DE3144653A1 - Faden-verbundkonstruktionen, die blitzschlag- und elektromagnetischen schutz bieten - Google Patents

Faden-verbundkonstruktionen, die blitzschlag- und elektromagnetischen schutz bieten

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DE3144653A1 DE19813144653 DE3144653A DE3144653A1 DE 3144653 A1 DE3144653 A1 DE 3144653A1 DE 19813144653 DE19813144653 DE 19813144653 DE 3144653 A DE3144653 A DE 3144653A DE 3144653 A1 DE3144653 A1 DE 3144653A1
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Description

Faden-Verbunakonstruktionen, die Blitzschlag- und elektromagnetischen Schutz bieten
Beschrei bung 5
I)Ie vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laminatkonstruktionen und im besonderen auf solche Konstruktionen, die aus Lagen von Faden-Verbundraaterialien hergestellt sind.
Faserverstärkte Verbandmaterialien,wie beispielsweise aus Fäden gewebte oder geflochtene Laminate,ersetzen aufgrund ihrer ausgezeichneten Struktur-Eigenschaften und niedrigen Herstellungskosten ivtetallmaterialien in vielen Bereichen,wie der Luftfahrt-Anwendung beispiels-
!5 weise. In der Luftfahrt eingesetzte, aus Glas-Verbundmaterialien hergestellte Fäden reduzieren beträchtlich das Gewicht von Bauteilen in Fahrzeugen mit überwiegend metallischen Materialien, öolche leichten Veroundmaterialien bieten beispielsweise Flugzeugkonstrukteuren solche Vorteile, und ihre Verwendung wird sich mit steigendem Vertrauen in ihre Zuverlässigkeit erheblich ausweiten. Jedoch sind Probleme mit solchen Verbundmaterialien infolge ihrer Anfälligkeit gegenüber 31itzschlag-öchäden, elektromagnetischer Interferenz und dgl.
verbunden. Infolgedessen oesteht eine Notwendigkeit, fadenverstärkte Verbundmaterialien bereitzustellen, die • Blitzschlägen standhalten oder innere Bauteile gegenüber elektromagnetischer Interferenz abschirmen können.
■ Die Leitfähigkeit einiger Verbundmaterialien,wie beispielsweise Graphit,ist in gewissen Anwendungsbereichen mit geringen Anforderungen ausreichend, jedoch genügt im allgemeinen die Leitfähigkeit solcher Materialien nicht, Blitzschlag-ochäden auszuschalten oder gegen starke elektromagnetische Interferenz abzuschirmen.
3U4653
Versuche wurden durchgeführt, um faden verstärkte Verbundmaterialien mit der elektrischen Leitfähigkeit bereitzustellen, die in gegenwärtig für Bauteile in der
Luftfahrtindustrie beispielsweise verwendeten Metall-5
materialien vorherrschend zu finden ist. Beispielsweise ■ verwenden einige Verfahren zur Erzielung einer leitfähigen Oberfläche das Auftragen einer Farbe auf Metallbasis auf die Überfläche, das Verbinden" von Metallfolien mit der Oberfläche, das Flammenspritzen von metallischen Auflagen, die Verwendung von Lagen aus Metalldrahtgeflecht und den Einbau von Metallstreifen oder· -stiften in das .dauteil. All diese Versuche, eine Verbundkonstruktion mit einem leitfähigen Medium zu versehen, verlangen jedoch sekundäre oder zusätzliche Arbeitsgänge, die höhere Kosten der betreffenden Konstruktion verursachen.
Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Probleme lösen und dem 3edürfnis nach einem leitfähigen
Medium in Veroundkonstruktionen abhelfen, um eine Konstruktion vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz und dgl. zu schützen.
Im allgemeinen bezieht sich die vorliegende Erfindung 25
auf eine Verbundkonstruktion,wie beispielsweise ein Bauteil in einem Luftfahrzeug, das aus nichtmetallischen Faden-Laminaten hergestellt ist, wobei zur Erzeugung eines !leitfähigen Mediums bestimmte Fäden mit einem
leitfähigen Metall ,wie Aluminium oeispielsweise, 30
umhüllt werden. Die umhüllten Fäden werden mit.
dem Resultat verbesserter ötruktur-Eigenschaften und niedrigerer Kosten.mit Harz vermischt und zusammen mit der gesamten Konstruktion gehärtet.
Im einzelnen Dezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Laminat-Konstruktion wie beispielsweise.ein Bauteil
eines Luftfahrzeuges oder ähnlichen, das aus Lagen von Faden-Verbundmaterialien hergestellt ist. Die äuiere Überflächenlage des Faden-Verbundmaterials ist aus mit leitfähigem Metall umhüllten Fäden zum Schutz vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz und dgl. hergea bellt. Die uuUeru üburfliichimyc-hicht der umhüllten Fäden dient als leitfähige Barriere zur Dispersion des vom Blitz oder von anderen elektromagnetischen Quellen hervorgerufenen Stromes.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Fäden aus einem Verbundmaterial wie Glas, Kevlar ader ähnlichem hergestellt, und die Fäden sind Ίc mit einem Aluminium-Material umhüllt. Es ist vor-
gesehen, die Laminat-Konstruktion aus Fäden zu flechten, wobei ihre äuJere Überflächenlage aus mit leitfähigern Metall umhüllten Fäden geflochten wird. Die Laminat-Konstruktion und die äußere Überflächenlage können auch
2Q in Form eines Geweües hergeatel.lt yein. Eine groiie Anoranungs -Vielfalt des Faden- oder Faseranteils ist für die: Laminat-Konstruktion vorgesehen, wo Dei ihre riuiere überflächenlage aus den mit leitfähigem Metall umhüllten Fäden hergestellt ist. Die gesamte Verouna·=- konstruktion einschließlich der äußeren überflächenlage aus umhüllten Fäden kann mit Epoxy-Harz vermischt oder imprägniert und die gesamte Laminat-Konstruktion gleichzeitig gehärtet werden. Dies vermeidet sekundäre oder zusätzliche Arbeitsgänge, die bei früheren Versuchen zur Bereitstellung eines leitfähigen Mediums in einer Faden-Verbundkonstruktion angefallen sind.
Andere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden detaillierten !3et>chreibung mit Bezugnähme auf die beigefügte Zeichnung dargestellt.
Die Merkmale dieser als neu angesehenen Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen mit Genauigkeit dargestellt. Die Erfindung, ihre Ziele und Vorteile tonnen am besten verstanden wer den durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in welcher gleiche Bezugszeichen für gleiche Bestandteile stehen-.
Ss zeigen
10
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeuges» zwischen dessen Flügeln die 3ahn eines eingeschlagenen Blitzes dargestellt ist,
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht einer Flügelspitze *5 des in Fig. 1 gezeigten Flugzeuges mit einem Teilausschnitt zur Darstellung seiner inneren Bestandteile,
Fig. t> einen vergrößerten Abschnitt der in Fig. 2 gezeigten Flügelkonstruktion zur Darstellung
ihrer laminierten oaer geschichteten Konstruktion,
Fig. 4 ejne Vergrößerung der äußeren Oberflächenlage der in Fig. t> gezeigten Laminat-Konsxruktion zur Darstellung ihrer Gewebeanordnung, Fig. 5 eine Vergrößerung aer Gewebeanordnung von Fig. mit einer Vielzahl von umhüllten Fäden in Übereinstimmung mit der vorliegenden"Erfindung,
Fig. 6J£ ein Teilstück eines mit einem metallischen Ma teao rial völlig umhüllten Einzelfadens und
Fig. 6B ein Teilstück eines Einzelfadens, aer zur Hälfte mit einem metallischen Material umhüllt ist.
Fig. 1 zeigt ein Luftfahrzeug in der Form eines Flugzeuges 1o. Das Flugzeug 1o weist einen Rumpf 12, ein Paar von Flügeln 14-A untt 14B una eine Heckflosse 16 auf. Eines aer Probleme, auf dessen Lösung sich die
31U653
vorliegende Erfindung bezieht, ist der Schutz vor Blitzschlag-Schaden an Bauteilen»wie beispielsweise solchen des Flugzeuges 1o. Im Punkte 18 schlägt ein Blitz in die Spitze des Flügels 14A ein. rfie durch die pfeile 2o angezeigt, verteilt sich der von dem Blitz erzeugte Strom über den Flügel 14A sowie den Rumpf 12 und.den gegenüberliegenden Flügel 14B und wird im Punkte 22 in die Atmosphäre aogeleitet.
Es versteht sich, dai3 die vorliegende Erfindung, insbesondere bezüglich der Fig. 1, hier lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung zur Verwendung für Bauteile eines Luftfahrzeuges,wie beispielsweise eines Flugzeuges 1o,aargestellt wird. Die vorliegende Erfindung hat ein
weites Anwendungsoereich auf zahllosen Gebieten der 15
Verwendung von Bauteilen, wo leitfähige Barrieren in
Faden-Verbundkonatruktionen erforderlich sind. Obwohl : sie nicht darauf beschränkt ist, schlieft sie den Schutz vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz
una ähnlichem ein.
20
In Fig. 2 ist die Spitze des Flügels 14B mit einem Teilausschnitt 24 dargestellt, um zu zeigen, dai3 der Flügel bestimmte innere Bestandteile 2b enthält. Natürlich trifft dies auch auf den Rumpf 12 zu, und es ist wichtjg,
die inneren Bestandteile in vielfältigen Anwendungs-25
bereichen vor elektromagnetischer Interferenz oeispielsweise zu schützen. Der Flügel 14B kann in verschiedenen Anordnungen der Lagen aus Faden-Verbundinaterial hergestellt werden, wie beispielsweise als gewebte Anord-
nungen oder als aus Fäden geflochtene Anordnungen, wobei 30
die letzteren spiralige oder ringförmige Fadenwindungen aufweisen. Solche aus Fäaen geflochtene Verbund-Konstruktionen sind ohne weiteres für den Rumpf eines Flugzeuges oder als Flügelbestandteile verwendbar. Aus Fäden _ geflochtene Konstruktionen haben eine weite Aufnahme in den Raketen-Technologien gefunden.
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Pig. ΐ>. zeigt einen vom flügel 14B,.aus dem Teilausschnitt 24 beispielsweise,abgetrennten Abschnitt 14B1. Dieser Abschnitt 14B1 zeigt, aai3 die Laminat-Konstruktion
aes Bauteiles aus einer Vielzahl von Lagen 28A-28D von 5
Faden-Verbundinaterial hergestellt ist. Jede Lage kann in sehr verschiedenartigen Faden-Anordnungen, wie beispielsweise gewebten oder geflochtenen Anordnungen , hergestellt sein. Me Fäden jeaer Lage 28A-28D sind mit Epoxy-Harz vermischt und/oder imprägniert. Sobald aie gesamte Verbund-Konstruktion bis zur gewünsch ten Dicke entweder aus Fäden geflochten oder aufgebaut ist., wird die gesamte Konstruktion in bekannter ffeise gehärtet. Das Resultat besteht in. einem leichten Bauteil
Λ _ mit verbesserten otruktur-Eigenschaften und wesentlich
niedrigeren Kosten als gegenwärtig verwendete "Metall— konstruktionen.
Fig. 4 zeigt eine einzelne Lage aus Faden-Verbundmaterial, wie aie äußere überfiächenlage 28A beispielsweit.e,
on aie aus einer Gewebe-Lage einschließlich einer Vielzahl ■ von Bändern oder Anordnungen ;>o von individuellen- Fäden besteht.
In Fig. 5 wird gezeigt, da<3 jedes in der äußeren Oberflächenlage enthaltenes Band oder Anordnung $o indivi-
2g duelle Fäden umfasst. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist jeder Faden luit einem leitfähigen Metallmaterial umhüllt, um eine zusammengesetzte leitfähige Barriere zur Verteilung von dtrömen infolge von Blitzen oaer anaeren elektromagnetischen
QQ Quellen zu bilden und aabei vor Blitzschlag-dchäaen, elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem zu.· schützen. Im einzelnen betracntet, ist jeder Faden aus einem Verbundmaterial Oder Ader j52 aus Glas, Kevlar oder ähnlichem Material hergestellt. Die Ader >2 ist iuit einer metallischen Umhüllung 34 aus Aluminium oder ähnlichem umhüllt. In dieser v/eise stellt die
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gesamte äußere Oberflächenlage 28a des Verbund-ßauteiles, wie der Plügel 14B beispielsweise, eine leitfähige Barriere zur.Verteilung des von Blitzen oder elektromagnetischen. Quellen erzeugten Stromes dar. Dies ist durch die mit Bezug auf Pig. 1 beschriebene 3litz-Verteilung gezeigt. Die äußere Oberflächenlage 2öA ist wie in Pig. 5 dargestellt zusammen mit ae'r Gesamtdicke der Verbund-Konstruktion mit Epoxy-Harz ^b vermischt
oder imprägniert, öomit sind durch Ausbildung aer 10
resultierenden Barriere als ein integraler Bestandteil der VerDuna-Konstruktion und durch Aushärtung dieser äußeren Lage oaer leitfähigen Oberfläche gleichzeitig mit der gesamten Konstruktion sämtliche zusätzlichen
oder sekundären Arbeitsgänge, die bisher oei der Erzeu-15
gung eines leitfähigen Mediums in Verbundkonstruktionen erforderlich waren, ausgeschaltet. »Sollte der Rumpf 12 des Plugzeuges 1ο in ähnlicher ;7eise "wie aer mit iiezug auf die Pig. d-b beschrieoene Plügel 143 hergestellt sein, so wird dadurcn eine Barriere gegenüber elektromagnetischer Interferenz init den empfinalichen Instrumenten innerhalb aes Rumpfes oder im Cockpit erzeugt.
"Fig. 6A una b3 zeigen vergrößerte Abschnitte eines
metall umhüllten Einzelfadens mit verschiedenen 25
Ausbildungen der Umhüllung. Im einzelnen betrachtet, zeigt Fig. 6A einen Abschnitt eines Einzeli'adens, der die zusammengesetzte Ader 52 aus Glas, Keylar oder ähnlichem Material aufweist und der vollständig mit ar. einer Umhüllung 24 aus Aluminium oder anderem leitfähigen metallischen Material umhüllt ist. Pig. bB zeigt mit dem Bezugszeichen ^4A, daß die Ader t>2 zur Hälfte mit Aluminium ouer anderem leitfähigen metallischen Material umhüllt ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde geprüft und hat sich in nachgestellten Blitzschlag-Prüfungen als wirkungsvoll herausgestellt. Im einzelnen betrachtet, treten Blitze in zwei grundsätzlich verschiedenen Formen auf: zum einen als vVolke-zum-Erdboden-Slitz und zum anderen als Wolke-zu-tfolke-Blitz. Aufgrund der Schwierigkeit des Auffangens und des Messens-"von Wolke-zu-v/o lke-Blitzen oeziehen sich die meisten vorhandenen statistischen Daten der Blitz-Charakteristiken auf Wolke-zum-Erdboden-Blitze. Da den tfolke-zu-v/olke-Blitz en die hohen dpitzenströme der tfolke-zum-Erdooden-Blitze fehlen, stellt die Verwendung der Charakteristiken der tfolke-zum-Erdboden-Blitze tatsächlich ein konservatives Meiikriterium dar. Blitzentladungen können auch von entweder einem positiven oder einem negativen Entladungszentrum in einer i/olke ausgehen. Eine negative Entladung ist durch mehrere zeitweilig aussetzende Blitzschläge una kontinuierliche otröme cnarakterisiert.
üas Merkmal positiver Entladungen, die nur zu einem geringen Prozentsatz auftreten,ist ein einzelner Blitzschlag und.kontinuierlich abnehmende dtröme. Laminat-Konstruktionen aus Lagen von Faden-Verbundmaterial, wobei die äußere Oberflächenlage des Faden-Verbundmaterials gemäi aer vorliegenden Erfindung aus mit leitfähigem Metall umhüllten Fäden hergestellt ist, haben sich als ziemlich wirkungsvoll bezüglich der Verteilung der nachgestellten Blitzschlag-dtröme erwiesen. Durch die Ausbildung der äußeren Oberflächenschicht der mit leitfähigem Metall umhüllten Fäden als ein integraler Bestandteil der Verbund-Konstruktion wurden zusätzliche oder sekundäre Arbeitsgänge, wie die Verwendung von Farben auf Metall-3asis, geklebte Metallfolien., ivietalldrahtgeflecht, aufgesprühte Metallpulver oder ivietallstreifen ouer -stifte, vermieden.
3HA653
Es verstellt sich, daß die Erfindung in anderen Aus-'fuhrungsformen verwirklicht werden kann, ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen. Aus diesem Grunde sind die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen in allen Beziehungen als erläuternd und nicht als einschränkend zu betrachten. Die Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten beschränkt.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Eine aus Lagen von Faden-Verbundmaterial hergestellte Laminat-Konstruktion, die Mittel zum Schütze vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere 0berflächenlage(28A) des Faden-Verbundmaterials aus Fäden (32) mit einer Umhüllung (34 bzw. 3^A) aus leitfähigem Metall hergestellt ist, um eine leitfähige Barriere zur Verteilung des von Blitzen oder anderen elektromagnetischen Quellen erzeugten Stromes zu schaffen.
    31U653
    2. Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) aus ■ einem Glas aufweisenden Yerbundmaterial hergestellt
    sind. · ■ .
    5
    .3· Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch Λ und/oder 2, dadurch gekennzei c _h net, daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.
    4. Eine Laminat-Konstruktion nach wenigstens einem der
    Ansprüche Λ - 3i dadurch gekennz ei chnet^ daß die Laminat-Konstruktion ein aus Fäden (32) geflochtenes Bauteil aufweist, dessen äußere Oberflächenlage (28A) aus den mit einer Umhüllung (3^ bzw. 15
    34A) aus leitfähigem Metall versehenen Fäden (32) geflochten ist.
    5« Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (32) aus einem Glas aufweisenden Verbundmaterial hergestellt sind.
    6. Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch 4 und/oder 5* dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.
    7- Eine Laminat-Konstruktion nach wenigstens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn ζ ei chnet, daß die äußere Oberflächenlage (28A) der· mit einer umhüllung (34 bzw. 34-A) aus leitfähigem Metall versehenen Fäden·(32) aus einer gewebten Lage besteht.
    8. Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.
    9· Eine Laminat-Konstruktion nach wenigstens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet , ■daß die Fäden (32) mit Harz vermischt und gleichzeitig mit der gesamten Laminat-Konstruktion aus Faden-. Verbundmaterial gehärtet sind.
    10. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauteil Lagen (28A-28D) von Faden-Verbundmaterial aufweist und daß die äußere Oberflächenlage (28A) dieses Faden-Verbundmaterials aus Fäden (32) mit einer Umhüllung (34- bzw. 34A) aus leitfähigem Metall hergestellt ist, um einen Schutz vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem zu schaffen.
    11. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) aus einem Glas aufweisenden Verbundmaterial hergestellt sind.
    12. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 1o und /oder 11, dadurch gekennz eichnet , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.
    13· Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach wenigstens einem der Ansprüche 1o-12, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauteil aus einem Fadengeflecht besteht, wobei seine äußere Oberflächenlage (28A) aus den mit einer Umhüllung (3^· bzw. aus leitfähigem Metall versehenen Fäden (32) geflochten ist.
    14. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 13 dadurch' gekennzeichnet , daß die Fäden (32) aus einem Glas aufweisenden Verbundmate rial hergestellt sind.
    15. Ein Bauteil eines Luftiahrzeuges nach Anspruch. 12 und /öder 14-, dadurch g e k e η η ζ eichnet. , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material
    umhüllt sind.
    5
    16. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach wenigstens einem der Ansprüche I0-I5, dadurch g e k e η η zei'chnet, daß die äußere Oberflächenlage (28A) der mit einer Umhüllung (34 "bzw. 3^A) aus einem leitfähigen Metall versehenen Fäden (32) aus einer gewebten Lage "besteht.
    17· Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 16,
    , _ dadurch gekennzeichnet , daß die
    ·
    Fäden (32) mit einem Aluminium-Material.umhüllt sind.
    18. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach wenigstens einem der Ansprüche 1o-17, dadurch -gekennzeichnet, daß die Fäden (32) mit Harz irer-
    mischt und gleichzeitig mit der gesamten Laminat-Konstruktion aus Faden-Verbundmaterial gehärtet sind.
DE19813144653 1980-11-13 1981-11-10 Faden-verbundkonstruktionen, die blitzschlag- und elektromagnetischen schutz bieten Granted DE3144653A1 (de)

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