DE102006046002A1

DE102006046002A1 - Schichtsystem zum Blitzschutz von Bauteilen

Info

Publication number: DE102006046002A1
Application number: DE200610046002
Authority: DE
Inventors: Andreas Gessler; Franz Maidl; Christian Dr. Karch; Jürgen Dr. Steinwandel; Wilhelm Dr. Wulbrand; Georg Wachinger
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: DE102006046002B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem (32) zum Blitzschutz von Bauteilen (30), insbesondere Kunststoff-Bauteilen, mit einer mit Partikeln (36) versetzten, zum Schutz des Schichtsystems (32) gegen Umwelteinflüsse geeigneten äußeren Deckschicht (34). Um den Blitzschutz eines solchen Schichtsystems (32) weiter zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Partikel (36) polarisierbar sind. Die Erfindung findet insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik Anwendung, z. B. in Flugzeugen oder Hubschraubern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem zum Blitzschutz von Bauteilen, insbesondere Kunststoff-Bauteilen, mit einer mit Partikeln versetzten, zum Schutz des Schichtsystems gegen Umwelteinflüsse geeigneten äußeren Deckschicht, wie sie aus der EP 0 629 549 A2 bekannt ist. Die Erfindung findet insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik Anwendung, z.B. in Flugzeugen oder Hubschraubern.
Das Problem des Blitzschutzes ist insbesondere bei Bauteilen aus Kunststoff oder bei Bauteilen die in irgendeiner Form Kunststoff-Strukturen enthalten, wie sie beispielsweise in der Luftfahrttechnik in Form von Kunststoff-Verbundwerkstoffen eingesetzt werden, zuverlässig zu lösen.
Verbundwerkstoffe aus Kunststoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), haben den Vorteil, dass sie leichtgewichtig sind und dennoch sehr gute mechanische Eigenschaften (z.B. eine hohe Festigkeit) aufweisen. Sie können in einfacher Weise auch in ungewöhnliche unregelmäßige Formen gebracht werden. Daher ist der Einsatz von derartigen faserverstärkten Verbundwerkstoffen insbesondere für die Luftfahrttechnik interessant und wird dort in Zukunft in größerem Maße eingesetzt.
Der geplante Einsatz größerer Strukturen in CFK-Bauweise in der Luftfahrttechnik erfordert unter anderem einen wirksamen Schutz gegenüber Blitzschlag. Die physikalischen Vorgänge beim Blitzeinschlag sind bei CFK-Strukturen im wesentlichen analog zu jenen bei metallischen Strukturen. Es kommt zur Ausbildung eines Vorentladungs-Plasmakanals und im weiteren Verlauf zur Blitzentladung. Je nach Lage des Erstberührungspunktes wird der Blitzkanal über die Flugzeugoberfläche gezogen. Mit der Berührung von Blitzkanal und Flugzeugoberfläche ist ein hoher Stromfluss und Wärmeeintrag in die betreffende Struktur verbunden. Die Parame ter, die die Intensität des Blitzes charakterisieren, unterscheiden sich nicht zwischen CFK-Strukturen und metallischen Bauteilen. Da die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit von CFK-Strukturen deutlich geringer ausfällt als die von Metallen, bedürfen CFK-Strukturen eines Blitzschutzes. Ansonsten könnte eine erheblich Delamination mit einhergehender Festigkeitseinbuße die Folge sein.
In der Praxis werden zum Schutz von CFK-Strukturen gegen Schädigungen bei Blitzeinschlägen derzeit nahezu ausnahmslos Gitterstrukturen und Netzstrukturen aus Metallen (z.B. Aluminium oder Kupfer) eingesetzt. Diese werden als äußere Lage in die CFK-Struktur einlaminiert. Eine Verwendung von Metallfolien oder ähnlichem ist im Flugzeugbau aufgrund der komplizierten Formengebung problematisch; die Metallfolien lassen sich nur schwer zweifach gekrümmten Strukturen anpassen. Zur Anpassung an die Oberflächenform bei zweifach gekrümmten Strukturen sind Gitterstrukturen erforderlich. Insbesondere bei größeren Strukturbauteilen handelt es sich um eine verfahrenstechnisch aufwändige Methode, die mit einer signifikanten Gewichtsbelastung verbunden ist.
In der Literatur werden Mechanismen zum Blitzschutz von CFK-Strukturen beispielsweise durch Allen L. Hall in „Mechanism for Lightning Protection of CFC Structures Using Interwoven Wires", veröffentlicht durch Society of Automotive Engineers, Inc., 1999-01-2352, S. 183 bis 188 beschrieben. Hall hat Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe untersucht, in deren äußerster Graphitschicht dünne Metalldrähte aus unterschiedlichen Materialien eingewebt waren. Untersucht wurden Drähte aus Aluminium, Messing, Kupfer und Monel. Es wird die These vertreten, dass bei den bekannten Strukturen die Drähte die oberste Lackdeckschicht zerstören müssen, um guten Blitzschutz zu erzielen. Es wird erläutert, dass aufgrund der gewebten Drähte in der CFK-Struktur an der Blitzeinschlagstelle mehrere sogenannte „Streamer" ausgebildet werden, so dass die Blitzenergie nicht an einem einzigen Punkt, sondern in mehreren Punkten eintritt. In dem Artikel wird die Auf fassung vertreten, dass der Blitzschutz am besten wirkt, je eher die eingewobenen Drähte die obersten Lackschichten zerstören und durchdringen, um so eine schnelle Ableitung der Energie über die Drähte zu erzielen. Demnach wird nicht die Streamer-Bildung hervorgehoben, vielmehr werden Wege vorgeschlagen, wie man die Drähte ausbilden und anordnen kann, um die schnellste und größte Oberflächenzerstörung zu erreichen. Insgesamt wird vorgeschlagen, die Anordnung so zu wählen, dass ein maximaler Stromdurchfluss durch die Drähte erreicht wird, wodurch dann durch Hitzeentwicklung und die dann erfolgte Ausdehnung die Drähte durch die Deckschichten stoßen können.
F. A. Fisher et al. beschreiben in dem Artikel „Lightning Protection of Air Craft", veröffentlicht durch Lightning Technology, Inc., Pittsfield, 1990, S. 143–153 einen Blitzschutz von CFK-Materialien durch aufgebrachte Leiter. Es wird der Blitzschutz verschiedener leitfähiger Schichten, welche auf CFK-Strukturen aufgebracht werden, untersucht. Insgesamt werden diejenigen Schichten als besonders vorteilhaft angesehen, die die beste elektrische Leitfähigkeit liefern. Dies sind insbesondere Metallfolien, die aber Probleme bei der Anpassung an komplizierte Strukturen haben. Diesbezüglich werden expandierte Metallfolien als vorteilhafter vorgeschlagen, die in einem Streckprozess perforiert und gedehnt werden. Deren mechanische Eigenschaften gleichen denjenigen eines gewebten Metallgitters; es gibt aber einen besseren Kontakt des Metallmaterials als beim gewebten Metallgitter, da das Material immer noch eine einheitliche Folie und nicht einzelne Drähte darstellt, die sich jeweils an Kontaktstellen berühren müssten. Es werden weitere CFK-Strukturen vorgeschlagen, deren Fasern mit Nickel belegt sind und somit leitfähig gemacht werden. Dies schwächt aber die Festigkeit der CFK-Struktur, so dass noch eine zweite Lage benötigt wird. Der Blitzschutz solcher Strukturen wird als weniger gut wie der Blitzschutz von Metallgeflechten beschrieben. Weiter werden in die CFK-Strukturen eingewebte Drähte mit sehr dünnem Durchmesser beschrieben, die mit 3 bis 9 Drähten pro Zentimeter in die CFK-Struktur eingewebt werden. Als Effekt wird beschrieben, dass an vielen verschiedenen Stellen eine Intensivierung des elektrischen Feldes eintritt, so dass der Blitz in viele kleine Kanäle aufgespalten wird (Streamer-Bildung), so dass der Eintritt über viele Stellen erfolgt.
A. C. Douay et al. beschreiben in dem Artikel „Lightning-Induced Damage Phenomenology in Carbon Fiber Composite Materials"; Journal of Aerospace Engineering, Seiten 39-1 bis 39-11 einen Test von vier CFK-Platten, die mit einem Bronzenetz geschützt waren. Es wurde ein Leitfähigkeitstest und ein Blitzeinschlagtest durchgeführt. Dabei wurden die Schäden einer CFK-Struktur, die durch ein Metallgeflecht geschützt ist, im Falle eines Blitzeinschlages genauer beschrieben, und es wurden die entsprechenden Mechanismen hierzu erläutert.
Die EP 0 900 647 A2 offenbart einen Blitzschutz für einen elektrisch leitfähigen oder isolierenden Mantel und einen Kern einer Wabenstruktur. Genauer wird der Blitzschutz an einer CFK-Struktur beschrieben, der trotz ausreichendem Blitzschutz dennoch leichtgewichtig sein soll. Als Lösung wird das bereits eingangs erwähnte Metallgeflecht vorgeschlagen, welches die Oberflächenleitfähigkeit erhöhen soll. Als Materialien für das Metallgeflecht werden Aluminium oder Kupferdrähte vorgeschlagen.
Die DE 44 26 906 C2 betrifft einen für den Flugzeugbau verwendbaren elektrisch leitfähigen faserverstärkten Verbundwerkstoff. Um die dort beschriebene Struktur leitfähig zu machen, werden einer Kunststoffmatrix fein dispergierte Russpartikel in der Größenordnung von etwa 30 nm mit 0,1 bis 2 Gewichtsprozent zugesetzt. Diese Maßnahme dient jedoch nicht dem Blitzschutz, sondern soll die Struktur derart leitfähig machen, dass das Abschirmvermögen gegen elektrische Felder und die Ableitung elektrostatischer Aufladungen verbessert wird, so dass keine Störungen im Funkverkehr auftreten. Es wird hierzu eine Wabenstruktur mit einer Abdeckplatte aus Verbundwerkstoff beschrieben, wobei die Abdeckplatte in der beschriebenen Weise mit Russpartikeln beladen wird.
Ein anderer elektrisch leitender Verbundwerkstoff wird in der DE 199 56 331 A1 beschrieben. Diese Druckschrift enthält allerdings keinerlei Hinweise auf eine Eignung bzw. Anwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik; sie ist aber für das Verständnis der hier vorliegenden Erfindung interessant. Es wird ein elektrisch leitender Kunststoff beschrieben. Es wird zunächst erläutert, dass Kunststoffe in der Regel Isolatoren darstellen, die statischen Aufladungen unterworfen sein können. Dies kann insbesondere bei der Verpackung von Elektronik-Bauteilen zu Problemen führen. Als Ziel wird daher eine Verpackung angegeben, die elektrisch leitend ist, so dass elektrische Ladung abgeleitet werden kann. Es wird weiter erläutert, dass bestimmte Kunststoffe ein metallisches Verhalten an den Tag legen. Der Grund hierfür sind Molekülketten mit konjugierten Doppelbindungen. Wenn man diese Kunststoffe entsprechend dotiert, lässt sich entlang dieser Molekülketten ein Elektronentransport bewerkstelligen, so dass die Kunststoffe ein metallisches Verhalten zeigen. Das Problem dieser Kunststoffe ist, dass die mechanischen Eigenschaften unzureichend sind. Es wird weiter beschrieben, dass es bekannt sei, Russ- oder Aluminiumpartikel in eine Kunststoffmatrix einzubetten, um den Kunststoff leitfähig zu machen. Die Leitfähigkeit ist eine Funktion der Konzentration der leitfähigen Partikel in der Kunststoffmatrix. Zunächst erfolgt lange kaum eine Erhöhung der Leitfähigkeit. Erhöht man die Konzentration weiter, bilden sich durch eine Anlagerung der leitfähigen Partikel zueinander Pfade innerhalb der Kunststoffmatrix. Dies bewirkt eine schlagartige Erhöhung der Leitfähigkeit. Bei einer weiter erhöhten Konzentration ergibt sich dann jedoch kaum noch ein Anstieg der Leitfähigkeit. Den Wendepunkt in der entsprechenden Kurve der Leitfähigkeit über der Konzentration aufgetragen, nennt man allgemein Perkolationsschwelle oder Perkolationsgrenze. Als nachteilig dieser mit leitfähigen Partikel beladenen Kunststoffmatrix wird beschrieben, dass sich die mechanischen Eigenschaften ver schlechtern. Die DE 199 56 331 A1 schlägt daher vor, Fasern aus einem schlecht leitenden Trägermaterial mit einem leitfähigen Kunststoff zu beschichten. Als leitfähiger Kunststoff für die Beschichtung wird ein entsprechend mit leitfähigen Partikeln beladener Kunststoff verwendet. Als Anwendungsmöglichkeit ist lediglich die Verpackungsindustrie genannt, um so Kunststoffverpackungen herzustellen, die elektrisch leitfähig sind und somit elektrostatische Aufladungen vermeiden können.
Die EP 0 465 399 A2 betrifft wiederum den Flugzeugbau. Es wird vorgeschlagen, eine Verbundstruktur mit einem Metallnetz zu versehen. Das Metallnetz wird dabei in einer Matrix aus Epoxidharz eingebracht.
Und auch die eingangs erwähnte EP 0 629 549 A2 befasst sich mit dem Blitzschutz für CFK-Strukturen. Dabei wird von dem zuvor erläuterten Stand der Technik ausgegangen, wonach in der obersten Schicht einer CFK-Struktur Kupfer- oder Aluminiumnetze eingebettet werden. Als problematisch wird jedoch angesehen, dass auch solche Strukturen mit einer Decklackschicht versehen werden müssen, um sie gegen Umwelteinflüsse zu schützen. Solche Lackschichten bestehen in der Regel aus Polyurethan und stellen somit eine dielektrische Schicht dar. Wenngleich bekannte mit Metallnetzen versehene CFK-Strukturen recht guten Blitzschutz liefern, wird der Blitzschutz nicht mehr ausreichend, wenn diese Strukturen noch mit dem üblichen Polyurethanlack überdeckt werden. Daher schlägt die EP 0 629 549 A2 vor, den Polyurethanlack leitfähig zu machen. Hierzu wird ein dünnes Blatt von nickelbeschichteten Kohlefaserpapier in eine Lackmatrix eingebettet. Das Nickel auf dem Kohlenstoff in dem Lack oder dem Anstrich bildet viele Leitwege überall durch die Lackschicht. Durch die so erreichbare hohe Leitfähigkeit soll die Energie des Blitzes schnell über eine große Fläche verteilt werden können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen weiter verbesserten Blitzschutz für Bauteile, insbesondere Kunststoff-Bauteile (z.B. CFK-Strukturen), zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, sowie durch ein entsprechend beschichtetes Bauteil wie es in Anspruch 22 angegeben ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schlägt somit ein Schichtsystem zum Blitzschutz von Bauteilen vor, welches eine äußere Deckschicht aufweist, die zum Schutz gegen Umwelteinflüsse geeignet ist.
Wenn man nur einen üblichen dielektrischen Lack zum Schutz gegen Umwelteinflüsse verwendet, findet bedingt durch die physikalischen Eigenschaften solcher konventioneller Lacksysteme bei einem Blitzeinschlag eine Konzentration bzw. eine Einschnürung des Plasmakanals am Fußpunkt statt. Außerdem behindert der Lack ein gleichförmiges Gleiten des Fußpunktes des Blitzkanals über die Flugzeugoberfläche.
Eine etwas bessere Lösung bietet die oben erwähnte Lösung nach der EP 0 629 549 A2 an, die diese obere Deckschicht durch nickelbeschichtete Fasern in alle Richtungen derart leitfähig macht, dass die Energie eines Blitzeinschlages schnell weggeleitet wird.
Im Gegensatz hierzu schlägt die Erfindung vor, die obere Deckschicht mit polarisierbaren Partikeln zu versetzen. Das heißt, diese Partikel sind elektrisch leitfähig und weisen eine Dielektrizitätskonstante von größer eins auf (ε > 1); sie sind vorzugsweise länglich bzw. weisen eine gestreckte Form auf.
Hat man in der oberen Lackschicht diese polarisierbaren Partikel, dann werden sie im Bereich eines Plasmakanals eines einschlagenden Blitzes polarisiert. Es ergibt sich hierdurch ein erhöhtes elektrisches Feld an den vielen Partikelpunkten. Durch die Erhöhung des elektrischen Feldes an vielen unterschiedlichen Punkten ergeben sich eine Vielzahl von Ionisationskanälen. Die Energie des dann einschlagenden Blitzes wird über eine Vielzahl von Ionisationskanälen – Streamer – eingeleitet. Der Blitzeinschlag erfolgt demnach nicht mehr an einer einzelnen Stelle, sondern verteilt über eine große Fläche. Die polarisierbaren Partikel wirken somit wie Zündelemente zur breiten Ausbildung von vielen Streamern.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass nicht die gute Leitfähigkeit der oberen Lackschicht entscheidend ist, sondern die hohe Polarisierbarkeit der eingesetzten Partikel.
Als wesentlicher Bestandteil eines vollständigen Blitzschutzsystems wird durch die Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen demnach eine äußere Lackschicht vorgeschlagen, die gut polarisierbare Materialien, vorzugsweise in länglicher Gestalt, aufweist. Die Partikel sind bevorzugt in zylindrischer oder gestreckter ellipsoider Form ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich um Partikel im Mikrometer-Bereich, insbesondere aus Kohlenstoff oder Metall (z.B. Nickel). Je länger die Partikel sind, um so größer ist ihre Polarisierbarkeit. Ihre Länge wird jedoch bei idealer Orientierung durch die Dicke der Lackschicht begrenzt, die typischerweise eine Dicke im Mikrometer-Bereich aufweist und üblicherweise kleiner 150 μm ist. Prinzipiell ist es auch möglich, mit kleineren Primärteilchen zu arbeiten, sofern diese sich zu Ketten ausbilden und dadurch Agglomerate bilden, die sich effektiv wie die beschriebenen Partikel verhalten. Dabei wird eine Ausrichtung der Partikel bevorzugt, bei der die Richtung größerer Ausdehnung möglichst wenig parallel zur Oberfläche des Verbundes orientiert ist. Die Füllgrade oder Konzentrationen be wegen sich in der äußeren Deckschicht tendenziell unterhalb der Perkolationsgrenze. Es ist also gar nicht das Ziel, eine erhöhte Leitfähigkeit zu erreichen; vielmehr soll eine Vielzahl von Einzelpartikeln vorgesehen sein, die jeweils polarisierbar sind. Die Enden sehr kleiner, länglicher, etwa senkrecht zur Oberfläche gerichteter polarisierbarer Partikel wirken wie spitze Nadeln im elektrischen Feld. An der Spitze ergibt sich eine hohe Feldkonzentration, so dass Ionisationskanäle „gezündet" werden.
Vorzugsweise wird die äußere Deckschicht der beschriebenen Art ergänzt um einen Lackunterbau, der eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine elektrisch leitfähige Beschichtung zum Bilden dieses Lackunterbaus lässt sich auf verschiedene Weisen ausbilden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrisch leitfähige Schicht durch einen elektrisch leitfähigen Kunststoff gebildet. Hierzu werden in einer Matrix elektrisch leitfähige, insbesondere metallische Partikel in einer hohen Konzentration eingebracht. Diese elektrisch leitfähigen Partikel werden mit einem Füllgrad oberhalb der Perkolationsgrenze eingebracht. Die elektrisch leitfähigen Partikel haben im Gegensatz zu den polarisierbaren Partikeln vorzugsweise keine zylindrische Gestalt und insbesondere eine variable Größe, um so einen möglichst hohen Füllgrad oder eine möglichst hohe Konzentration zu erzielen. Die elektrisch leitfähigen Partikel können eine sphärische oder besonders bevorzugt eine flockenförmige (d.h. flächige) Gestalt aufweisen.
Alternativ kann die elektrisch leitfähige Schicht durch eine Metallisierung gebildet werden, die zum Beispiel mittels Beschichtungstechnologie (z.B. Galvanik, CVD-Verfahren etc.) aufgebracht wird. Daneben kann die Metallisierung auch unter Verwendung von Drahtgeweben oder elektrisch leitenden Folien erzeugt werden. Optional kann der Lackunterbau durch eine dünne, nicht leitfähige, dielektrische Schicht von dem vor Blitzeinschlag zu schützenden Bauteil getrennt werden. Diese dielektrische Schicht behindert ein Eindringen des Stromflusses in das Bauteil.
Anstelle der leitfähigen Schicht (Lackunterbau oder Metallisierung) können z.B. dünne leitfähige Drähte in CFK-Lagen des Bauteils eingelegt oder eingewebt werden, die neben ihrer Schutzwirkung gegen thermische Schädigung gleichzeitig mechanische Funktionen wahrnehmen können. Die dielektrische Schicht, die ein Eindringen des Stromflusses in das Bauteil behindert, ist auch bei dieser Ausführungsvariante entbehrlich.
Die polarisierbaren Partikel in der äußeren Lackschicht bewirken eine großflächigere Bildung von Streamern, die sich mit dem nähernden Leitblitz verbinden können. Dadurch wird der Blitzkanal im Bereich seines Fußpunktes nicht wie bei einem konventionellen Lack eingeschnürt, sondern aufgeweitet. Diese Aufweitung bewirkt ihrerseits eine Verteilung des Stromflusses und des Wärmeeintrags auf eine größere Fläche mit dem Resultat einer reduzierten thermischen Belastung des Bauteils im Bereich des Fußpunktes. Der beschriebene Effekt erlaubt es, die metallische Beschichtung, die den Strom und die Wärme flächig verteilen muss, dünner als konventionell zu gestalten. Dadurch wird zunächst ein Teil jenes Gewichts gespart, das allein für den Blitzschutz erforderlich wäre. Wegen des geringeren Flächengewichtes an hochleitfähigem Material, das zur Verteilung der Energie benötigt wird, kommen darüber hinaus andere Techniken in Betracht, die metallischen Bestandteile in den Verbund einzubringen. Daraus ergeben sich verfahrenstechnische Vorteile gegenüber der bisherigen Technik des Einlaminierens von metallischen Netzstrukturen.
Die polarisierbaren Partikel reduzieren die dielektrische Festigkeit des Lackes. Die Ladungsträger sind eher in der Lage, den Lack zu durchdringen. Der Kanal kann sich unbehinderter als bei einer dielektrischen Lackschicht mit hoher dielektrischer Festigkeit über die Oberfläche bewegen. Die Verweildauer des Blitzkanals an einem festen Punkt der Oberfläche wird auf diese Weise vermindert. Auch dieser Effekt erlaubt es, die Dicken der schützenden Metallschichten in den entsprechenden Blitzschutzzonen zu verringern.
Die Erfindung bietet insbesondere Vorteile beim Blitzschutz von Kunststoff-Bauteilen, die beispielsweise aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen, insbesondere (kohlenstoff) faserverstärkten Kunststoffen, bestehen oder derartige Komponenten bzw. Strukturen umfassen.
Daneben kann die Erfindung selbstverständlich auch bei metallischen Bauteilen, Bauteilen aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen oder Bauteilen die derartige oder sonstige metallische Komponenten enthalten, eingesetzt werden.
Die Erfindung ist vorwiegend für eine Anwendung in der Luftfahrtechnik (z.B. für Strukturbauteile in Flugzeugen oder Hubschraubern) konzipiert; sie kann natürlich auch in der Raumfahrt- oder Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden, um nur einige der vielen möglichen Anwendungsbereiche zu nennen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Situation kurz vor Einschlag des Hauptblitzes in eine erfindungsgemäße Schichtstruktur zum Schutz eines Bauteils;
2a die Situation von 1 bei einem lackierten Bauteil nach dem Stand der Technik;
2b die Situation von 1 bei einem unlackierten Bauteil nach dem Stand der Technik;
3 eine schematische Darstellung der Deformation des Blitzkanals und der resultierenden Wiederberührung (engl. „reattachement") bei einem Flugzeug im Flug nach dem Stand der Technik;
4 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Schichtsystems zum Blitzschutz eines Bauteils mit CFK-Struktur;
5 das Detail V von 4;
6 eine Schnittansicht eines zweiten Schichtsystems zum Blitzschutz eines Bauteils mit CFK-Struktur; und
7 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform eines Schichtsystems zum Blitzschutz eines Bauteils mit CFK-Struktur.
Nachstehend wird die Erfindung beispielhaft an Hand von CFK-Strukturen oder Bauteilen, die zumindest teilweise derartige CFK-Strukturen oder -Lagen aufweisen, beschrieben, ohne das die Erfindung jedoch, wie voranstehend erläutert, darauf beschränkt sein soll.
Im Stand der Technik werden CFK-Strukturen beispielsweise durch das Aufbringen einer gedehnten Metallfolie oder eines Drahtgewebes auf die äußerste CFK-Lage gegen Blitz geschützt. Die Dicke der gedehnten Metallfolie beträgt ca. 0,05 bis 0,1 mm. Als Metalle werden hierzu z.B. Aluminium oder Kupfer verwendet. Bei einem Drahtgewebe werden Drähte mit einem Durchmesser von 0,5 bis 0,1 mm und einer Dichte von 40 bis 80 Drähten pro Zentimeter auf die äußerste CFK-Lage aufgebracht oder darin einlaminiert. Eine weitere Methode beinhaltet, metallisch beschichtete Fasern in die äußerste CFK-Schicht einzubetten. Weiter wurden auch schon eingewebte Drähte mit einem Durchmesser von 0,08 bis 0,12 mm und einer Dichte von 3 bis 9 Drähten pro Zentimeters in die äußerste Lage eingewebt. Oder es gibt sonstige metallische Beschichtungen der äußersten CFK-Struktur. Eine solche ist in 2b gezeigt; die äußerste CFK-Schicht ist durch die vorgenannten Maßnahmen leitfähig gemacht worden oder außen auf den CFK-Verbund wird eine leitfähige Beschichtung aufgebracht. 2b zeigt eine CFK-Struktur 10 mit einer elektrisch leitfähigen, einer ungeschützten bzw. nicht lackierten CFK-Schicht 12. Bei einem Blitzschlag wird zunächst ein Plasmakanal 14 ausgebildet. Wegen der Ladungsträger im Plasmakanal 14 gibt es nahe der CFK-Schicht 12 ein elektrisches Feld. Die sich dort befindliche Luft wird ionisiert, so dass sich Ionisationskanäle, sogenannte Streamer 16, ausbilden. Der darauf erfolgende Blitzeinschlag erfolgt auf einer großen Fläche. Jedoch muss die CFK-Struktur 10 gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. In dem Stand der Technik wird hierzu ein dielektischer Lack 18 verwendet, wie in 2a dargestellt. Durch das Dielektrikum wird die Bildung von Streamern behindert und damit der Blitzkanal im Bereich des Fußpunktes 22 eingeschnürt; der Blitzeinschlag erfolgt sehr konzentriert, siehe 2a.
3 zeigt die Situation an Hand des Beispiels eines fliegenden Flugzeuges. Die Wurzel 22 oder der Fußpunkt des Blitzkanals 20 wird durch die Flugzeugbewegung 24 mitgezogen. Der übliche dielektrische Lack 18 verhindert, dass die Wurzel 22 kontinuierlich über die Flugzeugoberfläche 26 gleitet, so dass sich der Blitz sukzessive neue Einschlagspunkte sucht, wie bei 28 angedeutet. Aufgrund der dielektrischen Festigkeit des Lacks 18 erhöht sich somit die Verweildauer des Blitzes in den jeweiligen Berührungspunkten an der Flugzeugoberfläche 26. Als Konsequenz gibt es eine erhöhte Temperaturbelastung und Schädigung der Flug zeugoberfläche 26, die die Schutzwirkungen der bekannten Blitzschutzsysteme für CFK-Strukturen nachteilig beeinträchtigen.
1 zeigt dagegen die Situation kurz vor Ausbildung des Blitzkanals bei einem Blitzeinschlag in ein Bauteil 30 mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem 32. Das Bauteil 30 weist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eine CFK-Schicht 12 auf; es kann aber auch insgesamt in CFK-Bauweise gefertigt sein (siehe z.B. Stand der Technik gemäß 2 und 3). Das erfindungsgemäße Schichtsystem 32 kann aber auch grundsätzlich bei metallischen Bauteilen verwendet werden.
Das Schichtsystem 32 umfasst eine äußere Deckschicht in Form einer Lackschicht 34, die polarisierbare Partikel 36 in einer relativ geringen Konzentration aufweisen. Dadurch wird praktisch ein Lack mit „Zündelementen" geschaffen. Die Lackschicht 34 hat gut leitfähige Füllstoffteilchen mit einer hohen Polarisierbarkeit. Als Material für die Partikel 36 dient Metall oder Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstoff-Kurzfasern. Die Form der Partikel 36 ist langgestreckt, insbesondere in Form von gestreckten Ellipsoiden bzw. von Zylindern. Der Füllgrad ist tendenziell unterhalb der Perkolationsgrenze. Die polarisierbaren langgestreckten Partikel 36 sind bevorzugt senkrecht zu der Oberfläche 26 ausgerichtet. Die Länge der polarisierbaren Partikel ist durch die Dicke der Lackschicht 34 begrenzt.
Wie 1 verdeutlicht, wirken die polarisierbaren Partikel 36 als Zündelemente. Die Partikel 36 werden bei Annäherung des Plasmakanals 14 polarisiert, so dass sich in ihrer Nähe und insbesondere an deren Spitzen ein sehr hohes elektrisches Feld ausbildet. Dadurch werden eine Vielzahl von Ionisationskanälen – Streamern 16 – gebildet, so dass der Fußpunkt oder die Wurzel des sich dann ausbildenden Blitzkanals wesentlich verbreitert wird. Dies ergibt eine Reduktion der spezifischen thermischen Belastung.
Ein weiterer Effekt der polarisierbaren Partikel 36, die auch gut leitfähig sind, ist die Reduktion der dielektrischen Festigkeit. Dadurch ergibt sich auch eine geringere Verweildauer der Wurzel des sich ausbildenden Blitzkanals in den jeweiligen Berührungspunkten an der Flugzeugoberfläche 26 und damit eine geringere Blitzbelastung.
In den 4 bis 7 sind bevorzugte Aufbauten des Schichtsystems 32 detaillierter dargestellt.
Die Lackschicht 34 mit den polarisierbaren Partikeln 36 ist in der Regel kein vollwertiger Blitzschutz. Zusätzliche Metallbeschichtungen oder sonstige elektrisch leitfähige Beschichtungen sind zum Schutz des Bauteils weiterhin erforderlich. Allerdings ergibt sich in jedem Fall durch die vorgeschlagene Lackschicht 34 eine Reduktion der Gewichtsbelastung. Es können elektrisch leitfähige Schichten mit geringeren Dicken als im Stand der Technik eingesetzt werden, so dass auch einfachere Verfahren für Beschichtungen eingesetzt werden können. Es kann gegebenenfalls die Anbringung eines Metall-Lackes (sogenannter „Lackunterbau") ausreichen.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Als Beispiel für das Bauteil 30 ist eine Wabenstruktur 40 mit einer kohlenstofffaserverstärkten Abdeckplatte 42, die eine CFK-Schicht 12 bildet, vorgesehen. Auf der Abdeckplatte 42 ist eine dielektrische Schicht 46 mit dünner Dicke aufgetragen. Auf der dielektrischen Schicht 46 befindet sich eine elektrisch leitfähige Beschichtung in Form eines elektrisch leitfähigen Kunststoffes 44. Auf dem elektrisch leitenden Kunststoff 44 befindet sich die Lackschicht 34 mit den polarisierten Partikeln 36.
Wie man am besten aus dem Detail von 5 erkennen kann, sind die polarisierbaren Partikel 36 in der Lackschicht 34 im Durchschnitt mehr senkrecht als parallel zu der Oberfläche 26 ausgerichtet. Dies kann man beispielsweise durch das Anlegen eines elektrischen Feldes während der Lack noch flüssig ist und bis zum Aushärten des Lackes erreichen.
Der elektrisch leitfähige Kunststoff 44 ist mit einer hohen Konzentration von elektrisch leitfähigen Partikeln 48 mit unterschiedlichen Größen beladen. Die Konzentration dieser Partikel 48 liegt oberhalb der Perkolationsgrenze, so dass sich innerhalb des elektrisch leitfähigen Kunststoffes 44 über die elektrisch leitfähigen Partikel 48 Leitungskanäle in alle Richtungen ausbilden. Die Kunststoffschicht 44 ins bei der Ausführungsform gemäß 5 auf einer dielektrischen Schicht 46 aufgetragen. Diese dielektrische Schicht 46 ist jedoch optional. Im Gegensatz zu den polarisierbaren Partikeln 36 sind die metallischen Partikel 48 nicht zylindrisch, sondern weisen typischerweise eine sphärische oder flächige, flockenförmige Gestalt auf.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Schichtsystems 32, das im wesentlichen der in 4 und 5 dargestellten ersten Ausführungsform mit dem Unterschied entspricht, dass der elektrisch leitfähige Kunststoff 44 durch eine Metallisierung – Metallschicht 50 – ersetzt ist. Die Metallschicht 50 kann z.B. durch ein galvanisches Verfahren auf die dielektrische Schicht 46, die auf der Abdeckplatte 42 aufgebracht ist, aufgetragen werden. Die Metallschicht 50 kann aber auch unter Verwendung eines Drahtgewebes oder geeigneter Metallfolien gebildet werden. Auch hier ist die dielektrische Schicht 46 wiederum optional.
Bei der in 7 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung sind in die obere Lage der Abdeckplatte 42 dünne Metalldrähte 52 eingewebt. Unmittelbar auf dieser mit Metalldrähten 52 verstärkten CFK-Lage 42 ist dann die Lackschicht 34 aufgebracht. Auf die dielektrische Schicht 46 kann auch bei dieser Ausführungsform verzichtet werden.
In Versuchen wurden vollständig aus Nickel gebildete, sogenannte Nanofasern (I ~ 50 μm, d ~ 1 μm) in der äußersten Harzschichten eingebracht. Blitzeinschlagversuche ergaben bedeutend bessere Ergebnisse als Vergleichsversuche, bei denen die äußerste Harzlage keine Nickel-Nanofasern enthielt. Auch waren die Ergebnisse mit sehr geringem Füllgrad der Nickel-Nanofasern zu erreichen. Demnach ist nicht die Erhöhung der Leitfähigkeit, sondern die Verbreiterung des Fußpunktes entscheidend und damit die Polarisierbarkeit der Partikel.

10: CFK-Struktur
12: CFK-Schicht
14: Plasmakanal
16: Streamer
18: dielektrischer Lack (Stand der Technik)
20: Blitzkanal
22: Wurzel oder Fußpunkt des Blitzkanals
24: Flugzeugbewegung
26: Flugzeugoberfläche
28: Wiederberührung (engl. „reattachement") des Blitzkanals
30: Bauteil
32: Schichtsystem
34: Lackschicht
36: polarisierbare Partikel
40: Wabenstruktur
42: kohlenstofffaserverstärkte Abdeckplatte
44: elektrisch leitfähiger Kunststoff
46: dielektrische Schicht
48: elektrisch leitfähige Partikel
50: Metallschicht (Metallfolie, Drahtgewebe etc.)
52: Metalldrähte

Claims

Schichtsystem (32) zum Blitzschutz von Bauteilen (30), insbesondere Kunststoff-Bauteilen, mit einer mit Partikeln (36) versetzten, zum Schutz des Schichtsystems (32) gegen Umwelteinflüsse geeigneten äußeren Deckschicht (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (36) polarisierbar sind.
Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierbaren Partikel (36) länglich sind.
Schichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierbaren Partikel (36) im Durchschnitt mehr in Dickenrichtung der Deckschicht (34) als parallel zur Deckschicht (34) ausgerichtet sind.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierbaren Partikel (36) eine zylindrische oder eine gestreckte ellipsoide Form haben.
Schichtsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierbaren Partikel (36) aus Metall oder Kohlenstoff bestehen.
Schichtsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polarisierbaren Partikel (36) aus entsprechend geformten Agglomeraten kleinerer Primärteilchen gebildet sind.
Schichtsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der polarisierbaren Partikel (36) in einer elektrisch nichtleitenden Matrix der Deckschicht (34) unterhalb der Perkolationsgrenze liegt.
Schichtsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Deckschicht eine mit den polarisierbaren Partikeln (36) beladene Lackschicht (34) ist.
Schichtsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) eine kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (CFK)-Schicht (12, 42) umfasst, auf der die Deckschicht (34) aufgebracht ist.
Schichtsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Deckschicht (34) auf einer elektrisch leitfähigen Unterschicht (44, 50) aufgetragen ist.
Schichtsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Unterschicht (44, 50) auf einer nichtleitfähigen, dielektrischen Schicht (46) zur Behinderung eines Eindringens eines durch einen Blitz verursachten Stromflusses in das vor Blitz zu schützende Bauteil (30) aufgetragen ist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Unterschicht (44) gebildet ist durch eine Matrix aus elektrisch nicht leitfähigem Material, die durch Beladung mit elektrisch leitfähigen Partikeln (48) elektrisch leitfähig gemacht worden ist.
Schichtsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix der elektrisch leitfähigen Unterschicht (44) mit den elektrisch leitfähigen Partikeln (48) in einer Konzentration oberhalb der Perkolationsgrenze beladen ist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel (48) der elektrisch leitfähigen Unterschicht (44) metallische Partikel sind.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der elektrisch leitfähigen Partikel (48) in der elektrisch leitfähigen Unterschicht (44) höher ist als die Konzentration der polarisierbaren Partikel (36) in der Deckschicht (34).
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel (48) eine unterschiedliche Größe haben, um einen hohen Füllgrad innerhalb der elektrisch leitfähigen Unterschicht (44) zu erzielen.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel (48) im wesentlichen eine flockenförmige Gestalt haben.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Unterschicht durch eine Metallschicht (50) gebildet ist.
Schichtsystem nach Anspruch 18 und nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (50) durch eine Metallisierung der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK)-Schicht (12, 42) gebildet ist.
Schichtsystem nach Anspruch 19 und nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (50) auf die auf der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK)-Schicht (12, 42) zum Schutz derselben vor eindringendem Stromfluss aufgetragenen dielektrischen Schicht (46) aufgetragen ist.
Schichtsystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11 und nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden der elektrisch leitfähigen Unterschicht leitfähige Drähte (52) in wenigstens eine Lage der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK)-Schicht (12, 42) eingewebt sind.
Bauteil (30), auf dem das Schichtsystem (23) nach einem der Ansprüche 1 – 21 aufgetragen ist.
Bauteil (30) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass es eine äußere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff (CFK)-Schicht (12, 42) aufweist, auf der das Schichtsystem (23) aufgetragen ist.
Verwendung des Bauteils (30) nach Anspruch 22 oder 23 in Luftfahrzeugen.