CN110498048A - 用于飞行器的结构部件 - Google Patents

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Abstract

一种用于飞行器的结构部件(2)，所述结构部件具有至少一个可加热的部件区段(4)，所述可加热的部件区段(4)具有：带有内部基础结构(6)的层构造，布置在所述内部基础结构(6)之外的第一隔离层(8)，由嵌入基质材料中的碳同素异形体制成的、布置在所述第一隔离层(8)之外的功能层(10)，以及布置在所述功能层(10)之外的至少一个保护层(16)。此外，所述结构部件(2)还具有与所述功能层(10)相连的电连接装置(12)，所述电连接装置用于将电流选择性地施加给所述功能层(10)以用于加热所述功能层(10)。

Description

用于飞行器的结构部件
技术领域
本发明涉及一种用于飞行器的结构部件、一种用于制造结构部件的方法、以及一种具有至少一个这种结构部件的飞行器。
背景技术
飞行器的直接指向流动的部件可能在特定的环境条件和飞行状态下开始结冰。然而，从现有技术中已知许多设备，这些设备可以实现这些部件的无冰状态。一方面已知如下设备，这些设备防止冰的初始粘附(所谓的防冰)。另一方面已知如下设备，这些设备可以去除已经粘附的冰(所谓的除冰)。这些设备可以基于热量的引入，例如借助于从涡轮喷气推进器的压缩机等级提取的引气。此外已知如下设备，在这些设备中通过前缘区域的主动变形使冰被炸开，例如通过由弹性体制成的可气动膨胀的衬垫，通过金属前缘处的瞬时磁力等。
在现代交通飞行器中，引气的消耗受到限制并且优选完全抛弃(Abkehr)引气。因此还存在可以以另一种方式产生热量的设备。例如已知的是，在流动部件的前缘内侧布置带有电阻加热的加热垫，以便局部产生并散发热量。
EP 2 873 617 A1公开了一种用于飞行器的除冰和/或避免结冰的设备，该飞行器具有用于将热量散发到飞行器的表面区域的散热装置，该散热装置被设计为用于线性散热，以便在积聚在表面区域上的冰中产生额定断裂位置或额定断裂线或分离线。
发明内容
本发明的目的是，提出一种结构部件，所述结构部件被配置为用于以一种替代性的且改进的方式来进行局部加热并且具有尽可能小的重量。
该目的通过一种具有独立权利要求1的特征的结构部件来实现。有利的实施方式和改进方案能够从从属权利要求和下文的描述中得出。
提出一种用于飞行器的结构部件，该结构部件具有至少一个可加热的部件区段。此外，该可加热的部件区段具有：带有内部基础结构的层构造，布置在内部基础结构之外的第一隔离层，由嵌入基质材料中的碳同素异形体制成的、布置在第一隔离层之外的功能层，以及布置在功能层之外的至少一个保护层。此外，该结构部件还具有与功能层相连的电连接装置，该电连接装置用于将电流选择性地施加给功能层以用于加热该功能层。
因此根据本发明，该结构部件具有由多个层组成的构造。就此而言应指出的是，该层构造不一定必须是纤维增强的塑料的复合物，而是也可以具有金属涂层或金属层。此外，在单独的层之间也可以布置同样具有功能的、但没有明确命名的其他的层。
该内部基础结构被设置为用于实现部件的所期望的稳定性。该内部基础结构尤其被设计为使得实际上仅由内部基础结构提供所要求的机械强度。该内部基础结构可以根据飞行器的构思由一种或多种不同的材料组成。因此，除了典型的金属结构，还可以想到的是纤维复合材料或组合物。该内部基础结构除了壳形的部件，还可以包含强化结构。
在内部基础结构之外布置有第一隔离层。该第一隔离层可以直接布置在内部基础结构上或布置在一个或多个中间层上。该第一隔离层尤其可以为电绝缘层，然而也可以用于隔热。这些变体将在下文中进一步说明。
在该第一隔离层之外布置有由嵌入基质材料中的碳同素异形体制成的功能层。通过使用这种构造可以实现导电的薄层，该薄层允许通过施加电压来大面积地引入热量。该功能层可以具有特别小的厚度，所述厚度使结构部件的额外重量最小化。然而，通过使用碳同素异形体，在给功能层施加电压时获得了特别有利的发热。该功能层可以由单独的织物层构造而成。替代于此，该功能层还可以包括由无纺的、有序或无序的同素异形体制成的层，该层所具有的厚度对应于单独的织物层的厚度。
布置在第二隔离层之外的保护层主要用于防止层构造的侵蚀和其他机械影响。该保护层可以具有漆、颜料、金属保护层等。当然，该保护层也可以是多层式地构造的。
根据本发明的构造提供了一种具有特别小的重量、但高的效率的除冰设备。使用嵌入基质材料中的碳同素异形体此外至少部分地允许保护内部基础结构免受由于外部机械冲击造成的机械损坏的功能。根据例如鸟撞、冰雹或其他冲击的强度，可以减少或防止内部基础结构的机械影响。
另一个特别的优点在于，特别高水平地防止对所涉及的前缘的由于冲击而造成的机械损坏。由具有嵌入的碳同素异形体的热塑性基质材料和优选地碳纳米管形成的复合物尤其可以实现所期望的冲击保护。虽然金属结构原则上可能在机械冲击载荷下被损坏，但根据碳同素异形体的层数，可以实现机械损坏的显著减少，直到完全防止机械损坏。单独的层(例如，无纺碳纳米管垫)也足以实现对可能的损坏的显著减少。
在一个有利的实施方式中，可以额外地在功能层之外布置有第二隔离层，该第二隔离层可以是与第一隔离层相似地构造成的。然而，该第二隔离层应被设计为尤其提供电绝缘。然而应特别注意的是，可以实现从功能层向外的尽可能没有障碍的热通过，从而使热量导入的效率最大化。
在一个优选的实施方式中，内部基础结构具有由带有嵌入其中的增强纤维的基质材料组成的复合结构。增强纤维嵌入其中的基质材料尤其可以是聚合物或树脂系统。它们可能以织物或基底的形式实现，所述织物或基底是一层或优选多层地并且与所提供的荷载方向相对应地提供的。尤其提出，使用多层地且在多个方向上延伸的增强纤维。这些纤维方向可以适配于所要求的机械特性。替代于此，也可以使用由无纺纤维或纤维基底形成的层。在此，所述纤维可能具有一个或多个离散的纤维方向或可以全方位地实现准各向同性的特性。另外可能提供一个或多个金属材料层。尤其在实施该内部基础结构时，该构造的特别的优点在于：所有层都可以尤其通过用于生产由纤维复合材料制成的部件的基本上常规的方法来生产。所有层都是柔性的并且可以辐条状地且自动化地被施加到模具表面。具有基质材料的所有层可以一起固化且因此形成一体式部件。
该内部基础结构优选具有碳纤维增强的塑料。碳纤维增强的塑料与功能层的组合可以避免基础结构与功能层之间的电流腐蚀。除了实施为具有碳纤维的热固性塑料之外，还可以考虑具有嵌入的碳纤维的热塑性塑料。该热塑性塑料尤其可以包括聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚(PEI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)或其他聚合物。
该功能层优选具有嵌入基质材料中的碳纳米管。由碳纳米管形成的垫、基底或织物的密度是非常小的。该密度取决于生产过程、碳纳米管的类型(单壁式、双壁式、多壁式)以及化学后处理和热学后处理。该密度通常可以为大约0.2至大约0.8g/cm3。与石墨的密度(2.1至2.3g/cm3)和金属结构/线材(铝，约2.7g/cm3)的密度直接比较，使用碳纳米管时的重量节省是显而易见的。尽管重量明显降低，但预计在发热方面没有损失。除此之外，与基于石墨或基于金属的加热元件相比，可以实现更高的电流密度。此外，由碳纳米管制成的结构的电流负载能力比铝或铜高出多倍。此外，在使用碳纳米管时，热稳定性可以得到明显改善。通过由碳纳米管制成的加热元件，可以实现特别恒定的温度分布，这在使用金属线材、石墨或其他碳同素异形体时几乎不可能。由于低的热学质量可以实现特别快的加热。
如果将呈热塑性塑料形式的基质材料用于功能层，则这对于吸收冲击具有特别的优点。热塑性塑料本身已经能够以吸收冲击的方式起作用。与尤其碳纳米管的组合可以提高吸收冲击的能力。
优选的是，该功能层是由无纺碳纳米管的多孔的垫形成的。该垫特别适用于被集成到诸如由碳纤维增强的塑料制成的结构部件的常规生产过程中。单独的碳纳米管通过范德华力(Van-der-Waals-)粘附在一起并具有准各向同性的材料特性。由此实现了特别有利地代替其他金属导电材料。
在一个优选的实施方式中，第一隔离层被实施为热隔离层和电绝缘层。该第一隔离层可以具有不导电的纤维，尤其玻璃纤维。玻璃纤维(如还有碳纤维)由于它们适合作为柔韧的织物或基底处理而可以非常容易地进行加工，并且可以适应所期望的机械性能。此外因为玻璃纤维是不导电的，可以推荐的是，将基于玻璃纤维的第一隔离层结合到层构造中。因此，第一隔离层可以具有如玻璃纤维复合材料，其中玻璃纤维层以基底或织物的形式嵌入基质材料中。该第一隔离层的基质材料不必强制地与其他层的基质材料一致。
替代性地，该第一隔离层还可以具有碳纤维，该碳纤维具有绝缘涂层。材料连续性在层构造内部得到改善且与玻璃纤维相比，稳定性略有提高。因此，尤其在第一隔离层的位置可以更好地避免电压跃变及脱层。
该第二隔离层优选被实施为电绝缘层。由此，尤其可以限制功能层的电流并且相邻的部件不受电流影响。该第二隔离层的构造大体上可以对应于第一隔离层的构造。
该第二隔离层例如可以具有呈例如薄的多晶层的形式的氮化铝。
此外，本发明还涉及一种用于制造结构部件、根据权利要求1至9之一所述的结构部件的方法，该方法具有以下步骤：提供内部基础结构，向该内部基础结构上施加第一隔离层，施加由嵌入基质材料中的碳同素异形体形成的功能层，以及施加保护层。
所述方法可以优选具有对至少功能层的固化。这可以被设计为最后的步骤或在施加保护层之前的步骤。
此外，所述方法还可以包括施加第二隔离层的步骤。
该方法优选被实施为使得借助自动化设备进行对至少功能层的布置。该自动化设备优选配备有自动化纤维放置头或自动化的带放置头。
此外，本发明还涉及一种飞行器，所述飞行器具有至少一个根据上文描述所述的结构部件，其中该飞行器具有能够选择性地与连接装置相连的电能量源。
在一个有利的实施方式中，可加热的部件区段布置在结构部件的前缘。
在此，至少一个结构部件可以是侧翼或尾翼的至少一个部件。
最后本发明涉及一种用途，用于将在飞行器的结构部件处由嵌入基质材料中的碳纳米管形成的功能层用于电加热以及用于防止结构部件的前缘的机械冲击。
附图说明
本发明的其他特征、优点和应用可能性由以下对实施例和附图的说明得出。在此，所有所描述的和/或图示的特征自身和以任意组合构成本发明的主题，而与其在单独权利要求中或其所引用的权利要求中的关系无关。此外，在附图中相同的附图标记代表相同或相似的物体。
图1示出了结构部件的局部截面的三维示意图。
图2示出了用于自动化地生产结构部件的设备。
图3示出了具有此类结构部件的飞行器。
图4示出了根据本发明的用于生产结构部件的方法的基于框的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有可加热的部件区段4的结构部件2的一部分。示例性地，结构部件2是侧翼的一部分，其中可加热的部件区段4形成前缘。结构部件2具有可以以各种方式实现的内部基础结构6。在此，内部基础结构6仅示意性示出。实际上提出的是：设置具有多个强化元件的内部基础结构6。内部基础结构6可以由不同的材料制成。除金属材料外，还提出纤维增强的复合材料及其组合，例如所谓的“纤维金属层压物(Fiber Metal Laminates)”。
在内部基础结构6处邻接有第一隔离层8，该第一隔离层在这种情况下作为热隔离层和电绝缘层起作用。其被实施为介电层。示例性地，第一隔离层8可以由玻璃纤维增强的塑料制成。该玻璃纤维增强的塑料可以具有热固性基质材料和热塑性基质材料。第一隔离层8的层厚度应这样测量：没有过多的热量输入被施加到内部基础结构6上。
在该内部基础结构处向外邻接有功能层10，该功能层示例性地由无纺碳纳米管的垫制成，该垫被嵌入基质材料中。该垫是柔性、可成形且多孔的层，该层可以通过用于加工增强纤维等的常规方法来加工。
功能层10示例性地具有多个连接装置12，这些连接装置基本上被实施为电连接板、线材、汇流条等。对此可能的是，向功能层10施加电压，从而使得随后使用的电流生成加热功率。
当然，可以存在更多个这样的连接装置12，这些连接装置沿着功能层10分布。此外，功能层10也可以是分段的，从而使得例如可以为某些区域提供比其他区域更高的加热功率。
示例性地，在功能层处邻接有第二隔离层14，该第二隔离层主要被实施为电绝缘层。第二隔离层14优选配备有非常小的厚度，从而使得加热功率通过功能层10很好地向外传递。第二隔离层14可以例如由玻璃纤维增强的塑料的非常薄的层制成。
最后，结构部件2被外保护层16覆盖，该外保护层可能被实施为漆、颜料、金属箔等。
该构造的一个特别的优点在于，可以使用常规的自动化方法及设备来进行生产。在图2中示出部件2，该部件通过自动化的设备18来生产。设备18示例性地示出具有机器人臂20，该机器人臂示例性地承载自动化的放置头22。该放置头示例性地具有输出辊24和转向辊26。
通过沿放置方向d的移动运动，辐条状的材料28由输出滚24输出并藉由转向辊26放置到第一隔离层8上。在图2中所示的过程之后可以进行类似的过程，其中第一隔离层8和/或内部基础结构6在成形模具(未示出)上制造。
尤其提出使用预浸渍的辐条，其中在需要时纤维类型和基质材料可以不同。第一隔离层8可以例如由玻璃纤维织物实现，该玻璃纤维织物嵌入不导电的基质中。
在放置了所提供的所有辐条之后，可以以通常的方式进行固化。为此，可以将成形模具移入固化炉中并根据要求在那里加热。
图3示出了示例性地具有结构部件2的飞行器30，所述结构部件在此实施为侧翼前缘的形式。然后，可以由功能层10来加热结构部件，所述结构部件可以经由对应的线路34由电能量源32提供电压。
最后，图4示出了根据本发明的方法的流程图的示意图。这具有以下步骤：提供36内部基础结构6，向内部基础结构6上施加38第一隔离层8，施加40呈具有碳同素异形体的基质材料形式的功能层10，以及施加42保护层16。提供36内部基础结构6可以包括借助于增强纤维和基质材料在成形模具上制成基础结构6。
此外，所述方法还可以具有固化44至少功能层10的步骤作为最终步骤或者(替代性地)作为施加42保护层16之前的步骤。
此外，所述方法还可以具有在施加42保护层16之前施加46第二隔离层14的步骤。
此外还可能的是，还通过预制例如多个层来实施这些方法步骤中的多个方法步骤或将它们组合成一个步骤。
在一个有利的实施方式中，所述方法还可以具有施加54至少一个附加的结构层40，该结构层至少在一侧覆盖电池结构2并且强化结构部件38。
补充性地可以指出，“具有”并不排除其他的元件或步骤，并且“一个”或“一种”不排除多数。此外还可以指出，可以使用已经参照上述实施例之一描述的特征还有与上文描述的另外实施例的其他特征的组合。权利要求书中的附图标记不应视为限制。

Claims (15)

1.一种用于飞行器(30)的结构部件(2)，所述结构部件具有
至少一个可加热的部件区段(4)，所述可加热的部件区段(4)具有：
-带有内部基础结构(6)的层构造，
-布置在所述内部基础结构(6)之外的第一隔离层(8)，
-由嵌入基质材料中的碳同素异形体制成的、布置在所述第一隔离层(8)之外的功能层(10)，以及
-布置在所述功能层(10)之外的至少一个保护层(16)；
所述结构部件还具有与所述功能层(10)相连的电连接装置(12)，所述电连接装置用于将电流选择性地施加给所述功能层(10)以用于加热所述功能层(10)。
2.根据权利要求1所述的结构部件(2)，此外具有布置在所述功能层(10)之外的第二隔离层(14)。
3.根据权利要求1或2所述的结构部件(2)，其中所述内部基础结构(6)具有由带有嵌入其中的增强纤维的基质材料组成的复合结构。
4.根据前述权利要求之一所述的结构部件(2)，其中所述内部基础结构(6)具有碳纤维增强的塑料。
5.根据前述权利要求之一所述的结构部件(2)，其中所述功能层(10)具有嵌入所述基质材料中的碳纳米管。
6.根据前述权利要求之一所述的结构部件(2)，其中所述第一隔离层(8)为热隔离层和电绝缘层。
7.根据前述权利要求之一所述的结构部件(2)，其中所述第一隔离层(8)具有玻璃纤维复合材料。
8.根据权利要求2所述的结构部件(2)，其中所述第二隔离层(14)为电绝缘层。
9.根据权利要求2或8所述的结构部件(2)，其中所述第二隔离层具有氮化铝。
10.一种用于制造结构部件(2)、尤其根据权利要求1至9之一所述的结构部件(2)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供(36)内部基础结构(6)，
-向所述内部基础结构(6)上施加(36)第一隔离层(8)，
-施加(40)呈碳同素异形体的基质材料形式的功能层(10)，以及
-施加(42)保护层(16)。
11.根据权利要求10所述的方法，此外具有固化(44)至少所述功能层(10)的步骤作为最终步骤或者作为施加(42)所述保护层(16)之前的步骤。
12.根据权利要求10或11所述的方法，此外具有在施加(42)所述保护层(16)之前施加(46)第二隔离层(14)的步骤。
13.一种飞行器(30)，具有至少一个根据权利要求1至9之一所述的结构部件(2)，其中所述飞行器(30)具有能够选择性地与所述连接装置(12)相连的电能量源(32)。
14.根据权利要求13所述的载具(30)，其中所述可加热的部件区段(4)布置在所述结构部件(2)的前缘。
15.用途，用于将在飞行器(30)的结构部件(2)处由嵌入基质材料中的碳纳米管形成的功能层(10)用于电加热以及用于防止结构部件(2)的前缘的机械冲击。
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