EP0121655A2 - Faserverbundwerkstoff - Google Patents

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EP0121655A2
EP0121655A2 EP84100476A EP84100476A EP0121655A2 EP 0121655 A2 EP0121655 A2 EP 0121655A2 EP 84100476 A EP84100476 A EP 84100476A EP 84100476 A EP84100476 A EP 84100476A EP 0121655 A2 EP0121655 A2 EP 0121655A2
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EP
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composite material
fiber composite
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fillers
layers
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EP84100476A
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Klaus Dipl.-Ing. Eggert
Manfred Dr.-Ing. Flemming
Siegfried Dipl.-Ing. Roth
Horst Dipl.-Ing. Schneider
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Dornier GmbH
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Dornier GmbH
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Publication date
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/002—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems using short elongated elements as dissipative material, e.g. metallic threads or flake-like particles
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    • Y10T442/659—Including an additional nonwoven fabric
    • Y10T442/67—Multiple nonwoven fabric layers composed of the same inorganic strand or fiber material

Definitions

  • the invention relates to a fiber composite material, consisting of individual layers of stacked fiber layers arranged one above the other and connected to one another by a matrix consisting of a resin and hardener, e.g. Glass fiber prepregs, as a supporting structure for the absorption of electromagnetic waves.
  • a resin and hardener e.g. Glass fiber prepregs
  • Fiber composite materials for load-bearing structures are characterized by high specific strength and rigidity. The strength and stiffness are largely determined by the fiber used and the fiber volume fraction.
  • the matrix usually an organic resin, connects the individual fibers into a composite material, which places high chemical and mechanical demands on the matrix.
  • fiber composite materials are predominantly used in aircraft construction, which are layered from so-called prepregs (a pre-impregnated fiber fabric) and which are hardened in the autoclave process.
  • DE-OS 31 17 245 discloses a method for camouflaging any, predominantly metallic objects against radar detection, and for protecting any objects against electromagnetic fields, in which the objects have a metallized textile pile material in whole or in part on the side that has the pole comes to lie in the direction of the incident radiation.
  • DIE is a p olware on an object surface, for example by adhesive bonding, additional layer, and thus an additional weight and no has a supporting function.
  • Polware is unsuitable for application to the outside surfaces of aircraft because of its insufficient strength under stress, eg against rain erosion and aerodynamic surface quality.
  • the absorption mechanism is tuned for pile fabric to a larger or deeper structural geometry such that, in order to achieve sufficient absorption, the thickness of the layer and thus their weight g ross.
  • the advantage of the invention is that the embedded into the superimposed layers of the anaeordneten fiber composite fillers q the incident electromagnetic waves over the thickness of the fiber composite in a maximum Fre uenzbandbreite absorb or dampen maximum.
  • the fiber composite forms together with the fillers embedded in it in different densities across the thickness of the individual layers also provide a supporting structure.
  • this applies to future developments in the construction of aircraft, missiles, satellites and ships, in which a high proportion of fiber composite materials is used.
  • a fiber composite material 7 consisting of individual layers 1, 2, 3, 4, 5, 6, of which the outer layer 1, which borders the incident electromagnetic waves 8 (see directional arrows) and the inner layer 9, is transparent and the inner one Layer 6 for the electromagnetic waves 8 is reflective.
  • the layers 2, 3, 4, 5 arranged therebetween act as absorption layers for the electromagnetic waves 8 due to the fillers 10 arranged therein in increasing concentration.
  • Layers 1 and 2 consist of an aramid fiber prepreg, which is composed of 50% aramid fibers and 50% epoxy resin.
  • a resin with a low dielectric constant E is used for high requirements.
  • the layers 3, 4 and 5 are also an aramid fiber prepreg, in which, however, the impregnating resin used for this purpose is interspersed with fillers 10 which absorb the electromagnetic waves 8, for example iron or ferrite powder and / or with substances which increase conductivity, such as graphite or carbon.
  • the mixing ratios Resin / fillers are optimized in terms of absorption, reflection, frequency bandwidth and the loss of strength that occurs when the filler content is too high.
  • the layer 6 consists of a carbon fiber prepre g and forms a reflector for the electromagnetic waves 8 still arriving through the layers 1, 2, 3, 4, 5, so that the waves 8 reaching this layer 6 follow the reflected path (see directional arrows ) must again pass through layers 5, 4, 3, 2, 1 acting as absorbers (dampers) in the opposite direction and be absorbed or damped to such an extent that there is practically a greatly reduced exit at layer 1.
  • the arrangement of the layer 6 as a reflector with respect to the transparent layer 1 can be selected such that the electromagnetic waves 8 are extinguished in a specific frequency range (interference effect).
  • the fiber composite 7 can be shaped when the individual layers 1, 2, 3, 4, 5, 6 are layered by inserting them into a corresponding shape (not shown in the figure). It is also possible to insert or attach the package of the fiber composite 7 into a mold and to carry out the shaping or shaping by rolling onto the wall of the mold.
  • the curing of the Layers lying one above the other are carried out in an autoclave (not shown in the figure), for example under a pressure of approx. 3.5 bar and at a temperature of approx. 120 ° C, similar to the process customary in fiber composite parts production in aircraft construction is. If the resin / hardener combination is selected accordingly, curing at room temperature (approx. 20 ° C) is also possible.
  • embodiments are also possible in which the individual layers 1, 2, 3, 4, 5, 6 differ in their thicknesses d 1 from one another and the total thickness d 2 of the fiber composite material 7 resulting therefrom changes accordingly.
  • Fillers 10 can also be embedded in the transparent layer 1 adjacent to the air layer 9. This also applies to the inner layer 6, which then no longer has to act as a reflector.
  • the curve of the concentration of the fillers 10 stored in the individual layers 1, 2, 3, 4, 5 is shown in a curve 11 in FIG. This shows the arrangement of the fillers 10 that is becoming denser from layer 1 to layer 5. This means that the ⁇ / ⁇ absorption and damping of the electromagnetic waves 8 increase with increasing concentration. The rest of the waves 8 remaining in the layer 5 experiences a reflection at the adjacent layer 6 and passes through the individual layers in the opposite direction 5, 4, 3, 2, 1 (see directional arrows).

Landscapes

  • Laminated Bodies (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

Der Faserverbundwerkstoff besteht aus einzelnen Schichten übereinander angeordneter und durch eine, aus einem Harz und Härter bestehenden Matrix miteinander verbundener gerichteter Faserlagen, z. B. Glasfaserprepregs, als tragende Struktur zur Absorption elektromagnetischer Wellen. Dazu sind in den einzelnen Schichten des Faserverbundwerkstoffes (7) Radarstrahlung absorbierende Füllstoffe (10), z.B. Eisenpulver oder Ruß, mit von außen nach innen variierender Konzentration eingelagert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff, bestehend aus einzelnen Schichten übereinander angeordneter und durch eine, aus einem Harz und Härter bestehenden Matrix miteinander verbundener gerichteter Faserlagen, z.B. Glasfaserprepregs, als tragende Struktur zur Absorption elektrommagnetischer Wellen.
  • Faserverbundwerkstoffe für tragende Strukturen sind durch höhe spezifische Festigkeit und Steifigkeit gekennzeichnet. Die Festigkeiten und Steifigkeiten werden wesentlich durch die dazu verwendete Faser und durch den Faservolumenanteil bestimmt.
  • Die Matrix, meist ein organisches Harz, verbindet die einzelnen Fasern zu einem Verbundwerkstoff, wobei an die Matrix hohe chemische und mechanische Anforderungen gestellt werden.
  • Beispielsweise werden im Flugzeugbau vorwiegend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt, welche aus sogenannten Prepregs (ein vorimprägniertes Fasergelege) aufgeschichtet sind und die im Autoklavverfahren gehärtet sind.
  • Bei derartigen aus Metall- und Faserverbundwerkstoffen bestehenden Strukturen werden zur Absorption von elektromagnetischen Wellen spezielle Folien, Lacke oder Matten zusätzlich z.B. durch Kleben aufgebracht. Nachteilig ist hierbei das zusätzliche Gewicht, das höhere Risiko bezüglich der Haftung und Beständigkeit, z.B. Ausfranzen an den Kanten der Matten oder Platten, aerodynamische Verschlechterung wegen Rauhigkeit der Oberfläche, Stoßstellen der einzelnen zusammenstossenden Matten oder Platten und mehr Wartung, z.B. durch Prüfen der Schichten auf Ablösung.
  • Beispielsweise ist aus der DE-OS 31 17 245 ein Verfahren zur Tarnung beliebiger, vorwiegend metallischer Objekte gegen Radar-Erkennung sowie zum Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagnetischen Feldern bekannt, bei welcher die Objekte auf ihrer Oberfläche ganz oder teilweise eine metallisierte textile Polware aufweisen, von der diejenige Seite, die den Pol besitzt, in Richtung zur einfallenden Strahlung zu liegen kommt.
  • Auch hier ist nachteilig, dass die-polware eine auf eine Objektfläche, z.B. durch Kleben,zusätzlich aufgebrachte Schicht ist und somit ein zusätzliches Gewicht und keine tragende Funktion aufweist. Polware ist wegen ihrer zu geringen Festigkeit auf Beanspruchung, z.B. gegen Regenerosion und aerodynamischen Oberflächenqualität zum Aufbringen auf Aussenflächen von Fluggeräten ungeeignet. Auch ist der Absorptionsmechanismus bei Polware auf eine grössere bzw. tiefere Baugeometrie abgestimmt, so dass, um eine ausreichende Absorption zu erzielen, die Dicke der Schicht und damit ihr Gewicht zu gross wird.
  • Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen tragenden Strukturwerkstoff zu schaffen, auf dessen Oberfläche ein Aufbringen von zusätzlichen, die elektromagnetischen Wellen absorbierenden Materialien und Schichten, z.B. metallisierter Polware, Matten, Lackierungen und ähnliches nicht mehr notwendig ist und entfallen kann.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die in den übereinander anaeordneten Schichten des Faserverbundwerkstoffes eingelagerten Füllstoffe die einfallenden elektromagnetischen Wellen über die Dicke des Faserverbundes in einer maximalen Frequenzbandbreite absorbieren bzw. maximal dämpfen. Der Faserverbund bildet dabei zusammen mit den darin über die Dicke der einzelnen Schichten in unterschiedlicher Dichte eingelagerten Füllstoffen zugleich eine tragende Struktur. Das heisst, die Schichten und die in der Matrix beigemengten und die Festigkeit der Struktur nicht wesentlich beeinflussenden Füllstoffe bilden neben der erwünschten Absorption der elektromagnetischen Wellen zugleich einen Faserverbundwerkstoff hoher Festigkeit und Steifigkeit, ohne dass damit ein wesentlicher Mehraufwand beim Aufbau der Struktur erforderlich ist. Insbesondere trifft dies für künftige Entwicklungen beim Bau von Flugzeugen, Flugkörpern, Satelliten und Schiffen zu, bei dem ein hoher Anteil von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt wird.
  • Die Einlagerung derartiger Füllstoffe, z.B. Graphit, pulverisierter Kohlenstoff, Ferrite, Kunststoff- oder Keramikpulver oder Kombinationen davon in einem geschichteten Faserverbund hat ausserdem den Vorteil, dass die Baugeometrie nur auf dünne Schichten beschränkt bzw. verteilt ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1 einen Schnitt durch einen geschichteten Faserverbundwerkstoff,
    • Figur 2 den Konzentrationsverlauf der in den einzelnen Schichten eingelagerten Füllstoffe gemäss Figur 1.
  • In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen aus einzelnen Schichten 1, 2, 3, 4, 5, 6 bestehenden Faserverbundwerkstoff 7 dargestellt, wovon die äussere den einfallenden elektromagnetischen Wellen 8 (siehe Richtungspfeile) an die Luftschicht 9 grenzende Schicht 1 transparent und die innere Schicht 6 für die elektromagentischen Wellen 8 reflektierend ist. Die dazwischen angeordneten Schichten 2, 3, 4, 5 wirken durch die darin in nach innen zunehmender Konzentration angeordneten Füllstoffe 10 für die elektromagnetischen Wellen 8 als Absorptionsschichten. Der Faserverbundwerkstoff 7 bildet hier mit den einzelnen d1 = ca. 0,25 mm dicken Schichten 1, 2, 3, 4, 5, 6 Faserprepreg ein Gelege von zusammen d2 = ca. 1,5 mm Dicke. Die Schichten 1 und 2 bestehen aus einem Aramidfaserprepreg, welches sich aus 50 % Aramidfasern und 50 % Epoxidharz zusammensetzt. Für hohe Anforderungen wird ein Harz mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante E verwendet. Die Schichten 3, 4 und 5 sind ebenfalls ein Aramidfaserprepreg, bei welchen jedoch das dazu verwendete Imprägnierharz mit die elektromagnetischen Wellen 8 absorbierenden Füllstoffen 10, z.B. Eisen- bzw. Ferritpulver und/ oder mit die Leitfähigkeit erhöhenden Stoffen wie Graphit bzw. Kohlenstoff durchsetzt ist. Die Mischungsverhältnisse Harz/Füllstoffe sind dabei in bezug auf Absorption, Reflexion, Frequenzbandbreite und den bei zu hohen Füllstoffanteil auftretenden Festigkeitsverlusten optimiert. Die Schicht 6 besteht aus einem Kohlenstoffaserprepreg und bildet für die noch durch die Schichten 1, 2, 3, 4, 5 ankommenden elektromagnetischen Wellen 8 einen Reflektor, so dass die bis zu dieser Schicht 6 gelangten Wellen 8 auf dem reflektierten Weg (siehe Richtungspfeile) wieder die als Absorber (Dämpfer) wirkenden Schichten 5, 4, 3, 2, 1 in umgekehrter Richtung durchlaufen müssen und dabei so weit absorbiert bzw. gedämpft werden, dass an der Schicht 1 praktisch ein stark verminderter Austritt erfolgt.
  • Die Anordnung der Schicht 6 als Reflektor in bezug auf die transparente Schicht 1 kann so gewählt werden, dass in einem bestimmten Frequenzbereich eine Auslöschung der elektromagnetischen Wellen 8 erfolgt (Interferenzeffekt).
  • Die Formgebung des Faserverbundes 7 kann beim Aufschichten der einzelnen Schichten 1, 2, 3, 4, 5, 6 erfolgen, indem diese in eine entsprechende Form (in der Figur nicht näher dargestellt) eingelegt werden. Auch ist es möglich, das Paket des Faserverbundes 7 in eine Form ein- oder anzubringen und das Formgeben bzw. Umformen durch Anwalzen an die Wand der Form zu bewerkstelligen. Das Aushärten der .übereinanderliegenden Schichten erfolgt in einem Autoklaven (in der Figur nicht näher gezeigt) beispielsweise unter einem Druck von ca. 3,5 bar und bei einer Temperatur von ca. 120° C, ähnlich dem Vorgang wie er in der Faserverbund-Teilefertigung im Flugzeugbau üblich ist. Bei entsprechender Wahl der Harz/Härterkombination ist aber auch eine Aushärung bei Raumtemperatur (ca. 20° C) möglich. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die einzelnen Schichten 1, 2, 3, 4, 5, 6 in ihren Dicken d1 voneinander unterschiedlich sind und sich die Gesamtdicke d2 des daraus entstehenden Faserverbundwerkstoffes 7 entsprechend ändert.
  • Auch können in der an die Luftschicht 9 angrenzenden transparenten Schicht 1 Füllstoffe 10 eingelagert sein. Dies gilt auch für die innere Schicht 6, die dann nicht mehr als Reflektor wirken muß.
  • In Figur 2 ist der Konzentrationsverlauf der in den einzelnen Schichten 1, 2, 3, 4, 5 eingelagerten Füllstoffe 10 in einer Kurve 11 dargestellt. Man ersieht daraus die von der Schicht 1 bis zur Schicht 5 immer dichter werdende Anordnung der Füllstoffe 10. Das heisst, dass mit zunehmendem Konzentrationsverlauf die ε/µ-Absorption und Dämpfung der elektromagnetischen Wellen 8 zunimmt. Der in der Schicht 5 verbleibende Rest der Wellen 8 erfährt an der daran angrenzenden Schicht 6 eine Reflexion und durchläuft die einzelnen Schichten in umgekehrter Richtung 5, 4, 3, 2, 1 (siehe Richtungspfeile).

Claims (11)

1. Faserverbundwerkstoff, bestehend aus einzelnen Schichten übereinander angeordneter und durch eine, aus einem Harz und Härter bestehenden Matrix miteinander verbundener gerichteter Faserlagen, z.B. Glasfaserprepregs, als tragende Struktur zur Absorption elektromagnetischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Schichten des Faserverbundwerkstoffes (7) Radarstrahlung absorbierende Füllstoffe (10), z.B. Eisenpulver oder Ruß mit von aussen nach innen variierender Konzentration eingelagert sind.
2. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Füllstoffe (10) im Faserverbundwerkstoff (7) von aussen nach innen zunimmt.
3. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Füllstoffe (10) im mittleren Bereich des Faserverbundwerkstoffes (7) höher als innen und aussen ist.
4. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass im Faserverbundwerkstoff (7) die erste den einfallenden elektromagnetischen Wellen (8) zugekehrte Schicht (1) für die elektromagnetischen Wellen (8) transparent oder gering absorbierend, eine oder mehrere daran anschliessende Schichten (2, 3, 4 oder 5) absorbierend und eine folgende Schicht (6) reflektierend oder absorbierend ist.
5. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der elektromagnetischen Wellen (8) an den Füllstoffen (10) und an den Grenzflächen der Schichten des Verbundes gering ist.
6. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste, den elektromagnetischen Wellen (8) zugewandte Schicht (1) für die Wellen (8) transparent und die letzte, den Wellen (8) abgewandte Schicht (6) reflektierend sein kann.
7. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1) z.B. aus einer die Wellen (8) gut durchlässigen Aramidfaser oder aus Spezialfasern, z.B. e-, r-, d- und Quarz-Glasfasern besteht und die letzte Schicht (6) z.B. aus stark reflektierenden metallisierten C-Fasern oder aus einer Metallfolie besteht.
8. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe (10) aus mehreren Komponenten, z.B. Graphit, pulverisiertem Kohlenstoff, Ferrite, Kunststoff-Keramikpulver oder Kombinationen davon bestehen.
9. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe (10) eine Absorption für die elektromagnetischen Wellen (8) im Frequenzbereich zwischen 2 und 60 GHz, vorzugsweise zwischen 6 und 18 GHz, aufweisen.
10. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe (10) durch elektrische und/oder magnetische Felder, z.B. in Frequenzbändern zwischen 2 und 60 GHz anregbar sind und dadurch absorbierend wirken.
11. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken (d1) der einzelnen Schichten (1, 2, 3, 4, 5, 6) voneinander verschieden sein können.
EP84100476A 1983-03-01 1984-01-18 Faserverbundwerkstoff Withdrawn EP0121655A3 (de)

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