DE102010047735B4

DE102010047735B4 - Arrangement with self-healing protective coating

Info

Publication number: DE102010047735B4
Application number: DE102010047735.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Haase; Dr. Schäfer Frank
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-10-09
Also published as: DE102010047735A1

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung mit einer selbstheilenden Schutzschicht, die zumindest eine ein nach dem Prinzip des Rückfederns und Verbindens zur Selbstheilung fähigen Kunststoff enthaltende Folienschichtanordnung aufweist. Die Folienschichtanordnung ist zumindest einseitig mit einer Schichtanordnung verbunden, die für eine Fragmentierung und Abbremsung von auf die Schichtanordnung impaktierenden Partikeln sorgt. Die Schichtanordnung kann eine oder mehreren Metallplatten und/oder wenigstens eine Gewebeschicht sowie wenigstens eine mit der Gewebeschicht flächig verbundene Elastomer- oder Schaumschicht aufweisen. Die impaktierenden Partikel treffen zuerst auf die Metallplatte oder zuerst auf die Gewebeschicht.An arrangement is described with a self-healing protective layer which has at least one foil layer arrangement containing a plastic which is capable of self-healing according to the principle of spring-back and bonding. The film layer arrangement is connected at least on one side with a layer arrangement which ensures fragmentation and deceleration of particles impacting on the layer arrangement. The layer arrangement may comprise one or more metal plates and / or at least one fabric layer and at least one elastomer or foam layer connected in a planar manner to the fabric layer. The impacting particles hit the metal plate first or the tissue layer first.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit einer selbstheilenden Schutzschicht.The invention relates to an arrangement with a self-healing protective layer.

Stand der TechnikState of the art

Für künftige bemannte Weltraummissionen werden Habitate als Unterkünfte für die Besatzung benötigt. Eine der größten Gefahren für Habitate geht von Weltraumschrott-Teilchen oder Mikrometeoriten aus, im Folgenden als Partikel bezeichnet. Das Bedrohungspotential durch Einschlag derartiger Partikel kommt insbesondere durch die hohen Relativgeschwindigkeiten bzw. Impaktgeschwindigkeiten, mit denen die Partikel auf die Habitataußenwand auftreffen, zustande. Zum Beispiel beträgt die Impaktgeschwindigkeit für Weltraumschrott mit einem Raumfahrzeug in erdnahen Umlaufbahnen typischerweise bis zu 16 Kilometer pro Sekunde (km/s). Die mittlere Impaktgeschwindigkeit von Weltraumschrott auf die internationale Raumstation (ISS) liegt bei etwa 10 km/s. Mikrometeoriten mit Impaktgeschwindigkeiten von bis zu 70 km/s stellen speziell bei interplanetaren Missionen eine besondere Gefahr dar. So haben Partikel mit einer Masse von nur wenigen Milligramm bei derart hohen Impaktgeschwindigkeiten bereits eine mit einer Pistolenkugel vergleichbare kinetische Energie, wohingegen Partikel mit einer Größe von 1,5 cm bereits die kinetische Energie eines Flugabwehrgeschosses besitzen, gleichwohl sich die physikalischen Wirkmechanismen deutlich aufgrund der verschiedenen Geschwindigkeiten voneinander unterscheiden.For future manned space missions, habitats are needed as accommodation for the crew. One of the biggest threats to habitats comes from space debris particles or micrometeorites, hereinafter referred to as particles. The threat potential due to the impact of such particles is due, in particular, to the high relative speeds or impact velocities with which the particles impinge on the habitat outer wall. For example, the impact rate for space junk with a spacecraft in near-Earth orbits is typically up to 16 kilometers per second (km / s). The average impact velocity of space junk on the International Space Station (ISS) is about 10 km / s. Micrometeorites with impact velocities of up to 70 km / s pose a particular danger, especially in interplanetary missions. For example, particles with a mass of only a few milligrams have kinetic energy comparable to a bullet at such high impact velocities, whereas particles with a size of 1 , 5 cm already have the kinetic energy of an anti-aircraft missile, however, the physical mechanisms of action differ significantly due to the different speeds.

Der Impakt derartiger Partikel und die dadurch verursachte Beschädigung der Hülle von beispielsweise im Orbit stationierten Habitaten können lebensbedrohliche Folgen für die Besatzung des Habitats annehmen. Daher ist neben der Strukturfunktion der wichtigste Design-Treiber für die Auslegung von Habitataußenwänden der Schutz gegen derartige Partikeleinschläge.The impact of such particles and the resulting damage to the shell of, for example, orbitally-hosted habitats can have life-threatening consequences on the crew of the habitat. Therefore, in addition to the structural function of the main design driver for the interpretation of Habitataußenwänden the protection against such particle impacts.

Habitatwände bestehen zum einen aus einer Strukturwand, die die mechanischen Lasten aufzunehmen vermag, welche aus dem Überdruck des Innenraums gegenüber dem Vakuum im Außenraum entstehen. Diese Druckdifferenz beträgt eine Atmosphäre. Zum anderen bestehen Habitatwände aus einem Schutzaufbau, der im Idealfall eine Perforation der inneren Schicht der Habitatwand beim Einschlag eines Partikels verhindert. Unter dem Begriff „innere Schicht” wird dabei die Druckhülle verstanden, die aus einer oder mehreren Lagen bestehen kann und sich durch ihre Gasdichtigkeit auszeichnet. In der Regel sind die einzelnen gasdichten Lagen durch hochfeste Gewebeschichten getrennt, durch die ein zusätzlicher Impaktschutz gewährleistet wird. Unter dem Begriff „Perforation” wird die Schädigung der inneren Schichten verstanden, die zu einer Leckage von Gas, insbesondere Luft, in den Weltraum führen kann. Derartige Schäden zeichnen sich bspw. durch Rissbildung oder durch Ausbildung einer Öffnung bzw. Lochbildung aus.Habitat walls consist on the one hand of a structural wall, which is able to absorb the mechanical loads that arise from the overpressure of the interior space in relation to the vacuum in the exterior space. This pressure difference is one atmosphere. On the other hand, habitat walls consist of a protective structure which ideally prevents perforation of the inner layer of the habitat wall when a particle is impacted. The term "inner layer" is understood to mean the printing sleeve, which may consist of one or more layers and is distinguished by its gas-tightness. As a rule, the individual gas-tight layers are separated by high-strength fabric layers, which ensure additional impact protection. The term "perforation" is understood to mean the damage to the inner layers, which can lead to a leakage of gas, in particular air, into space. Such damage is characterized, for example, by the formation of cracks or by the formation of an opening or hole formation.

Grundsätzlich zeichnet sich die physikalische Schutzwirkung eines Schutzschildes dadurch aus, dass die auf den Schutzschild einschlagenden Partikel durch den mehrschichtigen Aufbau des Schutzschildes, bspw. in Form einer flexiblen Sandwich-Struktur aus verschiedenen Gewebe- und Schaumschichten, in kleine Partikelfragmente aufgespalten und letztlich abgebremst werden. Die Aufspaltung bzw. Fragmentierung erfolgt durch Zersplitterungsprozesse, die bei Wechselwirkung der Partikel mit den einzelnen Gewebeschichtlagen auftreten. Dennoch kann es vorkommen, dass der vorhandene Schutzmechanismus nicht ausreichend ist und die Habitatwand perforiert wird. In diesem Fall muss das entstehende Loch möglichst schnell verschlossen werden, um ein Entweichen der Atmosphäre aus dem Inneren des Habitats zu verhindern.In principle, the physical protective effect of a protective shield is characterized by the fact that the particles impacting on the protective shield are split into small particle fragments and finally decelerated by the multilayer structure of the protective shield, for example in the form of a flexible sandwich structure made of different fabric and foam layers. The splitting or fragmentation takes place by fragmentation processes, which occur when the particles interact with the individual layers of tissue layers. Nevertheless, it may happen that the existing protective mechanism is insufficient and the habitat wall is perforated. In this case, the resulting hole must be closed as quickly as possible to prevent escape of the atmosphere from the interior of the habitat.

Die bislang praktikabelste Lösung zum Verschließen derartiger durch Partikelimpakt hervorgerufener Löcher innerhalb der Habitatwand besteht darin, die Perforationsstellen von Hand zu reparieren und die Löcher mit entsprechender Verschlussmasse abzudichten. Hierzu müssen die entsprechenden Perforationsstellen zunächst einmal gefunden werden, dies kann jedoch aus mehreren Gründen problematisch sein: Zunächst können viele Stellen der Habitatwand nur schwer zugänglich sein und sind z. B. mit Regalen oder Geräten verstellt. Oder aber die Stellen sind verkleidet, bspw. mit Wärmeisolationsschichten. Darüber hinaus hat sich bei der internationalen Raumstation gezeigt, dass es technisch sehr schwierig ist, kleinste Öffnungen zu lokalisieren. Erst bei wenigen Millimeter großen Öffnungen entsteht in der Luftsäule über dem Austrittsloch ein in der Raumstation deutlich hör- und damit ortungsbarer Pfeifton.The hitherto most practicable solution for sealing such particle-induced holes within the habitat wall is to repair the perforation sites by hand and seal the holes with appropriate sealant. For this purpose, the corresponding perforation must first be found, but this can be problematic for several reasons: First, many parts of the habitat wall are difficult to access and z. B. adjusted with shelves or devices. Or the places are covered, for example with heat insulation layers. In addition, the international space station has shown that it is technically very difficult to locate even the smallest of openings. Only with a few millimeters large openings in the air column above the outlet hole in the space station clearly audible and thus locatable whistling sound.

Ein wesentlich effektiverer Ansatz ergibt sich durch ein autonomes System, das zumindest die innere Schicht oder die inneren Schichten der Habitatwand selbst heilen kann, d. h. luftdicht verschließen kann.A much more effective approach results from an autonomous system that can heal at least the inner layer or layers of the habitat wall itself, d. H. can close airtight.

In diesem Zusammenhang geht aus der US 6,439,508 B1 ein aufblasbares Habitat für den Weltraumeinsatz hervor, das über eine mehrschichtige Habitatwand verfügt, in der wenigstens eine selbstheilende Schicht vorgesehen ist, die aus einer ersten Gelschicht sowie einer Netzstruktur mit einer zweiten Gelkomponente besteht. Der selbstheilende Mechanismus, der bei einer lokalen Perforation des Schichtaufbaus zum Wiederverschluss von durch Partikelimpakt entstandenen Rissen oder Löchern innerhalb der Schutzschicht führt, basiert auf einer chemischen Reaktion beider chemischer Gelkomponenten unter Ausbildung eines die Habitatöffnung wieder verdichtenden Schaumes.In this context, goes from the US 6,439,508 B1 an inflatable habitat for space use, which has a multi-layered habitat wall in which at least one self-healing layer is provided which consists of a first gel layer and a network structure with a second gel component. The self-healing mechanism that is used in local perforation of the layer structure to reclosure of Particle impact resulting cracks or holes within the protective layer, based on a chemical reaction of both chemical gel components to form a re-compressing the habitat opening foam.

Eine vergleichbare Anordnung ist der US 2009/0191402 A1 zu entnehmen, die einen Schichtverbund aus einer flexiblen Schicht und einer Kompositschicht vorsieht. Die Kompositschicht weist eine Elastomermatrix auf, in der eine Vielzahl von Mikrokapseln verteilt eingebettet ist, in denen eine flüssige Komponente eingeschlossen ist, die nach einer Beschädigung der jeweiligen Kapselhaut durch einen Partikelimpakt mit dem Elastomer in Kontakt tritt und durch eine chemische Reaktion ein Polymer bildet, das winzige Risse verschließen kann.A comparable arrangement is the US 2009/0191402 A1 which provides a layer composite of a flexible layer and a composite layer. The composite layer has an elastomeric matrix in which a plurality of microcapsules are embedded in which a liquid component is included, which after a damage of the respective capsule skin by a particle impact with the elastomer in contact and forms a polymer by a chemical reaction, can close the tiny cracks.

Auf einem vergleichbaren Heilungsmechanismus basierend beschreibt ein Beitrag von B. A. Beiermann et al, „Self-healing flexible laminates for resealing of puncture damage”, Smart Mater. Struct. 18 (2009), 085001, einen selbstheilenden Schichtverbund, bestehend aus zwei begrenzenden Schichten, zwischen denen eine Mikrokapseln enthaltende Zwischenschicht eingeschlossen ist. Die Mikrokapseln enthalten jeweils eine von zwei unterschiedlichen flüssigen Komponenten. Werden die Mikrokapseln verletzt, so treten die unterschiedlichen Komponenten in Kontakt und bilden im Wege einer chemischen Reaktion ein sich selbst aushärtendes Harz aus.Based on a comparable healing mechanism, a contribution by B.A. Beiermann et al., "Self-healing flexible laminates for the repair of puncture damage", describes smart mater. Struct. 18 (2009), 085001, a self-healing composite layer consisting of two limiting layers, between which a microcapsule-containing intermediate layer is included. The microcapsules each contain one of two different liquid components. If the microcapsules are injured, the various components come into contact and form a self-hardening resin by way of a chemical reaction.

Allerdings besitzen die vorstehend beschriebenen autonom heilenden Schichtsysteme einige Nachteile. So ist eine komplex aufgebaute Habitatwand, die verschiedene chemische Komponenten enthält, aufwendiger und teuerer in der Herstellung. Zudem muss bei Weltraumanwendungen beachtet werden, dass die verwendeten Stoffe möglichst resistent gegenüber den im Weltraum herrschenden Umgebungsbedingungen ausgelegt sind, d. h. große Temperaturschwankungen oder besonders hohe oder tiefe Temperaturen unbeschadet überstehen sollen, strahlungsfest und Vakuum geeignet sein sollen, um auch nach längerer Zeit im Weltraum in der gewünschten Weise reaktionsfähig zu bleiben. Weiterhin spielt auch die Dauer des Heilungsprozesses eine wesentliche Rolle. So benötigt bspw. das erwähnte Material mit Mikrokapseln ca. 24 Stunden um ein Loch mit einem Durchmesser von nur 0,5 mm gasdicht zu verschließen und dies ohne vorhandenen Druckgradient. Ein derartig langsam ablaufender Verschlussmechanismus ist somit für Weltraumeinsätze, bei denen ein Druckgefälle von einer Atmosphäre vorherrscht, nur bedingt bis überhaupt nicht einsetzbar. Größere Löcher als 0,5 mm können mit der vorstehend beschriebenen Methode nicht effektiv verschlossen werden.However, the autonomously healing layer systems described above have some disadvantages. Thus, a complex habitat wall containing various chemical components is more expensive and expensive to manufacture. In addition, for space applications, it must be ensured that the substances used are as resistant as possible to the ambient conditions prevailing in space, ie. H. large temperature fluctuations or particularly high or low temperatures to survive unscathed, radiation resistant and vacuum should be suitable to remain responsive even after a long time in space in the desired manner. Furthermore, the duration of the healing process also plays an essential role. For example, the mentioned material with microcapsules takes about 24 hours to seal a hole with a diameter of only 0.5 mm gas-tight and this without existing pressure gradient. Such a slow-running shutter mechanism is thus limited or not applicable for space applications in which a pressure gradient of one atmosphere prevails. Larger holes than 0.5 mm can not be effectively closed by the method described above.

Aus US 2009/0247694 A1 ist ein selbstheilendes Elastomersystem bekannt, bei dem an die Oberfläche eines Elastomers eine flüssige Phase angrenzt, die ein Additiv enthält. Die Elastomermatrix des Elastomers weist im Inneren kovalent gebundene erste funktionelle Gruppen auf, die im Falle einer Beschädigung der Elastomeroberfläche mit der flüssigen Phase in Kontakt treten und mit dem Additiv reagieren, so dass die Beschädigung „geheilt” wird.Out US 2009/0247694 A1 For example, a self-healing elastomer system is known in which a liquid phase containing an additive adjoins the surface of an elastomer. The elastomer matrix of the elastomer has internally covalently bonded first functional groups which, in the event of damage to the elastomer surface, contact the liquid phase and react with the additive to "cure" the damage.

In WO 2005/064263 A1 ist eine Schutzschicht aus Polyurethanelastomer offenbart, die insbesondere auf militärischen Fahrzeugen, z. B. Panzern, aufgebracht werden kann, um diese gegen geformte Ladungen zu schützen. Beim Auftreffen der geformten Ladungen dringt das Material der Schutzschicht in den Hohlraum der geformten Ladung ein und verhindert einen wirkungsvollen Aufbau des Hohlraumstrahls (Jets).In WO 2005/064263 A1 is disclosed a protective layer of polyurethane elastomer, which in particular on military vehicles, for. As tanks, can be applied to protect them against shaped charges. Upon impact of the shaped charges, the material of the protective layer penetrates into the cavity of the molded charge and prevents effective build-up of the jet of jets.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer selbstheilenden Schutzschicht anzugeben, bei der sichergestellt sein soll, dass der selbstständige Wiederverschluss eines impaktbedingten Loches innerhalb der Schutzschicht schnell und zuverlässig erfolgt. Insbesondere sollen keine Materialdegradationserscheinungen innerhalb der Schutzschicht auftreten, die durch einen Einsatz unter Weltraumbedingungen mit den damit verbundenen hohen Temperaturschwankungen und einer hohen Strahlungsbelastung bedingt sein können. Die neuartige Anordnung soll über ein möglichst geringes Gewicht verfügen.The invention has for its object to provide an arrangement with a self-healing protective layer, in which it should be ensured that the self-reclosing of an impact-related hole within the protective layer is done quickly and reliably. In particular, no material degradation phenomena should occur within the protective layer, which may be due to use under space conditions with the associated high temperature fluctuations and high radiation exposure. The novel arrangement should have the lowest possible weight.

Lösungen der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe sind in den nebengeordneten Ansprüchen 1, 2 und 3 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.Solutions of the problem underlying the invention are given in the independent claims 1, 2 and 3. The concept of the invention advantageous further development features can be found in the dependent claims and the further description with reference to the embodiments.

Die Anordnungen gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen 1, 2 und 3 weisen sämtlich eine selbstheilende Schutzschicht auf, die zumindest eine Folienschichtanordnung aufweist, die einen nach dem Prinzip des Rückfederns und stoffschlüssigen Verbindens zur Selbstheilung von durch die Folienschichtanordnung impaktierenden Partikeln oder Partikelfragmenten hervorgerufenen Rissen fähigen Kunststoff enthält und die zumindest einseitig mit einer Schichtanordnung verbunden ist, die für eine Fragmentierung und Abbremsung von auf die Schichtanordnung impaktierenden Partikeln sorgt.The arrangements according to the independent patent claims 1, 2 and 3 all have a self-healing protective layer which comprises at least one film layer arrangement which contains a plastic capable of cracking on the principle of springback and integral bonding for self-healing of particles or particle fragments impacting the film layer arrangement which is connected at least on one side with a layer arrangement which ensures fragmentation and deceleration of particles impacting on the layer arrangement.

In einer ersten alternativen Ausführungsform sind die Schichtanordnung und die Folienschichtanordnung derart angeordnet, dass die impaktierenden Partikel zuerst auf die Schichtanordnung treffen und die Schichtanordnung wenigstens eine oder mehrere Metallplatten aufweist.In a first alternative embodiment, the layer arrangement and the foil layer arrangement are arranged such that the impacting Particles first encounter the layer arrangement and the layer arrangement has at least one or more metal plates.

In einer zweiten alternativen Ausführungsform sieht die Schichtanordnung wenigstens eine Gewebeschicht sowie wenigstens eine mit der Gewebeschicht flächig verbundene Elastomer- oder Schaumschicht vor und die impaktierenden Partikel treffen zuerst auf die wenigstens eine Gewebeschicht. Dabei kann es sich sowohl um einen Polymerschaum, als auch um einen Metallschaum handeln.In a second alternative embodiment, the layer arrangement provides at least one fabric layer and at least one elastomer or foam layer connected in a planar manner to the fabric layer, and the impacting particles first strike the at least one fabric layer. This can be both a polymer foam, as well as a metal foam.

In einer dritten alternativen Ausführungsform weist die Schichtanordnung wenigstens eine Metallplatte auf und sieht wenigstens eine Gewebeschicht sowie wenigstens eine mit der Gewebeschicht flächig verbundene Elastomer- oder Schaumschicht vor. Die impaktierenden Partikel treffen zuerst auf die wenigstens eine Gewebeschicht und nachfolgend auf die Elastomer- oder Schaumschicht oder treffen zuerst auf die Metallplatte.In a third alternative embodiment, the layer arrangement has at least one metal plate and provides at least one fabric layer and at least one elastomer or foam layer connected in a planar manner to the fabric layer. The impacting particles strike first the at least one fabric layer and subsequently the elastomer or foam layer or strike the metal plate first.

Im Unterschied zu den eingangs erläuterten bekannten Schutzschichten enthält die lösungsgemäße Anordnung keine flüssigen Chemikalien, Schäume oder Gele, sondern nutzt die Fähigkeit bestimmter Kunststoffe zur Selbstheilung nach dem Prinzip des „Rückfederns und Verbindens”. So vermögen bestimmt ausgewählte Kunststoffe, die als Folien vorliegen, Einschusslöcher nahezu sofort nach dem Durchtritt eines bis hin zu mehreren Millimeter im Durchmesser großen Partikels oder Projektils autonom zu verschließen. Trifft ein Partikel/Projektil auf eine derart ausgewählte Folie, die typischerweise eine Foliendicke von mehreren Millimetern aufweist, so wird die Folie zunächst lokal im Bereich des Impaktereignisses gedehnt, bis die Folie schließlich lokal aufreist und das Projektil letztlich durch die Folie hindurchtritt. Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Kunststofffolie federn die sich ausbildenden lokalen Risskanten der Folie nach Durchtritt des Projektils wieder zurück, vorzugsweise in ihre flächig plane Folienausgangsstellung. Dadurch gelangen die Folienrisskanten wieder in gegenseitigen Kontakt und können sich im Wege eines Selbstheilungsprozesses stoffschlüssig miteinander verbinden. Bei sogenannten thermoplastischen Elastomeren erfolgt der selbstheilende Verbindungsprozess dadurch, dass sich das Kunststoffmaterial während des Impaktvorganges zumindest im Bereich der sich ausbildenden Folienrisskanten lokal bis hin zum Erreichen der Schmelztemperatur erwärmt, so dass die lokal aufgeschmolzenen Folienrisskanten im zurückfedernden Moment der Wiederkontaktierung miteinander verschmelzen und auf diese Weise eine Stoffschlussverbindung eingehen. Grundsätzlich sind auch andere bzw. alternative Verbindungsmöglichkeiten denkbar, wie bspw. das Entstehen physikalischer Bindungen zwischen aufgerissenen Molekülketten des Kunststoffmaterials im Bereich der sich ausbildenden Risskanten (beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen).In contrast to the known protective layers explained in the introduction, the solution according to the invention does not contain any liquid chemicals, foams or gels, but uses the ability of certain plastics for self-healing according to the principle of "spring-back and bonding". Thus, selected plastics, which are present as films, are able to close bullet holes autonomously almost immediately after the passage of a particle or projectile up to several millimeters in diameter. If a particle / projectile strikes a film selected in this way, which typically has a film thickness of several millimeters, then the film is first stretched locally in the area of the impact event until the film finally winds up locally and the projectile ultimately passes through the film. Due to the elastic properties of the plastic film, the forming local crack edges of the foil spring back after the projectile has passed, preferably into its areal flat foil starting position. As a result, the film break edges come back into mutual contact and can connect to one another by means of a self-healing process cohesively. In so-called thermoplastic elastomers, the self-healing bonding process takes place in that the plastic material heats up locally during the impact process, at least in the area of the film tear edges forming until the melting temperature is reached, so that the locally fused film tear edges merge with each other in the rebounding moment of recontacting and in this way make a material connection. In principle, other or alternative connection possibilities are conceivable, such as, for example, the formation of physical bonds between torn molecular chains of the plastic material in the region of the forming crack edges (for example hydrogen bonds).

Aus einem Beitrag von D. J. Klein, „Ballistic testing and development of new self-healing polymers”, 2nd International Converence an Self-Healing Materials, Chicago, USA (2009), sowie von S. J. Kalista et al., „Self-Healing of Poly(Ethylene-co-Methacrylic Acid) Copolymers Following Projektile Puncture”, Mechanics of Advanced Materials and Structures 14 (2007), 391–397, können auf dem Markt verfügbare Kunststofffolien entnommen werden, die zu Zwecken einer Selbstheilung erfolgreich mittels Beschussversuchen untersucht worden sind. So zeigen die nachfolgend aufgelisteten Kunststofffolien Wiederverschlusseigenschaften, die unter Umgebungsbedingungen mit Unterschallgeschwindigkeiten durchschossen worden sind und den vorstehend erläuterten Heilungsprozess in autonomer Weise zeigen. Die angegebenen Namen sind jeweils zumindest zum Anmeldezeitpunkt markenrechtlich geschützt.
Nucrel^® 925, Nucrel^® 960 von DuPont,
Surlyn^® 8940, Surlyn^® 8920 von DuPont,
Elvax^® 660 von DuPont,
Vistalon^® 1703, Vistalon^® 3708 von ExxonMobil,
TONE^® P787, TONE^® P767, TONE^® P757 von Union Carbide,
Flexomer^® DFDB-9042 NT von Dow Chemical,
Affinity^® PL 1850G, Affinity^® EG 8200G von Dow Chemical, sowie
Pellethane^® 2102-65D von Dow Chemical.From a paper by DJ Klein, "Ballistic testing and development of new self-healing polymers", 2nd International Converence to Self-Healing Materials, Chicago, USA (2009), and by SJ Kalista et al., "Self-Healing of Poly (Ethylene-co-Methacrylic Acid) Copolymers Following Projectile Puncture ", Mechanics of Advanced Materials and Structures 14 (2007), 391-397, commercially available plastic films can be obtained which have been successfully tested for self-healing by bombardment tests. Thus, the plastic films listed below show resealing properties that have been shot under subsonic velocities under ambient conditions and show the above-described healing process in an autonomous manner. The given names are protected by trademark law at least at the time of registration.
Nucrel ^® 925, Nucrel ^® 960 from DuPont,
Surlyn ^® 8940, Surlyn ^® 8920 from DuPont,
Elvax ^® 660 from DuPont,
Vistalon ^® 1703 Vistalon ^® 3708 by ExxonMobil,
TONE ^® P787, P767 TONE ^®, TONE ^® P757 from Union Carbide,
Flexomer ^® DFDB-9042 NT from Dow Chemical,
Affinity ^® PL 1850g, Affinity ^® EC 8200G from Dow Chemical, and
Pellethane 2102-65D ^® by Dow Chemical.

Weiterführende Untersuchungen an derartigen Kunststofffolien, wie dies bspw. aus einem Beitrag von Haase T., Wicklein M. und Thoma K., „Self-Healing Ability of an Ionomer from Quasistatic Loading up to Hypervelocity Impact”, 2nd International Conference an Self-Healing Materials, Chicago, USA (2009) zu entnehmen ist, zeigen, dass für eine erfolgreiche Selbstheilung die jeweilige Impaktgeschwindigkeit eines Partikels bzw. Projektils beim Durchtritt durch die Schutzschicht von entscheidender Bedeutung ist. So zeigt sich bspw., dass bei Impaktgeschwindigkeiten von ca. 6 km/s die Folienanordnungen nicht mehr in der Lage sind, das jeweils entstandene Einschussloch zu heilen. Ein Grund dafür ist, dass bei Impaktereignissen mit derart hohen Impaktgeschwindigkeiten die Folie lokal nicht aufgerissen wird, so dass es lediglich zum Ausweichen von jeweils aufgerissenen Folienflächenteilen kommt, vielmehr tritt in diesem Fall ein regelrechter Stanzprozess ein, durch den ein Loch aus der Folie ausgestanzt wird. Es liegt auf der Hand, dass in diesem Fall ein Wiederverschluss mangels zurückklappender Folienrisskanten nicht möglich ist. Im Rahmen weiterer Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der Mechanismus bzgl. einer lokalen Folienverformung mit anschließender Rissbildung nur bei verhältnismäßig langsamen Partikelimpaktereignissen auftritt. So hängt die Grenzgeschwindigkeit zwischen dem erläuterten Stanzprozess und dem Mechanismus der Verformung mit nachfolgender Rissbildung von den Eigenschaften der beteiligten Materialien, der Geometrie der Partikel bzw. Projektile, sowie den Impaktparametern, bspw. der Impaktgeschwindigkeit und Impaktrichtung, ab.Further investigations on such plastic films, such as, for example, from a contribution by Haase T., Wicklein M. and Thoma K., "Self-Healing Ability of an Ionomer from Quasistatic Loading up to Hypervelocity Impact", 2nd International Conference on Self-Healing Materials, Chicago, USA (2009), show that for a successful self-healing, the respective impact velocity of a particle or projectile when passing through the protective layer is of crucial importance. For example, it turns out that at impact speeds of about 6 km / s, the film arrangements are no longer able to heal the resulting bullet hole. One reason for this is that in the case of impact events with such high impact velocities, the film will not be torn open locally, so that only torn-apart parts of the foil surface will be deflected. Rather, in this case, a real punching process takes place, through which a hole is punched out of the foil , It is obvious that in this case a reclosure is not possible due to the lack of folding back edges of the film. Further investigation has shown that the mechanism of local film deformation with subsequent cracking is limited to relatively slow particle impact events occurs. Thus, the limit speed between the illustrated punching process and the mechanism of deformation with subsequent cracking depends on the properties of the materials involved, the geometry of the particles or projectiles, as well as the impact parameters, such as the impact velocity and Impaktrichtung from.

Zur Sicherstellung, dass die auf die selbstheilende Schutzschicht auftreffenden Partikel bzw. Projektile über nicht zu hohe Impaktgeschwindigkeiten verfügen, die unweigerlich mit einem Folienstanzprozess verbunden wären, wird die wenigstens eine Schutzfolie bzw. Folienschichtanordnung zusätzlich mit einer Schichtanordnung verbunden, durch den die auf die Schutzschicht auftreffenden Partikel entsprechend effektiv abgebremst werden, so insbesondere auf Geschwindigkeiten von weniger als 1 km/s. Für den bevorzugten Weltraumeinsatz bedeutet dies, dass die Schichtanordnung derart auszulegen ist, so dass Partikel mit Partikelimpaktgeschwindigkeiten von bis zu 16 km/s auf die vorstehend geforderten unter 1 km/s abgebremst werden müssen. Lösungsgemäß wird hierzu eine entsprechend konfektionierte Schichtanordnung vorgeschlagen, bestehend aus einer vorzugsweise Vielfachschichtanordnung aus einzelnen Gewebeschichten, die jeweils durch Elastomer- oder Schaumschichten voneinander beabstandet sind. Die vorzugsweise aus Keramikfasern oder Aramidfasern bestehenden Gewebeschichten vermögen die impaktierenden Partikel abzubremsen und insbesondere zu fragmentieren, so dass die Partikelgröße mit zunehmender Schichtdurchdringung und damit verbunden der Partikeleigenimpuls reduziert wird. Alternativ kann ein analoger Effekt durch die Verwendung mehrerer dünner Metallplatten in gewissen Abständen erreicht werden.To ensure that the particles or projectiles impinging on the self-healing protective layer have not too high impact velocities, which would inevitably be associated with a film dancing process, the at least one protective film or film layer arrangement is additionally connected to a layer arrangement through which the particles impacting on the protective layer Particles are effectively braked accordingly, in particular at speeds of less than 1 km / s. For the preferred use of space, this means that the layer arrangement is to be designed in such a way that particles with particle impact velocities of up to 16 km / s have to be braked to the above required below 1 km / s. According to the solution, a suitably prepared layer arrangement is proposed for this purpose, consisting of a preferably multi-layer arrangement of individual fabric layers, which are spaced from each other by elastomer layers or foam layers. The fabric layers preferably made of ceramic fibers or aramid fibers are able to decelerate the impacting particles and, in particular, to fragment, so that the particle size is reduced with increasing layer penetration and, associated therewith, the particle momentum. Alternatively, an analogous effect can be achieved by using a plurality of thin metal plates at intervals.

Besonders geeignete Gewebeschichten stellen Keramikfasergewebe dar, die unter den nachstehenden Namen auf dem Markt verfügbar sind: Nextel^® 312, Nextel^® 440, Nextel^® 550, Nextel^® 610, Nextel^® 720, [jeweils eingetragene Marke von 3M].Particularly suitable fabric layers are ceramic fiber fabrics available under the following names on the market: ^Nextel® 312, ^Nextel® 440, ^Nextel® 550, ^Nextel® 610, ^Nextel® 720, [each 3M registered trademark].

Zur Eignung der lösungsgemäßen Anordnung als Habitataußenwand einer weltraumgestützten Funktionseinheit ist die jeweils äußerste Schichtlage des Schichtverbundes mit einer viellagig metallbedampften Kunststofffolienanordnung überdeckt (MLI, Multilayer Insolation), um als Thermoschutzschicht den stark temperaturschwankenden Weltraumbedingungen standhalten zu können.For suitability of the arrangement according to the solution as a habitat outer wall of a space-based functional unit, the outermost layer layer of the layer composite is covered with a multi-layer metal-coated plastic film arrangement (MLI, multilayer insulation) in order to be able to withstand the strongly temperature-fluctuating space conditions as a thermal protection layer.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea using an exemplary embodiment with reference to the drawing. It shows:

1 mehrlagiger Schichtaufbau mit selbstheilender Folienschichtanordnung. 1 multilayered layer structure with self-healing foil layer arrangement.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to carry out the invention, industrial usability

In 1 ist ein schematisierter Querschnitt für eine Schutzschichtanordnung illustriert, die für den Einsatz als Habitatwand HW eines weltraumgestütztes Habitats H ausgebildet ist. Trifft ein Partikel P mit einer Impaktgeschwindigkeit v von mehreren km/s auf die äußere Hülle der Habitatwand HW, so durchstößt das Partikel P zunächst eine aus einer Vielzahl flächig miteinander verbundener, jeweils metallbedampfte Kunststofffolien bestehende, thermische Schutzschicht MLI, die zur Thermoisolierung der übrigen Habitatwand HW dient, selbst jedoch nicht in relevanter Weise als Schutzvorkehrung gegenüber Partikelimpakt wirkt. Die äußere MLI-Schicht ist mit ihrer dem Habitat H zugewandten Oberfläche flächig mit einer ersten Gewebeschicht G1 verbunden, vorzugsweise in Form einer aus polykristallinen Metalloxidfasern bestehenden Keramikfasergewebeschicht z. B. Nextel^® 312, Nextel^® 440, Nextel^® 550, Nextel^® 610, Nextel^® 720, – jeweils eingetragene Markennamen der Fi. 3M –, an der das impaktierende Partikel 1 bereits wirksam abgebremst sowie auch in kleinere Teilchen aufgespalten bzw. fragmentiert wird.In 1 FIG. 2 illustrates a schematic cross section for a protective layer arrangement designed for use as a habitat wall HW of a space-based habitat H. If a particle P strikes the outer shell of the habitat wall HW at an impact velocity v of several km / s, the particle P first penetrates a thermal protection layer MLI which consists of a multiplicity of surface-connected, metal-vapor-deposited plastic foils and serves to heat-insulate the remaining habitat wall HW, however, does not function in a relevant way as a protective measure against particle impact. The outer MLI layer is connected with its Habitat H surface facing surface with a first fabric layer G1, preferably in the form of a polycrystalline metal oxide existing ceramic fiber fabric layer z. ^Nextel® 312, ^Nextel® 440, ^Nextel® 550, ^Nextel® 610, ^Nextel® 720, respectively. 3M - at which the impacting particle 1 is already effectively decelerated as well as split into smaller particles or fragmented.

Sowohl als Abstandshalter als auch zu Zwecken einer die erste Gewebeschicht G1 tragende sowie auch schwingungsdämpfende Halte- bzw. Stützstruktur ist eine Polymer-Schaumschicht (PF1) flächig mit der ersten Gewebeschicht (G1) verbunden.Both as spacers and also for purposes of a holding or support structure supporting the first fabric layer G1 and also vibration-damping, a polymer foam layer (PF1) is connected in a planar manner to the first fabric layer (G1).

Desweiteren sind jeweils zwei weitere Gewebe-Schaumschichten (G2, PF2, G3, PF3) innerhalb des Schichtverbundes vorgesehen, um die Abbrems- und Fragmentierwirkung der Schutzschichtanordnung weiter zu verbessern. Selbstverständlich können weitere derartige Schichtpaare vorgesehen werden.Furthermore, in each case two further fabric foam layers (G2, PF2, G3, PF3) are provided within the layer composite in order to further improve the deceleration and fragmentation effect of the protective layer arrangement. Of course, further such pairs of layers can be provided.

Desweiteren schließt sich eine weitere, vorzugszweise aus Nextel-Gewebe bestehende Gewebeschicht G4 flächig verbunden mit einer Kevlar-Gewebeschicht GK an, die ihrerseits wiederum flächig mit einer Polymer-Schaumschicht PF4 verbunden ist. Schließlich ist eine weitere, verglichen zur ersten Kevlar-Gewebeschicht GK1 wenigstens doppelt so stark ausgebildete Kevlar-Gewebeschicht GK2 vorgesehen, an der rückseitig letztlich die selbstheilende Folienschichtanordnung (PD) flächig gefügt ist. Der aus den vorstehenden einzelnen Schichten zusammengesetzte Schichtverbund weist eine Gesamtwanddicke von ca. 40 cm auf.Furthermore, another fabric layer G4, which preferably consists of Nextel fabric, is connected in a planar manner to a Kevlar fabric layer GK, which in turn is connected in a planar manner to a polymer foam layer PF4. Finally, a further, compared to the first Kevlar fabric layer GK1 at least twice as strong trained Kevlar fabric layer GK2 is provided on the back ultimately the self-healing film layer assembly (PD) is joined flat. The layer composite composed of the above individual layers has a total wall thickness of about 40 cm.

Die in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Vielfachabfolge einzelner Gewebe- und Schaumschichten dient dazu, impaktierende Partikel P in mehrere Fragmente aufzuspalten und diese möglichst vollständig abzubremsen. Sollte dennoch ein größeres Partikelfragment diesen Schutzmechanismus durchdringen, so trifft es anschließend auf die selbstheilende Folienanordnung PD. Da jedoch das auf die Folienanordnung auftreffende Fragment beim Durchgang durch die verschiedenen Lagen der Schichtanordnung effektiv abgebremst worden ist, ist die Impaktgeschwindigkeit auf die Folienschichtanordnung PB derart gering, so dass die selbstheilende Folie PB das entstehende Loch nach Durchtritt des Fragmentes selbstständig wieder verschließen kann.The multiple sequence of individual tissue and foam layers shown in the exemplary embodiment serves to split impacting particles P into a plurality of fragments and to brake them as completely as possible. Nevertheless, should a larger particle fragment penetrate this protective mechanism, it then encounters the self-healing foil assembly PD. However, since the fragment impinging on the film assembly has been effectively decelerated as it passes through the various layers of the layer assembly, the impact velocity on the film layer assembly PB is so low that the self-healing film PB can automatically reseal the resulting hole after passage of the fragment.

Die betreffende selbstheilende Folienschichtanordnung kann als Einzelfolienschicht oder als eine flächige Kombination bestehend aus mehreren gleichartigen oder aus unterschiedlichen Folienmaterialien bestehende Schichtanordnung ausgebildet sein. Zur Realisierung einer derartigen Folienschichtanordnung eignen sich die bereits auf dem Markt erhältlichen unter den nachfolgenden Namen bekannten Folien:
Nucrel^® 925, Nucrel^® 960 von DuPont,
Surlyn^® 8940, Surlyn^® 8920 von DuPont,
Elvax^® 660 von DuPont,
Vistalon^® 1703, Vistalon^® 3708 von ExxonMobil,
TONE^® P787, TONE^® P767, TONE^® P757 von Union Carbide,
Flexomer^® DFDB-9042 NT von Dow Chemical,
Affinity^® PL 1850G, Affinity^® EG 8200G von Dow Chemical, sowie
Pellethane^® 2102-65D von Dow Chemical.The relevant self-healing film layer arrangement may be formed as a single film layer or as a planar combination consisting of a plurality of identical or consisting of different film materials layer arrangement. For the realization of such a film layer arrangement, the films already available on the market and known under the following names are suitable:
Nucrel ^® 925, Nucrel ^® 960 from DuPont,
Surlyn ^® 8940, Surlyn ^® 8920 from DuPont,
Elvax ^® 660 from DuPont,
Vistalon ^® 1703 Vistalon ^® 3708 by ExxonMobil,
TONE ^® P787, P767 TONE ^®, TONE ^® P757 from Union Carbide,
Flexomer ^® DFDB-9042 NT from Dow Chemical,
Affinity ^® PL 1850g, Affinity ^® EC 8200G from Dow Chemical, and
Pellethane 2102-65D ^® by Dow Chemical.

Die Verwendung der selbstheilenden Folien zusammen mit der als Schutzschicht wirkenden Schichtanordnung bewirkt eine autonome Selbstheilung einer Habitatwand nach dem Impakt von Weltraumschrott-Teilchen oder Mikrometeoriten. Der wesentlich einfachere und leichte Aufbau der gesamten Wand im Vergleich zu bisher bekannten Konzepten ist ein großer Vorteil. Dadurch lässt sich eine derartige Habitatwand einfach und kostengünstiger herstellen. Insbesondere sind die vorstehend genannten Folienmaterialien bezüglich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften unempfindlich gegenüber weltraumbedingten Degradationserscheinungen.The use of the self-healing films together with the layer arrangement acting as a protective layer causes an autonomous self-healing of a habitat wall after the impact of space-debris particles or micrometeorites. The much simpler and easier construction of the entire wall in comparison to previously known concepts is a great advantage. As a result, such Habitatwand can be easily and inexpensively. In particular, the above-mentioned film materials are insensitive to space-related degradation phenomena in terms of their chemical and physical properties.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

PDPD: FolienschichtanordnungFilm layer arrangement
G1, G2, G3, G4G1, G2, G3, G4: Gewebeschichttissue layer
PF1, PF2, PF3, PF4PF1, PF2, PF3, PF4: Schaumschichtfoam layer
MLIMLI: Thermische SchutzschichtThermal protection layer
HH: HabitatHabitat
HWHW: HabitatwandHabitat wall
PP: Partikelparticle

Claims

Arrangement with a self-healing protective layer, the Having at least one film layer arrangement which contains a plastic which is capable of cracking on the basis of the principle of springback and cohesive bonding for self-healing of particles or particle fragments impacting the film layer arrangement, and Is connected at least on one side with a layer arrangement which ensures fragmentation and deceleration of particles impacting on the layer arrangement, Wherein the layer arrangement and the foil layer arrangement are arranged such that the impacting particles meet first on the layer arrangement and The layer arrangement has at least one or more metal plates.

Arrangement with a self-healing protective layer, the Having at least one film layer arrangement which contains a plastic which is capable of cracking on the basis of the principle of springback and cohesive bonding for self-healing of particles or particle fragments impacting the film layer arrangement, and Is connected at least on one side with a layer arrangement which ensures fragmentation and deceleration of particles impacting on the layer arrangement, Wherein the layer arrangement provides at least one fabric layer and at least one elastomer or foam layer which is connected in a planar manner to the fabric layer, and • hit the impacting particles first on the at least one tissue layer.

Arrangement with a self-healing protective layer which comprises at least one film layer arrangement which contains a plastic which is capable of cracking on the basis of the principle of springback and cohesive bonding of particles or particle fragments impinging through the film layer arrangement and is connected to a layer arrangement at least on one side provides fragmentation and deceleration of particles impinging on the layer arrangement, wherein the layer arrangement comprises at least one metal plate and Providing at least one layer of fabric and at least one elastomer or foam layer connected in a planar manner to the fabric layer, and impinging the impacting particles first on the at least one fabric layer and subsequently on the elastomer or foam layer or first on the metal plate.

Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the foil layer arrangement contains at least one layer of a thermoplastic elastomer which is capable of self-healing according to the principle of spring back and fusing.

Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the foil layer arrangement contains at least one layer of an ionomer which is capable of self-healing according to the principle of springback and fusing.

Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the foil layer arrangement comprises at least one polymer layer which is capable after the springback by the formation of hydrogen bonds for closing cracks.

Arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that the layer arrangement according to the type and number of flat interconnected fabric and elastomer or foam layers or metal plates is designed such that the layer arrangement with a perpendicular or obliquely incident on the layer arrangement particle impact, with particle masses of up to 10 grams and a particle impact velocity of up to 16 km / s, a braking and Fragmentierwirkung unfolds on the particles, so that after passage of a particle or particle fragment through the layer arrangement, the particle or particle fragment a speed of less than 1 km / s having.

Arrangement according to one of claims 2 to 7, characterized in that the fabric layer is an aramid or a ceramic fiber fabric.

Arrangement according to claim 8, characterized in that the ceramic fiber fabric consists of continuously polycrystalline metal oxide fibers.

Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that in the layer arrangement , the at least one fabric layer and / or metal layer is adhesively bonded to at least one elastomer or foam layer, and that the layer arrangement is adhesively bonded flat with the film layer arrangement.

Arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the layer arrangement to the side, which faces away from the foil layer arrangement, is areally connected to a multi-layer metal-coated plastic film arrangement (MLI, multilayer insulation).

Use of the arrangement according to one of claims 1 to 11 as a protective device for space-based, filled with a pressure atmosphere habitats in the form of a space facing habitat outer wall with internal self-healing protective layer.