用于复合层压体的表面膜的制作方法

1.本公开大体来说涉及用于航空航天结构的表面膜和层压体，并且更确切来说涉及用于航空航天结构的功能化碳纳米材料加强膜和层压体。


背景技术：

2.航空航天装备的设计师在结构和部件的设计和制造中必须权衡数个因素。设计师重视所述结构和部件的重量、强度、成本、材料性质、环境条件和诸多服务要求之间的复杂相互作用。数个因素如下。第一，航空器部件必须是轻量级的以确保燃料经济性，但强度足以满足结构和性能要求。因此，复合结构通常由于其坚固性和低重量密度而选择。第二，由于航空航天结构受到雨、沙子、冰、冰雹和其他外来物体冲击，这些结构运作的环境也要求耐腐蚀。这些物体可通过磨损使表面饰面劣化，而导致阻力系数增大，这可导致航空器的燃料经济性减小。第三，在航空器的操作期间海拔和温度差的改变使航空器的部件经受可导致微裂纹的极端热循环。第四，长期暴露于阳光和紫外线(uv)辐射可使航空器部件的性质劣化。最后，雷击的可能性要求要考虑到外部部件的导电率。为了满足性能要求并且延长性能寿命，设计师必须恰当地规划并且设计结构和材料以在这些变化的条件下发挥功能。
3.通常对航空航天结构的外表面施加涂层或膜层压体以帮助满足操作要求。然而，很多可买到的膜和涂层通常在一个设计因素上展现出可接受的性质，但是以牺牲一个或多个其他因素为代价。举例来说，新设计的膜可提供更好的耐腐蚀性，但代价是抗uv性或雷击保护劣化。因此，需要改进的膜和层压体以用于航空航天应用以最好地解决操作和环境条件提出的诸多需要。可从改进的膜和层压体受益的航空航天结构部件的实例包括侧翼、机身、机尾、短舱和旋转叶片以及其他部件部分。


技术实现要素：

4.公开一种用于复合层压体的表面膜。在各种实施方案中，所述表面膜包含功能化碳纳米材料；受阻胺光稳定剂；支撑遮蔽物；和聚合树脂。
5.在各种实施方案中，所述碳纳米材料是功能化碳纳米材料。在各种实施方案中，所述碳纳米材料包括碳纳米纤维、碳纳米管或石墨烯纳米片中的至少一者。在各种实施方案中，所述碳纳米管可以是单壁纳米管或多壁纳米管。在各种实施方案中，所述功能化包括烷氧基硅烷。
6.在各种实施方案中，所述表面膜施加在复合层压体上，其中所述复合层压体包含加强物和聚合树脂的一个或多个层，其中所述加强物包含一个或多个连续纤维束，其中纤维束包含多个连续纤维长丝。在各种实施方案中，所述加强物是编织、针织、纺织、无纺、单向或多向定向的纤维束或其任何组合，所述复合层具有至少70克/平方米的单位面积重量。在各种实施方案中，所述复合层压体包含一个或多个复合层或板层，其中复合板层或复合层包含所述加强物和所述树脂，所述复合层或板层具有至少70克/平方米的单位面积重量。在各种实施方案中，所述加强物是碳织物和聚合树脂，所述复合层具有至少70克/平方米的
单位面积重量。在各种实施方案中，所述复合层压体中的所述聚合树脂是热固性树脂、或热塑性树脂、或热固性树脂与热塑性树脂两者。
7.在各种实施方案中，所述支撑遮蔽物是碳纤维和粘结剂的纺织或无纺垫，所述支撑遮蔽物具有小于约20克/平方米的单位面积重量。在各种实施方案中，所述支撑遮蔽物是玻璃纤维的纺织或无纺层。
8.在各种实施方案中，所述表面膜包含雷击层，所述雷击层被定位成接近并且明显平行于所述支撑遮蔽物的表面。
9.在各种实施方案中，所述表面膜还包含分散在所述聚合树脂中的耐腐蚀性添加剂。在各种实施方案中，所述耐腐蚀性添加剂包含氧化铝、二氧化硅、铝硅酸盐、粘土、碳化硅和芳族聚酰胺纤维中的至少一者。
10.公开具有表面膜的第二复合层压体。在各种实施方案中，所述复合层压体包含加强物和聚合树脂的一个或多个层，其中所述树脂包含功能化碳纳米材料和受阻胺光稳定剂。
11.在各种实施方案中，所述加强物包含一个或多个连续纤维束，其中纤维束包含多个连续纤维长丝。在各种实施方案中，所述加强物是编织、针织、纺织、无纺、单向或多向定向的纤维束或其任何组合。
12.在各种实施方案中，所述复合层压体包含一个或多个复合层或板层，其中复合板层或复合层包含所述加强物和所述树脂，所述复合层或板层具有至少70克/平方米的单位面积重量。
13.在各种实施方案中，所述复合层压体中的所述聚合树脂包含功能化碳纳米材料和受阻胺光稳定剂，其中所述功能化碳纳米材料包括碳纳米纤维、碳纳米管或石墨烯纳米片中的至少一者，并且其中所述碳纳米管可以是单壁或多壁碳纳米管。在各种实施方案中，所述碳纳米材料是使用烷氧基硅烷功能化。在各种实施方案中，所述烷氧基硅烷功能化碳纳米材料还使用受阻胺光稳定剂功能化。在各种实施方案中，所述聚合树脂还包含烷氧基硅烷、或受阻胺光稳定剂、或紫外线吸收剂、或其任何组合。在各种实施方案中，所述复合层压体中的所述聚合树脂是热固性树脂或热塑性树脂。在各种实施方案中，所述紫外线吸收剂包括苯氧基三嗪、羟基苯基苯并三唑、间苯二酚三嗪或四烷基哌啶中的至少一者。
14.在各种实施方案中，所述复合层压体包括在至少一个表面上的表面膜，其中所述表面膜包含功能化碳纳米材料、聚合树脂、受阻胺光稳定剂和支撑遮蔽物。
15.本发明公开了以下实施方案：
16.方案1.一种表面膜，所述表面膜包含：
17.聚合树脂；
18.受阻胺光稳定剂；
19.功能化碳纳米材料，其中所述功能化碳纳米材料由烷氧基硅烷功能化；以及
20.支撑遮蔽物。
21.方案2.如方案1所述的表面膜，其中所述功能化碳纳米材料由所述受阻胺光稳定剂进一步功能化。
22.方案3.如方案1所述的表面膜，所述表面膜还包含紫外线吸收剂(uva)。
23.方案4.如方案3所述的表面膜，其中所述紫外线吸收剂包括苯氧基三嗪、羟基苯基
苯并三唑、间苯二酚三嗪或四烷基哌啶中的至少一者。
24.方案5.如方案1所述的表面膜，其中所述功能化碳纳米材料由紫外线吸收剂进一步功能化。
25.方案6.如方案1所述的表面膜，其中所述功能化碳纳米材料包括石墨烯纳米片、碳纳米纤维、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一者。
26.方案7.如方案1所述的表面膜，所述表面膜还包含非碳纳米材料。
27.方案8.如方案7所述的表面膜，其中所述非碳纳米材料包括纳米粘土、二氧化硅、氧化铝、铝硅酸盐、碳化硅或芳族聚酰胺中的至少一者。
28.方案9.如方案1所述的表面膜，所述表面膜还包含雷击层，所述雷击层包含被定位成靠近所述支撑遮蔽物的金属屏蔽层。
29.方案10.如方案1所述的表面膜，其中所述支撑遮蔽物包含粘结剂并且包含碳纤维或玻璃纤维中的至少一者，所述支撑遮蔽物具有小于约20克/平方米的单位面积重量。
30.方案11.一种复合层压体，所述复合层压体包含：
31.表面膜，所述表面膜包含：
32.聚合树脂，
33.受阻胺光稳定剂，
34.功能化碳纳米材料，其中所述功能化碳纳米材料是由烷氧基硅烷功能化；
35.支撑遮蔽物；以及
36.复合衬底，所述复合衬底包含一个或多个复合层，其中所述复合层包含加强物和树脂。
37.方案12.如方案11所述的复合衬底，其中所述复合层中的至少一者包含功能化碳纳米材料，并且其中所述碳纳米材料是由烷氧基硅烷功能化。
38.方案13.如方案12所述的复合衬底，其中所述碳纳米材料由所述受阻胺光稳定剂进一步功能化。
39.方案14.如方案12所述的复合衬底，其中所述复合层中的至少一者还包含紫外线吸收剂。
40.方案15.如方案14所述的复合衬底，其中所述紫外线吸收剂包括苯氧基三嗪、羟基苯基苯并三唑、间苯二酚三嗪或四烷基哌啶中的至少一者。
41.方案16.如方案12所述的复合衬底，其中包含所述功能化碳纳米材料的所述复合衬底由紫外线吸收剂进一步功能化。
42.方案17.如方案12所述的复合衬底，其中所述功能化碳纳米材料包括石墨烯纳米片、碳纳米纤维、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一者。
43.方案18.如方案11所述的复合层压体，所述复合层压体还包含非碳纳米材料。
44.方案19.如方案18所述的复合层压体，其中所述非碳纳米材料包括纳米粘土、二氧化硅、氧化铝、铝硅酸盐、碳化硅或芳族聚酰胺中的至少一者。
45.方案20.如方案11所述的复合层压体，其中所述表面膜还包含雷击层，所述雷击层包含被定位成靠近所述支撑遮蔽物的金属屏蔽层。
46.前述特征和要素可组合成任何组合，但不具排他性，除非本文中另外明确指示。鉴于以下描述和附图，所公开实施方案的这些特征和要素以及操作将变得更明了。
附图说明
47.说明书的结论部分特别指出并且清楚地主张本公开的主题。然而，结合以下图式参考以下详细描述和权利要求书，可最好地获得本公开的更完整理解。虽然图式图解说明采用本文中所述的原理的各种实施方案，但图式不限制权利要求书的范围。
48.图1a、图1b和图1c图解说明根据各种实施方案的复合层压体铺叠构造(或组合件)；
49.图2a和图2b是图解说明根据各种实施方案的制作本文中所述的表面膜和复合层压体的方法的图；并且
50.图3是图解说明根据各种实施方案的用于形成本文中所述的复合层压体的铺叠和装配的剖视示意图。
具体实施方式
51.本文中的各种实施方案的以下详细描述参考附图，附图通过图解说明示出各种实施方案。虽然足够详细地描述这些各种实施方案以使得本领域技术人员能够实践本公开，但应理解，可实现其他实施方案并且可做出改变，而此并不背离本公开的范围。因此，本文中的详细描述仅出于图解说明而非限制目的而呈现。此外，对单数的任何提及包括复数实施方案，并且对一个以上部件或步骤的任何提及可包括单数实施方案或步骤。此外，对附接、固定、连接等的任何提及可包括永久、可移除、暂时、部分、完全或任何其他可能的附接选项。另外，对不接触(或类似短语)的任何提及也可包括接触减小或接触最少。还应理解，除非另有明确叙述，否则提及“一(a、an)”或“所述”可包括一个或多于一个并且以单数提及一个物项也可包括复数个物项。此外，所有范围可包括上限值和下限值并且本文中所公开的所有范围和比率极限可组合。
52.现在参考图式，图1a示出根据各种实施方案的复合层压体5和层压体铺叠构造或组合件。复合层压体5包括：一层碳纳米材料加强膜10，其包含聚合树脂和功能化碳纳米材料；支撑遮蔽物20；以及一个或多个复合层50。图1b示出根据各种另外实施方案的复合层压体55和层压体铺叠构造或组合件，并且包括雷击层40。图1c示出复合层压体55的立体剖面图，复合层压体55具有功能化碳纳米材料加强膜10、支撑遮蔽物20、雷击层40和复合层50(或多个层)。支撑遮蔽物20具有相对侧，所述相对侧包括上侧32(或第一侧)和下侧34(或第二侧)，其中上侧32与图1b和图1c中的雷击层40相邻，并且下侧34与图1a、图1b和图1c中的复合层50相邻。图1c也示出一个涂料层35(或多个层)。注意，在本公开中所述的各种实施方案中，术语“碳纳米材料”可指代石墨烯纳米片、碳纳米纤维或者单壁或多壁碳纳米管，并且功能化碳纳米材料加强膜10可包含功能化石墨烯纳米片、功能化碳纳米纤维、功能化单壁碳纳米管和/或功能化多壁碳纳米管中的一者或组合。
53.图1a和图1b中所示的实施方案的功能化碳纳米材料加强膜10可形成航空航天载具(诸如航空器)的外部零件的外表面。功能化碳纳米材料加强膜10具有上侧12(或外侧)和下侧14(或内侧)，其中上侧12可形成外部零件的外表面的一部分。本文中所使用的外部零件意指在飞行服务期间或在地面上暴露于环境的任何部件。所述外部零件可包括但不限于诸如机身、尾翼、侧翼、发动机或短舱、垂直尾部和转子叶片等航空器部件，包括其任何子部件或部分。外部零件也可包括但不限于具有类似功能或性能特征的其他非航空器部件，诸
如风力涡轮叶片。
54.功能化碳纳米材料加强膜10可包含功能化碳纳米材料的各种实施方案。举例来说，功能化石墨烯纳米片可包括同时使用受阻胺光稳定剂和烷氧基硅烷来功能化的石墨烯纳米片。包含受阻胺光稳定剂(或hals)的益处在于，hals可终止因暴露于uv光而在聚合树脂中(例如，在膜10中)生成并且导致表面膜劣化并使复合层50和复合层压体5或复合层压体55受到uv降解的任何自由基。包含hals并不仅限于将碳纳米材料功能化并且可以是独立的；然而，使用hals将碳纳米材料功能化通过减小带电荷粒子(例如电子)从碳纳米材料穿行到hals功能分子所需的距离增大了自由基终止的可能性和效果。使用hals功能分子将碳纳米材料功能化也有助于hals在与功能化碳纳米材料相同的程度上分布在整个树脂中。包含烷氧基硅烷的益处在于其有助于将纳米材料接合到树脂分子。使用烷氧基硅烷将纳米材料功能化并且随后将所述纳米材料接合到树脂分子减小了碳纳米材料粒子凝聚的可能性，并且使碳纳米材料基本上均匀地分散在树脂中。将纳米材料接合到树脂分子也减小了纳米材料作为自由粒子从树脂逃逸的可能性。此形成包含所述纳米材料的复合物，所述复合物通过防止纳米材料意外释放到空气中并变成吸入危害而对环境是安全的。在各种实施方案中，烷氧基硅烷包括(3-氨丙基)三甲氧基硅烷、可用作各种纳米材料的表面改质的硅烷偶联剂的氨基硅烷、或(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷、在一侧上具有三个甲氧基并且在另一侧上具有环氧环的双官能有机硅烷。其他烷氧基硅烷包括单烷氧基硅烷、双烷氧基硅烷或三烷氧基硅烷。除受阻胺光稳定剂和烷氧基硅烷之外，碳纳米材料还可包括同时混合有uv吸收剂(例如，有机uv过滤剂)或使用所述uv吸收剂功能化的石墨烯纳米片，以增加抗uv性或增强在在没有所述uv吸收剂的情况原本可能出现的更宽uv光谱内的抗uv性。在各种实施方案中，紫外线吸收剂包括苯氧基三嗪、羟基苯基苯并三唑、间苯二酚三嗪或四烷基哌啶中的至少一者。在各种实施方案中，经由酯化合成反应将石墨烯纳米片功能化。在各种实施方案中，石墨烯纳米片展现出大约1至500微米(μm)的宽度并且被布置成一层、两层、三层以及甚至高达20层的堆叠。石墨烯片的表面的氧含量(或表面氧)通常在1％至15％的范围内，表面氧指代从氧化的石墨烯粒子的平面表面延伸并且适合于使用烷氧基硅烷功能化的含氧官能团。
55.在各种实施方案中，碳纳米材料在至少一个维度上可具有在大约1纳米至500纳米(nm)范围内的大小，并且在另外两个维度上可具有大约10nm至超过1毫米(mm)的大小。在一个实施方案中，功能化碳纳米材料加强膜10包含平均直径为约10至约300纳米(nm)并且平均长度为约50纳米(nm)至约50毫米(mm)的碳纳米材料。在一个实施方案中，碳纳米材料包括直径为约150纳米(nm)并且长度为约10毫米(mm)的碳纳米纤维。在另一实施方案中，碳纳米材料包括平均片宽度为约5nm至100nm的石墨烯纳米片，所述平均片宽度取决于石墨烯板片的堆叠层的数目和1微米(μm)至500μm的片大小。功能化碳纳米材料加强膜10中的功能化碳纳米材料的百分比可高达约8重量％。在另一实施方案中，膜中的功能化碳纳米材料的量可高达约20重量％，其中优选量取决于开始所选树脂的黏度和具有纳米加强物的树脂的优选黏度。
56.在各种实施方案中，功能化碳纳米材料加强膜10除功能化碳纳米材料之外还可包含非碳纳米材料，例如纳米粘土、二氧化硅、氧化铝、铝硅酸盐、纳米硅酸盐、纳米芳族聚酰胺和纳米氧化铝或纳米碳化硅中的一者或多者，上述材料中的每一者赋予所述膜多功能属
性，诸如较低重量密度、较高强度、较高耐腐蚀和耐磨损性、较高导热率、较高热循环抗力和较高抗uv性。当树脂除碳纳米材料之外还包含其他纳米粒子时，碳纳米材料的量可减小。当树脂黏度低时(例如约500厘泊(cp))，所有纳米材料(碳和非碳)加强物的总量可更高，例如高达约20重量％。
57.在其他实施方案中，在形成功能化碳纳米材料加强膜10时所使用的特定碳纳米材料可有所变化以包含碳纳米纤维、石墨烯纳米片、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一者或多者。特定碳纳米材料的相对量可有所变化。在一个实例中，碳纳米管是多壁碳纳米管(mwcnt)。mwcnt可构成膜的约0.2重量％至约0.7重量％之间。mwcnt的相对低百分比是优选的，原因在于在形成功能化碳纳米材料加强膜10期间添加mwcnt可增大所得聚合树脂的黏度。在一个实例中，mwcnt优选地构成膜的约0.5重量％，其中优选范围是膜的约0.2重量％至约0.5重量％之间。mwcnt具有约5纳米(nm)与约100纳米(nm)之间的直径以及约0.5微米(μm)与约5毫米(mm)之间的平均长度。在实例中，mwcnt具有约9.5纳米(nm)的平均直径和约1.5微米(μm)的平均长度。在各种其他实施方案中，碳纳米管可以是单壁碳纳米管、或mwcnt与单壁碳纳米管的混合物。碳纳米材料中的一者或多于一者可在膜形成之前被功能化。可例如通过在含有臭氧的受控大气中在被称为臭氧解的过程中热处理纤维来进行功能化。美国专利申请公布案2009/0186214中描述了示例性功能化过程，所述美国专利申请公布案并入本案供参考。在碳纳米纤维和纳米管两者均包含纳米材料的一个实施方案中，纳米材料可构成功能化碳纳米材料加强膜10的高达约10重量％。在另一实施方案中，碳纳米材料构成功能化碳纳米材料加强膜10的高达约8重量％。在另一实施方案中，碳纳米材料构成功能化碳纳米材料加强膜10的高达约5重量％。
58.如上文所叙述，在一个实例中，功能化碳纳米材料加强膜10可包含碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯纳米片和聚合树脂。在一个实施方案中，聚合树脂是坚韧的环氧树脂。环氧树脂优选地用于航空航天复合部件中，原因在于所述环氧树脂提供这些结构所需的性能属性的出色组合，包括但不限于高的强度重量比、损伤容限、环境抗力和耐用性。在替代实施方案中，可使用其他树脂，诸如聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、苯并恶嗪、聚酯、乙烯基酯、酚类、聚氨酯、聚芳醚酮、尼龙、聚碳酸酯和氰酸酯。下文进一步描述将碳纳米材料和聚合树脂形成到功能化碳纳米材料加强膜10中。一旦形成，功能化碳纳米材料加强膜10可具有约40g/m2与约400g/m2之间的单位面积重量。在一个实例中，功能化碳纳米材料加强膜10具有小于约100g/m2的单位面积重量。在另一实例中，功能化碳纳米材料加强膜10具有小于约150g/m2的单位面积重量。
59.支撑遮蔽物20与功能化碳纳米材料加强膜10组合以进行支撑并且限制功能化碳纳米材料加强膜10在复合层压体铺叠过程期间伸长或撕裂。支撑遮蔽物20也增加了尺寸稳定性并且为复合层压体5和复合层压体55提供更好的固化板层厚度控制。支撑遮蔽物20可使得功能化碳纳米材料加强膜10能够平滑地覆盖大型碳复合结构并且在重量增加最小的情况下增加表面膜的硬度和强度。如图1a至图1c中所示，支撑遮蔽物20具有相对侧(上侧32和下侧34)，其中下侧34与图1a、图1b和图1c中的复合层50相邻，并且上侧32与图1b和图1c中的雷击层40相邻。在一个实施方案中，支撑遮蔽物20是碳纤维和粘结剂的无纺垫。无纺垫优选地是由短切纤维(诸如，可从纽约斯克内克塔迪的technical fibre products买到的)形成的无纺材料。最优选地，所述短切纤维是碳纤维。粘结剂可构成支撑遮蔽
物20的约5重量％。在一个实施方案中，粘结剂可以是聚乙烯醇(pva)粘结剂。可视需要在支撑遮蔽物20中使用其他聚合粘结剂。支撑遮蔽物20可具有在约3g/m2与约50g/m2之间的单位面积重量。在一个实施方案中，支撑遮蔽物20是单位面积重量小于约20g/m2的碳遮蔽物。与常规的承载复合结构中所使用的较重织物(单位面积重量通常大于约70g/m2，诸如下文的复合层50)不同，支撑遮蔽物20不承载结构载荷。然而，支撑遮蔽物20确实提高了表面膜的结构完整性，并且有助于在表面膜的制造和处置期间以及在本文中所述的复合层压体5或55的铺叠和制作期间防止表面膜撕裂和起皱。
60.在一个实施方案中，功能化碳纳米材料加强膜10和支撑遮蔽物20可组合以使得功能化碳纳米材料加强膜10与支撑遮蔽物20之间不存在可观察到的界面。即，功能化碳纳米材料加强膜10和支撑遮蔽物20可形成单层材料。在此实施方案中，诸如通过此项技术中已知的将形成无缝单层膜的常规预浸处理技术使用用作基质的碳纳米材料和聚合树脂混合物对支撑遮蔽物20进行预浸渍。类似地，在包括雷击层40的替代实施方案中，功能化碳纳米材料加强膜10、雷击层40和支撑遮蔽物20可全部组合以使得观察不到三者之间的界面并且这三者看起来是单个层材料并且构成表面膜。
61.继续图1a到图1c，优选实施方案中的复合层50可包含使用环氧树脂预浸渍的碳织物加强物。然而，复合层50可由任何加强物形成，诸如编织物、针织物、纺织物、无纺物、单向纤维束、或其他已知加强物配置及其组合。所述加强物通常具有大于约70g/m2的单位面积重量。另外，复合层压体50可由加强物的一个或多个复合层(例如，两层、三层或四层或更多层加强材料)形成。在替代实施方案中，可使用树脂，诸如环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、苯并恶嗪、聚酯、乙烯基酯、酚类、聚氨酯、聚芳醚酮、尼龙、聚碳酸酯和氰酸酯。
62.如图1b和图1c中所示，复合层压体55可包括位于碳纳米材料加强膜10与支撑遮蔽物20之间的雷击层40。在替代实施方案中，雷击层40可放置在支撑遮蔽物20与复合层50之间。可将各种衬底用于雷击层40。举例来说，美国专利申请公布案2009/0186214中描述了扩展金属板片或网(例如，由铝、铜、青铜、镍或银形成)、金属织物(例如，由铜、青铜、铝、镍或银形成)或复合织物，所述美国专利申请公布案并入本案供参考。在将铝用作雷击层40的情况下，支撑遮蔽物20优选地是聚酯遮蔽物。另外，包含预浸渍有环氧树脂的玻璃纤维的复合层(图1b或1c中未示出)优选地被放置成与表面膜直接相邻并且位于所述表面膜之下以将铝的电偶腐蚀最小化。
63.适航认证官方机构针对各种类型的航空器和航空器部件的雷击保护具有确立的标准。提供雷击层40允许航空器和航空器部件满足所述标准以使得所述雷击生成的电能被适当耗散以避免实质损坏。遗憾的是，在常规雷击层中提供金属屏蔽层可导致层压体结构的热膨胀特性存在差异，这可造成微裂纹。使用功能化碳纳米材料加强膜10与支撑遮蔽物20即使不能消除可由使用由诸如金属屏蔽层等金属材料制成的雷击层40所致的微裂纹也可减小或最小化所述微裂纹(例如，雷击层40可符合美国专利9,511,562，所述美国专利的全部公开内容并入本案供参考)，如下文将论述。另外，针对复合层压体5或复合层压体55，可随后并且可选地使用图1c中所示的涂料层35(可包括任选底漆层)涂布上侧12(或外表面)。
64.现在转向图2a，示出制作表面膜10并且将表面膜10并入到复合层压体55(或复合层压体5)中的过程200。首先，在第一步骤202中，使用烷氧基硅烷将第一碳纳米材料(石墨
烯纳米片)功能化以形成功能化碳纳米材料。在第二步骤204中，使用hals将碳纳米材料进一步功能化、或将碳纳米材料与hals组合、或两者均有。在任选的第三步骤206中，使用烷氧基硅烷将第二碳纳米材料(例如，碳纳米纤维(cnf))功能化。在也任选的第四步骤208中，使用hals将第二碳纳米材料进一步功能化。在一个实施方案中，可针对第三碳纳米材料或另外的碳纳米材料(例如，单壁碳纳米管、不同大小的石墨烯纳米片等)重复进行任选步骤206和/或208，并且所述任选步骤用于后续步骤中。另一选择为，可首先将第一碳纳米材料和第二碳纳米材料以及另外的碳纳米材料全部组合在一起并且使用烷氧基硅烷和/或hals将上述材料一起功能化。在第五步骤210中，将树脂与第一功能化碳纳米材料和与第二功能化碳纳米材料(如果存在)组合以形成混合物。在任选的第六步骤212中，将uva或其他非碳材料(例如，纳米氧化铝、纳米二氧化硅、碳化硅、纳米芳族聚酰胺纤维等)或其组合添加到所述混合物。在第七步骤214中，使用适合的高剪混合器并且在此项技术中已知的剪切速度和温度条件下分散所述混合物以形成化合物，其中所有功能化碳、hals以及任选的非碳纳米材料和uva充分分散和分布以形成化合物。在第八步骤216中，将化合物形成为膜—纳米材料加强膜。可使用挤压机或其他适合的方法在此项技术中已知的操作条件下将纳米材料加强膜形成为具有所需的单位面积重量。在第九步骤218中，将功能化碳纳米材料加强膜与支撑遮蔽物组合。在一个实施方案中，经由碾压膜转移(诸如，通过此项技术中已知的常规膜转移预浸技术)将功能化碳纳米材料加强膜与支撑遮蔽物浸注在一起。任选地，如第十步骤220中所示，可将功能化碳纳米材料加强膜和支撑遮蔽物与雷击层组合。也可使用此项技术中已知的常规膜转移预浸技术来装配雷击层。所述雷击层可被定位成与支撑遮蔽物的任一侧上的支撑遮蔽物层相邻。所述雷击层优选地被放置成与支撑遮蔽物相邻，更靠近外表面并且相对于支撑遮蔽物与复合衬底相距更远。可通过此项技术中已知的一系列热辊在单个过程中同时或依序施加并强化功能化碳纳米材料加强膜、支撑遮蔽物和(可选地)雷击层以形成所述表面膜。并且，如此项技术中已知，作为膜形成过程的一部分，可将剥离板层施加到表面膜的一侧或两侧。
65.在第十一步骤222中，将表面膜铺叠在工具上以形成复合层压体。在第十二步骤224中，可将由树脂和加强物构成的一个或多个复合层组合以形成复合预成型层压体，所述复合预成型层压体在被固化时变为上文所述并且图3中所示的复合层压体55(或复合层压体5)。包含树脂和加强物的复合层可被统称为复合衬底。可使用此项技术中已知的铺叠表面膜和复合层的常规方法。另一选择为，可通过此项技术中已知的树脂浸注过程形成预成型件，并且接着通过手动铺叠过程将所述预成型件与功能化碳纳米材料加强膜和支撑遮蔽物组合，后续接着在加压釜中固化，如下文所论述。步骤222和224包括将预成型层压体放置在工具上以进行进一步处理；根据各种实施方案，图3中提供包括预成型层压体的铺叠组合件的示意图。
66.在第十三步骤226中，将铺叠组合件(参见图3)放置在常规复合处理装备(诸如加压釜)中以将预成型层压体固化并且形成复合层压体。在此步骤226期间，将功能化碳纳米材料加强膜和预成型件中的聚合树脂固化。因此，步骤226可将表面膜和复合层中所包含的树脂固化以形成复合层压体。当第一聚合树脂与第二聚合树脂相同(例如，两者均是环氧树脂)时，可将预成型层压体暴露于高达约350℉(≈176℃)的温度和高达约100psig(≈690kpa)的压力达足以将聚合树脂固化的时间。根据所使用的树脂，有时需要较高的温度和
压力。举例来说，聚酰亚胺通常具有约600℉(≈315℃)至约700℉(≈371℃)的较高固化温度以及高达约200psig(≈1380kpa)的压力。接着将固化层压体冷却，并且从铺叠组合件(参见图3)移除复合层压体部分。
67.虽然上述方法主要针对其中使用受阻胺光稳定剂和烷氧基硅烷将纳米材料功能化的功能化碳纳米材料加强化合物，但注意，本公开涵盖其他化合物，所述其他化合物可使用与其他碳纳米材料(包括但不限于石墨烯纳米片、碳纳米纤维、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管或者两个或更多个的组合)中的任一者类似的步骤形成，可使用此项技术中已知的烷氧基硅烷和另外受阻光胺稳定剂中的任一者来功能化。举例来说，本公开还涵盖(i)烷氧基硅烷功能化的碳纳米材料，其中碳纳米材料用作uv吸收剂；(ii)烷氧基硅烷功能化的碳纳米材料，其中在树脂中添加受阻胺光稳定剂；(iii)双功能化的碳纳米材料，例如由烷氧基硅烷功能化并且由受阻胺光稳定剂功能化的碳纳米材料；以及(iv)上述各项中的任一者，其中添加其他uv吸收剂材料以增强表面膜的吸收或对因暴露于uv辐射而劣化的抗力。
68.现在转向图2b，示出制作包含功能化碳纳米材料和纳米加强表面膜10的第二复合层压体的过程250。首先，在第一步骤252中，使用烷氧基硅烷将第一碳纳米材料(例如石墨烯纳米片)功能化以形成功能化碳纳米材料。在第二步骤254中，使用hals将碳纳米材料进一步功能化、或将碳纳米材料与hals组合、或两者均有。在任选的第三步骤256中，使用烷氧基硅烷将第二碳纳米材料(例如，碳纳米纤维(cnf))功能化。在也任选的第四步骤258中，使用hals将第二碳纳米材料进一步功能化。在一个实施方案中，可针对第三碳纳米材料或另外的碳纳米材料(例如，单壁碳纳米管、或不同大小的石墨烯纳米片等)重复进行任选步骤256和/或258，并且所述任选步骤用于后续步骤中。另一选择为，可首先将第一碳纳米材料和第二碳纳米材料以及另外的碳纳米材料全部组合在一起，并且在步骤252和254中使用烷氧基硅烷和/或hals将上述材料一起功能化。在第五步骤260中，将树脂与第一功能化碳纳米材料和第二功能化碳纳米材料(如果存在)组合以形成混合物。在任选的第六步骤262中，将uva添加到混合物。在第七步骤264中，使用适合的高剪混合器并且在此项技术中已知的剪切速度和温度条件下分散所述混合物以形成化合物，其中所有的功能化碳、hals和uva充分分散和分布以形成化合物。
69.在第八步骤266中，将所述化合物与加强物(例如，由连续碳纤维束构成的纺织碳织物)组合以形成复合预浸层。可使用压实辊或其他适合的方法在此项技术中已知的操作条件下形成包含化合物和加强物的预浸层。在一个实施方案中，经由碾压膜转移诸如通过此项技术中已知的常规预浸技术将包含功能化碳纳米材料并且可选地包含hals和uva的化合物形成为膜并且浸注到加强物(例如，纺织碳织物)中。并且，如此项技术中已知的，可在预浸形成过程期间将剥离板层施加到预浸层的一侧或两侧。另一选择为，在第八步骤266中，可在取代步骤266的替代步骤267中将来自第七步骤264的化合物形成为膜。
70.在第九步骤268中，将上文所述并且图2a中所示的来自步骤218的表面膜铺叠在工具上以形成复合预成型层压体。在第十步骤270中，可将来自步骤266的一个或多个复合预浸层组合以形成复合预成型层压体。可使用此项技术中已知的铺叠表面膜和复合预浸层的常规方法，例如手动铺叠过程。另一选择为，在步骤269中，可将来自步骤267的一个或多个加强层和膜(例如，步骤267的纺织碳织物和碳纳米材料树脂膜的一个或多个交替层)放置在工具上。包含加强物和功能化碳纳米材料加强树脂的复合预浸层可被统称为功能化碳纳
米材料加强复合衬底。
71.步骤268和步骤270包括将表面膜和复合预浸层放置在工具上以进行进一步处理；类似地，替代过程步骤268和269包括将表面膜和一个或多个加强以及树脂膜层放置在工具上以进一步处理；根据各种实施方案，图3中提供包括预成型层压体的铺叠组合件的示意图。
72.在第十一步骤272中，将铺叠组合件(参见图3)放置在常规复合处理装备(诸如加压釜)中以将预成型层压体固化并且形成复合层压体。在此步骤272期间，将功能化碳纳米材料加强表面膜中的聚合树脂和复合层中的聚合树脂固化。当根据步骤269铺叠复合预成型层压体时，树脂膜在固化过程期间浸注到加强层中。步骤272可将表面膜和复合层中所包含的树脂固化以形成复合层压体。当第一聚合树脂与第二聚合树脂相同(例如，两者均是环氧树脂)时，可将预成型层压体暴露于高达约350℉(≈176℃)的温度和高达约100psig(≈690kpa)的压力达足以将聚合树脂固化的时间。根据所使用的树脂，有时需要较高的温度和压力。举例来说，聚酰亚胺通常具有约600℉(≈315℃)至约700℉(≈371℃)的较高固化温度以及高达约200psig(≈1380kpa)的压力。接着将固化层压体冷却，并且从铺叠组合件(参见图3)移除复合层压体部分。
73.现在参考图3，图解说明根据各种实施方案的铺叠组合件300。铺叠组合件300可包括使用直接放置在工具320上的剥离板层材料310。预成型层压体305包括上面具有功能化碳纳米材料加强膜的第一侧306并且包括第二侧308。将预成型层压体305的第一侧306放置在剥离板层材料310上。剥离板层材料310便于在完成固化步骤时从工具320移除预成型层压体305，下文进一步详述所述固化步骤。可在预成型层压体305之上放置不可渗透释放膜330，后续接着放置任选的垫板板片340。在剥离板层材料310、预成型层压体305、不可渗透释放膜330和任选垫板板片340之上放置有助于形成多孔排放路径的可渗透衬底350，诸如扩展玻璃纤维(纺织或无纺)，所述可渗透衬底350将在固化期间移除。在工具表面322上将可渗透衬底350和不可渗透释放膜330的末端组合。接着将真空障壁层360放置在组合件之上并且经由真空密封件324密封到工具表面322。上述处理仅旨在图解说明一种形成本文中所公开的复合层压体的方法。也可使用除上述手动铺叠之外的替代制造方法，包括树脂膜浸注(rfi)、树脂传递模塑(rtm)和适合于功能化的碳纳米材料加强膜和层压体的既定终端使用并且本领域技术人员众所周知的其他过程。
74.虽然功能化碳纳米材料加强膜10、支撑遮蔽物20、复合层50、雷击层40以及任选的底漆和涂料层35已在上文参照其彼此相邻的位置示出和描述，但本公开包括各个层以不同方式并列的复合结构。举例来说，雷击层40可定位在支撑遮蔽物20与复合层50之间，而不是图1b中所示的配置。前述层可重新定位的所述结构的制作将按照上文的描述并且依照已知的装配方法来进行。
75.复合层压体零件可用于各种外部部件上并且特别适合于航空器部件，诸如机身、侧翼、发动机和短舱、桥塔以及垂直和水平稳定器。在其他实施方案中，复合层压体零件可形成进气道唇口的前缘和发动机短舱的前隔板、尾部的水平和垂直稳定器的前缘以及侧翼的前缘。此外，本文中所述的复合层压体非常适合用于美国专利7,921,966中所述类型的声学结构的表面上。可容易对本文中所述的层压体进行穿孔并调谐以达到所需的噪声衰减并且可具有表面饰面以促进平顺的层流气流。所述结构也可被制造成用于360度线性声衬以
达到最优的内筒性能。
76.本文中所述的复合层压体为航空器零件提供良好表面饰面、改进的防uv性、防腐蚀性、对热循环所致的微裂纹的抵抗性以及耐磨损性。已发现，将所述复合层压体用于外部航空器零件能去除提供所述性质组合原本所需的另外表面饰面。在需要另外表面处理的设施中，外表面(例如，功能化碳纳米材料加强膜10的上侧12)可随后并且可选地涂布有图1c中所示的底漆和涂料层35。
77.本文中已关于特定实施方案描述了益处、其他优点和问题解决方案。此外，在本文中包括的各个图中所示的连接线旨在表示各种要素之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应注意，实际系统中可存在很多替代或另外的功能关系或物理连接。然而，所述益处、优点、问题解决方案以及可使任何益处、优点或解决方案发生或变得更加突出的任何要素不应被解释为本公开的关键、所需或本质的特征或要素。因此，本公开的范围仅受随附权利要求书限制，在权利要求书中以单数提及的要素不旨在意指“一个且仅一个”，除非明确如此陈述，而是意指“一个或多个”。此外，在权利要求书中使用与“a、b或c中的至少一者”类似的短语的情况下，旨在将所述短语解释为意指实施方案中可单独存在a，实施方案中可单独存在b，实施方案中可单独存在c，或单个实施方案中可存在要素a、b和c的任何组合，例如a和b、a和c、b和c、或a和b和c。在各个图中使用不同的交叉影线来标示不同部分，但未必标示相同或不同的材料。
78.本文中提供系统、方法和设备。在本文中的详细描述中，对“一个实施方案”、“实施方案”、“各种实施方案”等的提及指示所述实施方案可包括特定特征、结构或特性，但是每个实施方案可能不一定包括所述特定特征、结构或特性。此外，所述短语未必指代同一实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，认为结合其他实施方案影响所述特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内，无论是否明确描述。在阅读描述之后，相关领域的技术人员将明了如何在替代实施方案中实施本公开。
79.本公开的各种实施方案囊括的本领域的普通技术人员将了解，本文中所述的数目、百分比或其他值旨在包括所述值，并且也包括约等于或大约等于所述值的其他值。因此，所述值应在广义上解释为足以囊括至少足够接近所述值以执行所需功能或达成所需结果的值。所述值至少包括预期的适合工业过程的变化，并且可包括在所述值的10％内、5％内、1％内、0.1％内或0.01％内的值。另外，本文中所使用的术语“基本上”、“约”或“大约”表示接近所述量的仍执行所需功能或达成所需结果的量。举例来说，术语“基本上”、“约”或“大约”可指代在所述量或值的10％内、5％内、1％内、0.1％内、0.01％内的量。
80.此外，本公开的要素、部件或方法步骤均不旨在贡献给公众，无论所述要素、部件或方法步骤在权利要求书中是否明确陈述。除非使用短语“用于
…
的装置”来明确叙述要素，否则本文中的权利要求要素不应根据35u.s.c.112(f)的条款进行解释。如本文中所使用，术语“包括”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性包含，以使得包括一系列要素的过程、方法、物品或设备不仅包括这些要素，而且可包括未明确列示或所述过程、方法、物品或设备固有的其他要素。
81.最后应理解，上述概念中的任一者可单独使用或与其他上述概念中的任一者或所有组合使用。尽管已公开并描述了各种实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，某些修改将处于本公开的范围内。因此，所述描述并不旨在具详尽性或将本文中描述或图解说
明的原理限制于任何精确形式。鉴于以上教义，可做出很多修改和变化。

技术特征：
1.一种表面膜，所述表面膜包含：聚合树脂；受阻胺光稳定剂；功能化碳纳米材料，其中所述功能化碳纳米材料由烷氧基硅烷功能化；以及支撑遮蔽物。2.如权利要求1所述的表面膜，其中所述功能化碳纳米材料由所述受阻胺光稳定剂进一步功能化。3.如权利要求1所述的表面膜，所述表面膜还包含紫外线吸收剂(uva)，其中所述紫外线吸收剂包括苯氧基三嗪、羟基苯基苯并三唑、间苯二酚三嗪或四烷基哌啶中的至少一者；所述表面膜还包含非碳纳米材料，其中所述非碳纳米材料包括纳米粘土、二氧化硅、氧化铝、铝硅酸盐、碳化硅或芳族聚酰胺中的至少一者；所述表面膜还包含雷击层，所述雷击层包含被定位成靠近所述支撑遮蔽物的金属屏蔽层。4.如权利要求1所述的表面膜，其中所述功能化碳纳米材料由紫外线吸收剂进一步功能化。5.如权利要求1所述的表面膜，其中所述功能化碳纳米材料包括石墨烯纳米片、碳纳米纤维、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一者。6.如权利要求1所述的表面膜，其中所述支撑遮蔽物包含粘结剂并且包含碳纤维或玻璃纤维中的至少一者，所述支撑遮蔽物具有小于约20克/平方米的单位面积重量。7.一种复合层压体，所述复合层压体包含：表面膜，所述表面膜包含：聚合树脂，受阻胺光稳定剂，功能化碳纳米材料，其中所述功能化碳纳米材料是由烷氧基硅烷功能化；支撑遮蔽物；以及复合衬底，所述复合衬底包含一个或多个复合层，其中所述复合层包含加强物和树脂。8.如权利要求7所述的复合衬底，其中所述复合层中的至少一者包含功能化碳纳米材料，并且其中所述碳纳米材料是由烷氧基硅烷功能化。9.如权利要求8所述的复合衬底，其中所述碳纳米材料由所述受阻胺光稳定剂进一步功能化，其中所述复合层中的至少一者还包含紫外线吸收剂，其中所述紫外线吸收剂包括苯氧基三嗪、羟基苯基苯并三唑、间苯二酚三嗪或四烷基哌啶中的至少一者；其中包含所述功能化碳纳米材料的所述复合衬底由紫外线吸收剂进一步功能化，其中所述功能化碳纳米材料包括石墨烯纳米片、碳纳米纤维、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一者，所述复合层压体还包含非碳纳米材料，其中所述非碳纳米材料包括纳米粘土、二氧化硅、氧化铝、铝硅酸盐、碳化硅或芳族聚酰胺中的至少一者。10.如权利要求7所述的复合层压体，其中所述表面膜还包含雷击层，所述雷击层包含被定位成靠近所述支撑遮蔽物的金属屏蔽层。

技术总结
本发明公开了用于复合层压体的表面膜。一种复合层压体包括：碳纳米材料或与受阻胺光稳定剂组合的功能化碳纳米材料；支撑遮蔽物；以及复合层，所述复合层包含加强物的一个或多个层。层。层。


技术研发人员：普加尔 S
受保护的技术使用者：罗尔公司
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/8/2