DE4343904C2 - Bauteil aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einer Schutzschicht gegen Erosion - Google Patents
Bauteil aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einer Schutzschicht gegen ErosionInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus faserverstärktem
Verbundwerkstoff mit einer Schutzschicht gegen Erosion und Blitzschlag.
Bauteile aus faserverstärktem Verbundwerkstoff sind besonders im
Außenbereich oder im Strömungskanal von Triebwerken durch abra
sive Partikel im Luftstrom erosionsgefährdet. Im Außenbereich
des Triebwerks besteht zusätzlich die Gefahr der Beschädigung
oder Zerstörung des Bauteils durch Blitzeinschlag, insbesondere
bei Bauteilen aus nichtmetallischen Faserverbundwerkstoffen.
Derartige Verbundwerkstoffe finden aufgrund Ihres niedrigen spe
zifischen Gewichts vermehrt im Außenbereich von Triebwerken bei
spielsweise als Nasenkonus oder Triebwerksverkleidung oder Ge
bläseschaufeln einen Einsatz. Blitzeinschläge in diese Bauteile
können zur Delamination oder zum Bruch des Bauteils führen, so
daß die Funktion des gesamten Triebwerks gefährdet ist.
Aus DE-36 44 116 A1 ist eine Schutzschicht aus anorganischem Lack
bekannt, die bei Temperaturen unterhalb der Erweichungs- oder
Zersetzungstemperatur von nichtmetallischen Verbundwerkstoffen
einsetzbar ist. Ein Nachteil dieser anorganischen Lackschicht
ist, daß sie aufgrund der niedrigen Einbrenntemperatur nicht
abreagierte Restbestandteile enthält, die bewirken, daß die an
organische Lackschicht, trotz metallischer Füller isolierend
wirkt und auf metallischen Haftschichten oder Bauteilen korrosiv
angreift. Ein weiterer Nachteil dieses Lacksystems ist, daß sei
ne Haftwirkung auf Bauteilen aus kohlefaserverstärktem Kohlen
stoff nicht ausreicht, um ein Abplatzen oder Abblättern bei ho
her mechanischer oder elektrischer Belastung zu vermeiden.
Ferner ist bekannt, in die äußeren Lagen eines Faserverbundbau
teils metallische Drahtgewebe oder Netze einzulaminieren, um
einen Blitzschutz zu bewirken. Ein Nachteil dieser Lösung ist
einerseits die aufwendige Herstellung des oberflächennahen Lami
nats mit einlaminierten Drahtgeweben oder Netzen und andererseits die
geringe Oberflächenbedeckung des Drahtgewebes oder Netzes.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil
anzugeben, das die Nachteile im Stand der Technik überwindet und
ein Faserverbundbauteil mittels einer Schutzschicht wirksam sowohl
gegen Erosion als auch gegen Blitzschlag schützt.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Schutzschicht eine haftver
mittelnde Zwischenschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff, eine ein
gebrannte, anorganische Lackschicht mit oxidiertem metallischen Pigmenten
und eine elektrisch leitende Deckschicht aus eingebranntem und ver
dichtetem, anorganischem Lack aufweist und das Bauteil aus faserver
stärkter Keramik, vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff
aufgebaut ist und der Lack für die Lackschicht und für die Deckschicht
unterhalb der Schädigungs-, der Erweichungs- oder der Zersetzungstempera
tur der Zwischenschicht und des Bauteils einbrennbar ist.
Zur Verbesserung der Haftfähigkeit besteht die Zwischenschicht aus
Glasfasern mit Matrixmaterial aus Kunststoff. Die oben erwähnten,
beim Einbrennen nicht abreagierten Lackbestandteile greifen einer
seits derartiges Matrixmaterial nicht an und andererseits haftet
aufgrund von Reaktionen des Matrixmaterials mit aktiven Lackkom
ponenten die anorganische Lackschicht nach dem Einbrennen besonders
intensiv auf dem Bauteil, wenn vorher die Zwischenschicht aufgebracht
oder wenn bei der Herstellung des Bauteils als äußere Bauteilschicht
die Zwischenschicht mithergestellt wurde. Ein weiterer Vorteil ist,
daß sowohl für die elektrisch isolierende Schicht, als auch für die
elektrisch leitende Deckschicht der gleiche anorganische Lack, wie er
beispielsweise in DE-36 44 116 A1 offenbart wird, eingesetzt werden
kann.
Die haftvermittelnde Zwischenschicht besteht aus glasfaserverstärktem
Kunststoff. Das hat den Vorteil, daß einerseits größerer Unterschiede
im thermischen Ausdehnungsverhalten zwischen Bauteil und Schutz
schicht ausgeglichen werden können, indem die Glasfaserverstärkung
der Zwischenschicht durch Ausrichtung der fasern optimiert wird und
andererseits das Matrixmaterial mit den aktiven Lackkomponenten rea
giert und damit die anorganische Lackschicht nach dem Einbrennen
besonders intensiv auf dem Bauteil haftet.
Die anorganische Lackschicht weist vorzugsweise einen Füller aus
Aluminiumpulver auf, der beim Einbrennen aufgrund der nicht ab
reagierten Bestandteile des anorganischen Lacks eine elektrisch iso
lierende Schicht bildet, zumal das Aluminiumpulver aufgrund der Ein
brennatmosphäre teilweise von Oxidschichten überzogen wird. Der Alu
miniumfüller hat den Vorteil, daß durch Nachbehandlung der einge
brannten Schicht eine hohe elektrische Leitfähigkeit im oberflächen
nahen Bereich erreicht werden kann.
Durch geeignete Wahl des Binders des anorganischen Lacks kann auch
erreicht werden, daß der Füller unterhalb der Erweichungs- oder Zerset
zungstemperatur des Bauteils deoxidiert und eingebrannt wird, so daß
die Bildung einer elektrisch leitenden Deck
schicht aus verdichtetem anorganischen Lack erleichtert wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lackschicht
und die Deckschicht gleiche Ausgangsmaterialien aufweisen. Das
vermindert Lagerkosten und Verarbeitung und gewährleistet einen
problemlosen Obergang von der Lackschicht zur verdichteten und
elektrisch leitenden Deckschicht.
Einen weiteren Vorteil bietet die Schutzschicht, wenn die Deck
schicht eine titanfeuerhemmende Schicht ist, da in diesem Fall
alle Bauteile im Strömungskanal eines Triebwerks mit einer er
findungsgemäßen Schutzschicht ausgebildet werden können und
durch Vereinheitlichung der Beschichtungsart und Verminderung
der Beschichtungsvarianten eine hohe Produktivität erreichbar
wird. Begrenzt wird diese Vereinheitlichung jedoch durch die
zulässigen Betriebstemperaturen, die im wesentlichen durch den
Matrixwerkstoff der Verbundwerkstoffe begrenzt wird. Die höch
sten Betriebstemperaturen erreichen dabei keramische Matrixwerk
stoffe und vorzugsweise Bauteile aus kohlefaserverstärktem Koh
lenstoff unter Ausschluß von Sauerstoff. Die niedrigsten Be
triebstemperaturen werden vorzugsweise mit Bauteilen aus kohle
faserverstärktem Kunststoff erreicht, die vorteilhaft im Außenbe
reich von Triebwerken und für Gebläseschaufeln eingesetzt wer
den.
Das Einbrennen, das unterhalb der Schädigungs-, der Erweichungs- oder
der Zersetzungstemperatur des Bauteils erfolgt wird bei
faserverstärkten Kunststoffen vorteilhaft unter 200°C durch
geführt, so daß weder ein Erweichen des Kunststoffes noch eine
Zersetzung das Bauteil gefährden. Bei Bauteilen aus kohlenstof
faserverstärktem Kohlenstoff wären zwar höhere Einbrenntempera
turen bis 500°C möglich, jedoch hat sich bei diesen Bauteilen
gezeigt, daß als haftvermittelnde Zwischenschicht glasfaserver
stärkter Kunststoff oder das reine Matrixmaterial des glasfaser
verstärkter Kunststoffs einzusetzen sind, so daß auch hier vor
teilhaft eine Einbrenntemperatur unter 200°C gefahren wird.
Bei diesen niedrigen Einbrenntemperaturen verbleiben nicht ab
reagierte Bestandteile des Lacks in der Schutzschicht, so daß
diese nach dem Einbrennen zunächst elektrisch isolierend wirkt
und damit keinen Schutz vor Blitzschlag bietet.
Unvorhersehbarerweise konnte für die oberflächennahen Lagen des
anorganischen Lackes eine geschlossenen elektrisch leitende
Schicht erreicht werden, indem die Lackschicht nach dem Einbren
nen mittels Kugel strahlen, Walzen, Pressen und/oder Bürsten ver
dichtet wurde, so daß vorteilhaft mit diesem Beschichtungsver
fahren ein vollständiger Blitzschutz realisiert werden konnte.
Die Erfindung wird mit der folgenden Figur beispielhaft erläu
tert.
Fig. 1 zeigt einen oberflächennahen Querschnitt durch ein
Bauteil mit erfindungsgemäßer Schutzschicht.
Eine Gebläseschaufel 1 wird im wesentlichen aus mit Matrixmate
rial vorimprägnierten Schichten von Verstärkungsfasern, bei
spielsweise Kohlefasern gebildet, die vollständig beispielsweise
in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Kunststoffma
trix kann beispielsweise ein Epoxidharz, ein Phenolharz oder ein
Polyimidharz sein, das während des Fertigungsprozesses einer
Wärmebehandlung zum Vernetzen der Molekülketten unterworfen
wird. Während der Wärmebehandlung bei 120 bis 180°C werden die
vorimprägnierten faserschichten zum Verdichten und zur Formge
bung in einer form einem Druck von 80 kPa bis 2 MPa beaufschlagt mit
und härten dabei aus. Die äußeren Schichten bestehen dabei er
findungsgemäß aus Glasfasergeweben, unidirektionalen Glasfaser
bändern, Glaskurzfasern oder Glasflechtschläuchen. Diese äußeren
Glasfaserschichten werden in diesem Beispiel in dem gleichen
Matrixmaterial wie die Verstärkungsfasern, aus denen das Bauteil
besteht eingebettet. Die Dicke dieser Zwischenschicht aus glas
faserverstärktem Kunststoff ist 0,05 bis 1 mm.
Anschließend wird eine anorganische Lackschicht 3,4 mehrlagig
aufgetragen. Als anorganischer Lack wurde der aus DE-36 44 116 A1
bekannte Lack eingesetzt, der als Füller Aluminiumpulver
aufweist. Nach einem Einbrennen der Lackschichtlagen 3, 4 bei
150 bis 190°C liegt eine elektrisch nicht leitende Beschichtung
vor. Anschließend werden die oberflächennahen Lagen 4 der einge
brannten anorganischen Lackschichtlagen 3, 4 mittels Kugelstrah
len verdichtet, so daß die zunächst elektrisch nichtleitende
Beschichtung im oberflächennahen Bereich eine elektrisch leiten
de geschlossenen Schicht 6 ausbildet. Vor einem Kugel strahlen
hat sich ein Bürsten der Oberfläche 5 bewährt, weil damit sowohl
die Verweildauer beim Kugel strahlen als auch der elektrische
Widerstand der leitenden Schicht weiter vermindert werden kön
nen. In diesem Beispiel werden zum Kugel strahlen Glasperlen mit
einem mittleren Durchmesser von 40 bis 80 µm eingesetzt.
Claims (5)
1. Bauteil aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einer Schutz
schicht gegen Erosion und Blitzschlag, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzschicht eine haftvermittelnde Zwischenschicht aus
glasfaserverstärktem Kunststoff, eine eingebrannte, anorganische
Lackschicht mit oxidierten metallischen Pigmenten und eine
elektrisch leitende Deckschicht aus eingebranntem und ver
dichtetem, anorganischem Lack aufweist und das Bauteil aus faser
verstärkter Keramik, vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem
Kohlenstoff aufgebaut ist und der Lack für die Lackschicht und
für die Deckschicht unterhalb der Schädigungs-, der Erweichungs- oder
der Zersetzungstemperatur der Zwischenschicht und des Bau
teils einbrennbar ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi
schenschicht aus Matrixmaterial für glasfaserverstärkte Kunst
stoffe besteht.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
anorganische Lackschicht einen Füller aus Aluminiumpulver auf
weist.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lackschicht und die Deckschicht gleiche Ausgangsmateria
lien aufweisen.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckschicht eine titanfeuerhemmende Schicht ist.
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