RU2263581C2 - Multilayer lightning-protection coating - Google Patents
Multilayer lightning-protection coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2263581C2 RU2263581C2 RU2003137750/04A RU2003137750A RU2263581C2 RU 2263581 C2 RU2263581 C2 RU 2263581C2 RU 2003137750/04 A RU2003137750/04 A RU 2003137750/04A RU 2003137750 A RU2003137750 A RU 2003137750A RU 2263581 C2 RU2263581 C2 RU 2263581C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- strength
- lightning
- coating
- conductive layer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- Paints Or Removers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области материалов для авиационной техники и может быть использовано для защиты от поражения молнией деталей и агрегатов летательных аппаратов, выходящих на внешний контур и выполненных из проводящих слоистых полимерных композиционных материалов, в частности из углепластиков.The invention relates to the field of materials for aircraft and can be used to protect against damage by lightning parts and assemblies of aircraft that go to the external circuit and are made of conductive layered polymer composite materials, in particular carbon fiber.
Углепластики нашли широкое применение в несущих элементах конструкций летательных аппаратов благодаря высоким показателям удельной прочности, жесткости, тепло- и электропроводности. В процессе полета наблюдается ориентирование смещающихся разрядов молнии на углепластиковые конструкции, выходящие на поверхность, подобное их ориентированию на конструкции из металлов. Поскольку слоистые углепластики являются изотропно-армированными материалами и обладают повышенным электрическим сопротивлением в поперечном направлении, незащищенные углепластиковые конструкции внешнего контура планера ( например, тонкослойные обшивки несущих сотовых панелей) получают повреждения, недопустимые по эксплуатационным и ресурсным требованиям: сквозной пробой диаметром 10 мм и более, расщепления вдоль волокон на десятки сантиметров от канала молнии, расслоение материала и отрыв его слоев потоком воздуха. Такие повреждения являются следствием термической деструкции полимерной матрицы, носящей взрывной характер. Для предотвращения термической деструкции матрицы необходимо повысить поверхностную проводимость углепластика. В существующих системах молниезащиты (МЗ) этого достигают путем нанесения на поверхность углепластиковых конструкций, выходящих на внешний контур, специальных покрытий, обладающих повышенными показателями электро- и теплопроводности. В большинстве технических решений - это сплошные или дискретные металлические слои, отделенные от несущего материала конструкции слоем диэлектрика с высокой электрической прочностью. Металлические слои принимают на себя электрическую энергию молнии, отводят ее от центрального канала по своим разветвлениям, преобразуют в тепловую и рассеивают. Слой диэлектрика выполняет изолирующую функцию - препятствует распространению электрического разряда молнии в материал несущей конструкции.Carbon fiber reinforced plastics have found wide application in load-bearing structural elements of aircraft due to high rates of specific strength, rigidity, heat and electrical conductivity. During the flight, the orientation of the shifting lightning discharges to carbon fiber structures that come to the surface, similar to their orientation to metal structures, is observed. Since laminated carbon plastics are isotropically reinforced materials and have increased electrical resistance in the transverse direction, unprotected carbon fiber constructions of the external contour of the airframe (for example, thin-layer casing of bearing honeycomb panels) suffer damage that is unacceptable by operational and resource requirements: through breakdown with a diameter of 10 mm or more, splitting along the fibers by tens of centimeters from the lightning channel, delamination of the material and separation of its layers by air flow. Such damage is the result of thermal destruction of the polymer matrix, which is explosive in nature. To prevent thermal degradation of the matrix, it is necessary to increase the surface conductivity of carbon fiber. In existing systems of lightning protection (MOH), this is achieved by applying to the surface of carbon fiber structures that go to the external circuit, special coatings with increased indicators of electrical and thermal conductivity. In most technical solutions, these are solid or discrete metal layers separated from the structural support material by a dielectric layer with high dielectric strength. The metal layers take on the electrical energy of lightning, divert it from the central channel through its branches, convert it into heat and dissipate it. The dielectric layer performs an insulating function - it prevents the spread of an electric lightning discharge into the material of the supporting structure.
Известна система МЗ и снятия статического электричества с конструкций из полимерных композиционных материалов, в которой в качестве токоотводящего элемента использована трикотажная сетка из стальных или медных нитей диаметром 0,03-0,08 мм. Применение трикотажной сетки из нержавеющей стали массой 50 г/м2 в панелях из органопластика уменьшило период стекания заряда статического электричества с 2000 до 10 секунд. Размеры сквозного пробоя после удара молнии не превышали диаметра 20 мм (Вишняков Л.Р. АНТК "Антонов". Обзоры промышленности. "Пластические массы", №12, стр.10, 2002).A known system of MOH and removal of static electricity from structures made of polymer composite materials, in which a knitted mesh of steel or copper filaments with a diameter of 0.03-0.08 mm is used as a current-collecting element. The use of knitted stainless steel mesh with a mass of 50 g / m 2 in panels made of organoplastics reduced the drainage period of static electricity from 2000 to 10 seconds. The size of the through breakdown after a lightning strike did not exceed a diameter of 20 mm (Vishnyakov LR ANTK Antonov. Industry Reviews. Plastics, No. 12, p. 10, 2002).
Главным недостатком молниезащитных покрытий, использующих различные металлические конструктивные элементы, является их большая масса, приводящая к значительному (от 500 до 1500 г/м2) привесу защищаемой конструкции.The main disadvantage of lightning protection coatings using various metal structural elements is their large mass, which leads to a significant (from 500 to 1500 g / m 2 ) weight gain of the protected structure.
Известны технические решения систем МЗ, в которых снижение привеса защищаемой конструкции достигается путем замены части металлических элементов на легкие проводящие неметаллические: например, устройство для обеспечения МЗ поверхности транспортных средств с использованием комбинированной (гибридной) сетки из металлической проволоки и углеродных волокон (ЕР, патент №0318839) или МЗ сотовых структур с использованием проволочной сетки из алюминия и углеродного волокна (США, патент №6432507).Known technical solutions of MOH systems in which the reduction in the gain of the protected structure is achieved by replacing part of the metal elements with light conductive non-metallic ones: for example, a device for providing the MOH of the surface of vehicles using a combined (hybrid) mesh of metal wire and carbon fibers (EP patent No. 0318839) or MOH honeycomb structures using a wire mesh of aluminum and carbon fiber (US Patent No. 6432507).
Такие решения, хотя и обеспечивают заметное (на 30-50%) снижение привеса конструкции, оставляют проблемными вопросы коррозии. Кроме того, присутствие металлических элементов на поверхности внешнего контура планера лишает летательное устройство некоторых дополнительных преимуществ, присущих углепластику (радиопоглощение, экранирование от электромагнитных излучений, рентгенопрозрачность и др.).Such solutions, although they provide a noticeable (30–50%) reduction in structural gain, leave corrosion issues problematic. In addition, the presence of metal elements on the surface of the outer contour of the glider deprives the aircraft of some additional advantages inherent to carbon fiber (radio absorption, shielding from electromagnetic radiation, x-ray transparency, etc.).
Известно многослойное МЗ-покрытие, состоящее из слоя диэлектрика, выполненного из полимерной (например, эпоксидной) отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя, состоящего из высокопрочных углеродных, борных, арамидных или стеклянных волокон с нанесенными на них слоями никелевой проволоки. Покрытие получают методом спиральной намотки под углом (-30)-(+60)° к оси вращения защищаемой детали, причем покрытые никелем волокна располагают на внешней поверхности конструкции и хотя бы частично погружают в поверхность пропитывающей смолы (США, патент №5132168).A multilayer MZ coating is known, consisting of a dielectric layer made of a polymer (e.g., epoxy) cured matrix, and a conductive layer consisting of high-strength carbon, boron, aramid or glass fibers with layers of nickel wire deposited on them. The coating is obtained by spiral winding at an angle of (-30) - (+ 60) ° to the axis of rotation of the protected part, with nickel-coated fibers placed on the outer surface of the structure and at least partially immersed in the surface of the impregnating resin (US Patent No. 5132168).
Помимо недостатков, напрямую связанных с применением металла (привес, коррозия), покрытие отличает большая трудоемкость и сложная технология изготовления. Вследствие использования метода спиральной намотки оно может применяться только для защиты конструкций, представляющих собой тела вращения. Кроме того, никелевое покрытие существенно снижает абсолютные и удельные упругопрочностные характеристики легких армирующих волокон (углеродных, арамидных) и не может быть включено в расчетную схему конструкции.In addition to the shortcomings directly associated with the use of metal (weight gain, corrosion), the coating is distinguished by a great complexity and complex manufacturing technology. Due to the use of the spiral winding method, it can only be used to protect structures representing bodies of revolution. In addition, the nickel coating significantly reduces the absolute and specific elastic strength characteristics of light reinforcing fibers (carbon, aramid) and cannot be included in the design structure.
Известны технические решения, обеспечивающие повышение электрической проводимости термопластичных полимеров без применения металлических элементов: МЗ для обтекателей на основе слоев из полиэтиленвинилацетата, наполненных сажей (Великобритания, патент №2295594); электропроводный полимерный слой, содержащий сажу (Япония, заявка №3209394); электропроводящая композиция на основе полифениленоксида и полиамида, содержащая в качестве электропроводных частиц 1,5-5% проводящей черной сажи (США, патент №6171523); электропроводная композиция на основе смеси полиуретана и полиацеталя, содержащая технический углерод (Япония, заявка №3167297, кл. С 08 L 59/00, 1992).Known technical solutions for increasing the electrical conductivity of thermoplastic polymers without the use of metal elements: MOH for fairings based on layers of polyethylene vinyl acetate filled with soot (UK Patent No. 2295594); an electrically conductive polymer layer containing carbon black (Japan, application No. 3209394); an electrically conductive composition based on polyphenylene oxide and polyamide, containing 1.5-5% of conductive black carbon as electrically conductive particles (US Patent No. 6171523); conductive composition based on a mixture of polyurethane and polyacetal containing carbon black (Japan, application No. 3167297, class C 08 L 59/00, 1992).
Недостатком этих технических решений является высокий (для технического углерода более 20 мас.%) концентрационный порог перколяции (фильтрации) электрического заряда через проводящие частицы, диспергированные в полимерной диэлектрической среде. Частичная компенсация этого недостатка достигнута заменой доли технического углерода на его металлоорганические соединения (полимерная композиции из полифенилена для термостойкой подложки интегральной схемы с улучшенной электропроводностью - Заявка Японии №3112519, кл. С 08 L 71/12, 1991). Использование больших концентраций известных неметаллических проводящих наполнителей приводит к снижению прочности полимеров. Такие технические решения МЗ не в состоянии выполнять совмещенные несущие функции и не могут быть включены в расчетную схему авиационной конструкции.The disadvantage of these technical solutions is the high (for carbon black more than 20 wt.%) Concentration threshold of percolation (filtration) of the electric charge through conductive particles dispersed in a polymer dielectric medium. Partial compensation for this drawback was achieved by replacing the fraction of carbon black with its organometallic compounds (polymer composition made of polyphenylene for a heat-resistant integrated circuit substrate with improved electrical conductivity - Japanese Application No. 3112519, class C 08 L 71/12, 1991). The use of large concentrations of known non-metallic conductive fillers leads to a decrease in the strength of polymers. Such technical solutions of the Ministry of Health are not able to perform combined load-bearing functions and cannot be included in the design scheme of an aircraft structure.
Наиболее близким к заявляемому изобретению, принятым за прототип, является многослойное молниезащитное покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя, состоящего из высокопрочных углеродных волокон, в котором токопроводящий слой выполнен из двух или более слоев углеродной ткани саржевого, сатинового и других видов плетения, расположенных под углом (-30)-(+60)° друг к другу, в межволоконное пространство углеродной ткани введено полимерное связующее с температурой деструкции ≥250°С, причем слои углеродной ткани соединены между собой методом многослойного ткачества или прошивкой трансверсально-армирующими углеродными волокнами (плотность прошивки составляет 1-5 на 1 см2), обеспечивающими повышение контактной электропроводности между слоями углеродной ткани. Также для повышения контактной электропроводности в полимерное связующее токопроводящего слоя вводят углеродные наномодификаторы в количестве 3-25% (вес.). Соединение токопроводящего и диэлектрического слоев с защищаемой утлепластиковой конструкцией может производиться как в едином технологическом цикле, так и путем напрессовки токопроводящего слоя на изделие с использованием препрегов на основе углеродных наполнителей (РФ, патент №2217320).Closest to the claimed invention adopted as a prototype is a multilayer lightning protection coating consisting of a dielectric layer made of a polymer cured matrix and a conductive layer consisting of high-strength carbon fibers, in which the conductive layer is made of two or more layers of carbon twill fabric, satin and other types of weaving, located at an angle of (-30) - (+ 60) ° to each other, a polymer binder with a temperature of dest is introduced into the interfiber space of the carbon fabric uktsii ≥250 ° C, the carbon fabric layers are interconnected by multi-layer weaving or stitching a transversally reinforcing carbon fibers (EEPROM density is 5.1 to 1 cm 2), providing an increase contact conductivity between the layers of carbon fabric. Also, to increase contact electrical conductivity, carbon nanomodifiers in an amount of 3-25% (wt.) Are introduced into the polymer binder of the conductive layer. The connection of the conductive and dielectric layers with a protected Uplastic construction can be performed both in a single technological cycle and by pressing the conductive layer onto the product using prepregs based on carbon fillers (RF Patent No. 2217320).
Недостатками прототипа являются большая трудоемкость, сложная технология изготовления, связанная с прошивкой трансверсально-армирующими углеродными волокнами специально ориентированных слоев углеродной ткани. Не исключено также механическое повреждение плетения углеродной ткани в виде стяжек, петель, зацепов, близн, что вызывает снижение упругопрочностных свойств МЗ-покрытия и создает сложности при включении его в расчетную схему конструкции.The disadvantages of the prototype are the great complexity, complex manufacturing technology associated with the flashing transversely reinforcing carbon fibers of specially oriented layers of carbon fabric. It is also possible that mechanical damage to the weaving of carbon fabric in the form of screeds, loops, and hooks is close, which causes a decrease in the elastic strength properties of the MZ coating and creates difficulties when it is included in the design structure.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание легкого, высокопрочного и технологичного молниезащитного покрытия на основе неметаллических проводящих компонентов с повышенным уровнем упругопрочностных свойств, упрощение технологического процесса изготовления и удешевление покрытия, обеспечение возможности его включения в расчетную схему конструкции, предотвращение привеса и коррозии изделия.The technical task of the invention is the creation of a lightweight, high-strength and technologically advanced lightning protection coating based on non-metallic conductive components with a high level of elastic strength properties, simplifying the manufacturing process and cheapening the coating, enabling it to be included in the design structure, preventing weight gain and corrosion of the product.
Для решения поставленной технической задачи предлагается многослойное молниезащитное покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной эпоксидной или полиамидной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон, в котором токопроводящий слой выполнен из двух или более монослоев углеродной ткани, расположенных под углом (-30)-(+60)° друг к другу, в межволоконное пространство которых введено полимерное эпоксидное или полиамидное связующее с температурой деструкции ≥250°С, при этом в связующем равномерно распределены частицы шунгита - природного кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения размером 2-10 мкм в количестве 5-40 мас.%.To solve the technical problem, a multilayer lightning protection coating is proposed, consisting of a dielectric layer made of a polymeric epoxy or polyamide cured matrix, and a conductive layer based on high-strength carbon fibers, in which the conductive layer is made of two or more monolayers of carbon fabric located at an angle ( -30) - (+ 60) ° to each other, into the interfiber space of which a polymeric epoxy or polyamide binder is introduced with a temperature of destruction ≥250 ° С, p and this in the binder particles are evenly distributed shungite -. natural crystalline carbon material 2-10 microns fulleroid structure in an amount of 5-40 wt%.
В качестве основного материала токопроводящего слоя МЗ используют ткани саржевого, полотняного и других видов плетения из высокопрочных, высокомодульных углеродных жгутов, имеющих высокую термостойкость (до 1400°С) и сопоставимые с металлами показатели электро-, теплопроводности. Диаметр жгутов от 1К до 6К (от 1000 до 6000 филаментов), суммарная толщина одного слоя ткани от 0,2 до 0,5 мм. Углеродные жгуты принимают на себя и отводят (рассеивают) по своим волокнам (филаментам) основную часть энергии молнии. Для большей эффективности предложено шаговое ориентирование монослоев углеродной ткани в токопроводящем слое под углами (-30)-(+60)° друг к другу, создающее многовекторность направлений отвода электрической и тепловой энергии от канала молнии.As the main material of the conductive layer of the MOH, twill, linen and other types of weaving are used from high-strength, high-modulus carbon bundles having high heat resistance (up to 1400 ° C) and electrical and thermal conductivity comparable with metals. The diameter of the bundles from 1K to 6K (from 1000 to 6000 filaments), the total thickness of one layer of fabric from 0.2 to 0.5 mm. Carbon tows take over and divert (scatter) through their fibers (filaments) the bulk of the energy of lightning. For greater efficiency, we propose stepwise orientation of carbon fabric monolayers in a conductive layer at angles of (-30) - (+ 60) ° to each other, creating a multi-directional direction of removal of electrical and thermal energy from the lightning channel.
Частицы шунгитового углеродного вещества размером 2-10 мкм сообщают полимерной матрице проводимость и повышенную теплоемкость, а также осуществляют поперечные электро- и теплопроводящие контакты между углеродными волокнами. Это способствует сохранению работоспособности токопроводящего слоя после воздействия высоких тепловых энергий. В результате прохождения тока молнии по токопроводящему слою его плотность снижается в 3,5-5 раз, а удельное энерговыделение - в 6-8 раз. Обеспечивается не только защита углепластиковых несущих конструкций, но и сохранение не менее 85% прочности самого токопроводящего слоя.Particles of shungite carbon substance with a size of 2-10 microns impart conductivity and increased heat capacity to the polymer matrix, as well as transverse electrical and heat conductive contacts between the carbon fibers. This helps to maintain the health of the conductive layer after exposure to high thermal energies. As a result of the passage of the lightning current through the conductive layer, its density decreases by 3.5-5 times, and the specific energy release by 6-8 times. It provides not only protection for carbon-fiber bearing structures, but also the preservation of at least 85% of the strength of the conductive layer itself.
Введение в полимерную матрицу большого (до 40 мас.%) количества шунгитового кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения, в отличие от аморфных форм углерода (сажа, технический углерод), не приводит к ухудшению прочностных характеристик матрицы. Наоборот, улучшается ее морфология, совершенствуется надмолекулярная структура, выбирается свободный обьем, устраняются "рыхлости". Адгезионная прочность на границе раздела фаз "армирующее волокно - полимерная матрица" становится больше когезионной прочности материала самой полимерной матрицы. Почти на порядок повышается уровень проводимости границы раздела фаз.The introduction of a large (up to 40 wt.%) Amount of schungite crystalline carbon substance of a fulleroid structure into the polymer matrix, in contrast to amorphous forms of carbon (carbon black, carbon black), does not lead to a deterioration in the strength characteristics of the matrix. On the contrary, its morphology is improved, the supramolecular structure is improved, the free volume is selected, the "friability" is eliminated. The adhesion strength at the phase boundary “reinforcing fiber - polymer matrix” becomes greater than the cohesive strength of the material of the polymer matrix itself. The level of conductivity of the phase boundary increases by almost an order of magnitude.
Благодаря гарантированному сохранению прочности токопроводящий слой может рассматриваться уже не в качестве "жертвенного", а в качестве полноценного элемента несущей конструкции. Его включение в расчетную схему позволяет не только полностью избежать привеса конструкции, но даже облегчить ее.Due to the guaranteed preservation of strength, the conductive layer can no longer be considered as a "sacrificial", but as a full-fledged element of the supporting structure. Its inclusion in the design scheme allows not only to completely avoid the structural gain, but even to facilitate it.
Соединение токопроводящего и диэлектрического слоев с защищаемой рабочей поверхностью углепластиковой конструкции может производиться как в едином технологическом цикле, так и путем напрессовки токопроводящего слоя на ранее отформованную рабочую поверхность с использованием полуфабрикатов-препрегов.The connection of the conductive and dielectric layers with the protected working surface of the carbon fiber construction can be carried out both in a single technological cycle, and by pressing the conductive layer onto a previously formed working surface using semi-finished prepregs.
Преимуществами предлагаемого изобретения таким образом являются:The advantages of the invention in this way are:
- использование частиц шунгитового кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения для придания полимерной матрице проводимости, повышенной теплоемкости, предотвращения термической деструкции, а также для увеличения поперечной проводимости токопроводящего слоя;- the use of particles of schungite crystalline carbon substance of a fulleroid structure to impart conductivity to the polymer matrix, increased heat capacity, prevent thermal degradation, and also to increase the transverse conductivity of the conductive layer;
- возможность включения МЗ-покрытия в расчетную схему конструкции летательного аппарата для предотвращения ее привеса благодаря высокому начальному уровню упругопрочностных характеристик токопроводящего слоя и сохранению им не менее 85% остаточной прочности после поражения молнией;- the possibility of including the MZ coating in the design structure of the aircraft to prevent its weight gain due to the high initial level of elastic-strength characteristics of the conductive layer and its preservation of at least 85% residual strength after a lightning strike;
- технологичность изготовления МЗ-покрытия путем присоединения диэлектрического и токопроводящих слоев к защищаемой углепластиковой несущей конструкции как в едином технологическом цикле, так и методом приформовки с использованием полуфабрикатов МЗ в виде препрегов;- the manufacturability of manufacturing the MZ coating by attaching the dielectric and conductive layers to the protected carbon-plastic supporting structure both in a single technological cycle and by the method of molding using semi-finished products of the MZ in the form of prepregs;
- технологичность процесса совмещения частиц шунгитового кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения с полимерными связующими, а также благодаря химическому сродству - с углеродными тканными наполнителями, отсутствие сложных, трудоемких технологических операций подготовки и совмещения компонентов (сшивка и ткачество);- the processability of combining particles of schungite crystalline carbon substance of a fulleroid structure with polymer binders, and also due to chemical affinity - with carbon fabric fillers, the absence of complex, labor-intensive technological operations of preparation and combination of components (stitching and weaving);
- доступность природных сырьевых ресурсов шунгитового наполнителя фуллероидного строения, низкая стоимость сырья, позволяющая в 7-12 раз снизить стоимость 1 м2 молниезащитного покрытия.- the availability of natural raw materials of schungite filler of a fulleroid structure, low cost of raw materials, allowing to reduce the cost of 1 m 2 of lightning protection coating by 7-12 times.
Примеры осуществленияExamples of implementation
Пример 1Example 1
Неметаллическое молниезащитное покрытие, включающее диэлектрический слой, выполненный из отвержденной полимерной матрицы, например из связующего ЭДТ-69Н на основе эпоксидной диановой смолы (ТУ 1-595-25-277-89), и токопроводящий слой, состоящий из трех монослоев ткани толщиной 0,23 мм полотняного плетения, расположенных под углом ±30° друг к другу, на основе высокопрочных углеродных жгутов диаметром 6К (6000 филаментов), в межволоконное пространство которых введено связующее ВС-2526к на основе хлорсодержащей эпоксидной смолы (ТУ 1-595-25-261-88) с температурой деструкции 260°С, содержащее 5 мас.% частиц шунгитового углеродного вещества Ш-1/1 (содержание углерода 97,51%, показатель электропроводности σ=1250 Ом/м) размером 2-10 мкм. Токопроводящие монослои МЗ-покрытия в виде полуфабрикатов-препрегов припрессованы к поверхности защищаемой углепластиковой детали методом автоклавного формования.Non-metallic lightning protection coating, including a dielectric layer made of a cured polymer matrix, for example, of a binder EDT-69N based on epoxy Dianova resin (TU 1-595-25-277-89), and a conductive layer consisting of three fabric monolayers with a thickness of 0, 23 mm plain weaving, located at an angle of ± 30 ° to each other, on the basis of high-strength carbon bundles with a diameter of 6K (6000 filaments), the BC-2526k binder based on chlorine-containing epoxy resin is introduced into the interfiber space (TU 1-595-25-261 -88) with temperature degradation 260 ° C, containing 5 wt.% of the particles shungite carbon substance III-1/1 (carbon content of 97.51%, the rate of conductivity σ = 1250 ohm / m) size of 2-10 microns. Conductive monolayers of MZ-coatings in the form of semi-finished prepregs are pressed to the surface of the protected carbon-plastic part by autoclave molding.
Пример 2Example 2
Неметаллическое молниезащитное покрытие, включающее диэлектрический слой, выполненный из отвержденной полимерной матрицы, например из связующего СП-97С на основе полиамидной смолы (ТУ 2224-415-00209349-2000), и токопроводящий слой, изготовленный из двух монослоев ткани саржевого плетения толщиной 0,5 мм, расположенных под углом ±45° друг к другу, на основе высокопрочных углеродных жгутов диаметром 1К, в межволоконное пространство которых введено связующее СП-97С на основе полиамидной смолы с температурой деструкции 390°С, содержащее 20 мас.% частиц шунгитового углеродного вещества Ш-1/1. Диэлектрический и токопроводящие слои МЗ-покрытия изготовлены в едином технологическом цикле совместного прессования с защищаемой углепластиковой деталью.Non-metallic lightning protection coating, including a dielectric layer made of a cured polymer matrix, for example, a binder SP-97C based on polyamide resin (TU 2224-415-00209349-2000), and a conductive layer made of two monolayers of twill fabric 0.5 mm, located at an angle of ± 45 ° to each other, on the basis of high-strength carbon bundles with a diameter of 1K, into the interfiber space of which a binder SP-97C based on a polyamide resin with a temperature of destruction of 390 ° C containing 20 wt.% particles of shung tovogo carbon substance III-1/1. The dielectric and conductive layers of the MZ coating are made in a single technological cycle of joint pressing with a protected carbon-plastic part.
Пример 3Example 3
Неметаллическое молниезащитное покрытие, включающее диэлектрический слой, выполненный из отвержденной полимерной матрицы, например из связующего ВС-2526к на основе хлорсодержащей эпоксидной смолы, и токопроводящий слой, изготовленный из двух монослоев ткани саржевого плетения толщиной 0,2 мм, расположенных под углом ±60° друг к другу, на основе высокопрочных углеродных жгутов диаметром 2,5К, в межволоконное пространство которых введено связующее ВС-2526к на основе хлорсодержащей эпоксидной смолы с температурой деструкции 260°С, содержащее 40 мас.% частиц шунгитового углеродного вещества Ш-1/1. Диэлектрический и токопроводящий слои МЗ-покрытия изготовлены в едином технологическом цикле совместного автоклавного формования с защищаемой углепластиковой деталью.Non-metallic lightning protection coating, comprising a dielectric layer made of a cured polymer matrix, for example, a BC-2526k binder based on chlorine-containing epoxy resin, and a conductive layer made of two monolayers of twill weaving 0.2 mm thick, located at an angle of ± 60 ° each to a friend, based on high-strength carbon tows with a diameter of 2.5K, in the interfiber space of which a binder BC-2526k based on a chlorine-containing epoxy resin with a temperature of destruction of 260 ° C, containing 40 ac.% of the particles shungite carbon substance III-1/1. The dielectric and conductive layers of the MZ coating are made in a single technological cycle of joint autoclave molding with a protected carbon-plastic part.
Прототип - многослойное МЗ-покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из отвержденной полимерной матрицы, например из эпоксидного связующего ВС-2526к, и токопроводящего слоя, выполненного из трех слоев углеродной ткани саржевого плетения на основе высокопрочных углеродных волокон диаметром 2,5 К толщиной 0,23 мм каждый слой, расположенных под углом ±60° друг к другу, в межволоконное пространство введено полимерное связующее ВС-2526к с температурой деструкции 260°С, причем слои углеродной ткани соединены между собой прошивкой трансверсально-армирующими углеродными волокнами (плотность прошивки составляет 5 на 1 см2). Между отдельными слоями углеродной ткани в полимерное связующее токопроводящего слоя вводят углеродный наномодификатор - фуллерен С60 в количестве 15 вес%.The prototype is a multilayer MZ coating consisting of a dielectric layer made of a cured polymer matrix, for example, an VS-2526k epoxy binder, and a conductive layer made of three layers of carbon twill fabric based on high-strength carbon fibers with a diameter of 2.5 K and a thickness of 0 , 23 mm each layer, located at an angle of ± 60 ° to each other, a VS-2526k polymer binder with a degradation temperature of 260 ° C is introduced into the interfiber space, the layers of carbon fabric being interconnected by firmware non-reinforcing carbon fibers (firmware density is 5 per 1 cm 2 ). Between the individual layers of carbon fabric, a carbon nanomodifier — fullerene C60 in the amount of 15 wt% is introduced into the polymer binder of the conductive layer.
Результаты стендовых испытаний образцов углепластиковых конструкций с различными вариантами МЗ-покрытия в условиях, имитирующих воздействие смещающихся электрических разрядов молнии, представлены в таблицах 1 и 2. Испытания на молниестойкость проводили в Испытательном центре электромагнитных и механических воздействий НИЦ 26 ЦНИИ в соответствии с методиками, принятыми в РФ, и международными нормами FAR. Каждый образец подвергался однократному воздействию импульса тока молнии с параметрами:The results of bench tests of samples of carbon fiber structures with various options for MZ coating under conditions simulating the effect of displacing lightning electrical discharges are presented in Tables 1 and 2. Lightning resistance tests were carried out in the Test Center for Electromagnetic and Mechanical Impacts of SIC 26 Central Research Institute in accordance with the methods adopted in RF, and international FAR regulations. Each sample was exposed to a single lightning current pulse with the following parameters:
Компонента А:Component A:
Компонента С:Component C:
Характер и уровень повреждения токопроводящего слоя после удара молнииTable 1
The nature and level of damage to the conductive layer after a lightning strike
Остаточная прочность токопроводящего слоя после удара молнииtable 2
The residual strength of the conductive layer after a lightning strike
Результаты испытаний показали, что предлагаемое неметаллическое молниезащитное покрытие способно эффективно защищать углепластиковые конструкции внешнего контура летательных аппаратов от воздействия смещающихся разрядов молнии со значениями тока I=200 кА и электрического заряда Q=10 кЛ. Наблюдается лишь частичное разрушение поверхности токопроводящего слоя с явлениями разрыва отдельных волокон верхнего слоя углеродной ткани и распушение углеродных жгутов. Нижележащие монослои углеродной ткани в токопроводящем покрытии сохраняются в неизменном состоянии. О незначительности повреждения молниезащиты свидетельствуют результаты определения остаточной прочности материала токопроводящего слоя в зависимости от удаления от центра канала молнии: в центре удара остаточная прочность составляет около 80% от исходной, а при удалении от центра удара молнии на 60 мм и дальше прочность материала полностью восстанавливается до 100%. Высокие характеристики молниестойкости и прочности позволяют включить токопроводящие слои МЗ-покрытия в расчетную схему конструкции, введение проводящих частиц непосредственно в полимерное связующее - уменьшить трудоемкость процесса его изготовления, а использование доступного и недорого сырья - снизить его стоимость.The test results showed that the proposed non-metallic lightning protection coating is able to effectively protect the carbon fiber structures of the external circuit of aircraft from the effects of shifting lightning discharges with current values of I = 200 kA and electric charge Q = 10 kL. Only partial destruction of the surface of the conductive layer is observed with the phenomena of rupture of individual fibers of the upper layer of carbon fabric and the fluffing of carbon bundles. The underlying monolayers of carbon fabric in the conductive coating are maintained unchanged. The insignificance of lightning protection damage is evidenced by the results of determining the residual strength of the material of the conductive layer depending on the distance from the center of the lightning channel: in the center of the shock, the residual strength is about 80% of the original, and when the distance from the center of the lightning strike is 60 mm and further, the material strength is fully restored 100%. High characteristics of lightning resistance and strength make it possible to include conductive layers of the MZ coating in the design structure, the introduction of conductive particles directly into the polymer binder can reduce the complexity of the manufacturing process, and the use of affordable and inexpensive raw materials can reduce its cost.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003137750/04A RU2263581C2 (en) | 2003-12-30 | 2003-12-30 | Multilayer lightning-protection coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003137750/04A RU2263581C2 (en) | 2003-12-30 | 2003-12-30 | Multilayer lightning-protection coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003137750A RU2003137750A (en) | 2005-06-10 |
| RU2263581C2 true RU2263581C2 (en) | 2005-11-10 |
Family
ID=35833952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003137750/04A RU2263581C2 (en) | 2003-12-30 | 2003-12-30 | Multilayer lightning-protection coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2263581C2 (en) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2438047C2 (en) * | 2007-09-28 | 2011-12-27 | Мицубиси Хеви Индастрис, Лтд. | Fastener with lightning guard |
| US8105964B2 (en) | 2006-11-06 | 2012-01-31 | Hexcel Composites, Ltd. | Composite materials |
| RU2496645C2 (en) * | 2008-03-28 | 2013-10-27 | Хексел Композитс Лимитед | Perfected composites |
| RU2533148C1 (en) * | 2010-12-21 | 2014-11-20 | Хексел Композитс Лимитед | Improvement of composite materials |
| US9108743B2 (en) | 2010-03-23 | 2015-08-18 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Cap, fastening structure using the same, and aircraft including the fastening structure |
| RU2565184C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Multilayer electroconductive coating based on thermoresistant binding agent |
| RU2588552C1 (en) * | 2015-06-03 | 2016-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Panel from polymer composite material with lightning-proof coating |
| WO2017108488A1 (en) | 2015-12-21 | 2017-06-29 | Hexcel Composites Limited | Improvements in or relating to electrically conducting materials |
| RU2647343C2 (en) * | 2013-01-10 | 2018-03-15 | Арьянгруп Сас | Device for protection from lightning and method of its manufacture |
| RU2763526C1 (en) * | 2021-04-23 | 2021-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Углеродные волокна и композиты" (ООО "НПЦ "УВИКОМ") | Method for manufacturing a conductive layer of a lightning protection coating |
| RU2764853C1 (en) * | 2021-05-26 | 2022-01-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Углеродные волокна и композиты" (ООО "НПЦ "УВИКОМ") | Conductive layer of lightning protection coating for polymer composites |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2473226A (en) * | 2009-09-04 | 2011-03-09 | Hexcel Composites Ltd | Composite materials |
| CA2758798C (en) | 2009-04-17 | 2019-04-23 | 3M Innovative Properties Company | Lightning protection sheet with patterned discriminator |
| KR101711226B1 (en) | 2009-04-17 | 2017-02-28 | 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 | Lightning protection sheet with patterned conductor |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3755713A (en) * | 1972-07-25 | 1973-08-28 | Boeing Co | Electrically conductive surface for aircraft |
| US5132168A (en) * | 1990-07-05 | 1992-07-21 | Rohr, Inc. | Lightning strike protection for composite aircraft structures |
| US6432507B1 (en) * | 1991-01-16 | 2002-08-13 | The Boeing Company | Lightning protection for electrically conductive or insulating skin and core for honeycomb structure |
| RU2001127380A (en) * | 2001-10-08 | 2003-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "КАРБИН" | CURRENT COATING |
| RU2217320C1 (en) * | 2002-03-14 | 2003-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Multilayer lightning-protective coating |
-
2003
- 2003-12-30 RU RU2003137750/04A patent/RU2263581C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3755713A (en) * | 1972-07-25 | 1973-08-28 | Boeing Co | Electrically conductive surface for aircraft |
| US5132168A (en) * | 1990-07-05 | 1992-07-21 | Rohr, Inc. | Lightning strike protection for composite aircraft structures |
| US6432507B1 (en) * | 1991-01-16 | 2002-08-13 | The Boeing Company | Lightning protection for electrically conductive or insulating skin and core for honeycomb structure |
| RU2001127380A (en) * | 2001-10-08 | 2003-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "КАРБИН" | CURRENT COATING |
| RU2217320C1 (en) * | 2002-03-14 | 2003-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Multilayer lightning-protective coating |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9603229B2 (en) | 2006-11-06 | 2017-03-21 | Hexcel Composites Limited | Composite materials |
| US8105964B2 (en) | 2006-11-06 | 2012-01-31 | Hexcel Composites, Ltd. | Composite materials |
| US8263503B2 (en) | 2006-11-06 | 2012-09-11 | Hexcel Composites, Ltd. | Composite materials |
| US8980771B2 (en) | 2006-11-06 | 2015-03-17 | Hexcel Composites Limited | Composite materials |
| US8980770B2 (en) | 2006-11-06 | 2015-03-17 | Hexcel Composites Limited | Composite materials |
| RU2438047C2 (en) * | 2007-09-28 | 2011-12-27 | Мицубиси Хеви Индастрис, Лтд. | Fastener with lightning guard |
| RU2496645C2 (en) * | 2008-03-28 | 2013-10-27 | Хексел Композитс Лимитед | Perfected composites |
| US9108743B2 (en) | 2010-03-23 | 2015-08-18 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Cap, fastening structure using the same, and aircraft including the fastening structure |
| RU2533148C1 (en) * | 2010-12-21 | 2014-11-20 | Хексел Композитс Лимитед | Improvement of composite materials |
| RU2647343C2 (en) * | 2013-01-10 | 2018-03-15 | Арьянгруп Сас | Device for protection from lightning and method of its manufacture |
| RU2565184C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Multilayer electroconductive coating based on thermoresistant binding agent |
| RU2588552C1 (en) * | 2015-06-03 | 2016-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Panel from polymer composite material with lightning-proof coating |
| WO2017108488A1 (en) | 2015-12-21 | 2017-06-29 | Hexcel Composites Limited | Improvements in or relating to electrically conducting materials |
| RU2763526C1 (en) * | 2021-04-23 | 2021-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Углеродные волокна и композиты" (ООО "НПЦ "УВИКОМ") | Method for manufacturing a conductive layer of a lightning protection coating |
| RU2764853C1 (en) * | 2021-05-26 | 2022-01-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Углеродные волокна и композиты" (ООО "НПЦ "УВИКОМ") | Conductive layer of lightning protection coating for polymer composites |
| RU2839081C1 (en) * | 2024-07-17 | 2025-04-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) | Polymer film coating with integrated metal layer based on heat-resistant binder |
| RU2842497C1 (en) * | 2024-09-26 | 2025-06-27 | Акционерное общество "Препрег - Современные Композиционные Материалы" | Coating for lightning protection of articles made of polymeric composite materials and article with said coating |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003137750A (en) | 2005-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2263581C2 (en) | Multilayer lightning-protection coating | |
| US4522889A (en) | Lightning protection composite material | |
| JP5730753B2 (en) | Improved composite materials | |
| CN102482438B (en) | Improvements in composite materials | |
| CN103144385B (en) | The composite improved | |
| CN108136694B (en) | Prepreg material that provides lightning strike protection and burnthrough resistance | |
| US9174410B2 (en) | Composite materials | |
| EP0074263A2 (en) | Graphite fiber reinforced laminate structure capable of withstanding lightning strikes | |
| US20100209690A1 (en) | Co-curable, conductive surfacing films for lightning strike and electromagnetic interference shielding of thermoset composite materials | |
| RU2676623C1 (en) | Composite structure | |
| US20190047234A1 (en) | Multi-functional protective assemblies, systems including protective assemblies, and related methods | |
| KR20120099275A (en) | Methods of imparting conductivity to materials used in composite article fabrication & materials thereof | |
| BRPI0714095A2 (en) | previously impregnated material and carbon fiber reinforced composite material | |
| US20100103582A1 (en) | Lighting protection system for graphite fiber reinforced plastic structures | |
| RU2217320C1 (en) | Multilayer lightning-protective coating | |
| RU2565184C1 (en) | Multilayer electroconductive coating based on thermoresistant binding agent | |
| RU2594417C2 (en) | Structural material for structures | |
| ES2635198T3 (en) | Conductive surface protection films for lightning and shielding against electromagnetic interference from thermoset composites |