DE102006052303B4 - Schutz von erosionsbelasteten Luftfahrtstrukturen durch nanopartikelverstärkte anorganisch-organische Hybridbeschichtungen - Google Patents

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Abstract

Verwendung einer anorganisch-organischen Hybridbeschichtung als Erosionsschutz zum Schutz erosionsbelasteter Luftfahrtstrukturen, wobei die Beschichtung ein vernetztes durch einen Sol/Gel-Prozess erhältliches Material umfasst, wobei das Material mindestens eine Alkoxysilanverbindung und mindestens eine Metallverbindung umfasst, wobei die Metallverbindung die allgemeine Formel (II) Me(OR4)y (II)aufweist, worin Me für Al, B oder Sn steht, der Wert von y der Valenz von Me entspricht, und die Substituenten R4 gleich oder verschieden sein können und gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen umfassen, und die Metallverbindung vor der hydrolytischen Kondensation in dem Sol/Gel-Prozess mit einem Chelatliganden im Molverhältnis 1:0,5 bis 1:2 chelatisiert ist, und das Material durch Nanopartikel in einer Menge von 1–5 Gew.-%, bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, verstärkt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer nanopartikelverstärkten, anorganischorganischen Hybridbeschichtung, die durch einen Sol/Gel-Prozess aus Alkoxysilanverbindungen erhältlich ist, als Erosionsschutz, die sich auf Grund ihrer hohen Erosionsbeständigkeit gegenüber Wasser und Sand zum Schutz erosionsbelasteter Strukturen von Flugzeugen eignet.
  • Luftfahrtstrukturen wie Rotorblattvorderkanten, Flügelvorderkanten, Vorderkanten des Seitenleitwerks und Höhenleitwerks, Radom und Fenster sind starker Erosion durch Regen und Sand in der Luft ausgesetzt. Es ist daher üblich diese Strukturen mit einer Schutzschicht zu versehen um die Lebensdauer und damit die Reparaturintervalle zu verlängern. Als Schutzsysteme gegen Regen- und Sanderosion werden üblicherweise Streifen aus metallischen Werkstoffen oder Beschichtungen auf Polymerbasis verwendet. Polymerbeschichtungen weisen zwar im Vergleich zu duktilen Metallen eine geringere Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion auf, sind jedoch einfacher zu erneuern und kostengünstiger.
  • Beschichtungen aus Polyurethan sind in US 4,594,762 A , US 4,966,527 A und US 4,996,245 A beschrieben. Diese Schichten weisen gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion auf, haben aber eine geringe Lebensdauer und können sich vorzeitig von dem Substrat ablösen, wenn sie von auf die Oberfläche einschlagenden, ungewöhnlich langen oder scharfen Partikeln durchdrungen werden.
  • In WO 96/00842 A1 ist eine Tragflächenbeschichtung aus einem mit harten Partikeln verstärkten Epoxyfilm mit verbesserter Erosionsbeständigkeit beschrieben sowie ein Verfahren zur Applikation solcher Schichten.
  • Aus der US 6,341,747 B1 ist eine Nanoverbundbeschichtung bekannt, die auf die Anströmkante einer Tragfläche aufgebracht werden kann und aus einer durch Nanopartikel verstärkten Elastomermatrix besteht, die die Stoßenergie der auftreffenden Wasser- und Sandteilchen wesentlich besser absorbiert als eine reine Elastomerschicht.
  • Als Alternative zu Beschichtungen auf Polymerbasis offenbart US 5,542,820 A einen keramischen Verbundstoff bestehend aus fünf Schichten. Diese Technik hat jedoch den Nachteil, dass der Austausch der Schutzschicht mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
  • Eine weitere Alternative sind kratzfeste Sol/Gel-Beschichtungen wie in DE 4303570 A1 beschrieben, wobei keine Angaben über die Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion gemacht werden.
  • DE 10063519 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung lösungsmittelarmer Sol-Gel-Systeme, wobei nach Hydrolyse oder Kondensation eines Silans und/oder Alkoxids so viel Wasser zugegeben wird, bis eine Phasentrennung einsetzt. Anschließend wird die Kondensatphase abgetrennt.
  • Nicht-pigmentäres Titandioxid, auch als subpigmentäres bzw. mikronisiertes Titandioxid oder Nano-Titandioxid bezeichnet, ist in Römpp-Online, Version 2.13, unter dem Stichwort „Nicht-pigmentiertes Titandioxid” beschrieben.
  • US 2004/0009344 A1 offenbart ein Sol zur Oberflächenbehandlung eines Substrats zur Herstellung einer Hochtemperaturbeschichtung umfassend ein Zirkoniumalkoxid, ein Organosilan-Kopplungsreagenz, eine organische Säure und ein Pigment.
  • DE 19855226 A1 beschreibt beschichtete, elektrisch polarisierbare, nicht magnetische Teilchen, umfassend elektrisch leitfähige Kernpartikel, die eine nach einem Sprühtrocknungsverfahren aufgetragene, elektrisch isolierende Schicht aufweisen, die nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt worden ist.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Beschichtung zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Beständigkeit gegenüber Erosion ermöglicht.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer erosionsbeständigen Beschichtung mit geringer Schichtdicke.
  • Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Verwendung einer anorganischorganischen Hybridbeschichtung als Erosionsschutz zum Schutz erosionsbelasteter Luftfahrtstrukturen, wobei die Beschichtung ein vernetztes durch einen Sol/Gel-Prozess erhältliches Material umfasst, wobei das Material mindestens eine Alkoxysilanverbindung und mindestens eine Metallverbindung umfasst, wobei die Metallverbindung die allgemeine Formel (II) Me(OR4)y (II) aufweist, worin
    Me für Al, B oder Sn steht,
    der Wert von y der Valenz von Me entspricht, und die Substituenten R4 gleich oder verschieden sein können und gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoff-atomen umfassen, und
    die Metallverbindung vor der hydrolytischen Kondensation in dem Sol/Gel-Prozess mit einem Chelatliganden im Molverhältnis 1:0,5 bis 1:2 chelatisiert ist, und
    das Material durch Nanopartikel in einer Menge von 1–5 Gew.-%, bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, verstärkt ist. Die erfindungsgemäß verwendete Beschichtung zeigt z. B. eine hohe Beständigkeit gegen Regen- und Sanderosion. Wesentliche Eigenschaft von Sol/Gel-Beschichtungen als Erosionsschutz ist die Kombination aus Härte und Flexibilität (Viskoelastizität) verbunden mit einer ausgezeichneten Haftung auf dem Substrat. Die Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Beschichtung können maßgeschneidert und so je nach Anforderungen variiert werden.
  • Die erfindungsgemäß verwendete Beschichtung kann beispielsweise als Schutzschicht auf erosionsbelasteten Strukturen von Flugzeugen, Hubschraubern oder Teilen davon wie Rotorblattvorderkanten, Flügelvorderkanten, Vorderkanten des Seitenleitwerks und Höhenleitwerks, Radom und Fenster appliziert werden und kann im Vergleich zum Stand der Technik die Lebensdauer dieser Strukturen um das bis zu 40-fache erhöhen. Dies kann signifikant die Reparaturintervalle verlängern und so zur Senkung von Wartungskosten beitragen.
  • Zudem ermöglicht die erfindungsgemäß verwendete Schutzschicht eine deutliche Gewichtseinsparung durch Reduktion der Schichtdicke auf 1–10 μm im Vergleich zum Stand der Technik, der oftmals Schichtdicken zwischen 80–1000 μm erfordert.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die reduzierte Schichtdicke Beschichtungsmaterial eingespart und die Zahl der Spritzgänge verringert werden kann.
  • Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die verwendete erosionsbeständige, nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung üblicherweise transparent sein kann, und so beispielsweise eine freie Farbauswahl der Schutzschicht durch einen Mehrschichtaufbau aus der Beschichtung auf einer farbigen Grundierung ermöglicht. Dies war im bisherigen Stand der Technik meist nicht möglich, da die bekannten erosionsbeständigen Beschichtungen selbst eine graue oder schwarze Farbe hatten.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist eine schematische Skizze der einzelnen Komponenten einer Sol/Gelbasierten Erosionsschutzschicht;
  • 2 zeigt einen Schichtaufbau bestehend aus Substrat, Oberflächenvorbehandlung, Primer und farbgebendem Basecoat;
  • 3 zeigt Lichtmikroskopaufnahmen zweier Beschichtungsoberflächen nach identischer Regenerosionsbelastung.
  • 4 zeigt die Regenerosionsbeständigkeit verschiedener Beschichtungsoberflächen.
  • Erfindungsgemäß wird die Verwendung einer anorganisch-organischen Hybridbeschichtung als Erosionsschutz zum Schutz erosionsbelasteter Luftfahrtstrukturen bereitgestellt, wobei die Beschichtung ein vernetztes durch einen Sol/Gel-Prozess erhältliches Material umfasst, wobei das Material mindestens eine Alkoxysilanverbindung und
    mindestens eine Metallverbindung umfasst, wobei die Metallverbindung die allgemeine Formel (II) Me(OR4)y (II) aufweist, worin
    Me für Al, B oder Sn steht,
    der Wert von y der Valenz von Me entspricht, und
    die Substituenten R4 gleich oder verschieden sein können und gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoff- atomen umfassen, und
    die Metallverbindung vor der hydrolytischen Kondensation in dem Sol/Gel-Prozess mit einem Chelatliganden im Molverhältnis 1:0,5 bis 1:2 chelatisiert ist, und
    das Material durch Nanopartikel in einer Menge von 1–5 Gew.-%, bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, verstärkt ist.
  • Der Sol/Gel-Prozess ist eine geeignete Technik um harte und weiche Anteile in einer Schicht zu kombinieren und ermöglicht so ein hoch vernetztes Netzwerk auszubilden, welches organische und anorganische Gruppen enthält. Dieser hohe Vernetzungsgrad im nanoskaligen Bereich verleiht den mittels Sol/Gel-Technik herstellbaren Beschichtungen bzw. Schutzschichten hervorragende Erosionsbeständigkeit. Sol/Gel-Systeme sind siliziumbasiert und werden üblicherweise mittels Hydrolyse von tetrafunktionalen Alkoxidmonomeren unter Verwendung von einer Säure (z. B. HCl) oder einer Base (z. B. NH3) als Katalysator synthetisiert. Ein typischer Sol/Gel-Prozess wird durch die folgenden drei verallgemeinerten Reaktionsschemen beschrieben: (1) Hydrolyse
    Figure 00060001
    (2) Kondensation
    Figure 00070001
    wobei R üblicherweise für eine Alkylgruppe (CnH2n+1) oder dergleichen steht.
  • Während der Hydrolysereaktion werden die Alkoxygruppen (-OR) durch Hydroxylgruppen (-OH) ersetzt. Daran schließt sich die Kondensationsreaktion an, in der die Silanole zu Siloxanen (Si-O-Si) kondensieren und als Nebenprodukt Alkohol (ROH) oder Wasser (H2O) entsteht.
  • Eine schematische Skizze der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäß verwendeten anorganisch-organischen Hybridbeschichtung ist in 1 gezeigt. Das Metallalkoxidnetzwerk basiert typischerweise auf Silizium (M1). Die Härte der siliziumbasierten Beschichtung kann durch Zugabe von Nicht-Silikaten gesteigert werden, die im Vergleich zu Silizium eine höhere chemische Reaktivität aufweisen, die auf niedrigere Elektronegativität des Metalls (M2) zurückzuführen ist. Zusätzlich kann die Härte und Erosionsbeständigkeit des Systems durch die Verstärkung der Schichtmatrix mit harten Nanopartikeln (np) auf Grund deren rissablenkender Wirkung gesteigert werden. Der Vernetzungsgrad beeinflusst ebenfalls die Härte sowie die mechanische Stabilität der Beschichtung. Die mechanische Stabilität ist vor allem wichtig um z. B. erste Mikrorisse durch den Hochgeschwindigkeitstropfenaufschlag zu vermeiden. Die benötigte mechanische Stabilität des Netzwerkes kann gegebenenfalls über organofunktionelle Silane (R1, R2) weiter eingestellt werden, die in der Lage sind ein organisches Netzwerk zusätzlich zum anorganischen Netzwerk auszubilden. Nicht vernetzende funktionelle Gruppen wie z. B. Alkyl- oder Phenylgruppen können in derartigen Netzwerken als organische Platzhalter dienen, die die Flexibilität des Systems erhöhen.
  • Erosionsschutzbeschichtungen müssen im allgemeinen eine ausgezeichnete Haftung zum Substrat aufweisen. So kann z. B. durch Ausbildung von Bindungen zwischen dem Sol/Gel-Netzwerk und den funktionellen Gruppen der darunter liegenden Grundschicht die Haftung am Substrat erhöht werden. Diese Bindungen können beispielsweise über Kondensationsreaktionen zwischen den Hydroxyl- oder organofunktionellen Gruppen (R1, R2) erzeugt werden.
  • Als Sol/Gel-formende Komponenten werden vernetzbare Alkoxysilanverbindungen der folgenden allgemeinen Formel I verwendet R2 xSi(OR1)(4-x) (1), wobei x = 0, 1, 2 oder 3 ist. Die Reste R1 können gleich oder verschieden sein und können Wasserstoff, Alkyl und Acyl umfassen. Die Substituenten R2 können gleich oder verschieden sein und folgende Reste umfassen: Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Arylalkyl, Alkylaryl, Arylalkenyl, Alkenylaryl, Arylalkinyl und Alkinylaryl. Die Reste R2 können durch O- oder S-Atome oder die Gruppe NR3 unterbrochen sein, wobei R3 Wasserstoff oder Alkyl ist.
  • Alkylreste umfassen gegebenenfalls substituierte, geradkettige, verzweigte oder zyklische Reste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und insbesondere niedrige Alkylreste mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. Spezielle Beispiele sind Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sek.-Butyl, tert.-Butyl, Isobutyl, n-Pentyl, n-Hexyl, Dodecyl, Octadecyl und Cyclohexyl. Die Alkylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, Methacryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.
  • Alkenyl- und Alkinylreste können gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Reste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und insbesondere niedrige Alkylreste mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen umfassen. Spezielle Beispiele für Alkenylreste sind Allyl, 1-Methylprop-2-en-1-yl, 2-Methyl-prop-2-en-1-yl, But-2-en-1-yl, But-3-en-1-yl, 1-Methyl-but-3-en-1-yl und 1-Methyl-but-2-en-1-yl. Spezielle Beispiele für Alkinylreste sind Propinyl, But-2-in-1-yl, But-3-in-1-yl und 1-Methyl-but-3-in-1-yl.
  • Acylreste können gegebenenfalls substituierte Reste organischer Säuren, die formal durch Abspaltung einer OH-Gruppe aus der organischen Säure entstehen umfassen, beispielsweise Reste einer Carbonsäure oder Reste davon abgeleiteter Säuren wie der Thiocarbonsäure, gegebenenfalls N-substituierten Iminocarbonsäuren oder die Reste von Kohlensäuremonoestern, gegebenenfalls N-substituierter Carbaminsäuren, Sulfonsäuren, Sulfinsäuren, Phosphonsäuren, Phosphinsäuren. Die Acylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, Methacryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.
  • Arylreste können gegebenenfalls substituierte mono-, bi-oder polycyclisches aromatische Systeme umfassen, beispielsweise Phenyl, Naphthyl, Tetrahydronaphthyl, Indenyl, Indanyl, Pentalenyl, Fluorenyl und ähnliches, vorzugsweise Phenyl. Die Arylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, Methacryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.
  • Vorzugsweise werden die Sol/Gel-formenden Komponenten der allgemeinen Formel I ausgewählt aus der Gruppe umfassend Tetraalkoxysilane, Aryltrialkoxysilane, Alkenylalkoxysilane, Glycidoxyalkyltrialkoxysilane, Aminoalkyltrialkoxysilane und (Meth)acryltrialkoxysilane sowie Mischungen davon. Besonders bevorzugt sind Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Tetraethylorthosilicat, Aminopropyltriethoxysilan und Phenyltrimethoxysilan sowie Mischungen davon.
  • Die Hydrolyse der Sol/Gel-formenen Komponenten kann durch Zugabe von Wasser erfolgen.
  • Die Härte der siliziumbasierten Schichtmatrix wird durch Zugabe von Metallverbindungen der allgemeinen Formel II Me(OR4)y (II) gesteigert. Die Reste R4 können gleich oder verschieden sein und umfassen geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl. Der Wert von y entspricht der Valenz des Metalls. Das Metall ist Al, B oder Sn. Vorzugsweise werden die Metallverbindungen der allgemeinen Formel II ausgewählt aus der Gruppe umfassend Sn(OR4)4 und Al(OR4)3. Bevorzugte Beispiele sind Aluminiumtriisopropylat und Aluminiumtri-sec-butylat.
  • Die Metallverbindungen der allgemeinen Formel II werden vor der hydrolytischen Kondensation mit einem gängigen Chelatliganden im Molverhältnis 1:0,5 bis 1:2 chelatisiert, bevorzugt ist das Molverhältnis 1:1. Als Chelatliganden können alle gängigen Chelatliganden verwendet werden, bevorzugt ist Acetessigsäureethylester.
  • Das Sol wird zusätzlich mit harten Nanopartikeln in einer Menge von 1–5 Gew.-%, bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, versetzt, so dass die Beschichtung Nanopartikel enthält bzw. durch Nanopartikel verstärkt ist. Die Nanopartikel können mindestens eines aus Metalloxiden, Metallcarbiden und Metallnitriden umfassen, wobei das Metall aus Silizium, einem Übergangsmetall oder einem Element der Borgruppe ausgewählt ist. Bevorzugte Beispiele sind SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2, TiO2 und SiO2. Die Nanopartikel können eine mittlere Partikelgröße (d50) zwischen 5 nm und 100 nm, vorzugsweise 10 nm, aufweisen und können vorzugsweise in einer Konzentration von 1 Gew.-% bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, eingesetzt werden.
  • Die Verarbeitungseigenschaften des Sol/Gels können über Lösungsmittel sowie Additive eingestellt werden. Geeignet als Lösungsmittel sind z. B. Isopropanol, 1-Butanol, Buthoxyethanol und Glykol. Die Additive können beispielsweise Verlaufsmittel, Dispergierhilfen, UV-Stabilisatoren und Silikone sowie Kondensationskatalysatoren wie z. B. Säuren oder Basen umfassen. Zur Steigerung der Flexibilität kann das fertige Sol kann zudem mit einem Epoxidharz versehen werden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mittels eines Sol/Gel-Prozesses aus Mischungen von Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Tetraethylorthosilikat, Wasser und Nanopartikeln aus Al2O3, SiO2 oder ZrO2 die erfindungsgemäß verwendete erosionsbeständige Beschichtung hergestellt. Besonders bevorzugt werden die Nanopartikel hierbei in einer Konzentration von etwa 1 Gew.-% bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung eingesetzt. Vorzugsweise wird das Molverhältnis von Glycidoxypropyltrimethoxysilan zu Tetraethylorthosilikat zwischen 0,5:1 und 1:0,5, besonders bevorzugt bei etwa 1:1 eingestellt.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäß verwendete erosionsbeständige Hybridbeschichtung mittels eines Sol/Gel-Prozesses aus Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan unter Zusatz von Aluminium-sec-butylat hergestellt. Das bevorzugte Molverhältnis dieser Komponenten liegt bei etwa 6,5:0,4:1:2. Als Nanopartikel werden vorzugsweise ZrO2, SiO2 oder Al2O3 in Mengen von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, zugesetzt. Besonders bevorzugt wird das Aluminium-sec-butylat im Mengenverhältnis von etwa 1:1 (Molverhältnis) mit Acetessigsäuremethylester vor dessen Zugabe zu den Silankomponenten versetzt.
  • Das Sol kann mittels üblicher Applikationsverfahren wie Tauchen, Schleudern, Fluten, Pinseln oder Sprühen appliziert werden. Die Beschichtung kann thermisch, z. B. bei einer Temperatur zwischen 60°C und 180°C, ausgehärtet werden, vorzugsweise bei etwa 120°C. Die Beschichtung kann alternativ oder zusätzlich auch durch Bestrahlung, z. B. mit UV-Licht, Infrarot oder dergleichen ausgehärtet werden. Gegebenenfalls kann, sofern erforderlich, hierzu ein geeigneter Radikalstarter, z. B. Bu3SnH, zugesetzt werden.
  • Die Beschichtung wird vorzugsweise auf eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 30 μm eingestellt, vorzugsweise beträgt die Schichtdicke etwa 10 μm. Durch Mehrfachbeschichtung können Schichtdicke und Erosionsbeständigkeit gegebenenfalls weiter erhöht werden.
  • Die erosionsbeständige, nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung kann direkt auf die erosionsbelastete Luftfahrtstruktur oder auf eine vorbeschichtete Luftfahrtstruktur appliziert werden, wobei die Luftfahrtstruktur aus Metall, Kunststoff, Keramik, Faserverbundwerkstoff oder Folie bestehen kann.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist die erosionsbelastete Luftfahrtstruktur, auf welche die erfindungsgemäß verwendete Beschichtung aufgebracht wird, ausgewählt aus erosionsbelasteten Strukturen von Flugzeugen oder Hubschraubern, wie beispielsweise Flügelvorderkanten, Seitenleitwerke, Höhenleitwerke, Fenster, Radom, Rotorblatt und dergleichen.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die verwendete erosionsbeständige, nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung auf einen Schichtaufbau bestehend aus Substrat, Oberflächenvorbehandlung, Primer und farbgebendem Basecoat appliziert und als Schutzschicht für erosionsbelastete Luftfahrtstrukturen verwendet wird. Vorzugsweise beträgt hierbei die Schichtdicke der Oberflächenvorbehandlung etwa 3 μm, die des Primer etwa 10 bis 30 μm, die des farbgebenden Basecoats etwa 10 bis 30 μm und die der erfindungsgemäß verwendeten Hybridbeschichtung etwa 5 bis 20 μm.
  • Lichtmikroskopaufnahmen zweier Beschichtungsoberflächen nach identischer Regenerosionsbelastung (Aufprallgeschwindigkeit 335 m/s) sind in 3 gezeigt. Während das kommerzielles Produkt auf organischer Polymerbasis in 3(a) bereits vollständig abgetragen ist, weist die erfindungsgemäß verwendete Sol/Gel-Beschichtung in 3(b) lediglich geringe Erosionsspuren auf.
  • 4 zeigt die Regenerosionsbeständigkeit verschiedener Beschichtungsoberflächen, die anhand der maximalen Anzahl an Überfahrten mit einem Hochgeschwindigkeitströpfchenstrahl (223 m/s) bis zur ersten Schädigung bestimmt wurde. Die erfindungsgemäß verwendete Sol/Gel-Beschichtung A zeigt im Vergleich zu den Beschichtungen B bis D, die aus kommerziellen Produkten auf organischer Polymerbasis hergestellt wurden, eine vielfach höhere Erosionsbeständigkeit.
  • Ausführungsbeispiele
  • Die in dieser Beschreibung, den Ansprüchen und den nachfolgenden Beispielen gegebenen Gew.-%-Angaben beziehen auf fest in fest, d. h. die Gewichtsprozent fester Partikel in der festen ausgehärteten Schicht. Der Quotient rw beschreibt das Molverhältnis der zugegebenen Wassermenge zu der für eine vollständige Hydrolyse aller beteiligten Sol/Gel-Komponenten theoretisch benötigten Wassermenge. AITM 1-0027 ist eine Testmethode zur Charakterisierung der Regenerosionsbeständigkeit von Beschichtungen und Grundmaterialien, wobei die Abkürzung AITM für „Airbus Industries Test Method” steht.
  • Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 0,51 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:0,5 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 0,5:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiels (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Große von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 6 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:0,5 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 7 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 0,5:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 9 (Vergleichsbeispiel)
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:0,5 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 10
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1‚14) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 10 nm zugege. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 11
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurden 2 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 12
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurden 5 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 13
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurde 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 14
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurden 2 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 15
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurden 5 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 16
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 17
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurden 2 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 18
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw = 1,14) wurden 5 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50 = 20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Die Beschichtungen aller Beispiele wurden hinsichtlich Haftung (Gitterschnitt), Flexibilität (Impact, Dornbiegeversuch) und ihrer Regenerosionsbeständigkeit in Anlehnung an AITM 1-0027 getestet (Geschwindigkeit der Regentropfen 223 m/s) und zeigten überdurchschnittliche Eigenschaften im Vergleich zu Beschichtungen auf organischer Polymerbasis.

Claims (16)

  1. Verwendung einer anorganisch-organischen Hybridbeschichtung als Erosionsschutz zum Schutz erosionsbelasteter Luftfahrtstrukturen, wobei die Beschichtung ein vernetztes durch einen Sol/Gel-Prozess erhältliches Material umfasst, wobei das Material mindestens eine Alkoxysilanverbindung und mindestens eine Metallverbindung umfasst, wobei die Metallverbindung die allgemeine Formel (II) Me(OR4)y (II) aufweist, worin Me für Al, B oder Sn steht, der Wert von y der Valenz von Me entspricht, und die Substituenten R4 gleich oder verschieden sein können und gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen umfassen, und die Metallverbindung vor der hydrolytischen Kondensation in dem Sol/Gel-Prozess mit einem Chelatliganden im Molverhältnis 1:0,5 bis 1:2 chelatisiert ist, und das Material durch Nanopartikel in einer Menge von 1–5 Gew.-%, bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, verstärkt ist.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Alkoxysilanverbindung die allgemeine Formel (I) R2 xSi(OR1)(4-x) (I) aufweist, worin die Substituenten R1 gleich oder verschieden sein können und ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Wasserstoff, geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl und Acyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, und die Substituenten R2 gleich oder verschieden sein können und ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Arylalkyl, Alkylaryl, Arylalkenyl, Alkenylaryl, Arylalkinyl und Alkinylaryl, wobei diese durch O- oder S-Atome oder die Gruppe -NR3- unterbrochen sein können, wobei R3 Wasserstoff oder geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, und x = 0, 1, 2 oder 3 ist.
  3. Verwendung nach Anspruch 2, wobei die Alkylreste der Substituenten R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sek.-Butyl, tert.-Butyl, Isobutyl, n-Pentyl, n-Hexyl, Dodecyl, Octadecyl und Cyclohexyl.
  4. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Alkoxysilanverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Tetraalkoxysilane, Aryltrialkoxysilane, Alkenylalkoxysilane, Glycidoxyalkyltrialkoxysilane, Aminoalkyltrialkoxysilane und (Meth)acryltrialkoxysilane, sowie Mischungen davon.
  5. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Alkoxysilanverbindung ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Tetraethylorthosilicat, Aminopropyltriethoxysilan und Phenyltrimethoxysilan sowie Mischungen davon.
  6. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Alkylreste der Substituenten R4 der allgemeinen Formel (II) ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl.
  7. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Metallverbindung der allgemeinen Formel II ausgewählt ist aus der Gruppe Aluminiumtriisopropylat, und Aluminiumtri-sec-butylat.
  8. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Metalloxide, Metallcarbide und Metallnitride, wobei das Metall aus Silizium, einem Übergangsmetall oder einem Element der Borgruppe besteht.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus mindestens einem von SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2, TiO2, SiO2, CeO2 und B4C.
  10. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanopartikel eine mittlere Partikelgröße zwischen 5 nm und 100 nm aufweisen.
  11. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanopartikel eine mittlere Partikelgröße von 10 nm aufweisen.
  12. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 30 μm aufweist.
  13. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke von 10 μm aufweist.
  14. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung transparent ist.
  15. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Chelatligand Acetessigsäureethylester ist.
  16. Verwendung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Luftfahrtstruktur ausgewählt ist aus Rotorblattvorderkanten, Flügelvorderkanten, Vorderkanten des Seiten- oder Höhenleitwerks, Radom oder Fenstern von Flugzeugen oder Hubschraubern oder Teilen davon.
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