DE3144653C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Schichtstoff-Bauteil zum
Blitzschutz und zur elektromagnetischen Abschirmung gemäß
dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1.
Bei einem aus der US-PS 37 55 713 bekannten Verfahren zum
Herstellen eines Schichtstoff-Bauteils zum Blitzschutz und
zur elektromagnetischen Abschirmung bei
Luftfahrzeug-Außenhüllen wird auf eine vorgefertigte,
glasfaserverstärkte Kunststoffplatte an der späteren
Außenseite ein Drahtgewebe oder Drahtmaschenwerk
aufgebracht und mittels eines haftungsvermittelnden Harzes
daran festgeklebt. Nachteilig ist dabei die aufwendige
Herstellung des Bauteils, bei der zum Aufbringen und
Anhaften des Drahtmaschenwerks zusätzliche
Arbeitsschritte erforderlich sind. Ungünstig ist ferner
trotz des verwendeten dünnen Metalldrahtes das für
Luftfahrzeuge relativ hohe Flächengewicht des
Drahtmaschenwerks und die Tatsache, daß im fertigen
Bauteil das Drahtmaschenwerk einen Fremdkörper darstellt,
der andere Festigkeitseigenschaften und ein anderes
thermisches Verhalten aufweist als die
glasfaserverstärkte Kunststoffplatte. Da das Ankleben des
Drahtmaschenwerks mittels eines haftungsvermittelnden
Harzes auf der fertigen Oberfläche der
glasfaserverstärkten Platte zwangsweise eine Grenz- oder
Übergangsschicht schafft, kann eine für die besonderen
Anforderungen bei Luftfahrzeugen erforderliche Homogenität
des Bauteils nicht erreicht werden. Zudem ist es
erforderlich, das Drahtmaschenwerk an der Sichtseite mit
einer glatten Oberflächenbeschichtung abzudecken, was
weitere, die Herstellung des Bauteils verteuernde
Maßnahmen erfordert.
Aus der US-PS 41 95 114 ist ein Verfahren zum Herstellen
von Pellets als Zwischenprodukt für
Spritzgußverfahren bekannt, wobei die Pellets
metallbeschichtete Fasern enthalten. Dabei werden
vorproduzierbare Glasfasern zuerst in eine bestimmte Größe
gebrochen, und dann, z. B. durch Flammspritzen, mit Metall
beschichtet, ehe sie mit einem Polymer imprägniert,
getrocknet und in die Pelletform gebracht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Schichtstoff-Bauteil der eingangs genannten Art zu
schaffen, der nur ein geringes Flächengewicht aufweist und
einfach und preiswert herstellbar ist, wobei der Bauteil
einen den Anforderungen bei Luftfahrzeug-Außenhüllen
entsprechenden Blitzschutz und eine Abschirmung gegen
elektromagnetische Einflüsse gewährleisten soll.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 enthaltenen Merkmalen
gelöst.
Bei dieser Ausbildung führen die metallbeschichteten
Fasern zum Vorteil eines geringen Flächengewichtes
verglichen mit massiven Metalldrähten in einem
Maschenwerk. Die Verstärkungsschicht aus den
metallbeschichteten Fasern hat zudem die gleichen
Festigkeitseigenschaften wie die Fasern in der
nichtleitenden Verstärkungsschicht. Die Fasern haben
annähernd das gleiche Verhalten bei Temperaturänderungen
wie die nichtleitenden Fasern. Die metallbeschichteten
Fasern leisten ferner den gleichen Beitrag zur
Gestaltfestigkeit des Bauteils wie die nichtleitenden
Fasern und stellen keinen Fremdkörper innerhalb des
Bauteils dar. Durch die in-situ Verarbeitung, d. h., das
gleichzeitige Einbetten der Verstärkungsschichten in die
Harzmatrix, wird ein homogenes Gefüge ohne Trenn- oder
Grenzschicht zwischen den Verstärkungsschichten erreicht,
was der Qualität des Bauteils zugute kommt. Die
Herstellung des Bauteils ist sehr einfach und
kostengünstig. Auch eine sichtseitige Oberflächenschicht
kann schon mit der endgültigen Qualität oder Glätte bei
der in-situ Herstellung vorgesehen werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeuges,
zwischen dessen Flügeln die Bahn eines einge
schlagenen Blitzes dargestellt ist,
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht einer Flügelspitze
des in Fig. 1 gezeigten Flugzeuges mit einem
Teilausschnitt zur Darstellung seiner inneren
Bestandteile,
Fig. 3 einen vergrößerten Abschnitt der in Fig. 2
gezeigten Flügelkonstruktion zur Darstellung
ihrer laminierten oder geschichteten Konstruktion,
Fig. 4 eine Vergrößerung der äußeren Oberflächenlage der in
Fig. 3 gezeigten Laminat-Konstruktion zur
Darstellung ihrer Gewebeanordnung,
Fig. 5 eine Vergrößerung der Gewebeanordnung von Fig. 4
mit einer Vielzahl von umhüllten Fäden in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6A ein Teilstück eines mit einem metallischen Mate
rial völlig umhüllten Einzelfadens und
Fig. 6B ein Teilstück eines Einzelfadens, der zur Hälfte
mit einem metallischen Material umhüllt ist.
Fig. 1 zeigt ein Luftfahrzeug in der Form eines Flug
zeuges 10. Das Flugzeug 10 weist einen Rumpf 12, ein
Paar von Flügeln 14 A und 14 B und eine Heckflosse 16
auf. Eines der Probleme, auf dessen Lösung sich die
vorliegende Erfindung bezieht, ist der Schutz vor Blitz
schlag-Schäden an Bauteilen, wie beispielsweise solchen
des Flugzeuges 10. Im Punkte 18 schlägt ein Blitz in
die Spitze des Flügels 14 A ein. Wie durch die Pfeile 20
angezeigt, verteilt sich der von dem Blitz erzeugte
Strom über den Flügel 14 A sowie den Rumpf 12 und den
gegenüberliegenden Flügel 14 B und wird im Punkte 22
in die Atmosphäre abgeleitet.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung, ins
besondere bezüglich der Fig. 1, hier lediglich zum
Zwecke der Veranschaulichung zur Verwendung für Bauteile
eines Luftfahrzeuges, wie beispielsweise eines Flugzeuges
10, dargestellt wird. Die vorliegende Erfindung hat einen
weiten Anwendungsbereich auf zahllosen Gebieten der
Verwendung von Bauteilen, wo leitfähige Barrieren in
Faden-Verbundkonstruktionen erforderlich sind. Obwohl
sie nicht darauf beschränkt ist, schließt sie den Schutz
vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz
und ähnlichem ein.
In Fig. 2 ist die Spitze des Flügels 14 B mit einem Teil
ausschnitt 24 dargestellt, um zu zeigen, daß der Flügel
bestimmte innere Bestandteile 26 enthält. Natürlich
trifft dies auch auf den Rumpf 12 zu, und es ist wichtig,
die inneren Bestandteile in vielfältigen Anwendungs
bereichen vor elektromagnetischer Interferenz beispiels
weise zu schützen. Der Flügel 14 B kann in verschiedenen
Anordnungen der Lagen aus Faden-Verbundmaterial herge
stellt werden, wie beispielsweise als gewebte Anord
nungen oder als aus Fäden geflochtene Anordnungen, wobei
die letzteren spiralige oder ringförmige Fadenwindungen
aufweisen. Solche aus Fäden geflochtene Verbund-Konstruk
tionen 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.
Fig. 3 zeigt einen vom Flügel 14 B, aus dem Teilausschnitt
24 beispielsweise abgetrennten Abschnitt 14 B′. Dieser
Abschnitt 14 B′ zeigt, daß die Laminat-Konstruktion
des Bauteiles aus einer Vielzahl von Lagen 28 A-28 D von
Faden-Verbundmaterial hergestellt ist. Jede Lage kann
in sehr verschiedenartigen Faden-Anordnungen, wie bei
spielsweise gewebten oder geflochtenen Anordnungen,
hergestellt sein. Die Fäden jeder Lage 28 A-28 D sind mit
Epoxy-Harz vermischt und/oder imprägniert.
Sobald die gesamte Verbund-Konstruktion bis zur gewünsch
ten Dicke entweder aus Fäden geflochten oder aufgebaut
ist, wird die gesamte Konstruktion in bekannter Weise
gehärtet. Das Resultat besteht in einem leichten Bauteil
mit verbesserten Struktur-Eigenschaften und wesentlich
niedrigeren Kosten als gegenwärtig verwendete Metall
konstruktionen.
Fig. 4 zeigt eine einzelne Lage aus Faden-Verbundmate
rial, wie die äußere Oberflächenlage 28 A beispielsweise,
die aus einer Gewebe-Lage einschließlich einer Vielzahl
von Bändern oder Anordnungen 30 von individuellen Fäden
besteht.
In Fig. 5 wird gezeigt, daß jedes in der äußeren Ober
flächenlage enthaltenes Band oder Anordnung 30 indivi
duelle Fäden umfaßt. In Übereinstimmung mit der vor
liegenden Erfindung ist jeder Faden mit einem leit
fähigen Metallmaterial umhüllt, um eine zusammen
gesetzte leitfähige Barriere zur Verteilung von Strömen
infolge von Blitzen oder anderen elektromagnetischen
Quellen zu bilden und dabei vor Blitzschlag-Schäden,
elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem zu
schützen. Im einzelnen betrachtet, ist jeder Faden aus
einem Verbundmaterial oder Ader 32 aus Glas, Kevlar
oder ähnlichem Material hergestellt. Die Ader 32 ist
mit einer metallischen Umhüllung 34 aus Aluminium oder
ähnlichem umhüllt. In dieser Weise stellt die
gesamte äußere Oberflächenlage 28 A des Verbund-Bauteiles,
wie der Flügel 14 B beispielsweise, eine leitfähige
Barriere zur Verteilung des von Blitzen oder elektro
magnetischen Quellen erzeugten Stromes dar. Dies ist
durch die mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Blitz-
Verteilung gezeigt. Die äußere Oberflächenlage 28 A ist,
wie in Fig. 5 dargestellt, zusammen mit der Gesamtdicke
der Verbund-Konstruktion mit Epoxy-Harz 36 vermischt
oder imprägniert. Somit sind durch Ausbildung der
resultierenden Barriere als ein integraler Bestandteil
der Verbund-Konstruktion und durch Aushärtung dieser
äußeren Lage oder leitfähigen Oberfläche gleichzeitig
mit der gesamten Konstruktion sämtliche zusätzlichen
oder sekundären Arbeitsgänge, die bisher bei der Erzeu
gung eines leitfähigen Mediums in Verbundkonstruktionen
erforderlich waren, ausgeschaltet. Sollte der Rumpf 12
des Flugzeuges 10 in ähnlicher Weise wie der mit Bezug
auf die Fig. 2-5 beschriebene Flügel 14 B hergestellt
sein, so wird dadurch eine Barriere gegenüber elektro
magnetischer Interferenz mit den empfindlichen Instru
menten innerhalb des Rumpfes oder im Cockpit erzeugt.
Fig. 6A und 6B zeigen vergrößerte Abschnitte eines
metallumhüllten Einzelfadens mit verschiedenen
Ausbildungen der Umhüllung. Im einzelnen betrachtet,
zeigt Fig. 6A einen Abschnitt eines Einzelfadens, der
die zusammengesetzte Ader 32 aus Glas, Kevlar oder
ähnlichem Material aufweist und der vollständig mit
einer Umhüllung 34 aus Aluminium oder anderem
leitfähigen metallischen Material umhüllt ist.
Fig. 6B zeigt mit dem Bezugszeichen 34 A, daß die Ader
32 zur Hälfte mit Aluminium oder anderem leitfähigen
metallischen Material umhüllt ist.
Die vorliegende Erfindung wurde geprüft und hat sich
in nachgestellten Blitzschlag-Prüfungen als wirkungs
voll herausgestellt. Im einzelnen betrachtet, treten
Blitze in zwei grundsätzlich verschiedenen Formen auf:
zum einen als Wolke-zum-Erdboden-Blitz und zum anderen als Wolke-zu-Wolke-Blitz. Aufgrund der Schwierigkeit des Auffangens und des Messens von Wolke-zu-Wolke- Blitzen beziehen sich die meisten vorhandenen stati stischen Daten der Blitz-Charakteristiken auf Wolke-zum- Erdboden-Blitze. Da den Wolke-zu-Wolke-Blitzen die hohen Spitzenströme der Wolke-zum-Erdboden-Blitze fehlen, stellt die Verwendung der Charakteristiken der Wolke-zum-Erdboden-Blitze tatsächlich ein konser vatives Meßkriterium dar. Blitzentladungen können auch von entweder einem positiven oder einem negativen Entladungszentrum in einer Wolke ausgehen. Eine negative Entladung ist durch mehrere zeitweilig aussetzende Blitzschläge und kontinuierliche Ströme charakterisiert. Das Merkmal positiver Entladungen, die nur zu einem geringen Prozentsatz auftreten, ist ein einzelner Blitz schlag und kontinuierlich abnehmende Ströme. Laminat- Konstruktionen aus Lagen von Faden-Verbundmaterial, wobei die äußere Oberflächenlage des Faden-Verbundmate rials gemäß der vorliegenden Erfindung aus mit leit fähigem Material umhüllten Fäden hergestellt ist, haben sich als ziemlich wirkungsvoll bezüglich der Verteilung der nachgestellten Blitzschlag-Ströme 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-Basis, geklebte Metallfolien, Metall drahtgeflecht, aufgesprühte Metallpulver oder Metall streifen oder -stifte, vermieden.
zum einen als Wolke-zum-Erdboden-Blitz und zum anderen als Wolke-zu-Wolke-Blitz. Aufgrund der Schwierigkeit des Auffangens und des Messens von Wolke-zu-Wolke- Blitzen beziehen sich die meisten vorhandenen stati stischen Daten der Blitz-Charakteristiken auf Wolke-zum- Erdboden-Blitze. Da den Wolke-zu-Wolke-Blitzen die hohen Spitzenströme der Wolke-zum-Erdboden-Blitze fehlen, stellt die Verwendung der Charakteristiken der Wolke-zum-Erdboden-Blitze tatsächlich ein konser vatives Meßkriterium dar. Blitzentladungen können auch von entweder einem positiven oder einem negativen Entladungszentrum in einer Wolke ausgehen. Eine negative Entladung ist durch mehrere zeitweilig aussetzende Blitzschläge und kontinuierliche Ströme charakterisiert. Das Merkmal positiver Entladungen, die nur zu einem geringen Prozentsatz auftreten, ist ein einzelner Blitz schlag und kontinuierlich abnehmende Ströme. Laminat- Konstruktionen aus Lagen von Faden-Verbundmaterial, wobei die äußere Oberflächenlage des Faden-Verbundmate rials gemäß der vorliegenden Erfindung aus mit leit fähigem Material umhüllten Fäden hergestellt ist, haben sich als ziemlich wirkungsvoll bezüglich der Verteilung der nachgestellten Blitzschlag-Ströme 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-Basis, geklebte Metallfolien, Metall drahtgeflecht, aufgesprühte Metallpulver oder Metall streifen oder -stifte, vermieden.
Es versteht sich, daß die Erfindung in anderen Aus
führungsformen 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 ein
schränkend zu betrachten. Die Erfindung ist nicht auf
die hier angegebenen Einzelheiten beschränkt.
Claims (6)
1. Schichtstoff-Bauteil zum Blitzschutz und zur elektro
magnetischen Abschirmung, insbesondere für Luftfahrzeu
ge, mit wenigstens einer der Bauteiloberfläche benach
barten und elektrisch leitfähige Fasern enthaltenden
Verstärkungsschicht, mit wenigstens einer der Bauteilun
terseite benachbarten und nichtleitende Fasern enthal
tenden Verstärkungsschicht, wobei die Verstärkungs
schichten in eine ausgehärtete oder vernetzte Kunst
stoffmatrix eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die der Bauteiloberfläche benachbarte Verstärkungs
schicht (28 A) zur Gänze aus an ihrer Oberfläche mit Me
tall (34) beschichteten Fasern (32) besteht, und daß die
Verstärkungsschichten (28 A, 28 B, 28 C, 28 D) jeweils mit ei
nem Epoxid-Harz (36) vermischt und durch gleichzeitiges
Aushärten des gesamten mit den Verstärkungsschichten
vermischten Epoxid-Harzes miteinander verbunden sind.
2. Schichtstoff-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verstärkungsschichten (28 A, 28 B, 28 C,
28 D) Glas- oder Kevlarfasern enthalten.
3. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 und 2, wo
bei Aluminium für die elektrische Leitfähigkeit verwen
det ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern (32)
eine Aluminiumbeschichtung aufweisen.
4. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die metallbeschichteten Fasern
(32) verwunden oder verstrickt sind.
5. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die metallbeschichteten Fasern
(32) gewebt sind.
6. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die metallbeschichteten Fasern
(32) Bänder (30) und die Bänder (30) ein Gewebe bilden.
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