬涂層的下列納米粒子碳納米纖維、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物。26.—種形成低密度雷擊防護(hù)復(fù)合材料的方法，其包括a)獲得包含一種或多種含納米粒子的低密度導(dǎo)電材料的紙或氈，b)將單體或單體混合物施加到該紙或氈上，c)將來(lái)自步驟b)的施加了單體的紙或氈施加到合適的基底上，和d)使單體固化。27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述低密度導(dǎo)電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網(wǎng)、金屬涂布的微球、以及帶或不帶金屬涂層的下列納米粒子碳納米纖維、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨蹄納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物。28.—種形成低密度雷擊防護(hù)復(fù)合材料的方法，其包括a)獲得包含一種或多種含納米粒子的低密度導(dǎo)電材料的紗線或織物，b)將單體或單體混合物施加到該紗線或織物上，c)將來(lái)自步驟b)的施加了單體的紗線或織物施加到合適的基底上，和d)使單體固化。29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述低密度導(dǎo)電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網(wǎng)、金屬涂布的微球、以及帶或不帶金屬涂層的下列納米粒子碳納米纖維、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、氧化石墨烯、石墨烯納米薄片、石墨納米薄片及它們的混合物。全文摘要可以使用表面薄膜、油漆或底漆來(lái)制備可能遭遇雷擊的飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。也公開(kāi)了制造和使用這些薄膜、油漆或底漆的方法。表面薄膜可以包括熱固性樹(shù)脂或聚合物(如環(huán)氧樹(shù)脂)和/或熱塑性聚合物，這些樹(shù)脂或聚合物可以固化、粘合或涂到復(fù)合結(jié)構(gòu)上。公開(kāi)了可以均勻遍布在薄膜中或分散在薄膜上的低密度導(dǎo)電材料，例如碳納米纖維、銅粉、金屬涂布微球、金屬涂布碳納米管、單壁碳納米管、石墨納米薄片等。低密度導(dǎo)電材料可以包括任選與碳納米纖維結(jié)合的金屬絲網(wǎng)。文檔編號(hào)B64D45/02GK101466598SQ200780016863公開(kāi)日2009年6月24日申請(qǐng)日期2007年3月9日優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日發(fā)明者埃洛伊斯·揚(yáng),安東尼·M·馬扎尼,?！R奧,特里薩·M·克魯肯伯格,瓦萊麗·A·希爾申請(qǐng)人:豪富公司;羅爾股份有限公司