專利名稱：：飛機中使用的低密度雷擊防護物的制作方法飛機中使用的低密度雷擊防護物
背景技術：
：飛機才幾身的外表面通常由復合材料、鋁和/或鋼制成。當由鋁或鋼制成時，飛機具有高導電路徑，類似法拉第籠，且電流可以從雷擊的進入點(entrypoint)穿過該外表面到達引出點(exitpoint)且不會嚴重地損壞飛機。但是，具體就現代飛機(和飛機零件)而言，越來越多地采用復合材料以降低飛機重量。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率，該材料不能提供與全金屬結構相當的防護。目前，用于復合材料(如在飛機構造中使用者)的雷擊防護物使用嵌入到粘附在復合材料表面上的表面薄膜中的多孔金屬網(絲網)以消耗雷擊引發的能量。絲網可以嵌入表面薄膜中或單獨使用。美國專利5,470,413論述了將絲網嵌入表面薄膜的方法。美國專利5,417,385論述了制造具有雷擊防護層的結構。有時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，也可以使用附加的玻璃纖維隔離層以防止電偶腐蝕。飛機和航天工業使用某些復合材料提供雷擊防護。一種這樣的復合材料使用嵌入待保護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。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氧樹脂)通常與復合結構和銅絲網一起固化，獲得0.0701b/ft2(326gsm)總面密度。但是，由于擔心表面薄膜微開裂，有時加入附加的粘合劑層。所得面密度為約0.10lb/ft2(466gsm)。另一復合結構使用置于待保護部件表面上的0.016lb/ft2(74gsm)面密度的鋁絲網。在鋁絲網上放置0.051b/ft2(232gsm)的表面薄膜。如果部件材料是碳復合材料，則鋁絲網還需要通常0.091lb/ft2(423gsm)的玻璃纖維隔離層。由于鋁的導電性不如銅，因此隔離層被提供用于防止與下方的碳復合材料的電偶腐蝕，而且其也有助于雷擊防護。復合結構的總面密度為0.157lb/ft27(730gsm)。降低雷擊防護材料的密度是有意義的。此領域內的研究集中于使用金屬粒子、箔和/或絲網。實例包括以油漆形式施加的銅粉和嵌入環氧聚合物涂層或其它聚合物涂層中的銅絲網。在一些實施方案中，這些材料提供充分的雷擊防護。但是，至少部分由于金屬粒子/絲網和聚合物之間的熱膨脹系數(CTE，s)差異，這些材料可能在飛機在飛行條件下經歷的熱循環狀況過程中產生微裂紋。也就是說，在高海拔處，飛機(和雷擊防護材料)承受相對較低的溫度，而在地面上，飛機暴露在相對較高的溫度下。溫度變化可能是極端的，如果雷擊防護材料中所用的導電材料和聚合物具有明顯不同的CTE，s，就會導致微裂紋。這種微裂紋會導致濕氣或化學品進入復合結構，從而可能降低結構的機械性能。提供密度低于目前所用的雷擊防護材料并且能夠經受飛機在使用條件下經歷的熱循環的雷擊防護材料是有利的。本發明提供了這類雷擊防護材料、包括這些材料的飛機和飛機部件、以及制備這些材料的方法。對本發明而言，術語"飛機部件"意圖包括飛機的各種零件，包括但不限于飛機的機身部分、飛機的各種操縱面(如襟翼、活動輔助翼、尾翼等)、以及飛機推進系統及其各種部件(發動機、發動機搶、吊架(pylon)等)。
發明內容本發明公開了雷擊防護材料、其制備方法及用途。還公開了包括由上述材料形成的雷擊防護層最外層的復合材料，該復合材料用于形成包含該復合材料的飛機和飛機部件的外部的一部分。通過在飛機或獨立的飛機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制造雷擊防護材料，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電納米粒子。低密度導電納米粒子理想地以基本均勻的方式遍布在整個含聚合物的載體中。理想地，含聚合物的載體包括熱固性和/或熱塑性聚合物，或在固化前包括構成熱固性聚合物的單體。合適的聚合物的一個實例是環氧樹脂，其在固化時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結構元件的金屬或復合材料的頂層，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電納米粒子負載量，并由此可以提供更高的雷擊防護水平。在本發明的一方面，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(除非針對特定用途使用不同的名稱，其統稱為碳納米管)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現了至少兩個目的。第一，可以獲得與單獨的金屬粉末幾乎相同的雷擊防護，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生的層的熱膨脹系數(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，在該層經受飛機在正常運行下遇到的溫度擺動時發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，粒子的尺寸設為提供足以用作雷擊防護材料的電性質(即電導率)。粒子的形狀可以是不規則的，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)的一個實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在飛行中經受的條件相關的熱循環狀況。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(即復合材料中在雷擊防護層下方的層)。復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材料的電阻率沒有低到足以提供充分防護的情況下。9在本發明的另一方面，低密度金屬絲網如銅絲網(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)或石墨納米薄片來增強。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。可以優化CNT重量以匹配銅絲網CTE，由此使微裂紋最小化并能夠使用更輕的表面薄膜。可以使用這種組合提供面密度為約0.05lb/ft2的雷擊防護系統。更低密度的金屬絲網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。在本發明的另一方面，雷擊防護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(統稱為銀粒子)。盡管不希望受制于特定理論，但人們認為金屬涂層有助于粒子分散在薄膜、底漆或油漆中。在一個實施方案中，通過化學鍍(electrolessplating)來將銀涂層施加到碳納米管上，并認為這改進了涂有該材料的復合材料的界面粘附。可以對金屬涂布的粒子進行預處理，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。這些官能團可以改進粒子向油漆、底漆或薄膜中的分散，增加活化位點數量并降低沉積速率，即，需要施加多少材料來實現足以提供雷擊防護的電導率。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，因為金屬涂布孩"求的密度與油漆相似，而金屬粉末往往比油漆更稠密。對多數方面而言，可以使用多層來實現所需雷擊防護效果。例如，復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扶手椅型構型的碳納米管具有接近銅的電阻率并且比銅輕六倍，其對于雷擊防護系統的重量減輕具有最高潛力。納米管可以通過各種方法定向。可以研究枳4成、化學和;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現約20%管的定向。可以使進給螺桿(feedscrew)振動以改進納米管在流動方向上的定向(類似于用于再生熱塑性材料的振動注射成型)。可以將納米管官能化以與各納米管的尾部或頭部反應，從而使其自組裝(類似于脂質雙層組裝)。但是，該實施方案要求優化納米管負載量，以使納米管彼此吸引，同時也確保環氧基團不與納米管上的官能團反應。最后，可以制造納米管以使鎳粒子粘附到一端上。可以將亞鐵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場以使納米管定向。另一方面，使用已經在面內定向的石墨納米薄片(20至60重量%)來取代傳統雷擊防護材料中所用的金屬絲網。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。薄片無需完全剝離以最有效地工作(即，在整個厚度內更大的接觸面積)。人們相信，穿過各薄片的電阻率在導電金屬的范圍內，或例如可以通過用導電金屬涂布各薄片來調節。在本發明的另一方面，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(統稱為納米線)以提供抗雷擊性。由于它們較高的電導率，銅、銀或鋁納米線是優選的。可以將納米線添加到現有的金屬絲網和聚合物中，或代替金屬絲網使用。在本發明的另一方面，可以將已經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率(Phys.Rev.Lett.96057001，其全文經此引用并入本網。在本發明的另一方面，可以例如使用溶劑過濾法來將碳納米管、石墨納米薄片或其它納米粒子制成紙或氈。可以在造紙或造氈過程中使用增粘劑或粘合劑、纖維或其它粒子以幫助加工。可以采用預浸料坯或液體成型法，用樹脂浸漬這種納米增強的紙或氈，隨后通過將樹脂浸漬的紙或氈成型為所需形狀并固化該樹脂來將所得紙或氈成型為復合材料層。在本發明的最終方面，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浸料坯上并用樹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、用碳納米管增強的低密度金屬絲網、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，復合材料提供充足的雷擊防護以至少通過區域2A雷擊試驗，更優選可以通過區域1A雷擊試驗。此外，該材料理想地具有用于飛機制造和應用的合意的熱循環性能。例如，優選當該表面薄膜、底漆涂層或油漆層暴露在-65。F至160。F的熱循環下時在至少2000次循環內不會產生微裂紋。這些低密度材料不僅可用于制備雷擊防護材料(如飛機和飛機部件的外部)，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域中的用途。圖l是顯示碳納米纖維(多壁紙杯(Dkiecup)構型)的示意圖。圖2是顯示單壁碳納米管(SWCNT)構型的示意圖。圖3提供了顯示Cu-VGCF復合粒子在(a)1Ccm-2，(b)5Ccm-2，和(c)15Ccm-2處生長的顯微照片。與(a)-(c)對應的放大圖顯示在(d)-(f)中。(由下述文件復制Arai，S.;Endo，M.(2003)carbonnanofiber-coopercompositepowderpreparedbyelectrodeposition(通過電；冗積制成的碳納米纖維-銅復合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雷擊防護材料的示意圖。圖5是顯示在雷擊防護復合材料的表面層中使用納米增強材料的示意圖。具體實施例方式根據本發明，本文描述了為復合結構(如飛機工業中所用的那些)提供雷擊防護的雷擊防護材料。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如噴涂的傳統方式施加在復合結構的表面上以形成雷擊防護材^"。當以表面薄膜形式形成時，雷擊防護材料可以與復合結構一起固化。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，并顯著防止對雷擊防護材料下方的復合結構的層的破壞。如果需要，也可以將該碳納米管-金屬粉末或CNT，s添加到帶有輕質金屬絲網的聚合物中。本發明的碳納米管-金屬粉末-或CNT-增強的油漆、底漆或表面薄膜可以達到區域1A雷擊防護要求，并降低復合板的重量。此外，本發明的雷擊防護材料在至少2,000次熱循環中不會產生微裂紋。與傳統材料相比，用碳納米管-金屬粉末或CNT，s取代多孔金屬絲網可以明顯減輕重量并縮短制造周期。下面更詳細描述本發明的這些和其它方面。參照下列詳述并根據下列定義，可以更好地理解本發明。如本文中所用的，本文中描述了雷擊防護材料，其為復合結構(如飛機和航天工業中所用的那些)提供雷擊防護。各種適4元性認證機構擬定了飛機制造廠必須遵守的標準。基于雷擊的可能性和雷擊中生成的雷電流的可能強度，官方機構對每架飛機指定了不同的潛在雷擊區域以及這些區域中的結構和系統必須耐受的可能的電流波形。這些區域被標示為區域1A和1B、區域2A和2B、及區域3。這些區域在美國專利5,417,385和SAEARP5414中已經定義，并且為本領域技術人員所充分理解。飛機的表面可以分成被稱作雷擊區域的一組區域。這些區域代表了可能經受各種類型的雷電流并因此經受雷電環境的各種要素(components)的區域。有三個主要分區，代表了1.可能經受最初雷擊附著(lightningattachment)和首次回擊的區域。2.不可能經受首次回擊，但可能經受后繼回擊的區域。當飛機相對于閃電通道運動而造成從前方的初始附著點向后掃過通道時會發生這種情況。3.不可能經受任何電弧附著但必須在附著點之間傳導電流的區13域。區域1和2細分成如下的具體雷擊附著區域區域1A和2A,在該區域閃電通道不可能長時糾纏(hang-on),因為飛機相對于該通道的運動造成附著點以與該運動方向相反的方向劃過飛才凡表面。區域IB和2B,在該區域閃電通道附著點在閃電殘余過程中不可能移動，因為該位置是后緣或大翼(largepromontory)，飛機和通道的相對運動不能從此處進一步掃過附著點。最后，另一區域(區域1C)被定義為其中根據電流參數沿閃電通道的變化和附著點掃過飛機表面所花費的時間，對飛機的威脅降低。具體區域定義如下區域1A-首次回擊區域在閃電通道附著過程中可能以低閃電糾纏(hang-on)期望值發生首次回擊的飛機表面的所有區域。區域IB-具有長時糾纏的首次回擊區域在閃電通道附著過程中可能以高閃電糾纏期望值發生首次回擊的飛機表面的所有區域。區域1C-首次回擊的過渡區域在閃電通道附著過程中可能以低閃電糾纏期望值發生幅度降低的首次回擊的飛機表面的所有區域。區域2A-掃及(swept)雷擊區域其中后繼回擊可能以低閃電糾纏期望值被掃過的飛機表面的所有區域。區域2B-長時糾纏的掃及雷擊區域其中帶有后繼回擊的閃電通道可能以高的閃電糾纏期望值被掃過的飛機表面的所有區域。區域3不可能發生閃電通道的任何附著的不在區域1A、1B、1C、2A或2B中的那些區域，以及飛才幾位于其它區域下方或之間和/或在直接或掃及雷擊附著點之間傳導相當大量電流的那些部分。14任何飛機上的雷擊區域位置取決于飛機的幾何形態和操作因素，并通常隨飛機的不同而變。適航性官方機構指定了飛機制造廠必須遵守的標準。對各飛機部件指定不同的潛在雷擊區域，并指定電流波分量。該結構必須耐受這種雷擊而不會穿透該部件的厚度。飛機部件在地到空到地運行過程中經受熱循環。這種熱循環可能在表面薄膜內造成微裂紋。這種微裂紋可能延伸到復合結構中，從而因暴露在濕氣和/或其它化學品中而造成永久破壞。因此，最好配制該表面薄膜以使其當暴露在-65。F至160。F的熱循環下時在至少2,000個循環內不會產生微裂紋。開發出標準以配制符合如下指定的區域1A雷擊和微裂紋試驗的納米復合薄膜、底漆和油漆。雷擊防護標準標準1-當量面密度表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。在現有技術的航空結構和部件中已經使用鎳和青銅提供雷擊防護；但與本文所述的材料相比，這些金屬的使用通常造成對碳/環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材料的材料性質。例如鋁和可以包含該材料的環氧基質之類的標準材料被包括作為基線，通過該基線來比較納米增強材料的性質。表2:候選納米增強材料性質模量GPa熱導率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環氧基質70絕緣體絕緣體4呂702202.8表3列出了雷擊系統的各種面密度。如下所示，參照鋁絲網系統，納米增強系統的面密度提供比鋁明顯更低的面密度，并相應提供顯著的重量減輕。表3-雷擊系統的面密度層鋁絲網系統的面密度(gms)納米增強的鋁絲網系統的面密度(gsm)C-SWNT(10,10)系統的面密度(gsm)總系統355310135與鋁基線相比的重量減輕12.5%62%符合雷擊防護的一個標準是要等于或小于銅絲網基線的最小面密度。對工業用途而言，作為對飛機發動機短艙中常用的薄表層復合結構造成最小破壞的基線銅絲網面密度，0.029lb/ft2(135gsm)是可接受的。可以使用電阻與密度差的比率來計算當量面密度。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)的因數下計算鋁的面密度，其中0.016lb/ft2(74gsm)是可接受的面密度。鋁的較輕密度足以補償與銅相比提高的電阻，從而得到總體上更輕的絲網。但是，所需的重玻璃纖維隔離層抵消了這種重量優勢。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。銀的導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。標準2-連貫性和最大間隙符合雷擊防護的另一標準是作為導電連貫性和最大間隙而設定的。現有技術的多孔銅絲網具有足以將電導向板邊緣(其在此接地)的連貫性。粒子之間可能具有一些間隙，它們可以通過表面上的等離子充電來克服。0.029lb/ft2(135gsm)的銅絲網的最大間隙為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定至小于0.120英寸(3.05毫米)的指導。所選納米粒子的電阻率和長徑比決定了該標準。當與粒子，尤其是納米粒子一起使用時，這種間隙標準是重要的。全文經此引用并入本文的Shaw等人(2004)Ontheimprovedpropertiesofinjection-molded,carbonnanotube-filledPET/PVDFblends(關于注射成形的、碳納米管填充的PET/PVDF混合物的改進性質)，Jowr"a/Power5bwrces136,37-44中報道了通過在聚對苯二曱酸乙二酯和聚偏二氟乙烯的混合物中的聚對笨二曱酸乙二酯(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%的電導率改進。通過在PET層內含有CNT，s,聚合物中存在連續導電路徑。標準3-熱循環和開裂現有技術的雷擊防護材料包括嵌入粘合膜中的金屬絲網。在熱循環后，這類現有技術結構中的開裂通常在金屬絲網的邊界處發生。可以例如使用兩個薄膜或厚度為現有技術結構中的絲網/薄膜層的兩倍的薄膜來延緩微裂紋的開始。可以通過粘合劑內銅絲網的重量分數和所造成的熱膨脹系數失配來解釋這種開裂。熱膨脹應力，c/(公式l)也是臨界應力的分量，c^=￡aAr(1)其中a是CTE,且Zir是熱循環溫度i。嵌絲網薄膜(screenembeddedfilm)的熱膨脹otc可以使用公式2中所示的混合法則來評估，其中P^是銅的體積分數，c^是銅的CTE,^是粘合劑基質的體積分數，且是粘合劑基質的CTE。嵌絲網薄膜的模量&也可以使用混合法則評估。相反，本發明的雷擊防護材料可以設計為使雷擊防護材料(無論是否為油漆、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以使開裂最小化。這可以例如通過明智地選擇本文所述的低密度導電納米粒子和聚合材料來實現。因此，該材料可以不僅提供低密度電導率，還使熱循環過程中觀察到的開裂最小化。本領域技術人員可以容易地使用本文提供的教導來選擇適當的導電納米粒子和聚合物，以實現適當的CTE。篩選材料的一種方法包括如下所述的熱循環試樣可以在120。F和95%相對濕度下進行預調節。在初次調節后，停止濕度控制并將溫度降至-65°F，持續最小時間。然后將試樣從-65。F到160下熱循環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400個周期。隨后取出試樣，并目測和/或使用模滲透劑檢查表面的開裂。這些步驟重復總共五個循環組。下面更詳細描述滿足這些標準的本發明的低密度導電層、復合材料、包括該復合材料的飛機(和飛機部件)、和制造該復合材料的方法。I.金屬粉末/碳納米管混合物A.金屬粉末可以使用當存在于基質材料中時以合適的濃度提供適當電阻率以使所得復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。盡管在航空航天領域中已經使用鎳和青銅來提供雷擊防護，它們的使用通常造成對許多復合材料中存在的碳/環氧板的更大破壞。為此，銀和銅是優選金屬。金屬粉末的粒度可以為約4納米至100微米，盡管優選粒度會隨粉末是主要(primary)填料、是與CNT，s—起使用還是補充絲網而改變。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率。如本文所述，本領域技術人員可以改變該濃度和粒度以獲得具有所需性質的合適的底漆、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脂，以及它們在具有導電層的復合材料的補片中的用途。如，425專利中所教導的那樣，為確保表面上的電導率，含有小比例納米纖維或納米管的復合結構是優選的。從經濟角度看，碳納米纖維(也稱作多壁碳納米管)的使用優于成本更高的單壁或雙壁碳納米管；但是，它們的電導率明顯較低。相應地，在本文所述的一些實施方案中，使用相對大量的相對低成本的碳納米纖維，從而提供某一電導率。在另一些實施方案中，使用相對少量的相對高導電的碳納米管(理想地與金屬粉末或其它導電材料結合)，以提供與使用更大量的導電性較差的碳納米纖維時相比相對等量的電導率。在現有技術中已經使用基于固體銅粒子的油漆來提供雷擊防護。但是，多數這些油漆沒有通過區域1A雷擊試驗，因為它們不符合間隙標準，但可以通過區域2A試驗。碳納米纖維可以在表面薄膜、底漆或油漆內定向并與各種金屬粉末結合以提供具有合適的雷擊防護的復合結構。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，但納米管被認為有助于達到本文所述的間隙要求，其中較長的納米管是優選的。納米管也有助于通過降低基質熱膨脹系數(CTE)來使微裂紋最小化，并能夠使用更輕的表面薄膜。復合結構的油漆層、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破壞下方的層。此外，不僅可以通過調節碳納米管的濃度還可以通過這些納米管的定向來改變電阻率。用碳納米管取代現有技術系統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。納米管可以通過各種方法定向，包括機械、化學和-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。可以使進給螺桿振動以改進纖維在流動方向上的定向(類似于用于再生熱塑性材料的振動注射成型)。可以將納米管官能化以與各納米管的尾部或頭部反應，從而使其自組裝(類似于脂質雙層組裝)。但是，這涉及優化納米管負載量，以使納米管彼此吸引，同時也確保用于形成包含該納米管的層的熱固性單體(即環氧樹脂)不會干擾該方法。另外，可以制備納米管以使鎳粒子粘附到一端上。可以將亞鐵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。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電沉積法制備碳納米管-銅復合粉末。該浴含有均勻分散的碳納米管。具有刺球(spikyball)結構的復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生碳納米管-銅粉。這類方法描述在Arai,S.;Endo,M.(2003)Carbonnanofiber-copercompositepowderpreparedbyelectrodeposition(通過電沉積制成的碳納米纖維-銅復合粉末),五/ecfrac/zem/s^yC。/wwwm'c加'om15，797-799,其全文經此引用并入本文。在本發明中，納米管可以嵌入或不嵌入銅粒子中。II.銅絲網和碳納米粒子和/或銅刺球的組合通過將碳納米粒子(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中，可以避免與由多次熱循環中的應力引起的裂紋有關的問題。將銅絲網嵌入納米增強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的表面薄膜的CTE降低以使納米增強的表面薄膜的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/或開裂。通過添加粘合層來延遲微裂紋的開始。對于一層粘合劑，銅的體積分數為約16%。對于兩層粘合劑，這可以降至8%。這導致含絲網的兩層粘合膜的熱膨脹應力的約一半。但是，這顯著提高了重量；因此優選添加納米管以降低粘合劑的CTE。可以加入少至1重量％的單壁碳納米管以使碳納米管增強的粘合膜的CTE與銅絲網匹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。可以調節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。在通過底漆或油漆層提供雷擊防護所需的電導率的那些部件中，這特別重要。例如，飛^/L中的某些部件用鉸鏈緊固，且"導電"油漆可能與鉸鏈緊固件分離。如果導電油漆從鉸鏈上剝離，則會損失"接地性"。導電油漆在使用過程中與緊固件分離的一個原因在于，在環境(熱)使用過程中在緊固件和導電油漆之間存在熱膨脹系數差異。可以調節銅和碳納米管的使用以幫助使CTEs的失配最小化。另一方法是在輕質多孔鋁或銅絲網上生長碳納米管。III.金屬涂布的微球和/或碳納米管碳納米管可以使用本領域中已知的技術來用金屬如銀涂布。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)中所述的化學鍍，其內容經此引用并入本文。通常，通過氧化、親水處理、敏化處理和/或活化處理來將碳納米管預處理，因為它們通常具有低的化學反應性，并且不充當金屬涂層沉積的催化劑。預處理提供了能夠鍍金屬如銀的活化位點。也可以使用提供這類活化位點的其它預處理步驟。可以例如使用硝酸進行氧化。可以例如通過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進行敏化和活化。在敏化、活化和化學鍍過程中，可以使用超聲來攪拌反應混合物。這些步驟為納米管表面提供了各種官能團，例如羧酸、酮和羥基。化學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層。當所用金屬是銀時，所得的涂銀碳納米管可用于提供低密度導電層。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破壞下方的層。用金屬涂布微球或納米管來取代傳統雷擊防護材料中使用的多孔金屬絲網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，對于具有5微米銀涂層的70微米平均直徑微球來說，涂銀微球的密度為約0.126lb/in3(3.5g/cm3)。初始計算預測，在表面薄膜為0.02lb/ft2時，25-35體積％的涂銀微球或涂銀碳納米管符合雷擊面密度標準，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到本文所述的間隙標準的可能性。可以使用超聲喇叭(hom)/輥以幫助混合和分散粒子，以及幫助實現所需薄膜厚度。不希望受制于特定理論，但銀涂層據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。在本發明的一方面，納米管與輕質銅絲網結合。初始計算預測，在表面薄膜為0.02lb/ft2時，與0.015化他2銅絲網結合的10-20體積％的涂銀納米管產生0.05lb/ft2的密度，并由于納米增強的表面薄膜的熱膨脹系數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，其對于在雷擊防護系統的重量減輕具有最高潛力。(對于區域1A雷擊防護，聚合物薄膜中需要10-20重量％)。但是，在可以實現益處之前需要克服一些障礙。首先是可能需要面內定向以將電導出到鉸鏈。可以通過各種方法使納米管定向。可以如上所述研究機械、化學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(其全文經此引用并入本文)中的研究發現，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結構被氧化。因此，不僅較低電阻的納米管比納米纖維優選，而且多壁納米管和納米管繩的載流能力對雷擊防護也是理想的。一些定向技術可以提供符合間隙標準的結構。符合間隙標準的另一方法是將納米管嵌入到在熱固性材料內的熱塑性薄層中，反之亦然。應使用更高載量的30至55重量。/。的單壁碳納米管以補償其它手性構型管(因為難以分離10，10構型)，補償加工對管的破壞，或補償管的無規定向。可以用碳納米管造紙，這有助于消除層內間隙。通常使用溶劑過濾法造紙，并通過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脂增粘劑以使管粘合在一起。這些紙可以在無規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結構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為是巻成納米級圓筒的石墨烯片)的性質。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，因為該片材具有限定尺寸且其它元素以非零的化學計量比出現在邊緣。典型的石墨烯具有化學式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為不以游離形式存在，對于彎曲結構(煤煙(soot)、富勒烯和納米管)的形成來說不穩定。石墨烯可以優選通過高度定向的熱解石墨(pyroliticgraphite)的小臺面(mesas)的機械剝離(反復剝離)來制備。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述的復合材料。一層或數層石墨烯平面的納米級石墨烯片(NGP，S)有時在文獻中更常被稱作石墨納米薄片(GNP，s)。通常使用超聲能來剝離石墨薄片，并且可以通過調節聲處理時間來控制剝離程度。石墨納米薄片可以面內定向以取代熱固性聚合物導電層中的現有技術金屬絲網。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或飛機部件表面的尺寸制造。層的分離比薄片的完全剝落更合意，因為更可能與相鄰薄片接觸，從而在樹脂中混合形成薄膜時符合間隙標準。但是，在制造隨后用樹脂浸漬的高負載石墨紙和氈時，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需要高達40-60重量％以提供區域1A雷擊防護。薄片應該面內定向，這可以通過振動(超聲或其它機械振動)、剪切流或共價鍵合實現。它們也可以用聚合物涂布并如美國專利5,846,356中所述般使用電場定向。石墨納米薄片也可以使用用于使碳納米管彼此共價鍵合的與美國專利申請公開2005/0069701類似的技術在邊緣上彼此共價鍵合。官能團可以連接到石墨納米薄片邊緣上并隨后彼此交聯。交聯劑應該不能自聚合。應該小心確保環氧基質也交聯到薄片表面上。如果這不發生，則會發生薄片的層之間的開裂，這是不可接受的。可以在熱塑性塑料中涂布GNP，s以定向或改進結構表面的耐破壞性。已經在美國專利申請公開2004/0231790中成功地使用聚偏二氟乙烯(PVDF)以提供與350。F固化環氧預浸料坯的互滲機械鍵。在該專利申請中，使用熱塑性層以使復合結構隨后彼此粘合。在本發明中，其可用于在石墨納米薄片(或其它納米粒子)和環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(統稱為納米線)以提供抗雷擊性。銅、銀或鋁因其更高的電導率而是優選的。可以將納米線添加到現有金屬絲網和聚合物中或代替金24屬絲網使用。盡管銅或鋁納米線可能需要與現有技術的金屬絲網相同的當量含量，但其可以改進熱循環中的抗^t裂紋性，因此可以使用更輕的表面薄膜(0.020化很2代替傳統的0.030b/ft2)。可以將納米線直接添加到樹脂中或以紗網(veil)構造制造。紗網將確保符合間隙標準。VII.改性碳納米管可以將經過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。通過將金屬原子鍵合到碳納米管的末端或側面上，更有效地增加或制造電子路徑，由此降低電阻率。可以使用基于降低的電阻率和本文所述的間隙標準的當量面密度而針對區域1A雷擊防護設計這些改性納米粒子的濃度。這些改性納米管可以面內定向或作為低密度金屬絲網的替代物或補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/薄膜上述低密度導電材料可以存在于底漆、油漆和/或薄膜中，隨后用于在復合材料上形成低密度導電層。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材料。下面更詳細描述薄膜、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。可用的傳統熱固性樹脂體系包括，例如，環氧類樹脂體系、雙馬來酰亞胺(BMI)基質、酚醛樹脂、聚酯、PMR-15聚酰亞胺、乙炔封端樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯、自由基引發的熱固性樹脂等。由于熱固性樹脂的這種相當多的選4爭，可以按需要調節本發明的底漆、油漆和/或薄膜。例如在美國專利5,470,413中描述了合適的熱固性樹脂體系的實例，其內容經此引用并入本文。25合適的環氧樹脂包括用于制造飛機部件的已知熱固性環氧/纖維增強預浸料坯中所用的那些。它們通常尤其基于下列物質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、它們的聚環氧化物縮合產物、脂環族環氧化物、環氧基改性的酚醛清漆樹脂(酚-曱醛樹脂)、以及由表氯醇與苯胺、鄰-、間-或對-氨基酚和亞甲基二苯胺的反應生成的環氧化物。環氧樹脂體系含有將樹脂固化成固體難熔產物的環氧固化劑。為此，可以使用酸性、中性或堿性的環氧固化劑。實例具體包括胺硬化劑、酚、酸酐、聚酰胺、以及路易斯酸和》威。也可使用促進劑以減少固化時間，其包括咪唑和取代脲。所用硬化劑的量通常在化學計算上相當于樹脂中每個環氧基需要一個胺基團。在添加納米增強材料時，可能需要對化學計算量進行一定調節。可以將納米增強材料添加到熱固性單體、硬化劑或混合樹脂中。分散方法取決于何時添加納米增強材料。例如，如果將納米增強材料添加到B-級樹脂中，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材料沉積到薄膜表面上以使其在復合材料加工過程中保持定位。熱塑性聚合物也可以將納米增強材料添加到熱塑性聚合物中以與熱塑性結構固結，或與熱固性結構粘合。可用的傳統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(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。可以將納米增強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。可以將納米增強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(例如同時制造丸粒并隨后擠出)。底漆底漆增強油漆與復合材料的粘合性。有幾種類型的可以使用的市售底漆，這些底漆是本領域技術人員公知的。底漆可以是水基的、溶劑基的、或者是100%固體組合物。術語"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，所得層包括幾乎沒有或完全沒有材料蒸發的100%固體。一種類型的底漆是二元環氧底漆。環氧底漆提供了防腐蝕性以及與多數面漆和/或層壓層的粘合表面。當面漆是聚氨酯時，環氧底漆是優選的，因為這類油漆通常與其它底漆不相容。油漆用于粉刷飛機的油漆(paint)主要由熱固性聚合物構成。它們可以包括水或揮發性有機溶劑(VOC)或是100%固體組合物。最常見的油漆類型包括瓷漆、環氧樹脂、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電材料(例如本文所述的碳納米纖維-銅粉)的底漆或油漆經由傳統方式(如噴涂法)施加到復合結構表面上以形成雷擊防護材料。例如，可以使用傳統上漆法，如壓力給漆槍、高容積低壓力(HVLP)系統、無氣噴涂法和靜電噴涂法來施加底漆和/或油漆。在生產工作中主要使用無氣噴涂和靜電噴涂。無氣噴霧器迫使油漆通過在極高流體壓力(通常1,200至3,600psi)下工作的小噴嘴。靜電噴霧系統在接頭(tip)裝入油漆。在油漆和要上漆的物體之間設定高的電壓差。電荷吸引油漆粒子且它們包裹在該物體周圍。傳統系統使用在噴才倉下產生約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)系統使用相對較低的壓力來霧化油漆(3-5psi)。這種類型的系統的優點在于盡可能減少過度噴涂，且大部分油漆附著到要上漆的表面上。兩種主要類型的HVLP噴霧系統是渦輪系統和轉化噴槍。在執行環境限制的地區中，高度推薦當地批準的施加設備，如HVLP噴槍。瓷漆通常在使用瓷漆稀釋劑稀釋至適當稠度后噴在環氧底漆上。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，因為其耐用，提供高光澤飾面，并且對化學品的耐性相對較好。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。較慢的固化時間允許油漆流動，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但使隨時間開裂最小化的厚度來施加。無論所用的底漆或油漆的類型如何，均需要適當地混合底漆或油漆。在底漆或油漆可能包括相對較細的金屬粒子(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。為確保添加劑適當分散，可以在施加的1周內振蕩油漆，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，將油漆與交聯劑(催化劑)混合。一旦添加催化劑，化學交聯就此開始，且施加該油漆的機會窗開啟。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間的溶劑，促進劑加速干燥時間。在涼爽溫度下可能需要促凝劑以幫助干燥過程。底漆或油漆組合物是包括在固化時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。當在表面薄膜中形成時，雷擊防護材料可以與復合結構一起固化。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該雷擊防護材料下方的復合結構層的破壞。本發明的納米增強油漆、底漆或表面薄膜可以達到區域1A雷擊防護要求，并降低復合板的重量。此外，雷擊防護材料在2,000個熱循環內不會產生微裂紋。與傳統材料相比，用納米增強材料取代多孔金屬絲網或將重量減輕的多孔金屬絲網與納米增強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將各種材料如金屬粉末、碳納米纖維/納米管、金屬絲網、石墨烯片等加入用作層壓材料(其用于制造飛機和/或飛機部件的外表面)最上層的聚合片中來提供低密度雷擊防護物。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電材料的量以提供合適的電導率和密度。理想地，納米增強片的密度小于約0.071b/ft2，優選小于或等于0.05lb/ft2。可以使用粘合層將低密度導電聚合片粘合到層壓材料上，并優選與復合層壓材料一起原位固化。IX.包含低密度導電底漆/油漆或片材的復合材料本文所述的復合材料是用于制備飛機機身、飛機操縱面、機身部件或推進系統部件的傳統復合材料，只是將常用于提供雷擊防護的金屬絲網層換成低密度導電層。這些復合材料通常包括疊加的片、層和板。最外層通常是導電層并且可以是包括本文所述的各種低密度導電材料的底漆、油漆或聚合物片材形式。當導電層是聚合物片材或底漆時，其可以被一層或更多底漆和/或油漆層覆蓋。具有較低電導率的復合層通常位于導電層下方。當導電層是底漆或油漆層以外的聚合物片材時，其通常與復合層一起原位固化或使用粘合層粘合。復合層通常是紡織玻璃纖維、芳族聚酰胺或碳預浸料坯，盡管也可以使用其它纖維，且該層也可以是無紡層。附加層可以包括各種預浸料坯、織物、蜂窩狀內芯、泡沫內芯、樹脂和粘合層。該結構可以使用經樹脂薄膜浸漬法或樹脂傳遞模塑法而用樹脂浸漬的干燥織物制成。導電層也可以干燥鋪設并在復合材料制造過程中用聚合物浸漬。理想地，納米增強的復合材料除了雷擊防護外還具有幾種合意性能。這類性能的實例包括與下方材料匹配的熱膨脹系數、環境抗性(即uv、水、火焰和/或流體抗性)和與傳統雷擊材料相比改進的韌度。29此外，與傳統雷擊材料相比，可以改進電導率、熱導率、滲透性、摩擦、磨損、固化收縮性、強度和勁度。為進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稀洋紗，其中之一或兩者可以是機織的，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。本文所述的雷擊復合材料和傳統雷擊復合材料之間的比較可見于圖4和5。圖4是顯示層壓制件形式的傳統雷擊材料的示意圖。粘合層中的鋁絲網(10)和電流隔離體(20)(如玻璃纖維)一起構成雷擊防護覆蓋層。在雷擊防護層(30)下方的附加層可以是例如預浸料碳、玻璃纖維或芳族聚酰胺織物(即結構層壓材料)。由于相對較密的鋁絲網，該材料具有相對較高的密度。相反，圖5顯示了雷擊復合材料的表面層中的納米增強材料可以如何降低總密度。包含納米增強材料(40)的表面層形成雷擊防護覆蓋層。對于現有技術的方法，雷擊防護層(30)下方的附加層可以是例如預浸料碳、玻璃纖維或芳族聚酰胺織物。現有技術中和本文所述的雷擊防護復合材料中的層是類似的，只是隔離層的去除和相對低密度的表面層有效降低了復合材料的總密度(和相應地，重量x在另一實施方案中，除表面層外，結構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。該實施方案可以提供相對改進的熱機械性能和高于10%的重量減輕。X.包括該復合材料的飛才幾本文所述的復合材料可用于取代經受雷擊的飛機部件，如短艙、機身、機翼、水平尾翼和其它操縱面中的一些或所有復合材料。這些部件是本領域技術人員已知的。例如，短艙包括風扇殼、推力反向器、入口、支架和相關系統。XI.制備復合材料的方法也公開了制造包括本文所述的低密度導電材料的復合材料的方法。在本發明的一方面，該方法包括形成不含導電層的復合材料，并施加本文所述的包括導電組分的一層或多層油漆或底漆層。當底漆包括低密度導電材料時，覆蓋底漆的油漆可以也包含或不含低密度導電材料。當該材料包括含有低密度復合材料的油漆或底漆層時，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，并將該低密度導電材料以適當濃度分散在底漆和/或油漆組合物中以提供具有適當電導率以充當雷擊防護材料的所得底漆和/或油漆層。濃度預計隨所需雷擊防護程度而變，盡管區域1A最需要雷擊防護。然后，一旦該材料適當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合材料的剩余部分上。當低密度導電材料是聚合物片材(或浸漬紙或氈)形式時，該方法包括首先形成具有所需低密度導電材料濃度的片材，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，例如具有納米增強聚合物的低密度金屬絲網，該納米增強聚合物不能使用可以在施加片材時使用的相同技術(即，噴涂)來施加。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)使用刮刀等來控制厚度。在使用UV可聚合材料的那些實施方案中，可以使用紫外線實現聚合，在其它實施方案中，可以通過使成型中的片材暴露于熱以促進聚合反應。熱固性片材可以與熱固性復合層原位聚合或隨后粘合。熱塑性低密度導電片材可以加熱并與熱塑性復合層壓接，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。低密度導電片材、紙、氈或低密度導電干燥納米增強材料可以與干織物層或預浸料坯疊合以隨后使用樹脂傳遞模塑或樹脂浸漬法浸漬聚合物。納米增強材料可以使用隨后蒸發的溶劑或水噴到載體上，刷涂或在干燥使用時以粉末形式分布在其上等。當使用紙或氈基系統，例如石墨氧化物紙和銀納米線紙時，可以使導電納米粒子之間的任何間隙最小化。在一個實施方案中，將納米增強材料添加到溶劑或其它流體或表面活性劑中以^t納米增強材料。混合物可以使用超聲或機械法混合。隨后通過細篩過濾懸浮液，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一步處理。Gou,J.(2006)Single-wallednanotubebuckypaperandnanocomposites(單壁納米管巴基紙和納米復合材料)，尸o/少wer/"/w"加'o加/55，1283-1288(其全文經此引用并入本文)報道了造紙法的實例。在一個實施方案中，用增稠劑、石墨烯納米薄片(GNP)和溶劑的混合物來噴涂干碳織物預成型坯，并在浸漬樹脂之前使溶劑蒸發。然后將該預成型坯浸漬樹脂薄膜并固化。通過在樹脂浸漬之前使用反復噴涂，可以獲得相對較高的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％。在另一實施方案中，可以使用粉末撒布機，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脂浸漬并固化。也可以由此實現高載量。XII.修理用途可以使用本文所述的材料來修理受損的飛機和飛機部件。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，以便為修補過的裂紋提供充足的雷擊防護。可以使用包括低密度材料的薄膜來修補相對較大的區域，其中薄膜最適用。對于更小的區域和/或裂紋，可以-使用本文所述的油漆和/或底漆。本發明的所有方面提供了適用于制備具有可接受的雷擊防護的飛機和飛機部件以及適用于修理這類飛機和飛機部件的低密度導電復合材料。參照下列非限制性實例將會更好地理解本發明。實施例1初始計算預測，在表面薄膜為0.02至0.025lb/ft2時，與低密度(例32如0.015lb/ft2)銅絲網結合的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標準。這會產生小于0.055lb/ft2(254gsm)的面密度，這導致與現有技術的雷擊防護材料相比超過10%的重量減輕。實施例2圖2中所示的單壁碳納米管(SWCNT)的CTE估計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可以與該納米增強的表面薄膜一起使用。平坦的絲網能夠實現更輕更薄的薄膜(0.020lb/f^而非傳統的0.030lb/ft2)，從而降低這整個系統的重量。這也導致與現有技術的雷擊防護材料相比超過10%的系統重量減輕。實施例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，以實現區域1A雷擊防護。如果使用定向的10,10扶手椅構型的單壁碳納米管，則需要更低的范圍，并且與現有技術的雷擊防護材料相比造成最多50%的重量減輕。其它手性碳納米管構型需要更高的濃度。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準(例如，在PVDF中的50重量％的CNT,和在環氧樹脂內的30°/。至50重量％的CNT/PVDF層)。總薄膜面密度為0.020至0.040lb/ft2。實施例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，以符合區域1A雷擊防護。納米薄片應該膨脹但沒有完全剝落以確保電導率。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中。這導致與現有技術的雷擊防護材料相比超過10%的重量減輕。上文例示了本發明并且不被視為其限制。通過下列權利要求指定本發明，其中包括這些權利要求的等同物。本文提到的所有專利和出版物出于所有目的全文經此引用并入本文。權利要求1.一種用于為復合材料或金屬基底提供所需雷擊防護程度的薄膜，其包含聚合薄膜，所述聚合薄膜具有以提供所需雷擊防護的載量和方式分散在整個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電材料。2.如權利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網、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.如權利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導電材料是碳納米管紗線，其中該紗線是機織、編織或纖維制成的。4.如權利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導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.如權利要求1所述的薄膜，其中所述低密度導電材料包含選自化學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改性材料。6.如權利要求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)的有或無載體的熱固性聚合物。7.如權利要求6所述的薄膜，其中所述熱固性聚合物包含選自環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺和聚氨酯的聚合材料。8.如權利要求6所述的薄膜，其中所述載體是稀洋紗。9.如權利要求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)的有或無載體的熱塑性聚合物。10.如權利要求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.如權利要求1所述的薄膜，其中所述薄膜提供了區域IA雷擊防護。13.—種用于提供雷擊防護的復合材料，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構織物或預浸料層，其中將低密度導電材料以提供所需雷擊防護的載量和方式添加并分散到所述結構織物或預浸料層上。14.如權利要求13所述的復合材料，其中所述結構織物或預浸料層為機織織物、編織纖維或帶材形式。15.—種復合材料，其包含如權利要求1所述的薄膜和通過一層或多層預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的低密度導電材料，其中所述低密度導電材料以約1至約60重量％的量存在。17.如權利要求16所述的油漆或底漆，其中所述自由流動的低密度導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.如權利要求13所述的油漆或底漆，其中所述自由流動的低密度導電材料由化學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。19.一種飛機部件，其包含如權利要求1-12中任一項所述的薄膜、如權利要求13-15中任一項所述的復合層、或如權利要求16-18中任一項所述的油漆或底漆層。20.—種修理飛機和/或飛機部件的方法，其包括使用如權利要求16-18中任一項所述的底漆和/或油漆組合物來修理飛機或飛機部件。21.—種修理飛機和/或飛機部件的方法，其包括將如權利要求1-12中任一項所述的薄膜或如權利要求13-15中任一項所述的復合材料施加到飛4幾或飛纟幾部件上。22.—種制備適用于低密度雷擊防護復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電材料添加到熔融的熱塑性聚合物中，以使該低密度導電材料混合在整個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.如權利要求22所述的方法，其中所述低密度導電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網、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復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電材料添加到單體或單體混合物中，以使該低密度導電材料基本均勻地混合在整個單體中，c)使步驟b)的單體成形為薄膜厚度，和d)使單體固化。25.如權利要求24所述的方法，其中所述低密度導電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網、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復合材料的方法，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.如權利要求26所述的方法，其中所述低密度導電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網、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復合材料的方法，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.如權利要求28所述的方法，其中所述低密度導電材料選自金屬粉末、金屬納米線、金屬絲網、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、油漆或底漆來制備可能遭遇雷擊的飛機結構復合材料。也公開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脂或聚合物(如環氧樹脂)和/或熱塑性聚合物，這些樹脂或聚合物可以固化、粘合或涂到復合結構上。公開了可以均勻遍布在薄膜中或分散在薄膜上的低密度導電材料，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。低密度導電材料可以包括任選與碳納米纖維結合的金屬絲網。文檔編號B64D45/02GK101466598SQ200780016863公開日2009年6月24日申請日期2007年3月9日優先權日2006年3月10日發明者埃洛伊斯·揚,安東尼·M·馬扎尼,桑·齊奧,特里薩·M·克魯肯伯格,瓦萊麗·A·希爾申請人:豪富公司;羅爾股份有限公司