DE69731545T2 - Wärmeabsorbierende oberflächenbeschichtung - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Schutzbeschichtungen und insbesondere eine wärmeabsorbierende Beschichtung, die ein mit Mikrokapseln versehenes wärmeabsorbierendes Material aufweist, wie beispielsweise ein Phasenänderungsmaterial, das durchgängig in einem Trägermaterial verteilt ist, und sie umfaßt zusätzlich ein Substat mit einer derartiger Beschichtung und die Methodologie für den Wärmeschutz eines Substrates.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bestimmte Substrate, die Umgebungen ausgesetzt sind, die in den Substraten Wärme erzeugen, können bedeutend verringerte Lebenszeiten aufweisen, weil sie nicht eine ausreichende Beständigkeit besitzen, um der thermischen Erosion einen Widerstand entgegenzusetzen. Ein Beispiel für eine Gruppe von derartigen Substraten wird bei Flugzeugkonstruktionen vorgefunden. Genau gesagt, die modernsten Düsenflugzeugkonstruktionen erfordern die Verwendung von modernen Materialien, die eine Produktkostenwirksamkeit erzielen. Wegen der Hochgeschwindigkeitsumgebung, in denen diese Konstruktionen funktionieren und der dabei erzeugten begleitenden Wärme, wird die thermische Erosionsbeständigkeit der Konstruktionen, und insbesondere deren sehr empfindlichen Abschnitte, wie beispielsweise die Vorderkanten und die Triebwerksaustrittsdüsen, jedoch auf beträchtlich weniger reduziert, als es für einen wirksamen und wirtschaftlichen Betrieb wünschenswert ist.
  • Über die Verwendung von mit Mikrokapseln versehenem wärmeabsorbierendem Material beispielsweise bei der Temperaturregulierung durch Einverleibung in Vergußmassen, Aufschlämmungen, Baukonstruktionen, wie beispielsweise Beton- und Gipskartonplatten, Sonnenkollektorkonstruktionen, und Legierungen, die in Sonnendampfanlagen eingesetzt werden, wurde berichtet. Beispiele für den bisherigen Stand der Technik umfassen das US-A-5224356 und US-A-4581285. Das offenbarte wärmeabsorbierende Material umfaßt Phasenänderungsmaterialien, während die offenbarten Einkapselungsmaterialien Metalle und Polymere umfassen. Keine dieser Anwendungen nach dem bisherigen Stand der Technik liefert oder verweist jedoch auf eine strukturelle Behandlung über die Einverleibung von eingekapseltem wärmeabsorbierendem Material innerhalb der Konstruktion hinaus. Folglich wird die thermische Erosion der Oberfläche eines Substrates nicht angesprochen.
  • Angesichts des Potentials für einen Wärmeabbau konstruktiver Oberflächen, die einer bedeutenden Wärme ausgesetzt sind, ist es offensichtlich, daß eine Forderung für eine Oberflächenbeschichtung besteht, die so funktionieren kann, daß die durch die Umwelt hervorgerufene Wärmeerosion an den Beschädigungsstellen thermisch gehandhabt wird. Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine wärmeabsorbierende Oberflächenbeschichtung bereitzustellen, die ein mit Mikrokapseln versehenes wärmeabsorbierendes Material umfaßt, das für eine Aufbringung auf ein Substrat in einem Trägermaterial verteilt ist.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer wärmeabsorbierenden Oberflächenbeschichtung, bei der das Trägermaterial eine spritzbare Polymergrundmasse ist.
  • Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Substrates mit einer wärmeabsorbierenden Oberflächenbeschichtung darauf, die ein mit Mikrokapseln versehenes Phasenänderungsmaterial aufweist, das in einem Trägermaterial für eine Aufbringung auf ein Substrat verteilt ist.
  • Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Methodologie für den Wärmeschutz eines Substrates, die die Aufbringung einer wärmeabsorbierenden Oberflächenbeschichtung auf das Substrat aufweist, die ein mit Mikrokapseln versehenes wärmeabsorbierendes Material umfaßt, das in einem Trägermaterial verteilt ist.
  • Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durchgängig in der Beschreibung offensichtlich werden, die sich anschließt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist eine Zusammensetzung für das Bilden einer Wärmeschutzbeschichtung auf einem Substrat nach Patentanspruch 1, eine Flugzeugkonstruktion nach Patentanspruch 10 und ein Verfahren zum Schützen einer Flugzeugkonstruktionsoberfläche vor einer thermischen Erosion nach Patentanspruch 21.
  • Die Erfindung stellt eine wärmeabsorbierende Beschichtung bereit, die eine Vielzahl von Mikrokapseln, von denen eine jede eine Einkapselungshülle und ein wärmeabsorbierendes Material innerhalb der Hülle aufweist, und ein Trägermaterial aufweist, das an einem Substrat haften kann und durch das durchgehend Mikrokapseln verteilt sind. Das wärmeabsorbierende Material ist vorzugsweise ein Phasenänderungsmaterial und kann unbegrenzt aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polywachs und deren Kombinationen besteht, die einen Schmelzpunkt zwischen etwa 218°C (425°F) und etwa 246°C (475°F) aufweisen können. Hüllenmaterial kann ein Metall, wie beispielsweise Kupfer, oder ein Polymer sein. Das Trägermaterial kann eine spritzbare Polymermischung sein, die eine bedeutende Wirksamkeit bei der gleichmäßigen Aufbringung auf ein Substrat zeigt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Substrat bereit, das darauf die vorangehend angeführte Beschichtung der Erfindung aufweist, wobei das Substrat als Beispiel durch eine Flugzeugkonstruktion verkörpert wird, wie beispielsweise eine Vorderkante oder eine Triebwerksaustrittsdüse, die eine extreme Hitze in ihrer Betriebsumgebung erfährt. Eine so beschichtete Konstruktion wird in bedeutendem Maß vor einer thermischen Erosion geschützt, wobei die Methodologie einen derartigen Schutz zustande bringt, die das Aufbringen der vorangehend beschriebenen Beschichtung auf ein Substrat in einer Menge aufweist, die ausreichend ist, um eine ausreichende Wärmemenge zu absorbieren, und um dadurch eine thermische Schädigung zu verhindern, oder um ihr in bedeutendem Maß entgegenzuwirken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine veranschaulichende und gegenwärtig bevorzugte Ausführung der Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, die zeigen:
  • 1 eine grafische Darstellung in einer Seitenansicht eines Trägermaterials, das auf der Oberfläche einer Konstruktion haftet und innerhalb des Trägermaterials eine Vielzahl von Mikrokapseln verteilt aufweist, wobei eine jede eine Einkapselungshülle und ein Phasenänderungsmaterial innerhalb der Hülle aufweist; und
  • 2 eine Schnittdarstellung einer Mikrokapsel aus 1.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
  • Mit Bezugnahme auf 1 wird eine Konstruktion 10, die hier für einen Tragflügel eines Flugzeuges repräsentativ ist, mit einer darauf haftenden wärmeabsorbierenden Beschichtung 12 gezeigt. Die Beschichtung 12 weist ein Trägermaterial 20 und eine Vielzahl von konventionellen Mikrokapseln 14 auf, wobei jede Mikrokapsel aus einer Einkapselungshülle 16 und einem Phasenänderungsmaterial 18 innerhalb der Hülle 16 konstruiert ist, wie in 2 veranschaulicht wird. Das hier gezeigte Trägermaterial 20 ist eine Polymergrundmasse, die kommerziell unter dem Namen PR1991 verfügbar ist, hergestellt von der Courtaulds Aerospace, Glendale, California. Die Mikrokapseln werden von der Providence Metallwgy, Pautucket, Rhode Island, hergestellt. Diese Mikrokapseln weisen eine Kupferhülle auf, innerhalb der Polypropylen untergebracht ist, hergestellt von der Hoechst, Summit, New Jersey. Dieses Polypropylen ist ein Phasenänderungsmaterial mit einem Schmelzpunkt von etwa 223°C (433°F) und einem Energieabsorptionswert bei seiner Schmelzwärme von 100 J (24 Kalorien) pro Gramm. Für Anwendungen bei Flugzeugkonstruktionen wird ein Schmelzpunkt des Phasenänderungsmaterials zwischen etwa 218°C (425°F) und etwa 246°C (475°F) als für Wärmekapazitäten relevant bevorzugt, die im allgemeinen bei beispielsweise Vorderkanten und Strahltriebwerksaustrittsdüsen erforderlich sind. Verschiedene Polymere oder Metalle können als das Phasenänderungsmaterial in Abhängigkeit von den Konstruktionsforderungen und den Temperaturgrenzen der zu beschichtenden Konstruktion verwendet werden. Es soll jedoch verstanden werden, daß das wärmeabsorbierende Material innerhalb der Mikrokapseln der Beschichtung, die die vorliegende Erfindung aufweist, vorzugsweise Phasenänderungsmaterial ist, aber nicht darauf beschränkt ist. Gleichfalls kann die Hülle aus einem Metall oder einem Polymer mit angemessenen Wärmeübertragungseigenschaften konstruiert werden und ist in der Lage, das Phasenänderungsmaterial 18 vor einem Diffundieren in das Trägermaterial 20 während des Wärmezyklusses zu schützen, gänzlich, wie es von einer Fachkraft erkannt würde. Typische aber nicht einschränkende Abmessungen der Mikrokapseln umfassen eine Hüllendicke von etwa 1 μm bis etwa 10 μm und einen Durchmesser von etwa 25 μm bis etwa 200 μm. Die Teilchengrößen sind ausreichend so klein, daß sie durch eine konventionelle Farbspritzpistole hindurchgehen.
  • Die Beschichtung 12 wird durch Mischen der Mikrokapseln 14 mit dem Trägermaterial 20 hergestellt. Dieses Mischen erfolgt gleichzeitig mit der Spritzbeschichtung des Substrates. Eine konventionelle Farbspritzpistole mit einem sich drehenden Rührwerkbehälter wird verwendet, um die Beschichtung aufzuspritzen. Während die Menge der Beschichtung die Wärmekapazität dieser bestimmt, wird eine Konzentration von 0,01 kg/m2 (0,003 lbs/ft2) des Phasenänderungsmaterials die Oberflächentemperatur um 28°C (50°F) verringern.
  • Während eine veranschaulichende und gegenwärtig bevorzugte Ausführung der Erfindung detailliert hierin beschrieben wurde, soll verstanden werden, daß die Ideen der Erfindung anderenfalls verschieden ausgeführt und angewandt werden können, und daß die als Anhang beigefügten Patentansprüche so ausgelegt werden sollen, daß sie derartige Veränderungen umfassen, ausgenommen insoweit, wie sie durch den bisherigen Stand der Technik eingeschränkt werden.

Claims (30)

  1. Zusammensetzung, die aufweist: a) eine Vielzahl von Mikrokapseln (14), wobei jede Mikrokapsel eine Einkapselungshülle (16) und ein wärmeabsorbierendes Material (18) innerhalb der Hülle (16) aufweist; und b) ein Trägermaterial (20), durch das die Mikrokapseln (14) verteilt werden, wobei das Trägermaterial (20) um das Substrat (10) verteilt werden kann; dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung für das Bilden einer Wärmeschutzbeschichtung (12) auf einem Substrat (10) vorhanden ist, um die thermische Erosion des Substrates zu minimieren, wobei das Trägermaterial (20) am Substrat (10) haften kann, und wobei die Einkapselungshüllen (16) aus einem Material hergestellt werden, das das wärmeabsorbierende Material (18) vor einem Diffundieren in das Trägermaterial (20) während des Wärmezyklusses schützen kann.
  2. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 1, bei der das wärmeabsorbierende Material (18) ein Phasenänderungsmaterial ist.
  3. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 2, bei der das Phasenänderungsmaterial (18) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polywachs und deren Kombinationen besteht.
  4. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 2, bei der das Phasenänderungsmaterial (18) einen Schmelzpunkt zwischen etwa 218°C (425°F) und etwa 246°C (475°F) aufweist.
  5. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 2, bei der die Hülle (16) aus einem Metall oder einem Polymer besteht.
  6. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 5, bei der die Hülle (16) aus Kupfer besteht.
  7. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 2, bei der die Hülle (16) eine Dicke von etwa 1 μm bis etwa 10 μm aufweist.
  8. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 2, bei der jede Mikrokapsel (14) einen Durchmesser von etwa 25 μm bis etwa 200 μm aufweist.
  9. Zusammensetzung für einen Widerstand gegen eine thermische Erosion nach Anspruch 2, bei der das Trägermaterial (20) eine spritzbare Polymergrundmasse ist.
  10. Flugzeugkonstruktion mit einer wärmeabsorbierenden Beschichtung (12), die aufweist: a) eine Flugzeugkonstruktionsoberfläche (10); und b) eine wärmeabsorbierende Beschichtung (12) auf der Konstruktionsoberfläche (10), wobei die Beschichtung (12) eine Vielzahl von Mikrokapseln (14) aufweist, die jeweils eine Einkapselungshülle (16) und ein wärmeabsorbierendes Material (18) innerhalb der Hülle (16) aufweist; und c) ein Trägermaterial (20) für das Transportieren der Mikrokapseln (14), wobei die Mikrokapseln (14) im wesentlichen homogen durchgängig verteilt werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (20) an der Konstruktionsfläche (10) haften kann; und dass die Einkapselungshüllen (16) aus einem Material hergestellt werden, das das wärmeabsorbierende Material (18) vor einem Diffundieren in das Trägermaterial (20) während des Wärmezyklusses schützen kann.
  11. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der die Konstruktion eine Vorderkante des Flugzeuges ist.
  12. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der die Konstruktion eine Triebwerksaustrittsdüse des Flugzeuges ist.
  13. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der das wärmeabsorbierende Material (18) ein Phasenänderungsmaterial ist.
  14. Konstruktion nach Anspruch 13, bei der das Phasenänderungsmaterial (18) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polywachs und deren Kombinationen besteht.
  15. Konstruktion nach Anspruch 13, bei der das Phasenänderungsmaterial (18) einen Schmelzpunkt zwischen etwa 218°C (425°F) und etwa 246°C (475°F) aufweist.
  16. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der die Hülle (16) aus einem Metall oder einem Polymer besteht.
  17. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der die Hülle (16) aus Kupfer besteht.
  18. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der die Hülle (16) eine Dicke von etwa 1 μm bis etwa 10 μm aufweist.
  19. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der jede Mikrokapsel (14) einen Durchmesser von etwa 25 μm bis etwa 200 μm aufweist.
  20. Konstruktion nach Anspruch 10, bei der das Trägermaterial (20) eine spritzbare Polymergrundmasse ist.
  21. Verfahren zum Schützen einer Flugzeugkonstruktionsoberfläche vor einer thermischen Erosion, wobei das Verfahren das Aufbringen einer wärmeabsorbierenden Beschichtung (12) auf die Flugzeugkonstruktionsoberfläche (10) in einer Menge aufweist, die ausreichend ist, um eine ausreichende Menge an Wärme von der Flugzeugkonstruktionsoberfläche zu absorbieren, um im wesentlichen die thermische Erosion zu verhindern, wobei die Beschichtung aufweist: eine Vielzahl von Mikrokapseln (14), die jeweils eine Einkapselungshülle (16) und ein wärmeabsorbierendes Material (18) innerhalb der Hülle (16) aufweisen; und ein Trägermaterial (20) für das Transportieren der Mikrokapseln (14), und wobei die Mikrokapseln (14) durchgängig verteilt werden; dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (20) an der Flugzeugkonstruktionsoberfläche (10) haften kann; und dass die Einkapselungshüllen (16) aus einem Material hergestellt werden, das das wärmeabsorbierende Material (18) vor einem Diffundieren in das Trägermaterial (20) während des Wärmezyklusses schützen kann.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Konstruktion eine Vorderkante des Flugzeuges ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Konstruktion eine Triebwerksaustrittsdüse des Flugzeuges ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das wärmeabsorbierende Material (18) ein Phasenänderungsmaterial ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem in der wärmeabsorbierenden Beschichtung (12) das Phasenänderungsmaterial (18) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polyethylen, Polypropylen, Polywachs und deren Kombinationen besteht.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem in der wärmeabsorbierenden Beschichtung (12) das Phasenänderungsmaterial (18) einen Schmelzpunkt zwischen etwa 218°C (425°F) und etwa 246°C (475°F) aufweist.
  27. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem in der wärmeabsorbierenden Beschichtung (12) die Hülle (16) einer jeden Mikrokapsel (14) aus einem Metall oder einem Polymer besteht.
  28. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Hülle (16) einer jeden Mikrokapsel (14) aus Kupfer besteht.
  29. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem in der wärmeabsorbierenden Beschichtung (12) die Hülle (16) einer jeden Mikrokapsel (14) eine Dicke von etwa 1 μm bis etwa 10 μm aufweist.
  30. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem in der wärmeabsorbierenden Beschichtung (12) jede Mikrokapsel (14) einen Durchmesser von etwa 25 μm bis etwa 200 μm aufweist.
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