DE102017106192A1

DE102017106192A1 - Strukturkondensator, Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Materials und ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Strukturkomponente

Info

Publication number: DE102017106192A1
Application number: DE102017106192.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Linde
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Strukturkondensator (2) zur Speicherung elektrischer Ladungen, der eine erste Schicht (8a) mit Verstärkungsfasern umfasst, die als erste Elektrode (10a) in einem Matrixmaterial (6) angeordnet sind. Das Matrixmaterial (6) ist mit Ionen angereichert. Die jeweilige Verstärkungsfaser der ersten Elektrode (10a) weisen eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung (16) auf. Ferner umfasst der Strukturkondensator (2) eine zweite Schicht (8b) mit Verstärkungsfasern, die als zweite Elektrode (10b) in einem Matrixmaterial (6) angeordnet sind. Auch das Matrixmaterial der zweiten Schicht (8b) ist mit Ionen angereichert. Die jeweilige Verstärkungsfaser der zweiten Elektrode (10b) weist auch eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung (16) auf. Des Weiteren umfasst der Strukturkondensator (2) eine Separatorschicht (12), die zwischen der ersten und zweiten Schicht (8a, 8b) angeordnet und aus einem für die Ionen durchlässigen sowie für Elektronen undurchlässigen Material gebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Strukturkondensator, ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Materials für einen Strukturkondensator und ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Strukturkomponente mit einem Strukturkondensator.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik sind Doppelschichtkondensatoren bekannt, die in der Regel als elektrochemische Kondensatoren ausgeführt sind. Diese umfassen jeweils zwei Elektroden, die durch einen für Ionen durchlässigen Separator mechanisch voneinander getrennt gleichzeitig aber durch einen Elektrolyten miteinander elektrisch gekoppelt sind. Dabei ist der Elektrolyt als eine Mischung aus positiv und negativ geladenen Ionen in einem Lösungsmittel, so z.B. Wasser, ausgebildet. Die Moleküle des Lösungsmittels sammeln sich direkt an der Oberfläche der jeweiligen Elektrode ab und wirken dabei elektrisch isolierend. Die Schicht von Lösungsmittelmolekülen an der Oberfläche der jeweiligen Elektrode wird auch als innere Helmholtz-Schicht bezeichnet. Durch Anlegen einer Spannung lagern sich an diese innere Helmholtz-Schicht Ionen aus dem Elektrolyten an der zugeordneten, umgekehrt polarisierten Elektrode an. Die direkt an den Lösungsmittelmolekülen angelagerten Ionen repräsentieren die sogenannte äußere Helmholtz-Schicht. Eine derartige Ladungsverteilung findet in umgekehrter Ladung auch an der zweiten Elektrode statt, so dass eine Gesamtkapazität eines Doppelschichtkondensators sich im Wesentlichen aus zwei statischen Doppelschichtkapazitäten ergibt, die mittels des Elektrolyten elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Zu der statischen Doppelschichtkapazität kann eine sogenannte elektrochemische Pseudokapazität hinzukommen. Diese entsteht dann, wenn bei bestimmten Strukturen oder Elektodenmaterialien Ionen, sogenannte desolvatierte Ionen, aus dem Elektrolyten die innere Helmholtz-Schicht überwinden und direkt mit der Elektrode in Kontakt treten. Es kommt dabei zu einer chemischen Reaktion, die in der Regel zwar zu keiner chemischen Verbindung führt, aber eine Elektronenabgabe an die Elektrode bewirkt.
Die Fähigkeit einer Elektrode eine Pseudokapazität auszubilden hängt neben dem Material davon ab, wie die Elektrode und/oder deren Oberfläche beschaffen ist, insbesondere ob diese entsprechende Poren aufweist, die die Aufnahme von desolvatierter Ionen positiv beeinflusst. Desolvatierte Ionen sind kleiner als solvatierte Ionen, so dass eine entsprechende Bereitstellung von Poren in entsprechender Größe der desolvatierten Ionen in der Elektrode dazu führt, dass nur diese sich in den Poren ansammeln und dadurch diese eine größere Pseudokapazität bewirken. Dabei kann die Pseudokapazität gegebenenfalls einen um ein Vielfaches größeren Kapazitätswert aufweisen als die statische Doppelschichtkapazität. Die statische Doppelschichtkapazität und die Pseudokapazität ergeben die untrennbare Gesamtkapazität des Kondensators. Die Eigenschaft eines Kondensators neben einer statischen Doppelschichtkapazität auch eine Pseudokapazität auszubilden ist in der Regel eine Charakteristik von sogenannten Superkondensatoren, die auch als Supercaps bezeichnet werden.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, einen Strukturkondensator bereitzustellen, der neben der Möglichkeit der Speicherung von elektrischen Ladungen auch geeignet ist als Strukturbauteil Lasten aufzunehmen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt aus durch einen Strukturkondensator zur Speicherung elektrischer Ladungen. Dieser umfasst eine erste Schicht mit Verstärkungsfasern, wobei die Verstärkungsfasern als erste Elektrode in einem Matrixmaterial angeordnet sind. Das Matrixmaterial der ersten Schicht ist mit Ionen angereichert. Die jeweilige Verstärkungsfaser der ersten Elektrode weist eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung auf. Der Strukturkondensator umfasst ferner eine zweite Schicht mit Verstärkungsfasern, wobei die Verstärkungsfasern als zweite Elektrode in einem Matrixmaterial angeordnet sind. Das Matrixmaterial der zweiten Schicht ist mit Ionen angereichert. Die jeweilige Verstärkungsfaser der zweiten Elektrode weist eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung auf. Darüber hinaus umfasst der Strukturkondensator eine Separatorschicht, die zwischen der ersten und zweiten Schicht angeordnet ist und aus einem für die Ionen durchlässigen sowie für Elektronen undurchlässigen Material gebildet ist.
Eine derartige Ausbildung eines Kondensators als eine Strukturkomponente, vorliegend als Strukturkondensator benannt, ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders leichte Möglichkeit geschaffen wird, neben der lasttragenden Eigenschaft der Strukturkomponente auch elektrische Ladungen mittels dieser zu Speichern und im Bedarfsfall elektrischen Verbrauchern bereitzustellen.
Grundsätzlich sind Kondensatoren bzw. Superkondensatoren besonders gut geeignet, zu Zeitpunkten eines besonders hohen Bedarfs an elektrischer Energie, diese für einen vorgegebenen Zeitraum bereitzustellen. Verwendet man neben Batterien auch Kondensatoren so können diese die sogenannten Spitzenlasten bedienen und dabei dazu beitragen, dass die erforderliche Batteriekapazität sinnvoll dimensioniert werden kann. Ohne entsprechende Kondensatoren müsste in einem Energienetz, in dem es ausschließlich Batterien gibt, diese auch für kurzzeitige Spitzenlasten ausgelegt werden, obwohl für die restliche Zeit eine derartig hohe Batteriekapazität eigentlich nicht erforderlich ist.
Derartige Spitzenlasten kommen beispielsweise in Kraftfahrzeugen vor, insbesondere durch den elektrischen Antrieb in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Aber auch in der Luftfahrt können Strukturkondensatoren vorteilhaft sein, wenn Spitzenlasten durch elektrische Verbraucher, insbesondere während der Start- und Landephase, bedient werden müssen.
Der Begriff der Verstärkungsfaser bezieht sich auf eine einzelne Faser, kann aber auch auf ein sogenanntes Bündel von Fasern gelesen werden. In der Regel weist eine Einzelfaser einen nur sehr kleinen Durchmesser auf, so dass man mehrere Fasern zu einem Bündel, einem sogenannten Roving, zusammenfasst. In diesem Zusammenhang kann der Begriff der Verstärkungsfasern auch mehrere Bündel von Einzelfasern repräsentieren.
Die statische Doppelschichtkapazität ist abhängig von einer Größe der Oberfläche der jeweiligen Elektrode. Die Verstärkungsfasern weisen eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung auf. Diese Beschichtung kann beispielsweise eine dendritische Struktur aufweisen mit sehr vielen Zwischenräumen in Form von offenen Poren. Vorzugsweise liegen die Porengrößen im Nanometerbereich. Durch die offenen Poren verfügt eine derartige Beschichtung auch über eine sehr große innere Oberfläche, d.h. die Beschichtung wirkt oberflächenvergrößernd. Beispiele für geeignete Beschichtungen sind Kohlenstoff-Aerogele. Die Beschichtung der jeweiligen Faser kann dabei eine Beschichtungshöhe von mehreren hundert Mikrometern aufweisen. Vorzugsweise ist die Porengrößen in etwa identisch mit der Größe von desolvatierten Ionen, so dass eine derartige Poren aufweisende Beschichtung zu einer Ausbildung einer großen Pseudokapazität beitragen kann. In diesem Fall kann der Strukturkondensator als Superkondensator wirken.
Die erste Elektrode wird gebildet durch die mit der elektrisch leitfähigen und porösen Beschichtung versehenen Verstärkungsfasern der ersten Schicht. Die zweite Elektrode wird gebildet durch die mit der elektrisch leitfähigen und porösen Beschichtung versehenen Verstärkungsfasern der zweiten Schicht.
Die jeweilige Elektrode kann sich dabei nicht nur über ein Bündel von Fasern erstrecken, sondern über eine Vielzahl von Faserbündeln bzw. Rovings. Um diese Vielzahl von Fasern elektrisch zu kontaktieren ist vorzugsweise ein jeweiliger Kollektor erforderlich. Dabei ist ein erster Kollektor mit der ersten Elektrode und ein zweiter Kollektor mit der zweiten Elektrode elektrisch gekoppelt. Eine elektrische Kontaktierung des Strukturkondensators mit einem Verbraucher und/oder einem elektrischen Versorgungsnetz erfolgt dann vorzugsweise über den ersten und zweiten Kollektor.
Neben der Oberflächengröße ist die statische Doppelschichtkapazität auch abhängig von der Anzahl der für die Anlagerung zur Verfügung stehender Ionen. Somit ist es vorteilhaft, wenn auch die Separatorschicht während der Herstellung mit Ionen angereichert wird, so dass ausreichend Ionen für die Bildung der Gesamtkapazität des Strukturkondensators zur Verfügung stehen.
Nach einer Konsolidierung am Ende einer Herstellung einer faserverstärkten Strukturkomponente mit dem Strukturkondensator ist das Matrixmaterial der ersten und zweiten Schicht ausgehärtet und liegt somit in einem festen Zustand vor. Auch die Separatorschicht ist nach der Konsolidierung in einem festen Zustand. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Doppelschichtkondensator, weist der Strukturkondensator somit keinen flüssigen Elektrolyten auf. Vielmehr wandern die Ionen in dem Matrixmaterial und der Separatorschicht durch jeweils feste Schichten.
Die Separatorschicht ist vorzugsweise mit dem Matrixmaterial der ersten und zweiten Schicht mechanisch gekoppelt. Dagegen ist aber die erste Elektrode in der ersten Schicht und auch die zweite Elektrode in der zweiten Schicht nicht mit der Separatorschicht direkt mechanisch gekoppelt. Vielmehr ist die erste Elektrode über das zugeordnete Matrixmaterial und über die Separatorschicht mit dem Matrixmaterial der zweiten Schicht und somit mit der zweiten Elektrode und umgekehrt derart elektrisch gekoppelt, dass Ionen zwischen den Elektroden wandern können. Elektronen können die Separatorschicht dagegen nicht durchwandern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst die Separatorschicht Glasfasern. Vorzugsweise ist die Separatorschicht aus einem Polymermaterial hergestellt, welches mit Glasfasern verstärkt ist. Glasfasern in der Separatorschicht sind besonders gut geeignet ein Durchwandern von Elektronen zu unterbinden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts sind die Verstärkungsfasern der ersten und/oder zweiten Elektrode als Kohlenstofffasern ausgebildet. Kohlenstofffaser als Verstärkungsfaser weisen eine hohe Ermüdungsfestigkeit und chemische Beständigkeit auf. Darüber hinaus sind Kohlenstofffasern auch elektrisch leitfähig. Ein mit Kohlenstofffaser durchsetzter Strukturkondensator ist somit nicht nur geeignet, elektrische Ladungen zu speichern, sondern darüber hinaus auch geeignet als lasttragende Strukturkomponente eingesetzt zu werden. Mit dieser Eigenschaft eignet sich der Strukturkondensator besonders für einen Einsatz in Fahrzeugen, so z.B. Land- und/oder Luftfahrzeugen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist das Matrixmaterial der ersten und zweiten Schicht als Polymerharz ausgebildet. Das Polymerharz verhilft nach der Konsolidierung dem Strukturkondensator zu einer hohen Festigkeit und hohen Zähigkeit. Darüber hinaus erlaubt es weiterhin die Bewegung von Ionen, die für die Funktion des Strukturkondensators erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts sind die Verstärkungsfasern der ersten Schicht in einer ersten Richtung und die Verstärkungsfasern der zweiten Schicht in einer zweiten Richtung orientiert, wobei die erste Richtung unterschiedlich ist zu der zweiten Richtung. Dies hat den Vorteil, dass der Strukturkondensator auch entsprechend seiner vorgesehenen Belastung und somit belastungsgerecht ausgebildet ist. Verstärkungsfasern sind als solche typischerweise anisotrop und in der Richtung ihrer Längserstreckung besonders belastbar. Mittels einer vorgegebenen Orientierung der Verstärkungsfasern in einer Strukturkomponente kann ein gewünschter Grad der Anisotropie vorgegeben werden. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau werden hohe Anforderungen an Strukturkomponenten gestellt, die im Wesentlichen nur dadurch erreicht werden können, dass Verstärkungsfasern einer Schicht relativ zu den Verstärkungsfasern einer anderen Schicht unterschiedlich orientiert sind. Eine unterschiedliche Orientierung der Verstärkungsfasern in unterschiedlichen Schichten hat relevanten Einfluss auf die vorgesehene Belastung der als Strukturkondensator ausgebildeten Strukturkomponente, nicht aber auf dessen elektrische Kapazität. Vielmehr ist die Kapazität des Strukturkondensators im Wesentlichen unabhängig von der Orientierung der Verstärkungsfaser in der ersten und zweiten Schicht.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem zweiten Aspekt aus durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Materials für einen Strukturkondensator nach dem ersten Aspekt. Dabei werden die trockenen Verstärkungsfasern mit dem elektrisch leitfähigen und porösen Beschichtungsmaterial beschichtet. Die beschichteten Verstärkungsfasern werden mit dem Matrixmaterial getränkt, so dass ein mit dem Matrixmaterial vorimprägniertes Faser-Matrix-Material vorliegt. Das vorimprägnierte Faser-Matrix-Material wird zumindest mit Ionen angereichert und danach für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Ein derartiges mit Ionen angereichertes Faser-Matrix-Material lässt sich besonders einfach und zuverlässig in bekannten Herstellungsverfahren für faserverstärkte Komponenten weiter verwenden. Dadurch wird eine schnelle und zuverlässige Herstellung von Strukturkomponenten mit der zusätzlichen Funktion eines Ladungsspeichers ermöglicht.
Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise als Kohlenstofffasern ausgeführt. Die Beschichtung der trockenen Verstärkungsfasern erfolgt beispielsweise durch Aufsprühen des Beschichtungsmaterials. Auch können zusätzliche Schritte erforderlich sein, um eine zuverlässige Beschichtung gewährleisten zu können, wie beispielsweise eine Pyrolyse und/oder Aushärtung des Beschichtungsmaterials auf dem trockenen Verstärkungsfasern.
Das Tränken der beschichteten Verstärkungsfasern erfolgt dann mit dem Matrixmaterial, welches in flüssiger Form vorliegt. Die mit dem Matrixmaterial getränkten Verstärkungsfasern werden auch als vorimprägnierte Fasern oder als Prepreg oder im weiteren als Faser-Matrix-Material bezeichnet.
In einem nachfolgenden Schritt wird das vorimprägnierte Faser-Matrix-Material zumindest mit Ionen angereichert. Dies kann beispielsweise durch das Durchführen des Faser-Matrix-Materials durch ein Ionenbad erfolgen. Auch kann es erforderlich sein, das Faser-Matrix-Material neben den Ionen auch mit weiteren Bestandteilen anzureichern, um nach der Konsolidierung der Strukturkomponente die Funktion eines Kondensators erfüllen zu können. In dieser Form bildet das vorimprägnierte und mit Ionen angereichte Faser-Matrix-Material ein Faser-Matrix-Halbzeug, welches für die Herstellung von Bauteilen verwendet werden kann.
Nach der Anreicherung des vorimprägnierten Faser-Matrix-Materials mit Ionen wird dieses beispielsweise für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Dabei kann das mit Ionen angereicherte und vorimprägnierten Faser-Matrix-Material beispielsweise in aufgerollter Form in sogenannten Tapelege-Anlagen weiterverarbeitet werden.
Nach der Weiterverarbeitung ist für eine Konsolidierung das Faser-Matrix-Materials unter Temperatur- und Druckeinfluss auszuhärten.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem dritten Aspekt aus durch ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Strukturkomponente mit einem Strukturkondensator nach dem ersten Aspekt. Das nach dem zweiten Aspekt hergestellte mit Ionen angereicherte Faser-Matrix-Material wird in einer vorgegebenen ersten Orientierung und in einer vorgegebenen Länge als erste Schicht bereitgestellt. Die Separatorschicht wird in einer vorgegebenen Länge auf der ersten Schicht bereitgestellt. Das nach dem zweiten Aspekt hergestellte mit Ionen angereicherte Faser-Matrix-Material wird in einer vorgegebenen zweiten Orientierung und in einer vorgegebenen Länge als zweite Schicht auf der Separatorschicht angeordnet. Die erste und zweite Schicht wird dann mit der dazwischen angeordneten Separatorschicht konsolidiert zu der faserverstärkten Strukturkomponente.
Dadurch erhält man eine Strukturkomponente, die entsprechend der Faserorientierung belastungsgerecht ausgeführt ist und gleichzeitig in der Lage ist, elektrische Ladungen zu speichern.
Figurenliste
Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsformen entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.

1 Strukturkondensator,
2 Herstellung eines Faser-Matrix-Materials,
3 Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Materials,
4 Herstellung einer Strukturkomponente mit einem Strukturkondensator,
5 Verfahren zur Herstellung einer Strukturkomponente.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder zumindest ähnliche Elemente, Komponenten oder Aspekte verwendet. Es wird angemerkt, dass im Folgenden Ausführungsformen im Detail beschrieben werden, die lediglich illustrative und nicht beschränkend sind.
In 1 ist ein Strukturkondensator 2 dargestellt, der beispielsweise in einem Land- oder Luftfahrzeug eingesetzt werden kann. Der Strukturkondensator 2 weist eine erste und zweite Schicht 8a, 8b auf. Die erste Schicht 8a weist eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, so z.B. Kohlenstofffasern, auf, die in einem Matrixmaterial 6 eingebettet sind. Die Verstärkungsfasern der ersten Schicht 8a weisen eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung auf (nicht dargestellt), die die Fasern umgibt. Dabei kann jede einzelne Faser und/oder auch ein Faserbündel, umfassend mehrere Fasern, entsprechend beschichtet sein. Die beschichteten Verstärkungsfasern der ersten Schicht 8a bilden dadurch eine erste Elektrode 10a des Strukturkondensators 2. Hier sei angemerkt, dass das Matrixmaterial 6 der ersten Schicht 8a nicht Bestandteil der ersten Elektrode 10a ist.
Die zweite Schicht 8b des Strukturkondensators 2 ist analog zu der ersten Schicht 8a ausgebildet und die beschichteten Verstärkungsfasern der zweiten Schicht 8b bilden eine zweite Elektrode 10b des Strukturkondensators 2. Auch hier ist das Matrixmaterial 6 der zweiten Schicht 8b nicht Bestandteil der zweiten Elektrode 10b.
Das Matrixmaterial 6 der ersten und zweiten Schicht 8a, 8b ist vorzugsweise als Polymerharz, so z.B. als Epoxidharz oder Polyesterharz, ausgebildet und dient dazu, die Verstärkungsfasern miteinander mechanisch zu verbinden und Zwischenräume auszufüllen. Darüber hinaus ist das Matrixmaterial 6 mit Ionen angereichert, die sich in dem ausgehärteten Zustand des Matrixmaterials 6 frei bewegen können. Das Matrixmaterial 6 bildet somit einen Elektrolyten in fester Form, in dem sich die Ionen frei bewegen können.
Eine Separatorschicht 12 ist vorzugsweise aus einem Polymermaterial gebildet, dass Glasfasern aufweist. Diese Separatorschicht 12 ist zwischen der ersten und zweiten Schicht 8a, 8b angeordnet. Die Separatorschicht 12 ist dabei nicht direkt mir der ersten und zweiten Elektrode 10a, 10b mechanisch gekoppelt, sondern mittels des Matrixmaterials 6 der ersten bzw. zweiten Schicht 8a, 8b. Die Separatorschicht 12 bildet für Elektronen eine undurchdringbare Barriere ist aber gleichzeitig für Ionen durchdringbar. Die erste Elektrode 10a ist somit mit der zweiten Elektrode 10b des Strukturkondensators 2 über die Separatorschicht 12 derart elektrisch gekoppelt, dass zumindest Ionen von der ersten Elektrode 10a zu der zweiten Elektrode 10b und umgekehrt wandern können.
Die jeweilige Elektrode 10a, 10b erstreckt sich vorzugsweise über eine Vielzahl von Faserbündel. Diese Vielzahl von Faserbündel werden durch einen zugeordneten Kollektor 4a, 4b miteinander elektrisch gekoppelt. Dabei ist ein erster Kollektor 4a mit den beschichteten Verstärkungsfasern der ersten Elektrode 10a und ein zweiter Kollektor 4b ist mit den beschichteten Verstärkungsfasern der zweiten Elektrode 10b elektrisch gekoppelt. Im verbauten Zustand des Strukturkondensators 2 ist der erste und zweite Kollektor 4a, 4b typischerweise mit einem elektrischen Verbraucher elektrisch verbunden. In einem Land- oder Luftfahrzeug ist der erste und zweite Kollektor 4a, 4b typischerweise mit einem elektrischen Versorgungsnetz elektrisch gekoppelt.
Anhand der 2 und 3 wird dargestellt, wie ein Faser-Matrix-Material 14 anhand eines Herstellungsverfahrens hergestellt werden kann. Das Faser-Matrix-Material 14 wird dann vorzugsweise als erste und zweite Schicht 8a, 8b des Strukturkondensators 2 verwendet.
In einem Schritt S0 wird das Verfahren gestartet. In einem Schritt S2 wird ein trockenes Verstärkungsfasermaterial 13a, so z.B. in Form einer Faserbahn, bereitgestellt und mit einem Beschichtungsmaterial 16 beschichtet. Das Beschichtungsmaterial 16 bildet auf den trockenen Verstärkungsfasern 13a eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung aus. In einem nachfolgenden zusätzlichen Schritt, kann diese aufgetragene Beschichtung ausgehärtet werden. Am Ende des Schrittes S2 werden beschichtete Verstärkungsfasern 13b für den nächsten Schritt zur Verfügung gestellt.
In einem Schritt S4 wird den beschichteten Verstärkungsfasern 13b das Matrixmaterial 6 in flüssiger Form hinzugefügt, so dass am Ende des Schrittes S4 ein vorimprägniertes und beschichtetes Faser-Matrix-Material 13c bereitgestellt wird.
In einem Schritt S6 werden das vorimprägnierte und beschichtete Faser-MatrixMaterial 13c mit Ionen angereichert, die für die Funktion des Strukturkondensators 2 erforderlich sind. Die Ionen-Anreicherung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das vorimprägnierte und beschichtete Faser-Matrix-Material 13c durch ein Ionenbad 15 geführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das vorimprägnierte und beschichtete Faser-Matrix-Material 13c auch mit einem Ionenstrahl beaufschlagt werden. Auch andere dem Fachmann bekannte Verfahren zum Anreichern von Ionen sind anwendbar. Am Ende des Schrittes S6 wird ein mit Ionen angereichertes, vorimprägniertes und beschichtetes Faser-Matrix-Material 14 bereitgestellt. Vorzugsweise ist dieses mit Ionen angereichertes, vorimprägniertes und beschichtetes Faser-Matrix-Material 14 noch feucht und somit für die weitere Verarbeitung insbesondere für die Herstellung einer faserverstärkten Strukturkomponente vorbereitet.
In einem optionalen Schritt S8 kann das mit Ionen angereicherte, vorimprägnierte und beschichtete Faser-Matrix-Material 14 aufgerollt werden. In aufgerollter Form ist das Material 14 besonders gut weiter zu verarbeiten. Insbesondere kann in dieser Form das Material 14 mit Tapelege-Anlagen, so z.B. Automated Tape Layup- (ATL) oder Automated Fiber Placement (AFP) Anlagen. Weiterverarbeitet werden.
In einem Schritt S10 wird das Verfahren zur Herstellung des Faser-Matrix-Materials beendet oder kann alternativ in dem Schritt S2 erneut ausgeführt werden.
In den 4 und 5 wird ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Strukturkomponente mit einem Strukturkondensator 2 dargestellt.
Nach dem Start des Verfahrens in Schritt S20 wird in einem Schritt S22 das mit Ionen angereicherte, vorimprägnierte und beschichtete Faser-Matrix-Material 14 in einer vorgegebenen Länge, so z.B. ein oder mehrere Meter, als erste Schicht 8a des Strukturkondensators 2 bereitgestellt. Dies kann beispielsweise durch eine oder mehrere entsprechende Tapelege-Anlagen 20 erfolgen, die das ausgerollte Material 14 in entsprechender Länge und in einer vorgegebenen Orientierung in einer Form auslegen und somit bereitstellen.
In einem Schritt S24 wird die Separatorschicht 12 des Strukturkondensators 2 auf der ersten Schicht 8a in vorgegebener Länge bereitgestellt. Dabei bedeckt die Separatorschicht 12 vorzugsweise die komplette erste Schicht 8a. Auch das Ablegen der Separatorschicht 12 kann mit einer Tapelege-Anlage 20 erfolgen, die auf das Ablegen der Separatorschicht 12 zuvor umgerüstet wurde oder durch eine zweite, separate Tapelege-Anlage 21 wie in 4 dargestellt.
In einem Schritt S26 wird erneut das mit Ionen angereicherte, vorimprägnierte und beschichtete Faser-Matrix-Material 14 in einer vorgegebenen Länge als zweite Schicht 8b des Strukturkondensators 2 auf der Separatorschicht 12 abgelegt und angeordnet. Das Ablegen erfolgt derart, dass die erste und zweite Schicht 8a, 8b nicht direkt miteinander in Kontakt stehen. Wie auf 4 dargestellt, ist die erste Schicht 8a anders orientiert, so z.B. um 90° versetzt orientiert, relativ zu der zweiten Schicht 8b des Strukturkondensators 2. Dabei kann es erforderlich sein, dass abhängig von dem Unterschied der Orientierung der ersten und zweiten Schicht 8a, 8b zueinander mehrere zweite Schichten 8b nebeneinander auf der Separatorschicht 12 ausgelegt werden, um die Separatorschicht 12 komplett abzudecken ohne aber mit der ersten Schicht 8b in Kontakt zu kommen.
In einem Schritt S28 wird die erste und zweite Schicht 8a, 8b mit der dazwischen angeordneten Separatorschicht 12 zu einer faserverstärkten Strukturkomponente konsolidiert. Dies kann beispielsweise durch eine Aushärtung unter Temperatur- und Druckeinfluss in einem Autoklaven erfolgen.
Vor der Konsolidierung oder danach wird die erste Elektrode 10a in der ersten Schicht 8a und die zweite Elektrode 10b in der zweiten Schicht 8b mit jeweils einem zugeordneten Kollektor 4a, 4b elektrisch gekoppelt (siehe 1). Der jeweilige Kollektor 4a, 4b ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, so z.B. Kupfer, gebildet.
Die faserverstärkte Strukturkomponente kann beispielsweise als Rumpfschale eines Flugzeugs oder Karosseriebauteil eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Auch andere Verwendungsmöglichkeiten der faserverstärkten Strukturkomponente sind denkbar.
Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung, ist es beabsichtigt, dass derartige Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exemplarisch und nicht restriktiv sind, so dass die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfindung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht den Umfang der Ansprüche beschränken.
Bezugszeichenliste

2: Strukturkondensator
4a, 4b: erster und zweiter Kollektor
6: Matrixmaterial
8a, 8b: erste und zweite Schicht
10a, 10b: erste und zweite Elektrode
12: Separatorschicht
13a: trockene Verstärkungsfasern
13b: beschichtete Verstärkungsfasern
13c: vorimprägniertes und beschichtetes Faser-Matrix-Material
14: mit Ionen angereichertes, vorimprägniertes und beschichtetes Faser-Matrix-Material
15: Ionenbad
16: Beschichtungsmaterial
20,21: Tapelege-Anlage
S0-S10: Verfahrensschritte
S20-S30: Verfahrensschritte

Claims

Strukturkondensator (2) zur Speicherung elektrischer Ladungen, umfassend - eine erste Schicht (8a) umfassend Verstärkungsfasern, die als erste Elektrode (10a) in einem Matrixmaterial (6) angeordnet sind, welches mit Ionen angereichert ist, wobei die jeweilige Verstärkungsfaser der ersten Elektrode (10a) eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung (16) aufweist, - einer zweite Schicht (8b) umfassend Verstärkungsfasern, die als zweite Elektrode (10b) in einem Matrixmaterial (6) angeordnet sind, welches mit Ionen angereichert ist, wobei die jeweilige Verstärkungsfaser der zweiten Elektrode (10b) eine elektrisch leitfähige und poröse Beschichtung (16) aufweist, - eine Separatorschicht (12), die zwischen der ersten und zweiten Schicht (8a, 8b) angeordnet und aus einem für die Ionen durchlässigen sowie für Elektronen undurchlässigen Material gebildet ist.
Strukturkondensator (2) gemäß Anspruch 1, bei dem die Separatorschicht (12) Glasfasern umfasst.
Strukturkondensator (2) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Verstärkungsfasern der ersten und/oder zweiten Elektrode (10a, 10b) als Kohlenstofffasern ausgebildet sind.
Strukturkondensator (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Matrixmaterial der ersten und zweiten Schicht (8a, 8b) als Polymerharz ausgebildet ist.
Strukturkondensator (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Verstärkungsfasern der ersten Schicht (8a) in einer ersten Richtung und die Verstärkungsfasern der zweiten Schicht (8b) in einer zweiten Richtung orientiert sind, wobei die erste Richtung unterschiedlich ist zu der zweiten Richtung.
Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Materials (14) für einen Strukturkondensator (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem - die trockenen Verstärkungsfasern (13a) mit dem elektrisch leitfähigen und porösen Beschichtungsmaterial (16) beschichtet werden, - die beschichteten Verstärkungsfasern (13b) mit dem Matrixmaterial (16) getränkt werden, so dass ein mit dem Matrixmaterial (6) vorimprägniertes Faser-Matrix-Material (13c) vorliegt, - das vorimprägnierte Faser-Matrix-Material (13c) wird zumindest mit Ionen angereichert wird, - das mit Ionen angereicherte und vorimprägnierte Faser-Matrix-Material (14) für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Strukturkomponente mit einem Strukturkondensator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem - das nach Anspruch 6 hergestellte mit Ionen angereicherte Faser-Matrix-Material (14) in einer vorgegebenen ersten Orientierung und in einer vorgegebenen Länge als erste Schicht (8a) bereitgestellt wird, - die Separatorschicht (12) in einer vorgegebenen Länge auf der ersten Schicht (8a) angeordnet wird, - das nach Anspruch 6 hergestellte mit Ionen angereicherte Faser-Matrix-Material (14) in einer vorgegebenen zweiten Orientierung und in einer vorgegebenen Länge als zweite Schicht (8b) auf der Separatorschicht (12) angeordnet wird, - die erste Schicht (8a) und zweite Schicht (8b) mit der dazwischen angeordneten Separatorschicht (12) konsolidiert wird zu der faserverstärkten Strukturkomponente.