特許 7328703 落雷保護を提供する導電性広幅物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-08

(45)【発行日】2023-08-17

(54)【発明の名称】落雷保護を提供する導電性広幅物

(51)【国際特許分類】

   D06M 11/83 20060101AFI20230809BHJP

   B32B 15/14 20060101ALI20230809BHJP

   D04H 1/4242 20120101ALI20230809BHJP

   D04H 1/58 20120101ALI20230809BHJP

   H01B 5/12 20060101ALI20230809BHJP

   D06M 101/40 20060101ALN20230809BHJP

【ＦＩ】

D06M11/83

B32B15/14

D04H1/4242

D04H1/58

H01B5/12

D06M101:40

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020502659

(86)(22)【出願日】2018-07-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-09-10

(86)【国際出願番号】 US2018043069

(87)【国際公開番号】W WO2019018754

(87)【国際公開日】2019-01-24

【審査請求日】2021-07-15

(31)【優先権主張番号】62/535,365

(32)【優先日】2017-07-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】516363134

【氏名又は名称】ジェネラル ナノ エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100094640

【弁理士】

【氏名又は名称】紺野 昭男

(74)【代理人】

【識別番号】100103447

【弁理士】

【氏名又は名称】井波 実

(74)【代理人】

【識別番号】100111730

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 武泰

(74)【代理人】

【識別番号】100180873

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 慶政

(72)【発明者】

【氏名】クリスティー、ラリー、アレン

(72)【発明者】

【氏名】スプレンガード、ジョセフ、イー．、ジュニア．

(72)【発明者】

【氏名】キム、ジャエ、ハック

(72)【発明者】

【氏名】ジャヤシンゲ、チャミンダ

【審査官】川口 裕美子

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５２６８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２５５４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２２０２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０５９５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５１９７４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｄ０６Ｍ １１／８３

Ｂ３２Ｂ １５／１４

Ｄ０４Ｈ １／４２４２

Ｄ０４Ｈ １／５８

Ｈ０１Ｂ ５／１２

Ｄ０６Ｍ １０１／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロールの状態で供給されてもよい、幅と長さを有する広幅シートであって、
当該広幅シート全体にわたってランダムにループした複数の繊維からなる寸法安定性不織ベールと、
前記複数の繊維を結合させるバインダー材料と、
前記ベールの前記結合した複数の繊維および前記バインダー材料の表面を完全かつ連続的に覆う第１の金属コーティングと、
前記第１の金属コーティングの表面を完全に覆う第２の金属コーティングと
を含んでなり、
前記第１および第２の金属コーティングが、前記寸法安定性不織ベールの形状に従った高導電性金属スクリーンを形成してなり、
前記第１の金属コーティングが、銅を含み、かつ坪量が１０～５０ｇ／ｍ^２広幅シートであり、さらに、前記第２の金属コーティングが、ニッケルを含み、かつ坪量が５～２０ｇ／ｍ^２広幅シートであり、
前記繊維がカーボン繊維である、広幅シート。

【請求項2】

１２インチ以上の幅を有する、請求項１に記載の広幅シート。

【請求項3】

前記バインダー材料が、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アセタール、アクリル、セルロースアセテートブチレート（ＣＡＢ）、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、充填剤入りポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド（ナイロン）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリフッ化ビニリデンまたはポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミドイミド、スチレンアクリル、フェノキシ、ポリウレタン、ポリイミド、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、架橋されたポリエステル、スチレンアクリル、コポリエステル、および超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＰＥ又はＵＨＭＷ）、並びにこれらの組み合わせからなる群から選択されるものである、請求項１または２に記載の広幅シート。

【請求項4】

前記第２の金属コーティングが、スルファミン酸ニッケル系の電気ニッケルメッキを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の広幅シート。

【請求項5】

表面を有する航空機の建造に適切に使用される場合、
航空機に直接落ちるか、あるいは航空機の近くで発生する２００，０００アンペアの雷の直接的および間接的な影響による航空機表面への構造的損傷に耐えおよび／または当該損傷を防ぐことができ、さらに
２．０×ｌ０^６～２．５×１０^６Ａ^２・秒の作用積分に耐えることができる
請求項１～４のいずれか一項に記載の広幅シート。

【請求項6】

坪量が６０ｇ／ｍ^２未満であり、かつ、シート抵抗が０．０１５Ω／□未満である、請求項１～５のいずれか一項に記載の広幅シート。

【請求項7】

前記複数の繊維のランダムループが、ＬＦバンド（３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚ）において７５ｄＢを超え、かつ、Ｓバンド（２ＧＨｚ～４ＧＨｚ）において７０ｄＢのシールド効果を提供する、請求項１～６のいずれか一項に記載の広幅シート。

【請求項8】

前記複数の繊維のランダムループが、１メガヘルツ（ＭＨｚ）～４０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）において、少なくとも１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０または４５デシベル（ｄＢ）のシールド効果を提供する、請求項１～７のいずれか一項に記載の広幅シート。

【請求項9】

前記複数の繊維は、直径が１～１０マイクロメートル（μｍ）であり、アスペクト比（長さ：直径）が１０，０００：１～１，０００：１である、請求項１～８のいずれか一項に記載の広幅シート。

【請求項10】

前記寸法安定性不織ベールが２ｇ／ｍ^２と５０ｇ／ｍ^２の間の空中重量を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の広幅シート。

【請求項11】

前記第２の金属コーティングの坪量が１０ｇ／ｍ^２である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の広幅シート。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複合材料、特に、落雷保護を提供する広幅物に関する。

【背景技術】

【0002】

航空宇宙機は、より大きな割合の複合材料で設計および建造されている。例えば、複合材は、航空宇宙用途における様々な一次および二次構造（例えば、航空機の機体および／または機体外スキン（例えば、胴体、翼、その他）を形成する複合パネル）の構築において使用することができる。複合材を使用すると、強度が増し、重量が減少し、機能的な性能特性が得られ、そして航空宇宙機の様々なコンポーネントの耐用年数が長くなる。

【0003】

しかしながら、スキンパネルなどの複合コンポーネントを有する航空宇宙機は、落雷保護のための、および／または、関連するアビオニクスおよび電子機器を外部の電磁干渉からシールドするための付加材料の用途が必要とされる場合がある。このような付加材料は、航空宇宙機の重量並びにその建造時間およびコストを不必要に増加させることがある。

【0004】

また、落雷保護を提供するアプローチの中には、航空宇宙機のクリティカルエリア、例えばＳＡＥの標準規格：Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ５４１４によってゾーン１Ａとして定義される、ファーストリターンストライクゾーン（first return strike zone）などの、ファーストリターンが雷光放電路接触の間にフラッシュハングオンの可能性が低い状態で起こりやすい（a first return is likely during lightning channel attachment with a low expectation of flash hang on）航空宇宙機の表面において、目標に達していないものがある。例えば、導電性複合材料を作製するための一つのアプローチは、金属被覆、一般的にはニッケルを用いて金属被覆したカーボン繊維又は繊維束（ｔｏｗｓ）を得て、この金属被覆繊維を０．１ミリメートル（ｍｍ）から２５．４ミリメートル（ｍｍ）以上の長さに切り、これらを結合させて、機体スキンの構築に使用されるカーボン繊維ベールを形成する。このようにして構築されたチョップドファイバーは、実際には、ゾーン１Ａなどのクリティカルエリアにおける効果的な落雷保護を提供するには高すぎる抵抗を有する不連続な金属構造を生み出す。

【0005】

したがって、当業者は、複合材料の分野における研究開発を継続している。

【発明の概要】

【0006】

本発明は、広幅物であって、当該広幅物全体にわたってランダムにループした複数の繊維と、前記複数の繊維を結合させるバインダー材料（ここで、結合した複数の繊維は、寸法安定性不織ベールを形成してなる）と、前記ベールの前記結合した複数の繊維の表面を覆う第１の金属コーティングと、前記第１の金属コーティングの表面を覆う第２の金属コーティングとを含んでなり、前記第１および第２の金属コーティングが、前記寸法安定性不織ベールの形状に従った高導電性金属スクリーンを形成してなる、広幅物を提供する。

【0007】

一つの態様において、広幅物は広幅シートを含む。

【0008】

別の態様において、航空宇宙の用途に用いられる表面プライであって、ランダムに配向し、絡み合った複数の繊維を含むベールマットと、前記繊維の表面を覆う第１の金属コーティングと、前記第１の金属コーティングの表面を覆う第２の金属コーティングとを含んでなり、前記第１および第２の金属コーティングが、前記ベールマットの前記繊維に合った高導電性金属スクリーンを形成してなる、表面プライである。

【0009】

別の態様において、軽量高導電性シートであって、ランダムに絡み合った複数の繊維を含む金属コーティング担体と、前記担体の前記繊維を覆う第１の金属コーティングと、前記第１の金属コーティングの表面を覆う第２の金属コーティングとを含んでなり、前記第１および第２の金属コーティングが、前記担体に従った高導電性金属スクリーンを形成してなる、シートである。

【0010】

本発明の別の態様において、バインダーは、耐酸性バインダー材料および耐塩基性バインダー材料の少なくとも一つである。

【0011】

本発明の別の態様において、複数の繊維はカーボン繊維である。

【0012】

本発明の別の態様において、第１の金属コーティングは、カーボンとのガルバニック反応または塩環境への曝露により腐食され得る第１の金属を含む。第２の金属は、第１の金属コーティングのガルバニック反応および前記暴露を抑制することができる。

【0013】

本発明の別の態様において、第１の金属コーティングは銅を含み、かつ、第２の金属コーティングはニッケルを含む。

【0014】

本発明の別の態様において、第１の金属コーティングは、複数の繊維およびバインダー材料の表面の少なくとも一部を覆う。第２の金属コーティングは、第１の金属コーティングの表面を覆い、好ましくは完全に覆う。

【0015】

本発明の別の態様において、第２の金属コーティングは、スルファミン酸ニッケル系の電気ニッケルメッキを含む。

【0016】

本発明の別の態様において、第１の金属コーティングは、銅を含み、かつ坪量が約１０～５０ｇ／ｍ^２広幅物であり、さらに、第２の金属コーティングは、ニッケルを含み、かつ坪量が約５～２０ｇ／ｍ^２広幅物である。

【0017】

本発明の別の態様において、広幅物は、航空機の建造に適切に使用される場合、航空機に直接落ちるか、あるいは航空機の近くで発生する２００，０００アンペアの雷の直接的および間接的な影響による航空機表面への構造的損傷に耐えおよび／または当該損傷を防ぐことができ、さらに２．０×ｌ０^６～２．５×１０^６Ａ^２・秒の作用積分に耐えることができる。

【0018】

本発明の別の態様において、広幅物の坪量は６０ｇ／ｍ^２未満である。

【0019】

本発明の別の態様において、広幅物の坪量は６０ｇ／ｍ^２未満であり、かつ、広幅物のシート抵抗は０．０１５Ω／□未満である。

【0020】

本発明のさらに別の態様において、複数の繊維のランダムループは、ＬＦバンド（３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚ）において７５ｄＢを超え、かつ、Ｓバンド（２ＧＨｚ～４ＧＨｚ）において約７０ｄＢのシールド効果を提供する。

【0021】

本発明のさらに別の態様において、広幅物は１２インチ以上の幅を有する。

【0022】

落雷保護を提供する広幅物の様々な態様は、以下の説明、添付の特許請求の範囲及び添付図面に関してより良く理解される。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明による広幅物の斜視図である。

【図2】図２は、図１に示す広幅物の詳細な斜視図である。

【図3】図３は、図２に示す切断線２－２に沿って切断された繊維の断面図である。

【図4】図４は、図２に示す切断線４－４に沿って切断された、バインダー材料によって結合した２つの繊維の断面図である。

【図5】図５は、本発明による広幅物の２つのサンプルの１メガヘルツ（ＭＨｚ）から１００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果のグラフである。

【図6】図６は、本発明による広幅物の２つのサンプルの１００メガヘルツ（ＭＨｚ）から１０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果のグラフである。

【図7】図７は、本発明による広幅物の２つのサンプルの１０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）から４０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１は、本発明の第１の態様による広幅物１０の斜視図である。図１に描かれているように、広幅物１０は、複合材料産業において一般的であるように、幅１４と長さ１６（通常、インチおよびヤード（またはセンチメートルおよびメートル）で特定される）を有するロール１２の状態で製造および供給されてもよい。したがって、供給される際、広幅物１０の幅１４は、通常、長さ１６に比べてはるかに短いが、他の態様において、そうでなくてもよい。例えば、一つの態様において、広幅物は広幅シートを含み得る。

【0025】

より具体的には、幅１４は広幅物１０を定義することができる。以降において、広幅物とは、特にリボン、バンド、トゥ（束）、またはトリミングとは異なり、標準的なおよび／またはそれより広い幅を指す。広幅物１０は、通常、１２インチ（約３０．５ｃｍ）以上の幅を有する。例えば、広幅物１０の購入者は、航空宇宙用途（例えば、機体および／または機体外スキン（例えば、胴体、翼、その他）に必要な広幅物１０の被覆率に基づいて、自動化されたテープレイアップを用いて、３～３６インチ（８～７６ｃｍ程度）の標準幅を購入し、そして幅６０インチ（１５２ｃｍ程度）までハンドレイアップしてよい。当業者は、本発明が特定の幅に限定されるものではないことを理解し、また幅１４は、本発明の範囲から逸脱しない所望の、標準的なおよび／またはより広い幅の間で変化させることができる。

【0026】

例えば、本発明の思想に従って広幅物を製造するための生産ラインは、１２インチ（３０．５ｃｍ程度）、２４インチ（６１ｃｍ程度）、３６インチ（９４ｃｍ程度）、または６０インチ（１５２ｃｍ程度）幅の広幅物を生産することができる。

【0027】

広幅物１０は、またシートの厚さ１８を有する。シートの厚さ１８は、通常、幅１４および長さ１６に対して非常に小さい。図示される態様において、シートの厚さ１８は０．０７５ミリメートル（ｍｍ）、すなわち７５マイクロメートル（μｍ）程度である。当業者は、本発明の思想から逸脱することなく、シートの厚さを所望の厚さに変えることができることを理解するであろう。

【0028】

図２も参照すると、広幅物１０の詳細な斜視図２０が提供される。図２は、概して、広幅物１０全体にわたって均一に分配された、またはランダムにループした複数の繊維２２を示す。図示されるように、各ストランドファイバー２２は、その長さに比べて直径が比較的に小さい。例えば、いくつかの態様において、ストランドファイバー２２は、１～１０マイクロメートル（μｍ）の直径を有していてもよく、一方で、その長さは１０，０００マイクロメートル（μｍ）またはそれ以上であってよい。これは、アスペクト比が１０，０００：１（またはこの比より大きく）～１，０００：１であることを表す。これらの相対的な寸法により、ランダムに分散した、もつれた、ループした又は絡み合った複数の繊維２２は、例えば図２において、詳細な斜視図２０の拡大又はスケールに起因して、直線状に見えてよい。

【0029】

複数の繊維２２は、一つまたはそれ以上の様々な材料からできていてよい。このような材料として、アラミド（例えば、ケブラー（登録商標））、カーボン、繊維ガラス、ガラス、グラフェン、カーボンナノチューブ、炭化ケイ素、ナイロンおよびポリエステル並びにこれらの組み合わせからなる群から選択されるものが挙げられるが、必ずしもこれらに限定されない。本明細書に示されるように、本発明の好ましい態様において、繊維２２はカーボン繊維である。

【0030】

バインダー材料２４は、複数の繊維２２のそれぞれを互いに複数の近接点２６で保持又は結合し、寸法安定性不織ベール２８を形成するために使用することができる。一つの態様において、寸法安定性不織ベール２８またはベールマットは、複数の繊維２２およびバインダー材料２４を含む。本発明の好ましい態様において、バインダー材料２４は、耐酸性材料、耐塩基性材料、または耐酸性かつ耐アルカリ性材料である。耐酸性材料は、本明細書において、塩酸（ＨＣｌ）に耐性を有するバインダー材料であり、バインダー材料２４が塩酸溶液と接触したとき、当該バインダー材料が、複数の結合した繊維２２のほころびを引き起こし、および／または、寸法安定性不織ベール２８の通常の形状の大きな歪みを引き起こす化学的攻撃に耐えることを意味する。耐酸性および／または耐アルカリ性のバインダー材料は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アセタール、アクリル、セルロースアセテートブチレート（ＣＡＢ）、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、フルオロシント（Ｆｌｕｏｒｏｓｉｎｔ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリフッ化ビニリデンまたはポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、Ｔｅｃａｔｏｒ（商標）、スチレンアクリル、フェノキシ、ポリウレタン、ポリイミド、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、架橋されたポリエステル、スチレンアクリル、コポリエステル、および超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＰＥ又はＵＨＭＷ）、並びにこれらの組み合わせからなる群から選択されてよいが、これらに限定されるものではない。

【0031】

本発明の態様において、複数の繊維２２とバインダー材料２４とを含む寸法安定性不織ベール２８は、不織カーボン繊維ベールの形態で購入することができる。不織カーボン繊維ベールの供給者として、英国、バーンサイドに本社を置くＴｅｃｈｎｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社、およびマサチューセッツ州に本社を置くＨｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈ＆Ｖｏｓｅ社が挙げられる。このようなベールは、通常、単位面積あたりの空中重量または重量、例えばｇ／ｍ^２で特定される。不織カーボン繊維ベールは、通常、約２ｇ／ｍ^２と５０ｇ／ｍ^２の間の空中重量を有するものを利用できる。これらの不織カーボン繊維ベールは、通常約７０ｇ／ｍ^２を超える空中重量を有する従来の耐荷重性複合構造体に使用される重い生地のような、構造負荷を支持することは意図していない。むしろ、これらの不織カーボン繊維ベールは、加工や繊維パターンブリードスルーが最小限に抑えられた複合構造用の、表面仕上げ又は滑らかな外面の提供のために使用される。滑らかな外面は、特に、飛行機の翼のような翼型において非常に重要（ｉｍｐｏｒｔ）である。また、スルーブリード繊維パターンを最小化する塗料の量がきれいで審美的な外観を提供するために必要な塗料の量を低減させる。

【0032】

本発明の一つの態様において、本明細書に示されるように、航空機の翼の前縁部などの複合構造体の仕上げ層又は最表面に落雷保護を配置することを可能にする導電性の高い連続的な不織カーボン繊維ベールの金属膜化が提供される。これにより、当業者によって理解されるように、静電容量、溶落ち、層間剥離等を最小限にすることによって、落雷保護がより効果的になる。別の態様において、不織カーボン繊維ベールに落雷保護を組み込むことにより、最小限の仕上げ加工が可能とされ、さらにブリードスルーを防止するため、また静電容量、溶落ち、層間剥離等を低減するために必要な塗料の量を低減することが可能となる。

【0033】

一つの態様において、１０ｇ／ｍ^２仕様の不織カーボン繊維ベールを選択してよい。上述したとおり、シートの厚さは０．０７５ミリメートル（ｍｍ）、すなわち７５マイクロメートル（μｍ）程度である。１０ｇ／ｍ^２仕様の不織カーボン繊維ベールにおいて、バインダー材料２４は全重量の約５～１０％、つまり約０．５～１．０ｇ／ｍ^２含まれていてよく、残りの約９．０～９．５ｇ／ｍ^２はカーボン繊維である。

【0034】

図２および図３を参照すると、第１の金属コーティング３０は、寸法安定性不織ベール２８を形成している繊維２２およびバインダー材料２４の表面に形成され、または当該表面を被覆、コートもしくはカバーし、さらにこの第１の金属コーティング３０を第２の金属コーティング３２が覆っている。第１の金属コーティング３０は第２の金属コーティング３２とは異なるものであることが理解されるであろう。一つの態様において、第１の金属コーティング３０は、寸法安定性不織ベール２８を形成している繊維２２およびバインダー材料２４の表面の少なくとも一部または少なくとも実質的に全てを覆っている。第１の金属コーティング３０は必ずしも寸法安定性不織ベール２８の全てを覆っている必要はなく、均一な導電性を付与していればよいことが理解されるであろう。また、第２の金属コーティング３２は、第１の金属コーティング３０の実質的に全てまたは全てを覆っていることが理解されるであろう。第１および第２の金属コーティング３０および３２は、抵抗の低い高導電性金属スクリーン３４を形成している。

【0035】

図３は、金属被覆された連続的な繊維ストランドの断面図である。より具体的には、繊維２２のストランドは、第１の金属コーティング３０および第２の金属コーティング３２を有する。上述したとおり、本発明の態様において、繊維２２のストランドは、例えば、１０ｇ／ｍ^２の不織カーボン繊維ベールの一部であってよいカーボン繊維である。本発明の一つの態様において、第１の金属コーティング３０は銅を含み、第２の金属コーティング３２はニッケルを含む。ベールの一般的な仕様に沿うと、銅を含む第１の金属コーティング３０の坪量は約３０ｇ／ｍ^２であり、ニッケルを含む第２の金属コーティング３２の坪量は約１０ｇ／ｍ^２である。このことは、均一なコーティングを想定した場合、銅の電荷密度が約８．６９ｇ／ｍｍ^２アンペアであり、ニッケルの電荷密度が約８．９１ｇ／ｍｍ^２であることを用いて、銅の最大電流密度が約１００Ａ／ｍｍ^２アンペアであり、ニッケルの最大電流密度が約４３Ａ／ｍｍ^２であることに基づけば、銅を含む第１の金属コーティング３０の厚さが約３．３５μｍであり、ニッケルを含む第２の金属コーティング３２の厚さが約１．１２μｍであることを示す。

【0036】

したがって、要約すると、広幅物１０の各構成要素の重量は、寸法安定性不織ベール２８が約１０ｇ／ｍ^２であり、銅を含む第１の金属コーティング３０が約３０ｇ／ｍ^２であり、ニッケルを含む第２の金属コーティング３２が約１０ｇ／ｍ^２であり、広幅物１０の全重量は約５０ｇ／ｍ^２または約６０ｇ／ｍ^２未満である。以下、「２０ｍΩ／□（全坪量５０ｇ／ｍ^２の広幅物）」という。下の表１に、２０ｍΩ／□（全坪量５０ｇ／ｍ^２の広幅物）、４０ｍΩ／□（全坪量２２ｇ／ｍ^２の広幅物）、１０ｍΩ／□（全坪量３７ｇ／ｍ^２の広幅物）そして２ｍΩ／□（全坪量７７ｇ／ｍ^２の広幅物）の場合の抵抗および重量を示す。これらは、いずれも１０ｇ／ｍ^２の不織カーボン繊維ベールを用い、坪量１０ｇ／ｍ^２のニッケルを含む第２の金属コーティングを有し、銅を含む第１の金属コーティングの厚さまたは坪量は、各態様において、抵抗または導電性により変化する。また、当業者は、特定の用途（例えば、航空機の翼の前縁部のゾーン１Ａ落雷保護）に適した本発明の思想に従って、例えば単位面積あたりの抵抗もしくは坪量またはこれら双方に基づいて、特定の広幅物を選択することができる。

【0037】

【表1】

【0038】

当業者はまた、他の金属が本発明の思想から逸脱することなく使用可能であることを理解するであろう。一つの態様において、第１および第２の金属コーティング３０および３２の一方または双方のために優れた電気伝導性および展延性を発揮する金属が好ましい。優れた電気伝導性は低抵抗率およびより大きな通電能力と関連し、これにより広幅物１０の落雷保護能力を向上させる。より高い展延性をもつ金属は、広幅物１０がより容易に航空機の機体および／または機体外スキン（例えば、胴体、翼、その他）を形成する複合パネルにおける複雑な外形（ｃｏｎｔｏｕｒｓ）を追従することを可能にする点で有利である。

【0039】

優れた導電性および展延性を有する銅、銀、いくつかのアルミニウム類、ある種の合金、およびいくつかの鋼のような金属は、複合パネルにおける他の層のカーボン繊維と、当該カーボン繊維の構造的強度を損なわせながら、ガルバニック相互作用可能である。銅、銀、いくつかのアルミニウム類、ある種の合金、およびいくつかの鋼のような金属はまた、塩環境において腐食する傾向があり、カーボンでガルバニック腐食する傾向があり、空気中でほぼ瞬時に酸化される傾向があり、これにより抵抗率が増し、広幅物１０の落雷保護能力を低下および／または損なわせる。このことは、広幅物１０が、酸化や腐食が起こり易い、航空機の翼などの複合構造体の仕上げ層又は最表面に落雷保護を配置することを可能にすることから、特に懸念される事項である。

【0040】

本発明は、第１の金属コーティング３０または腐食し得る金属オーバーレイを覆う連続的で途切れのない第２の金属コーティング３２を備えることによって、上記の懸念事項及び他の起こり得る懸念事項に対処している。第２の金属コーティング３２は、第１の金属コーティングの金属材料が複合パネルにおける他の層のカーボン繊維とガルバニック相互作用するのを抑制するだけでなく、第１の金属コーティング３０が外部の要素に曝されるのを抑制する。ニッケルと複合パネルにおける他の層のカーボン繊維との間にはガルバニック相互作用はない。さらに、ニッケルは、塩環境において耐食性を有し、空気中で容易に酸化されない。これにより、航空機の翼などの複合構造体の仕上げ層又は最表面に落雷保護を配置することが可能となる。

【0041】

また、一つの態様において、第１の金属コーティングは、必ずしも広幅物における繊維を完全に覆う必要はなく、第１の金属コーティングにおけるいくつかのギャップまたは広幅物における繊維を完全には覆っていない第１の金属コーティングの部分は許容され得る。広幅物における繊維の形状に従う高導電性金属スクリーンの形成はそれでも特定の用途のために必要な導電性を提供するのに十分である。また、第２の金属コーティングは、第１の金属コーティングにおけるギャップまたは不連続部分を埋めるように機能することができ、これにより高導電性金属スクリーンの形成が促進される。

【0042】

同様に、一つの態様において、第２の金属コーティングは必ずしも広幅物における第１の金属コーティングおよび／または繊維を完全に覆う必要はなく、第２の金属コーティングにおけるいくつかのギャップは許容され得る。この場合も先と同様に、広幅物における繊維の形状に従う高導電性金属スクリーンの形成はそれでも特定の用途のために必要な導電性を提供するのに十分であり、第２の金属コーティングは依然として複合パネルの他の層とのsignificantガルバニック相互作用を防止するのに十分である。

【0043】

表１に示す態様について、他のカーボン繊維複合材料と比較して、特別な取扱い要件は必要ないことが見出された。本発明の思想による広幅物および他のカーボン繊維複合シートを含む多数の落雷試験パネルを製造し、その工程において特別な取扱いは必要とされなかった。

【0044】

また、表１に示す１つまたはそれ以上の態様は、破損または物理的もしくは電気的な性能の明らかな損失なく、繰り返し曲げおよび／または収縮を受け入れた。同様に、当業者による慣用的な取扱いを使用した。

【0045】

ニッケルは耐食性および耐摩耗性を有するが、通常、特に展延性を有するとは考えられていない。しかし、例えば、スルファミン酸ニッケル系電気メッキ（ＥＰ）ニッケルは、硫酸ニッケル系電気メッキ（ＥＰ）ニッケル、すなわちワットニッケルよりも展延性がある。なお、スルファミン酸ニッケルは、ヒドロキシル基の１つがアミド基で置換されている点を除いて硫酸ニッケルと類似している。Ｍｉｌａｎ Ｐａｕｎｏｖｉｃ ＆ Ｍｏｒｄｅｃｈａｙ Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ， ＭＯＤＥＲＮ ＥＬＥＣＴＲＯＰＬＡＴＩＮＧ （２０１０）を参照されたい。また、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。本発明の一の態様において、第２の金属コーティング３２はスルファミン酸ニッケル系電気メッキ（ＥＰ）ニッケルを含む。

【0046】

本質的には、互いに異なり、相補的および／または相乗的な特性を有する二つの金属コーティング３０、３２を用いることにより、両金属の利点を有する広幅物１０が提供される。例えば、銅または銀などの高導電性、展延性金属を含む第１のコーティングは、スルファミン酸ニッケル系電気メッキ（ＥＰ）ニッケルまたは硫酸ニッケル系電気メッキ（ＥＰ）ニッケルなどの展延性の低い第２の金属コーティング材料がその降伏点に到達するのを抑制するために作動することができる。したがって、広幅物１０は、優れた導電性、これに関連する低い抵抗、さらには向上した展延性および耐食性を示し、カーボン複合構造体、とりわけその最外層における使用に特に適する。

【0047】

さらなる態様において、図４は、図の線４－４に沿って切り取られた切断面を示す。概して、図４は、バインダー材料２４によって結合され、寸法安定性不織ベール２８の一部を形成する二つの繊維２２を示す。図４は、第１および第２の金属コーティング３２、３４がどのように結合した複数の繊維２８を覆った状態で形成されているのかについて詳細を示す。図示されるように、第１および第２の金属コーティング３０、３２はそれぞれ、繊維およびバインダー材料２４を完全かつ連続的に覆っており、寸法安定性不織ベールの形状に従った高導電性金属スクリーン３４を形成している。

【0048】

図１～４およびこれらの説明は本発明の多数の態様を詳述しているが、いくつかの動作原理は当業者に明らかとなるであろう。

【0049】

所定の繊維２２のサイズに関し、寸法安定性不織ベール２８の坪量が大きいほど、広幅物１０の単位体積における複数の繊維２２の数が大きくなり、また繊維２２の間の空間は小さくなり、それ故、シールド効果の観点から、周波数バンド幅が大きいほど、および／または、広幅物１０によって提供されるシールド被覆率を有する最高周波数が大きくなることを当業者は容易に理解するであろう。第１の例において、広幅物１０は、ＬＦバンド（３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚ）において７５ｄＢを超え、Ｓバンド（２ＧＨｚ～４ＧＨｚ）において７０ｄＢ、そしてＸバンド（８ＧＨｚ～１２ＧＨｚ）において約５５ｄＢのシールド効果を提供する。

【0050】

図５～７に、２つのサンプル、例えば広幅物のサンプルＡおよびサンプルＢのシールド効果試験の結果を示す。各サンプルの成分の重量は、寸法安定性不織ベール２８が約１０ｇ／ｍ^２であり、銅を含む第１の金属コーティング３０が約３０ｇ／ｍ^２であり、ニッケルを含む第２の金属コーティング３２が約１０ｇ／ｍ^２であり、広幅物１０の全重量は約５０ｇ／ｍ^２である。サンプルの測定は、アンリツ製ＶｅｃｔｏｒＳｔａｒシリーズのベクトル・ネットワーク・アナライザ：モデルＭＳ４６４７Ｂ、およびアジレント／ヒューレット・パッカード（ＨＰ）のＳパラメータ・ネットワーク・アナライザ：モデル８７５３ＥＳを使用し、Ｄａｍａｓｋｏｓ製モデル１５００Ｔ同軸フィクスチャおよび７ミリメートル（ｍｍ）同軸ラインを使用し、Ｍａｃ ＯＳ Ｘ用のＭＵ－ＥＰＳＬＮ（商標）の制御下で行った。モデル１５００Ｔ同軸フィクスチャを使用した測定は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）のＤ４９３５－１０規格（ｔｈｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ）に完全に従った。一方、７ミリメートル（ｍｍ）同軸ラインを使用した測定は、中心導体のためのディスクレファレンスピースを小さく、すなわち０．１インチ（約３ミリメートル（ｍｍ））に切断することができなかったため、完全には上記規格に従わず行った。モデル１５００Ｔ測定に基づいて、シールド効果の低下は１デシベル（ｄＢ）未満であり、測定におけるノイズよりも遥かに小さかった。全ての測定は、相対湿度約４０％および摂氏２３度（℃）の周囲条件下で行った。

【0051】

図５は、１５００Ｔ同軸フィクスチャおよび８７５３ＥＳを使用して測定した１～１００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果を示す。図６は、１５００Ｔ同軸フィクスチャおよびＭＳ４６４７Ｂを使用して測定した１００～１０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果を示し、図７は、７ミリメートル（ｍｍ）同軸ラインおよびＭＳ４６４７Ｂを使用して測定した１０，０００～４０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果を示す。

【0052】

図５に示すように、１～１００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果は、少なくとも約１０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約２０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約３０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約４０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約５０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約６０デシベル（ｄＢ）、または少なくとも約７０デシベル（ｄＢ）である。シールドの有用な範囲は、約１０デシベル（ｄＢ）以上約８０デシベル（ｄＢ）以下の間の任意の値から選択され得る。このような範囲の非限定的な例としては、約１０～約１５デシベル（ｄＢ）、約１５～約２０デシベル（ｄＢ）、約２０～約２５デシベル（ｄＢ）、約２５～約３０デシベル（ｄＢ）、約３０～約３５デシベル（ｄＢ）、約３５～約４０デシベル（ｄＢ）、約４０～約４５デシベル（ｄＢ）、約４５～約５０デシベル（ｄＢ）、約５５～約６０デシベル（ｄＢ）、約６０～約６５デシベル（ｄＢ）、約６５～約７０デシベル（ｄＢ）、約７０～約７５デシベル（ｄＢ）または約７５～約８０デシベル（ｄＢ）が挙げられる。

【0053】

図６に示すように、１００～１０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果は、少なくとも約１０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約２０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約３０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約４０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約５０デシベル（ｄＢ）または少なくとも約６０デシベル（ｄＢ）である。シールドの有用な範囲は、約１０デシベル（ｄＢ）以上約６５デシベル（ｄＢ）以下の間の任意の値から選択され得る。このような範囲の非限定的な例としては、約１０～約１５デシベル（ｄＢ）、約１５～約２０デシベル（ｄＢ）、約２０～約２５デシベル（ｄＢ）、約２５～約３０デシベル（ｄＢ）、約３０～約３５デシベル（ｄＢ）、約３５～約４０デシベル（ｄＢ）、約４０～約４５デシベル（ｄＢ）、約４５～約５０デシベル（ｄＢ）、約５５～約６０デシベル（ｄＢ）、約６０～約６５デシベル（ｄＢ）が挙げられる。

【0054】

図７に示すように、１０，０００～４０，０００メガヘルツ（ＭＨｚ）におけるシールド効果は、少なくとも約１０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約１５デシベル（ｄＢ）、少なくとも約２０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約２５デシベル（ｄＢ）、少なくとも約３０デシベル（ｄＢ）、少なくとも約３５デシベル（ｄＢ）、少なくとも約４０デシベル（ｄＢ）または少なくとも約４５デシベル（ｄＢ）である。シールドの有用な範囲は、約１０デシベル（ｄＢ）以上約５０デシベル（ｄＢ）以下の間の任意の値から選択され得る。このような範囲の非限定的な例としては、約１０～約１５デシベル（ｄＢ）、約１５～約２０デシベル（ｄＢ）、約２０～約２５デシベル（ｄＢ）、約２５～約３０デシベル（ｄＢ）、約３０～約３５デシベル（ｄＢ）、約３５～約４０デシベル（ｄＢ）、約４０～約４５デシベル（ｄＢ）または約４５～約５０デシベル（ｄＢ）が挙げられる。

【0055】

図１～４も参照すると、当業者は、一般的に、広幅物１０における第１および第２の金属コーティング３０、３２の坪量が増えるにつれて、広幅物１０の幅１６および長さ１４にわたる抵抗、すなわち、平方単位当たりのオーム（Ω／ ）で表されるシート抵抗は減少すると理解するであろう。また、第１および第２の金属コーティング３０、３２の重量が増えるにつれて、広幅物１０の通電能力は一般的に増加する。このことは、上述した高導電性金属スクリーン３４が落雷保護を提供するという点において特に重要である。現実的には、第１および第２の金属コーティング３０、３２の厚さは、上述したように、ミクロンレベル（すなわち、１０^－６メートル）であり、容易に測定するのは困難であるため、シート抵抗を特定するために使用されないことが理解されるであろう。むしろ測定単位は、金属コーティング３０、３２の単位面積あたりの相対重量（通常、平方メートルあたりのグラム（ｇ／ｍ^２）として与えられる）である。

【0056】

また、シールド効果について、既に示し説明したように、複数の繊維２２の相対的な間隔は特定周波数でのシールド効果を決定するものである。例えば、複数の繊維間の空間が減少するにつれて、あるいは、寸法安定性不織ベールの坪量が増大するにつれて、より高い周波数でのシールド効果は増大する。

【0057】

例えば、約１０ｇ／ｍ^２の寸法安定性不織カーボン繊維ベール２８、約３０ｇ／ｍ^２の、銅からなる第１の金属コーティング３０、約１０ｇ／ｍ^２の、ニッケルからなる第２の金属コーティング３２を含み、全重量が約５０ｇ／ｍ^２であるか又は坪量が６０ｇ／ｍ^２未満である広幅物１０は、０．０１５Ω／□未満のシート抵抗を示し、この測定における単位は正方形の形状を有するシート材料の抵抗であり、一方、当該材料の導電率はシート抵抗をシートの厚さで割った値として算出される。さらに、この測定値は広幅物１０の幅１６および長さ１４にわたって一貫していることが見出されている。このことは、第１および第２の金属コーティング３０、３２で寸法安定性不織ベール２８を被覆するために使用されるいくつかのプロセスが、いくつかの例において、幅１６にわたって広幅物１０を十分均一に被覆できないことから、特に重要である。

【0058】

さらに、航空機の建造に適切に使用される場合、約１０ｇ／ｍ^２の寸法安定性不織カーボン繊維ベール２８、約３０ｇ／ｍ^２の、銅からなる第１の金属コーティング３０、約１０ｇ／ｍ^２の、ニッケルからなる第２の金属コーティング３２を含み、全重量が約５０ｇ／ｍ^２であるか又は坪量が６０ｇ／ｍ^２未満である広幅物１０は、落雷保護を提供する。このような落雷保護として、広幅物１０が、航空機に直接落ちるか、あるいは航空機の近くで発生する２００，０００アンペアの雷の直接的および間接的な影響に耐えることができ、さらに２．０×ｌ０^６～２．５×１０^６Ａ^２・秒の作用積分に耐えることができる、ゾーン１Ａ落雷保護が挙げられる。

【0059】

例えば、銅の最大電流密度が１００Ａ／ｍｍ^２であり、電荷密度（ρ）が８．９６ｇ／ｃｍ^２）であり、ニッケルの最大電流密度が４３Ａ／ｍｍ^２であり、電荷密度（ρ）が８．９１ｇ／ｃｍ^２）である場合、各構成要素の重量が、不織カーボン繊維ベールを含む寸法安定性不織ベール２８が約１０ｇ／ｍ^２であり、銅を含む第１の金属コーティング３０が約３０ｇ／ｍ^２であり、ニッケルを含む第２の金属コーティング３２が約１０ｇ／ｍ^２であり、広幅物１０の全重量は約５０ｇ／ｍ^２である広幅物１０は、約３．３５マイクロメートル（μｍ）の銅および約１．１２マイクロメートル（μｍ）のニッケルを与え、約０．３４Ａ／ｍｍの銅および約０．０５Ａ／ｍｍのニッケル、すなわち広幅物１０に対し約０．３９Ａ／ｍｍの電流容量を与える結果となる。

【0060】

銅を含む第１の金属コーティングの坪量は１０～５０ｇ／ｍ^２の間で変化し、ニッケルを含む第２の金属コーティングの坪量は５～２０ｇ／ｍ^２の範囲内で変化し、その結果、多様なレベルの所望の落雷保護および／または電磁シールドを提供することを当業者は理解するであろう。

【0061】

本発明の一つの態様において、２０ｍΩ／□のシート抵抗がゾーン１Ａ雷保護を提供するために特定され、別の態様において、４０ｍΩ／□のシート抵抗がゾーン１Ａ雷保護を提供するために特定される。本明細書の執筆時点では、例えば、ゾーン１Ａ落雷保護のための普遍的または合意的なシート抵抗の仕様は存在しない。他の指定された落雷ゾーンについても同様である。当業者は、様々なタイプの航空機の異なる製造業者が異なるシート抵抗の仕様を持ち、製造業者の落雷保護ニーズに必要なもの（例えば、実装の詳細、安全マージン等）の製造業者の解釈にある程度基づいて、各々の仕様を本発明の思想に従って広幅物を選択するために使用することができることを理解するであろう。

【0062】

図１を再び参照すると、広幅物１０は、航空宇宙用途の様々な一次および二次構造（例えば、航空機の機体および／または機体外スキン（例えば、胴体、翼、その他）を形成する複合パネル）の構築において使用することができる。これらの用途で使用される場合、広幅物１０は、落雷を保護し、および／または、落雷に関連するアビオニクスおよび電子機器を外部の電磁干渉からシールドする。そのように使用される場合、広幅物１０は、雷を航空機の外部表面を横切らせて、保護および／またはシールドする。

【0063】

また、化学蒸着（ＣＶＤ）、無電解メッキ（ＥＬ）および／または電気メッキ（ＥＰ）、またはこれらの任意の組み合わせの方法は、第１および第２の金属コーティング３０、３２で寸法安定性不織ベール２８を被覆するために使用され得る。文献「Tin-Palladium Catalysts for Electroless Plating by Gerald A. Krulik, Gerald A. Krulik」、「Tin-Palladium Catalysts for Electroless Plating, 26 Platinum Metals Review 58-64 (1982)」は、無電解メッキ（ＥＬ）のプロセスを詳細に説明しており、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。

【0064】

以上、落雷保護を提供する広幅物の様々な態様を例示し、詳細に説明したが、特許請求の範囲が上記の説明に制限されることを何ら意図するものではない。さらなる利点および改変が、当業者に容易に明らかとなるであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】