Carbon Fiber-Reinforced Polymers (CFRPs) have been a rapid alternative to aluminium (Al) in the aerospace industry due to their high-specific strength. However, their poor electrical conductivity makes them prone to structural damage during lightning strikes. This study aims to use combinations of the coating processes of cold spray, electroless plating, and electrodeposition to produce metallic coatings for lightning strike protection on CFRPs. Copper (Cu) was selected for cold spraying as it has superior electrical conductivity, making it suitable as a coating material for lightning strike protection.

Previous studies showed that direct cold spraying of Cu onto the CFRP is not possible due to substrate erosion. Cold spray deposition of Cu onto an epoxy-CFRP was then achieved via an interlayer of Cu electrodeposited on an electroless nickel (Ni) coating. It was found that the hardness similarity of the Cu powder to the underlying electrodeposited Cu coating allowed for the successful cold spray deposition of Cu onto the CFRP. Surface roughness and thermal conductivity were also found to play important roles in deposition efficiency of the Cu particle. Cold spray deposition of Cu was not possible on cold sprayed Sn and electroplated Ni interlayers due to the erosion and insufficient plastic deformation of the interlayer, respectively. The feasibility of the cold sprayed Cu coating build-up on the Cu electroplated interlayer was further studied using a two-step process with different gas pressures for each step. Copper coating build-up was possible under this two-step process, with lower deposition efficiency (DE) in the second deposition layer (i.e., the second step). This lower DE was associated with work hardening of the previously deposited layer. Finally, a duplex metallic coating comprising cold spray Sn followed by electrodeposition of Cu was successfully developed, which had the main advantage of reducing the number of coating steps.

Tensile adhesion/cohesion strengths and electrical conductivity of the fabricated coatings were measured in accordance with ASTM Standard C-633-13 and the 4-point probe conductivity method, respectively. In the three-step coating system (i.e., Ni-Cu-Cu), Cu cold spraying led to the cohesive failure of the cold sprayed Cu coating due to the poor interparticle bonding and the fractured surfaces indicated that the bonding between the Cu particles is mainly mechanical. In the duplex Sn-Cu coating system, electrodeposition of Cu led to the cohesive failure of the coldsprayed Sn coating. A “dissolution-deposition” mechanism has been established to explain the cohesive failure of the cold-sprayed Sn coating after electrodeposition. The electrical conductivity of the cold sprayed Cu coating was found to be almost two times lower than that of bulk Cu due to the presence of coating defects. However, the electrical conductivity of the electrodeposited Cu coating onto Sn interlayer was close to that of bulk Cu due to its dense and voids-free structure, as well as minimal oxygen content in the coating.

Les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) ont rapidement remplacé l'aluminium (Al) dans l'industrie aérospatiale en raison de leur résistance spécifique élevée. Cependant, leur faible conductivité électrique les rend susceptibles d'être endommagés par la foudre. Cette étude vise à utiliser des combinaisons de procédés de revêtement par projection à froid, par dépôt chimique et par électrodéposition pour produire des revêtements métalliques de protection contre la foudre sur les CFRP. Le cuivre (Cu) a été choisi pour la projection à froid, car il a une conductivité électrique supérieure, ce qui le rend convenable comme matériau de revêtement pour la protection contre la foudre.

Des études antérieures ont démontré que la projection à froid directe de Cu sur le CFRP n'est pas possible en raison de l'érosion du substrat. Le dépôt par projection à froid de Cu sur un CFRP époxy a donc été réalisé par l’addition d'une couche intermédiaire de Cu déposée par électrolyse sur un revêtement de nickel (Ni) sans courant. Il s'est avéré que la similitude de dureté de la poudre de Cu avec le revêtement de Cu sous-jacent déposé par électrolyse a permis de réussir le dépôt par pulvérisation à froid de Cu sur le CFRP. La rugosité de la surface et la conductivité thermique ont également joué un rôle important dans l'efficacité du dépôt de la particule de Cu. Le dépôt de Cu par pulvérisation à froid n'a pas été possible sur les couches intermédiaires de Sn pulvérisées à froid en raison de l'érosion ni des couches de Ni électroplaquées à cause de la déformation plastique insuffisante de la couche intermédiaire. De plus, la faisabilité de la formation d'un revêtement de cuivre par pulvérisation à froid sur l'intercalaire de cuivre électrodéposé a été étudiée en utilisant un procédé en deux étapes avec différentes pressions de gaz pour chaque étape. La formation d'un revêtement de cuivre a été possible dans ce procédé en deux étapes, avec une efficacité de dépôt (DE) plus faible dans la deuxième couche de dépôt (c'est-à-dire la deuxième étape). Cette efficacité de dépôt plus faible était associée à un durcissement par travail de la couche déposée initialement. Enfin, un revêtement métallique duplex comprenant une projection à froid de Sn suivie d'une électrodéposition de Cu a été développé avec succès, ce qui a pu réduire le nombre d'étapes de revêtement.

Les forces d'adhésion/cohésion en traction ont été mesurées à la norme ASTM C-633-13 et la conductivité électrique des revêtements fabriqués a été mesurée conformément à la méthode de conductivité par sonde à 4 points. Dans le système de revêtement en trois étapes (c'est-à-dire Ni-Cu-Cu), la pulvérisation à froid de Cu a conduit à la rupture cohésive du revêtement de Cu pulvérisé à froid en raison de la faible liaison interparticulaire et les surfaces fracturées ont indiqué que la liaison entre les particules de Cu est principalement mécanique. Dans le système de revêtement duplex Sn-Cu, l'électrodéposition de Cu a entraîné la rupture cohésive du revêtement de Sn pulvérisé à froid. Un mécanisme de « dissolution-dépôt » a été établi pour expliquer la rupture cohésive du revêtement de Sn pulvérisé à froid après l'électrodéposition. La conductivité électrique du revêtement de Cu projeté à froid était presque deux fois inférieure à celle du Cu brut en raison de la présence de défauts dans le revêtement. Cependant, la conductivité électrique du revêtement de Cu déposé par électrolyse sur l'intercalaire de Sn était proche de celle du Cu massif en raison de sa structure dense et sans vides, ainsi que de la teneur minimale en oxygène dans le revêtement.