包括用于雷击保护的穿孔金属箔片的复合面板和穿孔金属箔片的制作方法

本发明涉及一种包括用于对航空航天结构进行雷击保护的穿孔金属箔片的复合面板和一种穿孔金属箔片。

过去60年来，铝一直是飞行器和航空航天构造中使用的主要材料。随着人们对构造更有效飞行器的兴趣日益浓厚，制造商正在用轻型复合材料来设计更多的部件。特别地，目前用复合面板形成机身和机翼的蒙皮。然而，复合材料是电流的不良导体。已知在没有适当的保护的情况下，复合材料在雷击情况下易受到严重损坏。迄今为止，飞行器制造商已经使用铝或铜网眼箔片或交织的金属丝网结合到这些复合面板中，以消散雷击能量并防止损坏复合面板。

在这两种途径中，网眼金属箔片已经成为工业标准，并且优于交织的金属丝，因为网眼金属箔片不会散开或具有松散的股线，而松散的股线在加工成预浸材料期间或作为复合材料制造过程的一部分进行干铺层时可能会成为问题。网眼金属箔片的均匀设计还确保了即使在将材料形成为各种形状和轮廓时导电性不受损，并且其在最终产品上提供光滑的表面。本申请中使用的网眼金属箔片必须以严格的公差进行制造，以满足特定的重量、开口面积、和导电率要求。

飞行器制造商使用设计指南、比如国际自动机工程师学会(saeinternational)在其航空航天推荐实施规程(arp)5414中规定的设计指南，该指南限定了雷击区域(飞行器更易遭受雷击的区域，例如，区域1a、1b)。该指南还提供了此类受击区域所需要的电承受能力。例如，通常要求材料具有承受200,000安培的区域1a受击的能力。对于网眼箔片，由于制网眼过程的限制，迄今为止可以满足该标准的最薄材料是使用42微米的箔片生产的。这种材料的重量为175克每平方米，电阻率为3.6毫欧姆每平方米，并且箔片有56％的开口面积。在本申请中，表征箔片性能的方法是评估箔片的重量与导电率(导电率是电阻率的倒数)之比，并以克-欧姆每平方表示。对于上述网眼箔片，其重量与导电率之比为0.63克-欧姆。

飞行器制造商一直在寻找提高效率、降低成本、提高燃料经济性、和减少co2排放量的方法。实现这些目标的一个明确方法是减轻飞行器重量。通过减轻复合面板的重量，可以减轻飞行器的总重量；然而，根据saearp54l4，还必须满足特定受击区域所需的导电率标准。

因此，期望生产更轻的复合面板，该复合面板仍然满足所需的电承受能力并且耐腐蚀。本发明旨在满足此需求的全部或部分。为此，本发明涉及如权利要求1所述的用于航空航天结构的复合面板。

现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的实施例，其中：

·图1是根据本发明的一方面的包括穿孔金属箔片的复合面板的截面视图；

·图2是用于图1所展示的复合面板的穿孔金属箔片的一部分的透视图；

·图3是现有技术的网眼箔片的一部分的透视图；

·图4是具有椭圆形孔口的图2的穿孔金属箔片的一部分的平面视图；

·图5是具有菱形孔口的穿孔金属箔片的一部分的平面视图；

·图6是具有卵形孔口的穿孔金属箔片的一部分的平面视图；

·图7是具有圆形孔口的穿孔金属箔片的一部分的平面视图；

·图8是具有方形孔口的穿孔金属箔片的一部分的平面视图；

·图9是用于生产穿孔金属箔片的穿孔机的透视图。

·图10是类似于图1的视图，示出了根据本发明的另一方面的包括穿孔金属箔片的复合面板。

关于图1，例如用于构造飞行器的机身的蒙皮的复合面板10包括夹在第一多个碳层14与第二多个碳层16之间的蜂窝芯体12。第一多个碳层14和第二多个碳层16中的每一个都使用胶粘剂13(例如，环氧树脂)附连至蜂窝芯体12。第一多个碳层14布置在面板10的背侧11a上，该背侧是复合面板10的在面板10制造期间抵靠所使用的真空袋而固化的一侧。

根据本发明，复合面板10包括：

-薄的穿孔金属箔片18，该薄的穿孔金属箔片具有若干孔口20，并且直接地或者经由插入在穿孔金属箔片18与多个碳层之间的由电绝缘材料制成的可选隔离层17而间接地紧固至多个碳层(此处为图1的示例中的第二多个碳层16)；以及

-保护层19，该保护层由树脂(例如，环氧基树脂)制成、紧固至穿孔金属箔片18，其中，穿孔金属箔片18通过其孔口20嵌入到保护层19中。保护层19的自由表面形成复合面板10的顶侧11b，即当面板10布置在飞行器的结构上时该面板将形成飞行器的蒙皮的外部面、并且因此将用保护性和装饰性的油漆涂覆的一侧。

保护层19的一个特定目的是防止穿孔金属箔片18的剥离。为此目的，复合面板10的顶侧11a与金属箔片10之间的保护层的厚度至少为15微米，并优选地为约40微米。特别地，保护层19可以包含纤维增强物，以增强机械阻力，并且因此，甚至降低由于混合有灰尘和水滴的气流引起的腐蚀而剥离的倾向。这种增强物(织物或非织物)可以是玻璃纤维或碳纤维，并且其典型的单位面积重量在2至20g/m2之间。

在复合面板10制造过程期间，保护层19(作为树脂膜)可以与穿孔金属箔片18分开施加，或者该保护层还可以预浸渍穿孔金属箔片18，或者该保护层还可以来自于复合面板10制造过程中注入或灌入的树脂。

在任何情况下，表面膜19的单位面积重量在20至200g/m2之间。

穿孔金属箔片18被设计成具有非常低的重量与导电率之比，并且通过这些特性，穿孔金属箔片18被用于保护其外部蒙皮由根据本发明的复合面板10形成的飞行器免受幅度相当大的雷击(例如，200,000安培或更大的区域1a雷击)的影响，同时允许飞行器制造商生产更轻重量且更高效的飞行器。

参考图2，示出了具有圆形孔口20的穿孔金属箔片18的部分30的透视图。穿孔金属箔片18的部分30示出为具有长度l和宽度w，其限定了表面积a为l*w。多个孔口20分布在表面积a上，这些孔口延伸穿过穿孔金属箔片18的厚度t。

厚度t不超过30微米，以便限制复合面板10的重量。作为比较，并且关于图3，当前制造的网眼材料的部分40的可实现的最薄厚度te大约为40微米。通过同时撕扯和拉伸材料来生产网眼材料。经过这样的过程之后，材料将呈现多个孔/开口42，这些孔/开口在图3中是菱形的。由于制网眼过程的限制，这是可实现的最薄的材料，同时仍然满足低电阻率/高导电率和强度要求。

可实现更薄的金属穿孔箔片18；然而，孔口的大小和间距，以及开口面积相对于总箔片面积的量必须被优化，以实现所期望的重量、强度、粘附能力、和导电率。在这个示例中，穿孔金属箔片18的部分30具有均匀间隔的椭圆形孔口，这些椭圆形孔口可以通过机械冲压材料或使用激光切割或烧蚀材料以形成孔从而形成于箔片。从图2和图3中可以明显看出，网眼金属材料部分40相对于总面积ae(le*we)具有较大量的开口面积(由孔42的总面积限定)，而穿孔金属箔片的部分30相对于总面积a具有较小的开口面积(由孔32的总面积限定)。限制开口面积允许穿孔金属箔片18被制造得更薄，同时仍然实现所需的强度和电阻率特性。

穿孔金属箔片18的开口面积通常需要等于或低于穿孔金属箔片18的总表面积的40％，以便在重量与电性能之间获得良好的折中。

穿孔金属箔片18还被配置成提供最佳的粘合质量，使得它可以层叠并有效地嵌入树脂层(比如保护层19)中。出于我们描述的目的，在固化周期之后，穿孔金属箔片18与复合面板10的良好粘合是防止穿孔金属箔片18在施加具有以下参数的高水射流时显著剥离(例如，小于25％)的粘合：压力、持续时间、距离、清扫角度、清扫频率、水温、最大剥离表面。这些参数的值可以基于特定应用的要求来限定。

期望最大化开口面积，以允许穿孔金属箔片18被拉伸，并因此被施加到具有双曲率的表面上(如可以是复合面板10)，以形成飞行器蒙皮。孔口20的大小和形状可以变化，这将在下面进行解释。然而，当复合面板10的穿孔金属箔片18受到剥离力时，表面膜厚度的剪切发生在孔口20边缘的顶部。因此，为了减少保护层19遇到的剪切约束，并因此增大对剥离的耐受性，有利的是，使每个表面单元的所有孔口20的周边的总和最大化。对于给定的开孔率，这是通过减小孔口大小和间距两者来获得的。因此，穿孔金属箔片18的孔口20的孔口大小被限定为使得孔口20周边上的两个相对点之间的最大距离在0.25毫米与3毫米之间。

关于孔口20可以做得多小的限制因素属于穿孔过程及其相关的速度。

在通过机械冲孔/穿孔(例如基于模具的穿孔)进行穿孔的情况下，制造小冲头的能力和冲孔机的能力将限制孔口20的最小大小。已经发现尺寸为1mm的孔口20接近现实极限。

在通过激光蚀刻形成穿孔的情况下，孔口20可以做得更小，即在0.25mm与1mm之间。

考虑到穿孔金属箔片18被拉伸的能力、耐剥离性、和来自穿孔过程的约束，已经发现由尺寸约为1mm且开口面积约为30％的孔口20实现的图案是方便的。

可以用于穿孔箔片的典型金属材料是铜、铝、及其合金。

对于铜或铜合金穿孔箔片18，多个孔口20总体限定了不超过表面积40％的开口面积。穿孔铜箔片18的重量不超过300g/m2，优选为115g/m2。这种115g/m2的箔片18的电阻不超过3.5毫欧姆每平方。这产生了0.40克欧姆的重量与导电率之比。与上述40微米厚的网眼铜箔片相比，其重量与导电率之比为0.63克欧姆，提高了35％以上。使用穿孔金属箔片18和本文使用的加工，可以预期的是，可以在同等的重量与导电率之比的情况下可实现薄至大约12微米的铜或铜合金箔片18。

对于本文的铝或铝合金穿孔箔片18，多个孔口20总体限定了不超过表面积40％的开口面积。穿孔铝箔片18的重量可以不超过250g/m2。穿孔箔片18可以具有不超过5.5毫欧姆每平方的电阻。这产生了0.19克欧姆的重量与导电率之比。与0.63克欧姆的网眼铜箔片相比，重量与导电率之比提高了70％以上。使用穿孔金属箔片18和本文使用的加工，可以预期的是，可以在同等的重量与导电率之比的情况下还可实现薄至大约12微米的铝或铝合金箔片。

在过去，雷击应用主要是利用交织的材料(产生方形图案)或网眼材料(产生菱形或六边形形状)。通过使用穿孔的孔口，并且关于图4至图8，穿孔金属箔片18中的开口面积可以由不同形状、大小、间隔、和图案的孔口形成。

就电场线而言，最有效的形状是圆形的，因为在交织的材料或网眼材料中必然普遍存在的尖角会在尖角的区域中产生更高的通量密度。这些较高通量的区域自然会增大材料的测量电阻率。

参考图4，穿孔金属箔片18的部分60a示出为包括相同大小的椭圆形孔口20。孔口20的大小可以根据特定应用的需要而定，只要孔口20周边上的两个相对点之间的最大距离(长度a)在0.25mm与3mm之间，因为这是增大剥离公差所需要的。

材料的开口面积可以由以下方程式确定：

(1)开口面积＝1-期望重量i(厚度x密度)

作为示例，取100克每平方米(gsm)的期望重量，并使用17微米厚的铜作为期望材料，其密度为8.89x106g/m3，则开口面积被确定为：

(2)开口面积＝1-100i(17x10-6x8.89x106)＝33.8％

重量为100g/m2的17微米厚的铜材料将适用于生产根据本发明的穿孔金属箔片18。

一旦选择了目标开口面积、孔口的大小和形状，就可以确定孔口的间距以实现最终构型。继续上面的示例，对于椭圆形孔口，计算如下：

(3)椭圆面积：pi(圆周率)*孔长度(a)/2*孔高度(b)/2

(4)开口面积＝椭圆面积*2/(x)*(y)

参考图5，穿孔金属箔片18的部分60b示出为包括相等大小的菱形孔20，这些菱形孔可以用于形成适用于雷击应用的17微米厚的铜箔片。参考图6，穿孔金属箔片18的部分60c示出为包括相等大小的卵形孔口20，这些卵形孔口也可以用于形成适用于雷击应用的17微米厚的铜箔片。

如图4至图6所示，使用椭圆形、卵形、或菱形孔口可以有利于获得在电阻方面具有微调各向异性的材料。沿着“x”方向与沿着“y”方向的电阻率将根据孔口20的间距和长度与高度之比而不同。有时期望使用导电性质在所有方向上大约相等(即“各向同性”)的穿孔金属箔片18。为了实现导电率的各向同性特征，可以使用圆形或方形形式的对称图案。

参考图7，穿孔金属箔片18的部分70a被示出为包括相等大小且对称间隔的圆形孔口20。参考图8，穿孔金属箔片18的部分70b被示出为包括相等大小且对称间隔的方形孔口20。

虽然未展示，但是孔口20的其他形状(例如多边形)也是可能的，以便满足穿孔金属箔片18的特定电阻的需要。

穿孔金属箔片18的制造方法包括对具有各种几何形状的特定大小和间隔的孔口的金属箔片进行穿孔的串联式(in-line)过程，以实现期望的性能特征。这可以使用穿孔机来完成，比如图9中所描绘的机器50。

根据这种制造方法，示出了厚度小于30微米(带有背衬材料(不可见))的薄金属箔片52的宽卷材(wideweb)，该宽卷材被输送到辊54下方并进入切割模具56中。当金属箔片52横向穿过切割模具56时，背衬材料也有助于控制该金属箔片的张力。虽然在该视图中未示出，但是固体箔片52的卷材可以以卷对卷(reeltoreel)操作进行处理。换言之，带有背衬材料的固体金属箔片52可以经由开绕卷轴被送入机器50中，并且穿孔金属箔片的卷材可以从机器接收并收集在卷绕卷轴上。

金属箔片52可以被预处理以提高其耐用性和粘附特性。此外，金属箔片52可以被钝化，这产生了抗锈蚀和氧化的惰性表面。此外，金属箔片52可以涂覆有硅烷，这有助于为材料提供改善的粘附特性。

通过对薄金属箔片52穿孔，可以获得穿孔金属箔片18，该穿孔金属箔片具有多个预定几何形状的孔口20，这些孔口延伸穿过金属箔片52的厚度并分布在整个表面积上。由孔口20形成的开口面积的总量被配置成提供最大的导电率，同时保持尽可能轻的重量。为了保持所期望的强度、导电率、和有效的粘附性质，孔口20的大小是非常重要的，并且以下章节描述了根据本发明设计穿孔金属箔片18的开口面积的示例性方法。

根据本发明的一方面，使用基于机械模具的穿孔机(比如机器50)的替代性方法(未展示)是使用卷对卷的检流计激光来完成精密切割/烧蚀以制造金属箔片。

上文已经描述了当复合面板10包括蜂窝芯体12时的本发明。在本发明的另一个变体中，并且关于图10，复合面板110是整体的，并且包括布置在面板110的背面111a上的多个碳层116。

薄的穿孔金属箔片118(其特征与结合图1至图8描述的穿孔金属箔片18的特征完全相同，并且包括若干孔口120)直接或间接地经由插入在穿孔金属箔片118与多个碳层116之间的由电绝缘材料制成的可选隔离层117紧固至多个碳层116。

最后，由树脂(例如，环氧基树脂)制成的保护层119紧固至穿孔金属箔片118，其中，穿孔金属箔片118通过穿过其孔口120嵌入到保护层119中。保护层119的自由表面形成复合面板110的顶侧111b(即，当面板110布置在飞行器的结构上时该面板将形成飞行器的蒙皮的外面、并且因此将用保护性和装饰性的油漆涂覆的一侧)。

保护层119的目的是防止穿孔金属箔片118的剥离。为此目的，复合面板110的顶侧111a与金属箔片10之间的保护层的厚度至少为15微米，并优选地为约40微米。特别地，保护层119可以包含纤维增强物，以增强机械阻力，并且因此，甚至降低由于混合有灰尘和水滴的气流引起的腐蚀而剥离的倾向。这种增强物(织物或非织物)可以是玻璃纤维或碳纤维，并且其典型的单位面积重量在2至20g/m2之间。

在复合面板110制造期间，保护层119(作为树脂膜)可以与穿孔金属箔片118分开施加、或者该保护层还可以预浸渍穿孔金属箔片118、或者该保护层还可以来自于复合面板110制造过程中注入或灌入的树脂。