DE102018001222A1 - Protected from laser radiation and thermal radiation component made of a plastic - Google Patents

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Abstract

Das neue Bauteil aus einem Kunststoff soll vor Laserstrahlung und thermischer Strahlung geschützt sein.
Hierzu weist der Kunststoff weist einen Anteil von 1 bis 10 Gewichtprozent an Nanopartikeln auf. Die Nanopartikel sind gewichtbezogen überwiegend Nanopartikel, die aus einer aus Titanoxid-Nanopartikeln oder Silber-Nanopartikeln oder Aluminium-Nanopartikeln bestehenden Gruppe ausgewählt sind.The new component made of a plastic is to be protected against laser radiation and thermal radiation.
For this purpose, the plastic has a proportion of 1 to 10 percent by weight of nanoparticles. The nanoparticles are predominantly by weight nanoparticles selected from a group consisting of titanium oxide nanoparticles or silver nanoparticles or aluminum nanoparticles.

Description

Die Erfindung betrifft ein vor Laserstrahlung und thermischer Strahlung geschütztes Bauteil aus einem Kunststoff.The invention relates to a protected from laser radiation and thermal radiation component made of a plastic.

Die Entwicklung leistungsfähiger Laserwaffen schreitet voran. Erprobungen zeigen, dass es mit Hilfe derartiger Waffen möglich ist, Bauteile aus Kunststoffen zu perforieren. Somit können Waffensysteme oder auch zivile Luft-Fahrzeuge aus Faserverbundwerkstoffen leicht beschädigt oder zerstört werden. Ebenso wie die Laserwaffen, stellt auch thermische Strahlung, wie sie z.B. bei einem Brand entsteht, eine Gefahr für Waffensysteme und Luft-Fahrzeuge aus Faserverbundwerkstoffen dar. Im Bereich des Schutzes vor thermischer Strahlung kommen üblicherweise verschiedene Flammschutzmittel zum Einsatz, welche die Wärmeleitfähigkeit erhöhen oder durch chemische Reaktionen den Abbrand verzögern.The development of powerful laser weapons is progressing. Trials show that it is possible with the help of such weapons to perforate components made of plastic. Thus, weapon systems or civil air vehicles made of fiber composite materials can be easily damaged or destroyed. Like the laser weapons, thermal radiation, e.g. In the area of protection against thermal radiation usually different flame retardants are used, which increase the thermal conductivity or retard the burnup by chemical reactions.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Bauteile aus einem Kunststoff vor Laserstrahlung und thermischer Strahlung zu schützen.The object of the invention is to protect components made of a plastic from laser radiation and thermal radiation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine Schädigung von Kunststoffen durch Laserstrahlung oder thermische Strahlung durch Zuhilfenahme von Nanopartikeln im Werkstoff abgeschwächt wird. Luft-Fahrzeuge oder andere Systeme aus Kunststoffen, wie Faserverbundwerkstoffe, sind vor Laser- bzw. thermischer Strahlung geschützt. Da die Partikel im nanoskaligen Format eingebracht sind, werden die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe nicht oder nur gering beeinflusst.The advantages of the invention are that damage to plastics by laser radiation or thermal radiation by means of nanoparticles in the material is attenuated. Air vehicles or other systems made of plastics, such as fiber composites, are protected against laser or thermal radiation. Since the particles are incorporated in nanoscale format, the mechanical properties of the plastics are not or only slightly influenced.

Gemäß einem ersten Effekt reflektieren und/oder streuen die Nanopartikel teilweise die Strahlung. Durch die Reflektion und/oder Streuung von Laserlicht bzw. thermischer Strahlung durch die Nanopartikel wird weniger Energie im Werkstoff deponiert. Es dauert damit länger, bis das entsprechende Bauteil bei einer derartigen Belastung versagt. Somit wird die Überlebenswahrscheinlichkeit erhöht.According to a first effect, the nanoparticles partially reflect and / or scatter the radiation. Due to the reflection and / or scattering of laser light or thermal radiation by the nanoparticles less energy is deposited in the material. It takes longer until the corresponding component fails under such a load. Thus, the probability of survival is increased.

Zusätzlich zu dem ersten Effekt werden die Partikel gemäß einem zweiten Effekt bei der von der Strahlung bedingten Zerstörung des Werkstoffs freigesetzt und befinden sich dann in der Atmosphäre vor dem Werkstoff, und somit zwischen der Strahlungsquelle und dem Werkstoff. Auch dort können diese Partikel dann das Laserlicht oder die thermische Strahlung reflektieren und/oder streuen und somit die Wirkung des Lasers oder der Wärmequelle verringern und die Schädigung weiter verzögern.In addition to the first effect, the particles are released according to a second effect in the radiation-related destruction of the material and are then in the atmosphere in front of the material, and thus between the radiation source and the material. Also there, these particles can then reflect and / or scatter the laser light or the thermal radiation and thus reduce the effect of the laser or the heat source and further delay the damage.

Auch die Art der Partikel hat einen Einfluss. So eignen sich metallische Nanopartikel, wie Silber-Nanopartikel, besser zur Reflektion von Strahlung (vgl. Rückseite von Spiegeln, welche meist aus Silber oder Aluminium besteht), wohingegen z.B. Nanopartikel aus Titanoxid (auch Titan(IV)-oxid, TiO2) dafür bekannt sind, Licht zu streuen. Letztere werden daher z.B. in weißer Wandfarbe eingesetzt, um sichtbares Licht zu streuen und dieses helle Weiß zu erzeugen, oder auch in Sonnencremes zum Schutz vor UV-Strahlung.The type of particles also has an influence. For example, metallic nanoparticles, such as silver nanoparticles, are more suitable for reflecting radiation (see the back of mirrors, which are usually made of silver or aluminum), whereas e.g. Titanium oxide (also titanium (IV) oxide, TiO 2) nanoparticles are known to diffuse light. The latter are therefore used e.g. used in white wall paint to diffuse visible light and produce this bright white, or in sun creams to protect against UV radiation.

Daher ist auch die Verwendung von Mischungen aus sowohl in ihrer Art als auch Größe unterschiedlichen Nanopartikeln in Kunststoffen zu diesem Zweck vorgesehen.Therefore, the use of mixtures of different in size and size of nanoparticles in plastics for this purpose is also provided.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben.Embodiments of the invention will be described below.

Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Wirkung von reflektierenden oder streuenden Nanopartikeln auf Laser- und thermische Belastung von Kunststoffen.The exemplary embodiments relate to the effect of reflective or scattering nanoparticles on the laser and thermal loading of plastics.

Zum Nachweis des Schutzes vor Laserstrahlung und thermischer Strahlung wurden einige Parameter ausgewählt. Die durchgeführten Untersuchungen sind in der Tabelle 1 durch Unterstreichung markiert.To prove the protection against laser radiation and thermal radiation, several parameters were selected. The investigations carried out are marked in Table 1 by underlining.

Verwendeter Kunststoff:

  • - Polymer auf Epoxidbasis (Handelsname des verwendeten Epoxidharzes: HexFlow® RTM6 der Fa. Hexcel)
Used plastic:
  • Epoxy-based polymer (trade name of the epoxy resin used: HexFlow® RTM6 from Hexcel)

Verwendeter faserverstärkter Kunststoff:

  • - Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff auf Epoxidbasis (Handelsnamen: HexFlow® RTM6 der Fa. Hexcel mit der Faser HexForce® G0939 D 1260 TCT der Fa. Hexcel)
Used fiber reinforced plastic:
  • - Carbon fiber reinforced plastic based on epoxy (trade name: HexFlow® RTM6 from Hexcel with the fiber HexForce® G0939 D 1260 TCT from Hexcel)

Verwendete Silber-Nanopartikel:

  • - Durchmesser 50-60 nm (Artikelbez.: NM-0038-UP der Fa. IOLITEC)
Used silver nanoparticles:
  • Diameter 50-60 nm (article reference: NM-0038-UP from IOLITEC)

Verwendete Titanoxid-Nanopartikel:

  • - Durchmesser 200 nm (Artikelbez.: NO-0051-HP der Fa. IOLITEC)
Titanium oxide nanoparticles used:
  • Diameter 200 nm (article reference: NO-0051-HP from IOLITEC)

Aluminium-Nanopartikel wurden nicht überprüft. Aluminium-Nanopartikel sollten sich aber wie Silber-Nanopartikel verhalten.Aluminum nanoparticles have not been verified. Aluminum nanoparticles should behave like silver nanoparticles.

Die Tabellen 2 und 3 zeigen Ergebnisse einer Versuchsreihe einer Laserbestrahlung von Kunststoffen. Hierbei wurden die Nanopartikel und deren Gehalt verändert. Außerdem wurden verschiedene Laserparameter erprobt. Hierbei zeigt sich, dass mit zunehmendem Gehalt an Nanopartikeln die Eindringtiefe und somit die Schädigung durch den Laser abnimmt. Dies ist sowohl bei den reflektierenden Silber-Nanopartikeln (Tabelle 2) als auch bei den streuenden Titanoxid- Nanopartikeln (Tabelle 3) zu erkennen.Tables 2 and 3 show results of an experimental series of laser irradiation of plastics. Here, the nanoparticles and their content were changed. In addition, various laser parameters were tested. This shows that with increasing content of nanoparticles the penetration depth and thus the damage by the laser decreases. This can be seen both in the reflective silver nanoparticles (Table 2) and in the scattering titanium oxide nanoparticles (Table 3).

Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse von Versuchen, bei welchen Faserverbundwerkstoffe mit thermischer Strahlung beaufschlagt wurden. Hierbei ist ein deutlicher Anstieg der Entzündungszeit mit zunehmendem Nanopartikelgehalt zu erkennen. Dies zeigt, dass die Strahlung reflektiert wird und das Material besser vor thermischer Strahlung geschützt ist und ein Brand somit später entsteht. Die thermische Bestrahlung erfolgte mit einem Cone-Kalorimeter mit 35 kW/m2. Tabelle 1: Übersicht über die Parameter dieser Erfindung. Unterstrichen sind die bereits durchgeführten Erprobungen gemäß der weiteren Tabellen 2 bis 4. Laser-Bestrahlung thermische Strahlung Reflektierende Nanopartikel z.B. Silber-Nanopartikel Kunststoff faserverstärkter Kunststoff Kunststoff faserverstärkter Kunststoff Streuende Nanopartikel z.B. Titanoxid-Nanopartikel Kunststoff faserverstärkter Kunststoff Kunststoff faserverstärkter Kunststoff Tabelle 2: Ergebnisse der Laser-Bestrahlung von Probekörpern aus einem Polymer mit verschiedenen Gehalten an Silber-Nanopartikeln Gehalt Silber-Nanopartikel 0% 1% 2% 3% 5% 10% Spurtiefe bei Laser-Parameter A [µm] 13,61 ± 0,58 12,15 ± 0,28 12,09 ± 0,93 12,29 ± 0,29 11,94 ± 1,26 11,85 ± 0,45 Spurtiefe bei Laser-Parameter B [µm] 69,58 ± 1,40 63,90 ± 0,84 59,65 ± 1,82 61,98 ± 2,25 61,31 ± 1,36 58,39 ± 1,88 Table 4 shows the results of experiments in which fiber composites were exposed to thermal radiation. Here, a significant increase in the inflammation time with increasing nanoparticle content can be seen. This shows that the radiation is reflected and the material is better protected against thermal radiation and thus creates a fire later. The thermal irradiation was carried out with a Cone calorimeter with 35 kW / m 2 . Table 1: Overview of the parameters of this invention. Underlined are the already performed tests according to the further tables 2 to 4. Laser irradiation thermal radiation Reflective nanoparticles eg silver nanoparticles plastic fiber reinforced plastic plastic fiber reinforced plastic Scattering nanoparticles eg titanium oxide nanoparticles plastic fiber reinforced plastic plastic fiber reinforced plastic Table 2: Results of laser irradiation of specimens made of a polymer with different contents of silver nanoparticles Content of silver nanoparticles 0% 1% 2% 3% 5% 10% Track depth at laser parameter A [μm] 13.61 ± 0.58 12.15 ± 0.28 12.09 ± 0.93 12.29 ± 0.29 11.94 ± 1.26 11.85 ± 0.45 Trace depth at laser parameter B [μm] 69.58 ± 1.40 63.90 ± 0.84 59.65 ± 1.82 61.98 ± 2.25 61.31 ± 1.36 58.39 ± 1.88

Hierbei verwendete Laserparameter:

  • Parameter A: Geschwindigkeit = 250 mm/s
  • Parameter B: Geschwindigkeit = 50 mm/s
  • Wellenlänge: 355 nm
  • Spurbreite: 0,05 mm
Tabelle 3: Ergebnisse der Laser-Bestrahlung von Probekörpern aus einem Polymer mit verschiedenen Gehalten an Titanoxid-Nanopartikeln Gehalt Titanoxid-Nanopartikel 0% 1% 2% 3% 5% 10% Spurtiefe bei Laser-Parameter A [µm] 13,61 ± 0,58 11,75 ± 0,53 12,05 ± 0,83 12,08 ± 0,86 13,14 ± 0,81 12,43 ± 0,70 Spurtiefe bei Laser-Parameter B [µm] 69,58 ± 1,40 63,07 ± 1,39 61,07 ± 1,96 61,95 ± 0,63 63,65 ± 1,88 62,18 ± 2,08 Here used laser parameters:
  • Parameter A: Speed = 250 mm / s
  • Parameter B: Speed = 50 mm / s
  • Wavelength: 355 nm
  • Track width: 0.05 mm
Table 3: Results of laser irradiation of specimens made of a polymer with different contents of titanium oxide nanoparticles Content of titanium oxide nanoparticles 0% 1% 2% 3% 5% 10% Track depth at laser parameter A [μm] 13.61 ± 0.58 11.75 ± 0.53 12.05 ± 0.83 12.08 ± 0.86 13.14 ± 0.81 12.43 ± 0.70 Trace depth at laser parameter B [μm] 69.58 ± 1.40 63.07 ± 1.39 61.07 ± 1.96 61.95 ± 0.63 63.65 ± 1.88 62.18 ± 2.08

Hierbei verwendete Laserparameter:

  • Parameter A: Geschwindigkeit = 250 mm/s
  • Parameter B: Geschwindigkeit = 50 mm/s
  • Wellenlänge: 355 nm
  • Spurbreite: 0,05 mm
Tabelle 4: Ergebnisse der Bestrahlung von Probekörpern aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit verschiedenen Gehalten an Silber-Nanopartikeln mit thermischer Strahlung Gehalt Silber-Nanopartikel 0% 1% 2% 3% 5% 10% Zeit bis zur Entzündung [s] 63 ± 9 71 ± 4 76 ± 2 71 ± 3 80 ± 1 83 ± 6 Here used laser parameters:
  • Parameter A: Speed = 250 mm / s
  • Parameter B: Speed = 50 mm / s
  • Wavelength: 355 nm
  • Track width: 0.05 mm
Table 4: Results of the irradiation of test specimens made of a carbon fiber reinforced plastic with different contents of silver nanoparticles with thermal radiation Content of silver nanoparticles 0% 1% 2% 3% 5% 10% Time to inflammation [s] 63 ± 9 71 ± 4 76 ± 2 71 ± 3 80 ± 1 83 ± 6

Claims (2)

Bauteil, bestehend aus einem Kunststoff, mit folgenden Merkmalen: a) der Kunststoff weist einen Anteil von 1 bis 10 Gewichtprozent an Nanopartikeln auf, b) die Nanopartikel sind gewichtbezogen überwiegend Nanopartikel, die aus einer aus Titanoxid-Nanopartikeln oder Silber-Nanopartikeln oder Aluminium-Nanopartikeln bestehenden Gruppe ausgewählt sind, zum Schutz vor Laserstrahlung und thermischer Strahlung.Component consisting of a plastic, having the following features: a) the plastic has a proportion of 1 to 10% by weight of nanoparticles, b) the nanoparticles are by weight predominantly nanoparticles selected from a group consisting of titanium oxide nanoparticles or silver nanoparticles or aluminum nanoparticles for protection against laser radiation and thermal radiation. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der Kunststoff ein faserverstärkter Kunststoff ist.Component after Claim 1 in which the plastic is a fiber reinforced plastic.
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