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1. 介绍

工厂现在不断的适应给消费者提供更安全更可靠的产品，以一种比较有经济效益的方式。在航空航天方面，技术改进能够整合一些零部件，可以有效减少仪器重量，较少耗油量，这对航空公司，乘客和环境都有好处。为了确保航班的安全，在竞争对手上取得优势，航空公司会寻求新奇的方式去实现这个目标。例如，在确保机身结构完整性的前提下，飞机机身总是在不断的重新制作，去有效减少飞机的重量。尽管以前都是用铝合金制作的，现在飞机外壳在不断的被这个行业的领军人物重新设计，他们尝试加入大量打高分子聚合物纤维增强复合材料，更具体一点就是，碳纤维增强树脂基复合材料。当应用这种新设计的材料在飞机外壳上时，飞机外壳的比强度和机械性能都得到提高。

然而这种非金属材料应用有一个非常大的限制，缺乏导电性。飞机是一个金属铝机身使，有非常好的导电性，当遇到一个闪电打击时，里面电荷会在整个金属机身外壳流动，直到这些电荷再次回到周围的空气中。在闪电打击时，电流达到2.10A时是可以被传递到空气中去。当有一个碳纤维增强复合材料机身时，有非常好的抵抗力，不会允许电流通过。碳纤维增强复合材料（CFRP）和铝合金相比，有更低的电导率。尽管碳纤维是很好的电导体，树脂基体是非常好的电绝缘体，因此降低了整个复合材料夹层的导电性。闪电多发部位，像涡轮进口，机翼尖稍，尾部边缘部分可能会被闪电释放能量导致的高温融掉，因此闪电雷击造成的安全和经济的损害，对飞机制造商和运营商都是一个挑战。

目前的保护措施提高了电导率CFRP机身由铆接铝基导电板组成，关键区域或插入放置在其上的薄导电金属网CFRP结构的外表面。金属丝网起作用，作为直接或间接电磁的连续导电路径 干扰效应和雷击能量。网可以由铝，铜或青铜丝组成，并且可以与预浸料织物帘布层中的碳纤维一起分开，或者单独粘合 作为最外层叠层。但是，行业正在寻求一种替代解决方案，因为铆接板是劳动密集型的和昂贵的程序。这些铆钉/板组件的高成本和重量与飞机制造商减少机身重量的目标相反。冷喷法被认为是其中之一 解决这个问题的潜在过程。这种技术可以 用于修复损坏的组件。注意，从工业的角度来看，此过程提供还有对飞机有很大优势的现场维修的可能性工业。

为了提高电导率，可以使用涂布工艺，例如热喷涂（TS）工艺以沉积薄导电层在CFRP基板上。TS处理这种火焰喷雾和等离子体喷雾已被用作CFRP飞机皮肤的局部修复方法。不幸的是，来自常规TS工艺的喷雾颗粒 已显示有熔融颗粒的飞行中氧化 这导致金属中的粉末材料性质的改变涂料。氧化增加涂层电阻率。此外，熔融颗粒对CFRP的冲击可能导致由于热效应和侵蚀引起的基板的降解，这需要精细和昂贵的制造操作修理。较冷的喷雾技术，如冷气动态喷雾（CS）工艺，有潜力解决极端温度，因为喷雾的颗粒保持固体状态。就像名字所表示一样，CS过程不依赖于热能用于形成涂层，而是动能。颗粒在临界速度以上被加速并且塑性变形，在基材上粘附并形成涂层。虽然 载气可预热，其快速膨胀导致相当可观，喷枪内的温度降低，因此传热，对颗粒是最小的。因此，仅形成涂层形成 对高速冲击造成的严重塑性变形的基质上的颗粒。从CS罐生产的涂料 由于载气的惰性而被表征为无氧化物（N2或He）和相对较低的工艺气体温度。CS与其他TS进程的众多差异，使其成为可能放置导电金属的潜在过程，涂层超过CFRP基材。遗憾的是，侵蚀/退化基于聚合物的复合材料引起的大颗粒冲击速度，是这种技术的一个严重和具有挑战性的缺点。

由于由于CFRP而难以生产CS金属涂层，低涂层粘附强度和基材侵蚀损坏，CFRP在喷涂过程中，开发了反向成型技术，并用于在CFRP上生产金属涂层。程序是涂上通常用作糊状物的底物。随后，涂层将在其制造过程中转移到CFRP。这个工作的动机是需要开发一种应用方法。关键飞机复合材料上的无氧化物导电金属层部分。该金属层（75mu;m至125mu;m）应确保最小，电阻率小于（8.40times;10-8Omega;m）以允许电气从闪电充电到整个外表面行驶，机身直到充电器返回到周围的空气中。研究重点是在金属模具上生产具有低粘合性的涂层，然后在涂层上模制复合材料。通过从模具中除去涂层（结合到复合材料）上，制成导电复合材料。各种几何图形都被生产过。利用模具表面粗糙度和用于生产涂层的原料粉末。研究了涂层对模具的表面粘合性，以优化从模具中的涂层脱粘。改变涂层性能，如密度，电阻率和厚度，以证明所提出的技术的潜力。

2实验程序

2.1材料

在这项研究中，研究了不同的粉末尺寸分布，类型和形态。使用纯铜（Cu）原料粉末。所选择的铜粉由Centerline（Windsor）Ltd.以商品名SST-C5003提供。其树枝状形状是通过电解成型制造的指示剂。生产过程质量控制确保最低纯度为99.7重量％。如SEM所示图的图像。如图1所示，粉末高度分枝，外表面粗糙。根据ASTM B417和ASTM B212，通过分布器测量粉末的密度为2.07g / cm 3 [20,21]。进行了尺寸分布试验（ASTM B214），筛分结果列于表1，表明粒子的大部分（质量的90％）低于44mu;m;确认经销商规定的范围（5mu;m至45mu;m）。这种粉末已显示产生涂层 具有非常低的孔隙率和对Invar基底的可接受的粘附。由于树枝状形状，喷射的铜颗粒在它们之间显示出强的机械结合。

2.2基质

使用Invar（36％Ni-64％Fe）作为基材。由于其与CFRP的热膨胀系数相似，该合金用作CFRP制造的模具。这防止了复合材料固化过程中内应力的发展。模具和复合材料的热性能的相似性导致组件失真程度较低[22]。对于所提出的方法的可行性研究，喷雾是在平坦的以及由25mm厚的Invar板制备的弯曲（1times;3英寸）试样中进行的。用水射流切割扁平试样，然后使用电火花加工（EDM）将弯曲片切割成形（见图2）。据报道，在涂层工艺中，基材的表面光洁度对涂层粘附性具有至关重要的作用[23,24]。为了探索表面粗糙度对涂层质量及其对基材的粘附性的影响，使用了Invar试样的三种表面光洁度。对于第一表面光洁度，将基材用表面研磨机（Model NB fromChurchill）和旋转砂轮（SiC 46砂砾AA60-N6-V10，来自金刚砂）研磨。使用喷砂工艺获得第二和第三表面光洁度，以使用两种类型的砂粒：80粒度的氧化铝和20粒度的氧化铜。

2.3喷涂工艺和CFRP层压（反向）成型工艺

在本研究中，使用SST-EP冷喷涂系统（CenterLine（Windsor）Ltd.，Windsor，ON，Canada）[25]在Invar基材上生产Cu涂层。使用氮气作为进入会聚/发散聚合物喷嘴的驱动流，其中其通过将热能转化为动能而膨胀并加速至超音速。进料流（氮气）被引导到粉末进料器，在该进料器中，粉末颗粒通过推进剂流加速将粉末颗粒带入喷嘴的下游。喷嘴直径为3.7毫米，出口直径为6.4毫米。获得厚度在75至125mu;m范围内的Cu涂层。一旦将涂层喷涂在Invar基材上，可以在涂层上层叠CFRP。为了获得CFRP板，将低固化温度和高韧性碳/环氧预浸料（来自Gurit Ltd.的SE-70）层切割成尺寸。每层由嵌入环氧基质中的单向碳纤维组成。为了产生所需的复合材料厚度，如图1所示堆叠并压实12层。手动压实滚筒可以确保层间的夹带气泡被消除。它还确保良好的附着力。

下一步是将预浸料堆叠设置在固化过程中使用的铝工具上。在工业烘箱中固化之前，预浸料在真空下压实，以确保在层间疏散所有可能的空隙。制造CFRP需要来自固化炉的热量来交联半固体环氧树脂及其固化剂。使用固化炉（来自嘉宝公司的PF120）达到CFRP固化温度。使用Invar模具的预浸料坯以2℃/分钟的速率加热直到达到120℃的住宅温度。然后将温度保持恒定1小时，最后以5℃/分钟的速率下降直到达到室温。在固化过程中，热固性树脂确保了CFRP和冷喷涂Cu涂层之间的粘合机制。CFRP和Cu涂层之间的粘合强度高于Cu涂层和Invar底物之间的粘合强度。然后通过在涂层/模具界面施加一些力，容易地从模具中除去金属化的CFRP。共有2层复合材料由10层制成（6/0/6）层叠在喷涂的基材上并固化真空形成CFRP层。

2.4分析方法

光学显微镜法（NMM-800TRF冶金显微镜，上海金达克仪器有限公司）配有CEMEX Pro。使用成像软件和扫描电子显微镜技术（SEM EVO-MA10，Zeiss，Germany）来研究制备的金属涂层的微观结构，喷涂在Invar基板上，并在涂层上固化CFRP层并将其从模具中取出。 使用这些观察方法分析涂层中的孔隙度，缺陷和裂纹以及定性检查Cu涂层/Invar衬底和Cu涂层/ CFRP复合界面。基于使用光学显微镜（LOM）和CLEMEX Pro的微结构成像技术确定孔隙度测量。成像软件。涂层被切片 并按照ASTM E1920-03标准金相制备技术制备横截面调查。

使用数字显微镜（来自Keyence的VHX-2000）进行涂覆工艺之前以及除去涂层之后的Invar模具的表面粗糙度测量。使用1mu;m步进聚焦和500倍放大，获得不同样品顶部表面的3D光学图像。使用每个样品中不同区域拍摄的最少5张图像来计算Ra粗糙度。还使用成像技术（3D数字显微镜）进行基底表面组成的分析。基于Cu的像素百分比与整个表面的像素数（Invar）相比，可以确定嵌入粒子的表面覆盖率。

使用便携式粘合拉伸试验仪（来自DeFelsko的PosiTest AT-A）评估CFRP上涂层的粘附强度。拉伸试验根据ASTMD4541-09标准进行，直径为20毫米的铝合金拉链胶合到涂层的顶部表面。用钻头钻头除去围绕拉线的任何多余的胶水或涂层。激活设备后，机制在头部以0.3MPa /秒的速度水力拉动拉线，直到涂层分层或胶水失效。使用四点探头电阻率法用数字万用表（来自吉时利的2100型）测量涂层表面的电阻率。电阻率测试按照ASTM F1711-96标准进行。

使用数字万用表（来自吉时利2100型）的四点探针法测量涂层表面电阻率。将四点探头按压并固定在金属复合表面上。靠近边缘的两个最远的探头给出了两个中间传感器捕获电阻的电流。这种四端检测技术用于测量薄膜的薄层电阻。 可以通过将涂层厚度（m）获得的电阻乘以电阻读数（Omega;）来计算电阻率值（inOmega;m）。在每个Cu涂层内的不同位置进行最小五次测量。

1. 结果与讨论

3.1在Invar模具上的Cu涂层的微观结构

图4a示出了用纯Cu涂覆的一个Invar试样（1times;3英寸）。通过该方法获得具有相对光滑表面的均匀涂层。 在喷雾期间或之后没有观察到损伤或脱粘。还使用横截面图像分析Cu涂层/ Invar界面，如图1所示4b。后来显示了Cu涂层均匀，厚度为100mu;m。涂层显示完全致密。虽然图中的图像 图4b显示了涂层良好地粘附到殷钢基体上，观察到局部涂层分层，但这里未示出。这种局部涂层分层的存在是低涂层粘连强度的明显指标（更多细节参见第3.2节）。

3.2铜涂层金属化CFRP

图5示出了在不同步骤拍摄的一系列图像 CFRP复合材料的金属化制造工艺。使用CS工艺，沉积在Invar上的均匀的Cu涂层 获得模具作为第一步，如图1所示。治愈了沉积Cu涂层顶部的2 mm厚的CFRP层如图所示。它显示了去除后制造的CFRP / Cu / Invar试样 复合材料和边缘处的环氧树脂的过量是结果 CFRP层的制造工艺。Cu涂层/ CFRP 从Invar模具中去除复合材料，如图1所示的Cu涂层从Invar完全去除，没有缺陷在去除的顶表面上观察（见图5d）。

图6显示了铜包覆的CFRP的横截面图。既不观察到界面处的分层或Cu涂层内的裂纹。因此，具有相对平滑顶部的均匀的Cu涂层得到与CFRP表面良好结合的表面。注意同样的结果 获得了大量优惠券（不同尺寸）通过这种方法制备。这种方法的能力的一个例子生产较大的（150mmtimes;150mm）Cu/CFRP面板。

类似于平面基板的情况，反转形成过程是 也在弯曲的Invar基板上进行了测试。凹凸的Invar样品 在本研究中使用的曲率半径不同，如图1所示。如图所示，均匀连续获得弯曲的Invar基底上的Cu涂层。进行与所描述的平坦基板的情况相同的制造步骤以前，粘合到CFRP的光滑均匀的金属涂层获得具有期望曲率的复合物（参见图8f＆g）。

为了进一步扩展概念证明，测试了不同的模具尺寸和几何尺寸。如图所示。如图9a所示，用薄铜层涂覆两个凹翼型模具。随后，将碳纤维复合材料铺在涂层上并固化。从模具中取出翼型铜/碳纤维复合材料（见图9b）。使用这种技术也可以创建可定制的导电路径。可以在需要时引导电子流，而不需要在碳纤维上紧固导线。如图所示。9c＆d，将铜图案喷涂在Invar模具上。在复合安装过程中，裸露的Invar（未涂铜）用蜡膏覆盖，以确保碳纤维复合粘合剂层在其制造过程中不会粘附到未涂覆的模具表面。该蜡有助于从Invar表面去除复合材料。能够生产扁平，弯曲，小型和大型金属化复合材料样品以及所提出的生产方法有效的不同图案证明。

3.3Cu涂层对Invar模具和Cu涂层的附着力与CFRP涂层的粘合力

在不同的表面处理/粗糙度的Invar平坦基材上沉积的不同的Cu涂层进行粘合强度试验。 目的是确定哪种底物制备方法导致最低的粘附强度。 图。 图10a示出了从Invar去除的胶合涂层的拉根的一个实例。 对于三种基材制备，观察到铜涂层和殷钢基体之间的粘合破坏。 三种基材制备的比较表明，用20粒度制备的表面在接地和80喷砂的情况下具有较高的粘合力，1.0MPa对b0.2MPa。这是因为铜颗粒被困在深处 20个喷砂表面的空隙。 众所周知，在CS中，喷涂颗粒粘附到基底上的机理归因于两种类型的粘合机制：冶金和机械。第一个是由于绝热剪切不稳定性下由于基体上的颗粒的塑性流产生的摩擦力而局部化（在纳米级），而第二种在当前情况下是主要的，作为直接相关的机械锚固到基材粗糙度。已经确定，基材的表面处理可以对冷喷涂层的粘合强度具有显着的影响[3​​2-34]。对于地面和80砂砾表面，调查表明，由于界面处几乎没有机械锚固点，容易使

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