МНОГОСЛОЙНОЕ МОЛНИЕЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2003 года по МПК B32B33/00 B64D45/02 

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано для защиты от поражения молнией конструкций летательных аппаратов, выходящих на внешний контур и выполненных из проводящих полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности из углепластиков.

В процессе полета наблюдается ориентирование разрядов молнии на углепластиковые конструкции летательных аппаратов, подобное ориентированию на конструкции из металлов. Поскольку углепластики являются "плохими" проводниками (их сопротивление на 3-4 порядка выше, чем у металлов), незащищенные углепластиковые конструкции внешнего контура получают повреждения, недопустимые по эксплуатационным и ресурсным требованиям.

При поражении молниевым разрядом углепластик получает повреждения в виде сквозного пробоя, расщепления на десятки сантиметров от канала разряда, расслоения материала и, как следствие, отрыва слоев в потоке воздуха при полете. Такой характер разрушения объясняется термической природой процесса, обуславливающей взрыв материала продуктами деструкции связующего.

Так как распределение заряда при прохождении через углепластик происходит недостаточно быстро, существующие системы молниезащиты заключаются в обеспечении близких к металлическим конструкциям величин поверхностной электро- и теплопроводности. Достигается это путем нанесения на поверхность углепластиковых конструкций, выходящих на внешний контур, например, обшивок, специальных покрытий, обладающих высокими значениями проводящих характеристик (электро- и теплопроводности), например, в виде сплошных или дискретных металлических слоев. Такие высокопроводящие слои, функциональное назначение которых определяется как молниезащитное, принимают на себя основную нагрузку молниевого заряда, отделены от материала несущей конструкции слоем диэлектрика, обладающего высокой электрической прочностью. При воздействии молниевого разряда на углепластиковую конструкцию разрушения происходят в молниезащитном покрытии с сохранением эксплуатационных характеристик несущей конструкции.

Таким образом, молниезащитное покрытие представляет собой систему, состоящую из нескольких слоев:
а) основного токопроводящего слоя, обеспечивающего отвод и рассеивание электрической и тепловой энергии заряда молнии;
б) диэлектрического слоя, препятствующего распространению электрического заряда в материал несущей конструкции.

Известно молниезащитное покрытие для конструкций из проводящих ПКМ, состоящее из внешнего металлического слоя (например, перфорированной фольги) и слоя диэлектрика под ним с высокой электрической прочностью. Защитное покрытие служит для отвода тока молнии с обшивки на металлические конструктивные элементы, что позволяет снизить разрушения при прямых и смещающихся разрядах молнии (Патент США 3755713, кл. H 05 F 1/02, 1973).

Известны молниезащитное покрытие для конструкций из ПКМ, на поверхности которого располагается алюминиевая проволочная сетка, отводящая токи молниевого разряда (ЕПВ заявка 0302811, кл. В 32 В 31/16, 31/20, 1994), а также молниезащитное покрытие, в котором между диэлектрическими слоями стеклопластика размещена металлическая сетка из бронзового сплава (Патент Франции 2582987, В 29 С 67/12, 1987).

Недостатками таких покрытий, использующих различные металлические конструктивные элементы, являются большая масса, большой удельный привес защищаемой конструкции (до 400 г/м²), короткий срок службы из-за проявления коррозии.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому изобретению является многослойное молниезащитное покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной (например, эпоксидной) отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя, состоящего из никелевой проволоки или высокопрочных углеродных, арамидных, стеклянных или борных волокон, с нанесенным на них никелевым слоем. Покрытия получают методом спиральной намотки под углом от -30 до +60^o к оси вращения, причем никелевые или покрытые никелем волокна располагают на внешней поверхности конструкции и хотя бы частично погружают в поверхность пропитывающей смолы (Патент США 5132168, кл. 428/251, 1992).

Недостатком этого покрытия являются недостаточно высокая молниестойкость, явление коррозии из-за используемого в покрытии никеля, а также возможность применения только в конструкциях, представляющих собой тела вращения, высокая трудоемкость и низкая технологичность вследствие применения метода спиральной намотки.

Технической задачей изобретения является создание многослойного молниезащитного покрытия, обладающего повышенной молниестойкостью, отсутствием коррозии, которое получают по упрощенной технологии.

Для решения поставленной задачи предлагается многослойное молниезащитное покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон, отличающееся тем, что токопроводящий слой выполнен из двух или более слоев углеродной ткани, расположенных под углом друг к другу, в межволоконное пространство которой введено полимерное связующее с температурой деструкции ≥250^oС, причем слои углеродной ткани соединены между собой элементами, обеспечивающими повышение контактной электропроводности между ними.

Для более быстрого отвода энергии электрического заряда при воздействии молнии применяют специальное ориентирование слоев углеродной ткани в токопроводящем слое под углом -30 - +60^o друг относительно друга.

Между слоями углеродной ткани располагают трансверсальноармирующие углеродные волокна, связывающие отдельные слои путем многослойного ткачества или прошивкой, причем количество трансверсальноармирующих волокон составляет 1 - 5 на 1 см².

В качестве высокопрочных углеродных волокон тканой структуры в токопроводящем слое используют ткани саржевого, сатинового или других видов плетения из высокопрочных углеродных жгутов диаметром от 1 К до 6 К, причем суммарная толщина одного слоя ткани составляет от 0,2 до 0,5 мм, где К - единица измерения, равная одному килофиламенту, что равно 1000 филаментов в жгутике, см. ТУ 1916-146-05763346-96 (нити углеродные).

Для повышения контактной электропроводности между отдельными слоями углеродной ткани в полимерное связующее токопроводящего слоя вводят углеродные наномодификаторы (фуллерены и их производные) в количестве 3-25 вес.%.

На чертеже схематически представлено многослойное молниезащитное покрытие, защищающее углепластиковую конструкцию внешнего контура летательных аппаратов от смещающихся разрядов молнии, где 1 - углеродные наномодификаторы, 2 - углеродные волокна токопроводящего слоя, 3 - трансверсальноармирующие углеродные волокна, 4 - полимерная матрица токопроводящего слоя, 5 - диэлектрический слой - полимерная матрица углепластиковой конструкции, 6 - углепластиковая конструкция.

Диэлектрический слой молниезащитного покрытия 5 выполнен из непроводящей отвержденной матрицы из связующего углепластиковой конструкции. Токопроводящий слой состоит из высокопрочных углеродных волокон тканой структуры 2, что позволяет включить многослойное молниезащитное покрытие в расчетную схему углепластиковой конструкции 6 и снизить общий удельный привес защищаемой конструкции, трансверсальноармирующих углеродных волокон 3 и полимерной матрицы 4 с температурой деструкции ≥250^oС с введенными в нее 3-25 вес.% углеродных наномодификаторов 1. Это повышает контактную электропроводность между слоями углеродной ткани с 5 до 60 Ом^-1см^-1.

Соединение токопроводящего и диэлектрического слоев с защищаемой углепластиковой конструкцией может производиться как в едином технологическом цикле, так и путем напрессовки токопроводящего слоя с использованием препрегов на основе углеродных наполнителей.

При использовании предложенной защиты ток молнии в значительной степени отводится токопроводящим слоем, где протекает по его объему, в первую очередь вдоль углеродных волокон ткани и трансверсальноармирующих волокон, а также частично по полимерной матрице токопроводящего слоя, содержащей углеродные наномодификаторы. Расположение слоев углеродной ткани друг относительно друга под углом -30 - +60^o способствует большей степени рассеивания электрического тока. Высокая термостойкость полимерной матрицы токопроводящего слоя, в том числе с введенными углеродными наномодификаторами, определяющаяся температурой деструкции ≥250^oС, определяет работоспособность токопроводящего слоя как конструкционного материала при воздействии высоких тепловых энергий, выделяющихся в процессе прохождения электрического тока молнии, и тем самым увеличивает степень сохранения молниезащитного покрытия. В результате прохождения тока молнии по токопроводящему слою плотность его снижается в 3-4 раза, а удельное энерговыделение - в 4-5 раз. Это значительно снижает локальное разрушение молниезащитного покрытия, наблюдается лишь незначительное распушение углеродных волокон токопроводящего слоя, углепластиковые конструкции не разрушаются.

Существенными отличительными признаками изобретения являются: применение в токопроводящем слое молниезащитного покрытия двух или более слоев ткани из высокопрочных углеродных волокон со специальной укладкой и термостойкой (с температурой деструкции ≥250^oС) полимерной матрицей. Увеличение контактной электропроводности между слоями углеродной ткани в токопроводящем слое молниезащитного покрытия достигается применением трансверсальноармирующих элементов из углеродного волокна, а также введением в полимерную матрицу углеродных наномодификаторов - фуллеренов и их производных. Это позволяет увеличить число направлений рассеивания энергии электрического разряда, при этом токопроводящий слой выполняет кроме молниезащитной несущую функцию и включается в расчетную схему углепластиковой конструкции, причем формование и соединение токопроводящего слоя углепластиковой конструкции может производиться как в едином технологическом цикле, так и напрессовкой токопроводящего слоя.

Пример 1
Многослойное молниезащитное покрытие состоит из диэлектрического слоя из эпоксидного отвержденного связующего ЭДТ-69Н и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон диаметром 2,5 К тканой структуры полотняного плетения, образующих 3 монослоя толщиной 0,23 мм каждый, соединенных между собой трансверсальноармирующими элементами из углеродных волокон путем ткачества в количестве 5 на 1 см². В межволоконное пространство углеродных волокон введено эпоксидное связующее ВС-2526к с температурой деструкции 260^oС, содержащее 15 вес.% углеродного наномодификатора - фуллерена С60. Токопроводящий слой молниезащитного покрытия напрессован на поверхность углепластиковой детали методом прямого прессования или автоклавного формования.

Пример 2
Многослойное молниезащитное покрытие состоит из диэлектрического слоя из полиимидного отвержденного связующего СП-97С и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон диаметром 6 К тканой структуры саржевого плетения, образующих 2 монослоя, толщиной 0,5 мм каждый, расположенных под углом ±45^o друг к другу, соединенных между собой трансверсальноармирующими элементами из углеродных волокон путем прошивки в количестве 1 на 1 см². В межволоконное пространство углеродных волокон введено полиимидное связующее СП-97С с температурой деструкции 390^oС, содержащее 3% углеродного наномодификатора - фуллерена С60. Диэлектрический и токопроводящий слои молниезащитного покрытия изготовлены в едином технологическом цикле с углепластиковой деталью методом прямого прессования.

Пример 3
Многослойное молниезащитное покрытие состоит из диэлектрического слоя из эпоксидного связующего ВС-2526к и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон диаметром 1 К тканой структуры саржевого плетения, образующих 2 монослоя толщиной 0,2 мм каждый, расположенных под углом ±45^o друг к другу, соединенных между собой трансверсальноармирующими элементами из углеродных волокон путем прошивки в количестве 4 на 1 см². В межволоконное пространство углеродных волокон введено эпоксидное связующее ВС-2526к с температурой деструкции 260^oС, содержащее 20 вес.% углеродного наномодификатора - астралена. Диэлектрический и токопроводящий слои молниезащитного покрытия изготовлены в едином технологическом цикле с углепластиковой деталью методом прямого прессования или автоклавного формования.

Прототип
Многослойное молниезащитное покрытие состоит из диэлектрического слоя из эпоксидного отвержденного связующего Dexter-Hysol FA 9101 с вязкостью 2000 сПз при 185^oF, токопроводящего слоя на основе никелевой проволоки диаметром 0,005 дюйма, образующих 2 слоя на поверхности конструкции из углеродных волокон, причем в межволоконное пространство токопроводящего слоя из никелевой проволоки введено эпоксидное связующее, используемое при изготовлении основной конструкции методом спиральной намотки в едином технологическом цикле.

Результаты испытаний образцов углепластиковых конструкций с различными вариантами многослойного молниезащитного покрытия в условиях смещающихся разрядов молнии (А+С, I=200 кА, Q=20 Кл) представлены в таблице 1 и таблице 2.

Испытания на молниестойкость проводились в соответствии с методиками и нормами, принятыми в РФ, и международными испытательными нормами FAR на базе МЭИ с параметрами разряда А+С, где А - импульс главного разряда, С - постоянная составляющая тока, максимальное значение тока I=200 кА, переносимый заряд Q=20 Кл, длительность импульса 50 мкс.

Из приведенных примеров видно, что предлагаемое многослойное молниезащитное покрытие эффективно защищает углепластиковые конструкции внешнего контура летательных аппаратов от воздействия смещающихся разрядов молнии с максимальным значением тока I=200 кА и зарядом Q=20 Кл, наблюдается разрушение токопроводящего слоя с явлениями разрыва отдельных волокон верхнего слоя углеродной ткани токопроводящего слоя молниезащитного покрытия размером не более 20 мм, причем нижележащие слои ткани полностью сохранены, а также распушение углеродных жгутов, отслоение, обессмоливание и изменение цвета токопроводящего слоя. Целостность конструкции из углепластика внешнего контура сохраняется. О незначительных размерах повреждения молниезащитного слоя свидетельствуют данные по сохранению прочности токопроводящего слоя в зависимости от удаления от центра удара. В центре удара прочность токопроводящего слоя составляет не менее 70% и восстанавливается при удалении от центра на 60 мм.

Такие повреждения молниезащитного слоя практически не влияют на эксплуатационные характеристики углепластиковой конструкции и легко поддаются ремонту.

Таким образом, высокие характеристики молниестойкости предлагаемого молниезащитного покрытия, а также высокая механическая прочность токопроводящего слоя, где используются высокопрочные углеродные наполнители, позволяют включить предлагаемое молниезащитное покрытие в расчетную схему углепластиковой конструкции, дает возможность снизить общий удельный привес защищаемой конструкции на 350-400 г/м².

Изобретение относится к средствам защиты от поражения молнией, в том числе на летательных аппаратах, и касается многослойного молниезащитного покрытия, состоящего из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон, при этом токопроводящий слой выполнен из двух или более слоев углеродной ткани, расположенный под углом друг к другу, в межволоконное пространство углеродной ткани введено полимерное связующее с температурой деструкции ≥250^oС, а слои углеродной ткани соединены между собой элементами, обеспечивающими повышенную контактную электропроводность между ними. Данное покрытие имеет повышенные характеристики в работе и характеризуется отсутствием коррозии. 5 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Многослойное молниезащитное покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон, отличающееся тем, что токопроводящий слой выполнен из двух или более слоев углеродной ткани, расположенных под углом друг к другу, в межволоконное пространство углеродной ткани введено полимерное связующее с температурой деструкции ≥ 250°С, а слои углеродной ткани соединены между собой элементами, обеспечивающими повышенную контактную электропроводность между ними.2. Многослойное молниезащитное покрытие по п.1, отличающееся тем, что в качестве элементов, обеспечивающих повышение контактной электропроводности между слоями углеродной ткани, используют трансверсальноармирующие углеродные волокна, связывающие отдельные слои методом многослойного ткачества или прошивкой.3. Многослойное молниезащитное покрытие по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что количество трансверсальноармирующих углеродных волокон составляет 1-5 на 1см².4. Многослойное молниезащитное покрытие по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что в качестве высокопрочных углеродных волокон в токопроводящем слое используют ткани саржевого, сатинового или других видов плетения из высокопрочных углеродных жгутов диаметром от 1K до 6К, причем суммарная толщина одного слоя ткани составляет 0,2-0,5 мм.5. Многослойное молниезащитное покрытие по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что между отдельными слоями углеродной ткани в полимерное связующее токопроводящего слоя вводятся углеродные наномодификаторы в количестве 3-25 вес.%.6. Многослойное молниезащитное покрытие по п.1, отличающееся тем, что слои углеродной ткани расположены относительно друг друга под углом (-30)÷(+60)°.