用于非静态设备上的电荷消除的表面涂层和方法
用于非静态设备上的电荷消除的表面涂层和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及由复合材料构成的表面涂层。
【背景技术】
[0002] 对于非静态(nichtstatisch)工业设备如风力祸轮机来说，雷击会引发大问题。因 为风力设备通常建立在暴露处，其往往代表一个较大的环境中的最高点，所以在此适用特 殊的考虑。由于在塔上于较高的高度旋转的垂直的风力涡轮机的最高点在任何时候都是转 子叶片的尖端，因而闪电的入射区域位于转子叶片中的一个上。从而闪电中极高的电流密 度必须通过转子向下消散。由此，当转子叶片被雷击时，由于所用材料的内部电阻而引起了 典型的雷击损害，其作用形式为火灾、各个部件的过热以及与温度有关的机械变形。
[0003]在现有的风力设备中，传统的金属导体线路(Leiterbahnen)要么完全被安装在转 子叶片的外表面(AuPenhaut)上，要么它们在该转子叶片的内部延伸，从而仅端部在转子叶 片尖端处从中露出。防雷保护的另一种形式通过在转子叶片的整个长度上于面漆层中引入 金属网来实现。由此局部地产生了金属结构，其通过与风力发电设备的支架的连接将产生 的电流和电压接地。
[0004] 在图2中示例性地示出了具有防雷设施的三个不同的实施方式中的转子叶片，其 中从左到右的各个转子叶片具有不同的用于防雷的措施。图2中左侧的转子叶片包括在表 面下方延伸的电导体，其在该转子叶片的尖端上实体性突出。这同样适用于中间的转子叶 片，其中与中间的转子叶片相比，左侧的转子叶片在电导体的上端部附近部分形成为网。
[0005] 为了使转子叶片接地，图2中右侧的转子叶片具有沿整个叶片延伸的金属网格。
[0006] 本发明的目的在于，提供用于非静态设备的防雷装置，例如风力设备或飞机的防 雷装置，以便于向部件如风力设备上的转子叶片提供充分的防雷保护来引走出现的电势 差，从而最小化关于防火保护或强的热应力方面存在的问题。
[0007] 所述目的通过独立权利要求的各个特征的组合得以实现。
[0008] 本发明基于以下认知，通过用填充有高导电性颗粒的耐高温复合材料对设备的 (特别是在空气中）移动的表面进行表面涂覆，可消除在所述设备的整个表面上的在闪电的 情况下出现的电势差，而不会出现由过高的电流密度引起的设备的严重损害。
[0009] 复合材料层被描述为表面涂层，其包括聚合物，特别是聚硅氮烷或聚硅氧烷，所述 聚合物填充有由片状陶瓷颗粒（14)组成的填料，所述颗粒设有导电性的金属氧化物涂层。 这种锑锡氧化物（Sb:Sn0 2)层或锑掺杂的氧化锡层被有利地涂覆至云母片并用锑掺杂，从 而存在导电性。
[0010] 对于转子叶片的涂层来说有利的是，存在灵活地涂覆所述复合材料的工艺。在喷 涂工艺中已实验性地将数种有机基体用作复合材料层，从而这样的产品类别可用于弯曲表 面的功能性涂层，并且原则上整个转子叶片可通过喷涂来涂覆。
[0011]所述涂层是一种复合材料，其陶瓷填料由片状的基底(例如云母)和导电性的金属 氧化物涂层(例如锑锡氧化物)组成。
[0012] 作为基体，有利地使用了室温或低温固化材料，例如聚硅氧烷或聚硅氮烷。
[0013] 当在低中温热解表面涂层时，可实现进一步的优势。这样做是为了再次提高所存 在的层的导电性。
[0014] 作为填料材料，可优选使用导电极好的金属氧化物颗粒或金属颗粒。填料颗粒的 形状可以变化，例如在球状和片状之间变化。对于球状的填料来说须要极高的体积填充率， 例如高达50体积％，而对于片状的填料来说在较低的体积填充率，例如25体积％，就建立了 稳定的导电性。这被称为逾渗阈值(Perko 1 at ionsschwe 11 e)。上述实例的混合物是可能的。
[0015] 有利的是，使用易施用的涂料，其优选可良好地喷涂，从而高导电性的微粒由此可 作为填充物被施加至预制构件，并且例如可以很容易地涂覆和接触例如风力设备的转子叶 片。
[0016] 由涂层的部分导电性(局部导电性)产生了显著的优势。不会出现有助于雷击发生 的极化效应。由此，在此过程中减弱了雷击的概率。
[0017] 然而，在遭到雷击时，由于在这种情况下出现的高的电场强度而导致涂层的极高 的导电性，从而导致电荷经由该涂层被良好地引走。。
[0018] 由于整个构件的表面被覆盖涂层这样的事实，为引走高的电流和电压提供了非常 大的横截面面积。由此，在遭受雷击的情况下不会因局部电流而在涂层中出现危险的温度 过高，并且不会出现位于其下的聚合物层的退化或电子元件的过热。
[0019] 特别有利是，部分导电的表面涂层在低电场强度的情况下具有与例如金属导体、 即作为网被浸渍到风力设备中以引走闪电的金属导体相比显著更高的电阻。由此，不会出 现可有助于形成闪电放电的强极化效应。因此，遭到雷击的可能性被降低。
[0020] 下面将参照示例性的、不对本发明产生限制的附图对实施例进行描述。
【附图说明】
[0021] 附图分别示出了：
[0022]图1示出了其中表面涂层的电阻率1对电场强度2所作的图，
[0023] 图2示出了根据现有技术、在风力设备的不同转子叶片11上的防雷装置，
[0024] 图3示出了在暴露的静止物体上的极化效应，
[0025] 图4示出了其中表面涂层在热解过程中玻璃化的图，
[0026]图5示出了一个显微镜图像，其显示了位于云母基底上的高导电性的锑掺杂的氧 化锡填料颗粒，和
[0027] 图6示出了对应于图5的高导电性的氧化锡填料颗粒，其中存在片状基底和球状基 底的混合物。
【具体实施方式】
[0028] 在雷雨的过程中产生了可观的空间电荷。在带电的雷云中可加入另外的电荷分离 机制。如果触发闪电，则会发生电位均衡。这要么在云雷(W 〇lkenblitz)(即云内）要么在地 雷(Erdblitz)(即地面和云的下部之间）中发生。对于在云和地之间的闪电来说，电位差必 须为几个1〇,〇〇〇,〇〇(^。在空气中，首先于约3,000,000￥/111的电场强度发生电火花放电，这 对应于所谓的击穿场强。但是，这个值随空气湿度的增加而急剧下降。然而，到目前为止都 没有对雷云中的这样的电场强度进行测量。测量只能极为罕见地得到超过200,000V/m的电 场强度。这个值远低于所述击穿场强的值。人们现在认为，必须先通过电离使空气导电，由 此才会出现闪电放电。
[0029] 流向地面的电流因所存在的电阻而引起电压下降，并由此在撞击点周围产生电位 梯度。雷击相当于接通由电源供给外加电流的电路。
[0030] 有规律地，所考虑的场强通常是通过闪电放电和在雷击位置处产生的电位差来建 立的场强。
[0031] 图1示出了电阻-电场强度图，其中表面涂层被视为由复合材料形成，该表面涂层 具有25体积％的填料，所述填料由片状的锑锡氧化物/Sb:Sn0 2组成。该图示出了随着电场 强度的增大、电阻率的非线性曲线。对于低的电场强度来说电阻较高，对于高的电场强度来 说电阻极小。
[0032] 在图2中以风力设备的转子叶片11的形式示出了现有技术。在此使用了不同形式 的防雷装置。在左侧和中间所示的转子叶片11中绘出了内置导体3,其端部4在转子叶片11 的最外端到达表面处。在图2左侧所示的转子叶片中内部导体3在端部区域作为网被示出。
[0033] 在图2右侧所示的转子叶片11具有金属网5,其优选被加工到所述转子叶片的表面 上的面漆层中。由此，局部产生了金属结构，其通过与风力设备的支架的连接将所产生的电 流和电压接地。
[0034] 图3在左侧部分示出了其中不存在极化的在带有建筑物和雷云的地表上的场景以 及其中存在极化62的从带电的雷云对地进行雷击的场景。
[0035]相比于纯粹的球状颗粒，片状的陶瓷填料具有更多的优势：
[0036]-它们具有早期(friihe)逾渗阈值，视形状因数而定，该阈值部分地低于20体积％，
[0037] -它们导致侵蚀通道延长通过复合材料，
[0038] -它们由于大的形状因数即长/直径>30而在加工(例如喷涂)的过程中具有非常缓 慢的沉降行为，
[0039] -由于轻的载体材料和小的原重/填料，产生了低的复合材料 密度，这有利于轻量 化原则（Leichtbauprinzip)，
[0040] -所述颗粒是耐腐蚀的，
[0041 ]-所述颗粒是可商购的，因此价格便宜。
[0042]在使用聚硅氮烷的情况下能够制备导电的复合材料，其在室温下是可喷涂的并且 随后在室温左右固化。
[0043]这种基体的优势在于：
[0044] -在环氧树脂基底上的良好的粘附性，
[0045] -非常好的防腐蚀保护，因为聚硅氮烷本身被用作防腐蚀保护，
[0046] -所述基体是抗局部放电的并且温度稳定的，
[0047] -与陶瓷颗粒结合，所述基体良好地防止了磨损，例如由冰雹或沙子、和其它环境 因素(如海水/海洋空气/气体)而导致的磨损。
[0048] 根据本发明构造的表面涂层可通过热解各种含硅的、部分有机的基体使得复合材 料层的电阻降低数十倍，从而导电性等同于纯的粉末的导电性（以粉末压制 Pulverstempel)测量）。在此，如此选择粉末压制的压力，使得压缩和进而体积-压紧密度- 系数与引入该复合材料中的体积原重(Vo lumene inwaage)的相同。
[0049] 图5示出了优选在云母基底上的片状(或薄片状)的填料颗粒。所述片（Pldttchen) 的表面由高导电的锑掺杂的Sn02构成。通过使用这样的填料，电阻在高的电场强度下会显 著降低。实验发现，将球状颗粒混入填料中（根据图6)可有助于额外地提高填料颗粒涂层的 导电性和进而表面涂层的导电性。在此表明，相同材料的球和片的混合物的导电性比单纯 的颗粒形状高约十(倍）。
[0050] 在图5中主要可见片状的金属氧化物。在图6中既示出了片状的金属氧化物14又示 出了球状的金属氧化物15。云母部分地用作基底，并且可优选使用硅或氧化硅来形成球状 的颗粒。尤其使用石英粉。
[0051 ]根据本发明，结合图5和图6所提及的氧化锡掺杂有锑。
[0052]可将不同的材料作为基体用于防雷涂层。理论上，可使用热固性材料如环氧树脂、 热塑性材料如PEEK、PAI或PEI。
[0053]本发明特别涉及聚硅氧烷，例如有机硅弹性体或有机硅树脂。所述复合材料的涂 覆可通过刷涂、浸涂和粉末涂覆(Pulverbeschichtung)来进行。
[0054]通过将限定的金属氧化物颗粒用作高导电性的填料材料，可利用填料(例如氧化 锡)在一定波长范围内的光吸收，以通过高的辐射功率(例如红外辐射)实现非常高的表面 温度。在合适的持续时间和强度下使复合材料层热解，其中基体的有机部分被燃烧尽。由 此，对于合适的基体配制物(Matr i xf ormul i erung)产生了稳定的Si 〇2骨架，这可被称为陶 瓷玻璃。辐射强度和辐射持续时间必须适应于热解过程和涂层的层厚，从而不损害位于其 下的材料(例如具有为155°C的最高温度负荷的玻璃纤维增强的塑料）的基本功能性。通过 所述方法，能够在有机的、低温稳定的部件的表面上制备导电性高的、耐腐蚀的并且防水的 层，而不损坏位于其下的材料，例如在用于固化所述层的完整炉温循环中的情况。
[0055]图4示出了聚硅氮烷基体的测量记录。温度10以摄氏度为单位被标绘在横坐标上。 在三个不同的纵坐标上，从左至右绘制:首先是图4左侧的以重量百分比计的重量8,再者是 标记为9的时间t和图4最右侧的热流量7。实际的烧结曲线由曲线71、热流量/温度表示。在 此，固化12和热解13可分别被看作一定温度下的能量消耗过程。
[0056]曲线81表示以重量百分比计的表面涂层的重量随温度10变化的过程。曲线101表 示温度随时间变化的过程。
[0057]因为针对表面涂层选择了复合材料，所以首先指定基体，根据本发明该基体是聚 合物。特别地，使用聚硅氧烷或聚硅氮烷。接着考虑填料，其在该情况中为由片状基底如云 母构成的陶瓷。这种填料被显示具有导电的金属氧化物涂层，该涂层由锑锡氧化物Sb:Sn0 2 或锑掺杂的氧化锡组成。
[0058]在此涉及部分导电的涂层，其在至少20体积％的填充原重(Fill leinwaage)的逾渗 内在低的电场强度下具有高的电阻。然而，与此结合，所述涂层在大的电场强度下因颗粒电 阻的非线性行为而具有非常高的导电性。在这种复合材料层的电压电阻特性曲线的双对数 图中，非线性因子α作为随电场强度的增加、电阻线性下降的斜率来获得。此处参见图1。 [0059]由具有片状填料的聚硅氮烷基体组成的复合材料层的非线性(Nichtlinearitiit) 的测量得出非线性因子为3.7,所述填料即为锑掺杂的氧化锡，15摩尔％的锑。这与较少掺 杂的但在其它方面相同的体系的测量一致。对于E = 550V/mm的电场强度，在j = 28A/mm2的 电流密度下，所得到的电阻为P = 2 Ω cm。在此通过55kV以及280A的充电脉冲来测量以模拟 真实的雷击。这种情况下局部导致导电路径的形成(1^；^口€3(113；[1(1111^611)，但没有发现所述 层的机械损伤，更谈不上剥落了。因此，即使在雷击点处也不会出现位于其下方的叶片的机 械损伤。在进一步的过程中，电荷径向地从冲击点在整个表面上被导出或引走，这导致电流 密度越来越小并由此不再是危险的。
【主权项】
1. 用于防雷保护的表面涂层，其通过导电复合材料制备，所述复合材料具有： -由聚合物制成的基体， -由片状的陶瓷颗粒(14)制成的填料， 其中所述片状的陶瓷颗粒(14)设有导电性金属氧化物涂层。2. 根据权利要求1所述的表面涂层，其中片状的陶瓷颗粒(14)通过云母制备。3. 根据权利要求1或2所述的表面涂层，其中片状的陶瓷颗粒（14)的导电性金属氧化物 涂层通过具有非线性的、电阻随电场强度的变化曲线的金属氧化物涂层制备。4. 根据权利要求3所述的表面涂层，其中所述金属氧化物涂层通过锑掺杂的氧化锡层 Sb:Sn〇2制备。5. 根据权利要求4所述的表面涂层，其中所述锑掺杂的氧化锡层Sb:Sn02在低的场强下 具有高的电阻，而在高的场强下具有小得多的电阻。6. 根据权利要求5所述的表面涂层，其中片状的陶瓷颗粒（14)上的所述锑掺杂的氧化 锡层被填充以至少10摩尔％的锑Sb。7. 根据权利要求1至6之一所述的表面涂层，其中所述填料是由均为陶瓷的颗粒构成的 混合物，所述颗粒设有锑掺杂的氧化锡层并且形成为片状和/或球状。8. 根据权利要求1至7之一所述的表面涂层，其中所述基体由聚硅氮烷或由聚硅氧烷制 备。9. 根据权利要求8所述的表面涂层，其中有机部分通过热解被消除，并且对于由聚硅氮 烷制成的基体，存在稳定的SiN骨架，或者对于由聚硅氧烷制成的基体，存在稳定的Si02骨 架。10. 制备根据权利要求1至9之一所述的表面涂层的方法，其中导电的表面涂层包含溶 剂，以液体的形式涂覆，使其固化，并且于短的温度间隔以高达700°C的温度进行所述表面 涂层的热解，以获得玻璃状的、耐高温的、导电的表面涂层。11. 根据权利要求10所述的方法，其中片状的陶瓷颗粒（14)的锑掺杂的氧化锡层以至 少10摩尔％的锑Sb填充。12. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在风力设备的非金属转子叶片的防雷保护 中的用途。13. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在飞机的非金属表面区域的防雷保护中的 用途。14. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在碳纤维增强部件的防雷保护中的用途。15. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在由纤维增强塑料制成的部件的防雷保护 中的用途。
【专利摘要】本发明涉及由复合材料构成的用于防雷保护的表面涂层，该表面涂层包括由聚硅氮烷或聚硅氧烷制成的基体并且以设有导电性金属氧化物涂层的片状陶瓷颗粒填充，并且涉及在风力设备的叶片上制备表面涂层的方法，其中以液体的形式涂覆导电涂层，在室温下固化并以短的温度区间在高达700℃的温度发生所述表面涂层的热解，从而产生玻璃状的、耐高温的、导电涂层。
【IPC分类】C09D5/00
【公开号】CN105492547
【申请号】CN201480047336
【发明人】J.休伯, S.兰, B.普洛克曼
【申请人】西门子公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年5月27日
【公告号】DE102013215713A1, EP2997093A1, WO2014206676A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及由复合材料构成的表面涂层。
【背景技术】
[0002] 对于非静态(nichtstatisch)工业设备如风力祸轮机来说，雷击会引发大问题。因 为风力设备通常建立在暴露处，其往往代表一个较大的环境中的最高点，所以在此适用特 殊的考虑。由于在塔上于较高的高度旋转的垂直的风力涡轮机的最高点在任何时候都是转 子叶片的尖端，因而闪电的入射区域位于转子叶片中的一个上。从而闪电中极高的电流密 度必须通过转子向下消散。由此，当转子叶片被雷击时，由于所用材料的内部电阻而引起了 典型的雷击损害，其作用形式为火灾、各个部件的过热以及与温度有关的机械变形。
[0003]在现有的风力设备中，传统的金属导体线路(Leiterbahnen)要么完全被安装在转 子叶片的外表面(AuPenhaut)上，要么它们在该转子叶片的内部延伸，从而仅端部在转子叶 片尖端处从中露出。防雷保护的另一种形式通过在转子叶片的整个长度上于面漆层中引入 金属网来实现。由此局部地产生了金属结构，其通过与风力发电设备的支架的连接将产生 的电流和电压接地。
[0004] 在图2中示例性地示出了具有防雷设施的三个不同的实施方式中的转子叶片，其 中从左到右的各个转子叶片具有不同的用于防雷的措施。图2中左侧的转子叶片包括在表 面下方延伸的电导体，其在该转子叶片的尖端上实体性突出。这同样适用于中间的转子叶 片，其中与中间的转子叶片相比，左侧的转子叶片在电导体的上端部附近部分形成为网。
[0005] 为了使转子叶片接地，图2中右侧的转子叶片具有沿整个叶片延伸的金属网格。
[0006] 本发明的目的在于，提供用于非静态设备的防雷装置，例如风力设备或飞机的防 雷装置，以便于向部件如风力设备上的转子叶片提供充分的防雷保护来引走出现的电势 差，从而最小化关于防火保护或强的热应力方面存在的问题。
[0007] 所述目的通过独立权利要求的各个特征的组合得以实现。
[0008] 本发明基于以下认知，通过用填充有高导电性颗粒的耐高温复合材料对设备的 (特别是在空气中）移动的表面进行表面涂覆，可消除在所述设备的整个表面上的在闪电的 情况下出现的电势差，而不会出现由过高的电流密度引起的设备的严重损害。
[0009] 复合材料层被描述为表面涂层，其包括聚合物，特别是聚硅氮烷或聚硅氧烷，所述 聚合物填充有由片状陶瓷颗粒（14)组成的填料，所述颗粒设有导电性的金属氧化物涂层。 这种锑锡氧化物（Sb:Sn0 2)层或锑掺杂的氧化锡层被有利地涂覆至云母片并用锑掺杂，从 而存在导电性。
[0010] 对于转子叶片的涂层来说有利的是，存在灵活地涂覆所述复合材料的工艺。在喷 涂工艺中已实验性地将数种有机基体用作复合材料层，从而这样的产品类别可用于弯曲表 面的功能性涂层，并且原则上整个转子叶片可通过喷涂来涂覆。
[0011]所述涂层是一种复合材料，其陶瓷填料由片状的基底(例如云母)和导电性的金属 氧化物涂层(例如锑锡氧化物)组成。
[0012] 作为基体，有利地使用了室温或低温固化材料，例如聚硅氧烷或聚硅氮烷。
[0013] 当在低中温热解表面涂层时，可实现进一步的优势。这样做是为了再次提高所存 在的层的导电性。
[0014] 作为填料材料，可优选使用导电极好的金属氧化物颗粒或金属颗粒。填料颗粒的 形状可以变化，例如在球状和片状之间变化。对于球状的填料来说须要极高的体积填充率， 例如高达50体积％，而对于片状的填料来说在较低的体积填充率，例如25体积％，就建立了 稳定的导电性。这被称为逾渗阈值(Perko 1 at ionsschwe 11 e)。上述实例的混合物是可能的。
[0015] 有利的是，使用易施用的涂料，其优选可良好地喷涂，从而高导电性的微粒由此可 作为填充物被施加至预制构件，并且例如可以很容易地涂覆和接触例如风力设备的转子叶 片。
[0016] 由涂层的部分导电性(局部导电性)产生了显著的优势。不会出现有助于雷击发生 的极化效应。由此，在此过程中减弱了雷击的概率。
[0017] 然而，在遭到雷击时，由于在这种情况下出现的高的电场强度而导致涂层的极高 的导电性，从而导致电荷经由该涂层被良好地引走。。
[0018] 由于整个构件的表面被覆盖涂层这样的事实，为引走高的电流和电压提供了非常 大的横截面面积。由此，在遭受雷击的情况下不会因局部电流而在涂层中出现危险的温度 过高，并且不会出现位于其下的聚合物层的退化或电子元件的过热。
[0019] 特别有利是，部分导电的表面涂层在低电场强度的情况下具有与例如金属导体、 即作为网被浸渍到风力设备中以引走闪电的金属导体相比显著更高的电阻。由此，不会出 现可有助于形成闪电放电的强极化效应。因此，遭到雷击的可能性被降低。
[0020] 下面将参照示例性的、不对本发明产生限制的附图对实施例进行描述。
【附图说明】
[0021] 附图分别示出了：
[0022]图1示出了其中表面涂层的电阻率1对电场强度2所作的图，
[0023] 图2示出了根据现有技术、在风力设备的不同转子叶片11上的防雷装置，
[0024] 图3示出了在暴露的静止物体上的极化效应，
[0025] 图4示出了其中表面涂层在热解过程中玻璃化的图，
[0026]图5示出了一个显微镜图像，其显示了位于云母基底上的高导电性的锑掺杂的氧 化锡填料颗粒，和
[0027] 图6示出了对应于图5的高导电性的氧化锡填料颗粒，其中存在片状基底和球状基 底的混合物。
【具体实施方式】
[0028] 在雷雨的过程中产生了可观的空间电荷。在带电的雷云中可加入另外的电荷分离 机制。如果触发闪电，则会发生电位均衡。这要么在云雷(W 〇lkenblitz)(即云内）要么在地 雷(Erdblitz)(即地面和云的下部之间）中发生。对于在云和地之间的闪电来说，电位差必 须为几个1〇,〇〇〇,〇〇(^。在空气中，首先于约3,000,000￥/111的电场强度发生电火花放电，这 对应于所谓的击穿场强。但是，这个值随空气湿度的增加而急剧下降。然而，到目前为止都 没有对雷云中的这样的电场强度进行测量。测量只能极为罕见地得到超过200,000V/m的电 场强度。这个值远低于所述击穿场强的值。人们现在认为，必须先通过电离使空气导电，由 此才会出现闪电放电。
[0029] 流向地面的电流因所存在的电阻而引起电压下降，并由此在撞击点周围产生电位 梯度。雷击相当于接通由电源供给外加电流的电路。
[0030] 有规律地，所考虑的场强通常是通过闪电放电和在雷击位置处产生的电位差来建 立的场强。
[0031] 图1示出了电阻-电场强度图，其中表面涂层被视为由复合材料形成，该表面涂层 具有25体积％的填料，所述填料由片状的锑锡氧化物/Sb:Sn0 2组成。该图示出了随着电场 强度的增大、电阻率的非线性曲线。对于低的电场强度来说电阻较高，对于高的电场强度来 说电阻极小。
[0032] 在图2中以风力设备的转子叶片11的形式示出了现有技术。在此使用了不同形式 的防雷装置。在左侧和中间所示的转子叶片11中绘出了内置导体3,其端部4在转子叶片11 的最外端到达表面处。在图2左侧所示的转子叶片中内部导体3在端部区域作为网被示出。
[0033] 在图2右侧所示的转子叶片11具有金属网5,其优选被加工到所述转子叶片的表面 上的面漆层中。由此，局部产生了金属结构，其通过与风力设备的支架的连接将所产生的电 流和电压接地。
[0034] 图3在左侧部分示出了其中不存在极化的在带有建筑物和雷云的地表上的场景以 及其中存在极化62的从带电的雷云对地进行雷击的场景。
[0035]相比于纯粹的球状颗粒，片状的陶瓷填料具有更多的优势：
[0036]-它们具有早期(friihe)逾渗阈值，视形状因数而定，该阈值部分地低于20体积％，
[0037] -它们导致侵蚀通道延长通过复合材料，
[0038] -它们由于大的形状因数即长/直径>30而在加工(例如喷涂)的过程中具有非常缓 慢的沉降行为，
[0039] -由于轻的载体材料和小的原重/填料，产生了低的复合材料 密度，这有利于轻量 化原则（Leichtbauprinzip)，
[0040] -所述颗粒是耐腐蚀的，
[0041 ]-所述颗粒是可商购的，因此价格便宜。
[0042]在使用聚硅氮烷的情况下能够制备导电的复合材料，其在室温下是可喷涂的并且 随后在室温左右固化。
[0043]这种基体的优势在于：
[0044] -在环氧树脂基底上的良好的粘附性，
[0045] -非常好的防腐蚀保护，因为聚硅氮烷本身被用作防腐蚀保护，
[0046] -所述基体是抗局部放电的并且温度稳定的，
[0047] -与陶瓷颗粒结合，所述基体良好地防止了磨损，例如由冰雹或沙子、和其它环境 因素(如海水/海洋空气/气体)而导致的磨损。
[0048] 根据本发明构造的表面涂层可通过热解各种含硅的、部分有机的基体使得复合材 料层的电阻降低数十倍，从而导电性等同于纯的粉末的导电性（以粉末压制 Pulverstempel)测量）。在此，如此选择粉末压制的压力，使得压缩和进而体积-压紧密度- 系数与引入该复合材料中的体积原重(Vo lumene inwaage)的相同。
[0049] 图5示出了优选在云母基底上的片状(或薄片状)的填料颗粒。所述片（Pldttchen) 的表面由高导电的锑掺杂的Sn02构成。通过使用这样的填料，电阻在高的电场强度下会显 著降低。实验发现，将球状颗粒混入填料中（根据图6)可有助于额外地提高填料颗粒涂层的 导电性和进而表面涂层的导电性。在此表明，相同材料的球和片的混合物的导电性比单纯 的颗粒形状高约十(倍）。
[0050] 在图5中主要可见片状的金属氧化物。在图6中既示出了片状的金属氧化物14又示 出了球状的金属氧化物15。云母部分地用作基底，并且可优选使用硅或氧化硅来形成球状 的颗粒。尤其使用石英粉。
[0051 ]根据本发明，结合图5和图6所提及的氧化锡掺杂有锑。
[0052]可将不同的材料作为基体用于防雷涂层。理论上，可使用热固性材料如环氧树脂、 热塑性材料如PEEK、PAI或PEI。
[0053]本发明特别涉及聚硅氧烷，例如有机硅弹性体或有机硅树脂。所述复合材料的涂 覆可通过刷涂、浸涂和粉末涂覆(Pulverbeschichtung)来进行。
[0054]通过将限定的金属氧化物颗粒用作高导电性的填料材料，可利用填料(例如氧化 锡)在一定波长范围内的光吸收，以通过高的辐射功率(例如红外辐射)实现非常高的表面 温度。在合适的持续时间和强度下使复合材料层热解，其中基体的有机部分被燃烧尽。由 此，对于合适的基体配制物(Matr i xf ormul i erung)产生了稳定的Si 〇2骨架，这可被称为陶 瓷玻璃。辐射强度和辐射持续时间必须适应于热解过程和涂层的层厚，从而不损害位于其 下的材料(例如具有为155°C的最高温度负荷的玻璃纤维增强的塑料）的基本功能性。通过 所述方法，能够在有机的、低温稳定的部件的表面上制备导电性高的、耐腐蚀的并且防水的 层，而不损坏位于其下的材料，例如在用于固化所述层的完整炉温循环中的情况。
[0055]图4示出了聚硅氮烷基体的测量记录。温度10以摄氏度为单位被标绘在横坐标上。 在三个不同的纵坐标上，从左至右绘制:首先是图4左侧的以重量百分比计的重量8,再者是 标记为9的时间t和图4最右侧的热流量7。实际的烧结曲线由曲线71、热流量/温度表示。在 此，固化12和热解13可分别被看作一定温度下的能量消耗过程。
[0056]曲线81表示以重量百分比计的表面涂层的重量随温度10变化的过程。曲线101表 示温度随时间变化的过程。
[0057]因为针对表面涂层选择了复合材料，所以首先指定基体，根据本发明该基体是聚 合物。特别地，使用聚硅氧烷或聚硅氮烷。接着考虑填料，其在该情况中为由片状基底如云 母构成的陶瓷。这种填料被显示具有导电的金属氧化物涂层，该涂层由锑锡氧化物Sb:Sn0 2 或锑掺杂的氧化锡组成。
[0058]在此涉及部分导电的涂层，其在至少20体积％的填充原重(Fill leinwaage)的逾渗 内在低的电场强度下具有高的电阻。然而，与此结合，所述涂层在大的电场强度下因颗粒电 阻的非线性行为而具有非常高的导电性。在这种复合材料层的电压电阻特性曲线的双对数 图中，非线性因子α作为随电场强度的增加、电阻线性下降的斜率来获得。此处参见图1。 [0059]由具有片状填料的聚硅氮烷基体组成的复合材料层的非线性(Nichtlinearitiit) 的测量得出非线性因子为3.7,所述填料即为锑掺杂的氧化锡，15摩尔％的锑。这与较少掺 杂的但在其它方面相同的体系的测量一致。对于E = 550V/mm的电场强度，在j = 28A/mm2的 电流密度下，所得到的电阻为P = 2 Ω cm。在此通过55kV以及280A的充电脉冲来测量以模拟 真实的雷击。这种情况下局部导致导电路径的形成(1^；^口€3(113；[1(1111^611)，但没有发现所述 层的机械损伤，更谈不上剥落了。因此，即使在雷击点处也不会出现位于其下方的叶片的机 械损伤。在进一步的过程中，电荷径向地从冲击点在整个表面上被导出或引走，这导致电流 密度越来越小并由此不再是危险的。
【主权项】
1. 用于防雷保护的表面涂层，其通过导电复合材料制备，所述复合材料具有： -由聚合物制成的基体， -由片状的陶瓷颗粒(14)制成的填料， 其中所述片状的陶瓷颗粒(14)设有导电性金属氧化物涂层。2. 根据权利要求1所述的表面涂层，其中片状的陶瓷颗粒(14)通过云母制备。3. 根据权利要求1或2所述的表面涂层，其中片状的陶瓷颗粒（14)的导电性金属氧化物 涂层通过具有非线性的、电阻随电场强度的变化曲线的金属氧化物涂层制备。4. 根据权利要求3所述的表面涂层，其中所述金属氧化物涂层通过锑掺杂的氧化锡层 Sb:Sn〇2制备。5. 根据权利要求4所述的表面涂层，其中所述锑掺杂的氧化锡层Sb:Sn02在低的场强下 具有高的电阻，而在高的场强下具有小得多的电阻。6. 根据权利要求5所述的表面涂层，其中片状的陶瓷颗粒（14)上的所述锑掺杂的氧化 锡层被填充以至少10摩尔％的锑Sb。7. 根据权利要求1至6之一所述的表面涂层，其中所述填料是由均为陶瓷的颗粒构成的 混合物，所述颗粒设有锑掺杂的氧化锡层并且形成为片状和/或球状。8. 根据权利要求1至7之一所述的表面涂层，其中所述基体由聚硅氮烷或由聚硅氧烷制 备。9. 根据权利要求8所述的表面涂层，其中有机部分通过热解被消除，并且对于由聚硅氮 烷制成的基体，存在稳定的SiN骨架，或者对于由聚硅氧烷制成的基体，存在稳定的Si02骨 架。10. 制备根据权利要求1至9之一所述的表面涂层的方法，其中导电的表面涂层包含溶 剂，以液体的形式涂覆，使其固化，并且于短的温度间隔以高达700°C的温度进行所述表面 涂层的热解，以获得玻璃状的、耐高温的、导电的表面涂层。11. 根据权利要求10所述的方法，其中片状的陶瓷颗粒（14)的锑掺杂的氧化锡层以至 少10摩尔％的锑Sb填充。12. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在风力设备的非金属转子叶片的防雷保护 中的用途。13. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在飞机的非金属表面区域的防雷保护中的 用途。14. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在碳纤维增强部件的防雷保护中的用途。15. 根据权利要求1至9之一所述的表面涂层在由纤维增强塑料制成的部件的防雷保护 中的用途。
【专利摘要】本发明涉及由复合材料构成的用于防雷保护的表面涂层，该表面涂层包括由聚硅氮烷或聚硅氧烷制成的基体并且以设有导电性金属氧化物涂层的片状陶瓷颗粒填充，并且涉及在风力设备的叶片上制备表面涂层的方法，其中以液体的形式涂覆导电涂层，在室温下固化并以短的温度区间在高达700℃的温度发生所述表面涂层的热解，从而产生玻璃状的、耐高温的、导电涂层。
【IPC分类】C09D5/00
【公开号】CN105492547
【申请号】CN201480047336
【发明人】J.休伯, S.兰, B.普洛克曼
【申请人】西门子公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年5月27日
【公告号】DE102013215713A1, EP2997093A1, WO2014206676A1
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