JP2011518956A - 航空機や宇宙航行機のための繊維複合部材のコーティング方法、および前記方法により生産される繊維複合部材 - Google Patents

Abstract

航空機や宇宙航行機に用いられる繊維複合部材１をコーティングするための方法において、自身を保護するために、繊維複合部材１を構成する繊維３から表面層が離れるようにして、繊維複合部材１の表面層８の少なくとも一部が前処理されることで下地層１３を形成し、形成された下地層１３に対し、少なくとも１層の機能層１７，１８が施工される。繊維複合部材１は、下地層１３に形成された少なくとも１つの機能層１７，１８を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、航空機や宇宙航行機のための繊維複合部材のコーティング方法、およびこのタイプの方法により生産される繊維複合部材に関する。

現在まで、航空機建設の構造的構成要素として、航空機の耐用年数の間、それについての機械的および技術上の性質に関してかなり特有で、それについて長期的挙動の金属が依然として主流に用いられている。しかしながら、これらの金属は、近年の重量最適化の要請から、望ましくない。そのため、軽量構造原理が一貫して適用されてきた航空機における従来の高安全性を満たす、他の様々な合成材料が開発・最適化されてきた。ガラス繊維プラスチック材料や、特に、炭素繊維強化プラスチック材料が、このような目的から使用されている。

本発明および基本的課題は、どのような繊維複合部材にも応用可能である。たとえば以下に述べる炭素繊維プラスチック材料（これも繊維複合部材と呼ばれる）を、たとえば航空機の機体、翼、尾羽ユニットに応用できる。

繊維複合部材は、航空機建設において幅広く使用されている。これらは、たとえば真空注入プロセスによって、たとえばエポキシ樹脂を、繊維中仕上げ生成物に、適切な養生をすることで生産される。繊維複合部材を生産するための他の知られたプロセスに比べ、たとえば、プレプレグプロセス、注入プロセスは、繊維の中仕上げ生成物をさらに経済的にできるため、コスト効果がある。

しかしながら、軽量かつ高強度以外には、繊維複合部材の表面特性は不十分でもある。特に、摩耗に対する耐性が低く、この場合、侵食および電気伝導率の欠如が例示される。

航空機や宇宙航行機の全ての作動領域では、コンポジット材や複合構成部品の表面を、完全か一部変更することが望まれる。

近年、たとえば、金属または金属布が、繊維強化物質に接着結合または積層され、それ自身の表面特性を変えることが行われる。金属のボルトやリベットを、異なった方法、たとえば接着剤結合するために、絶縁材料または絶縁層も使用される。しかしながら、改質の混合を達成することは困難である。

金属の場合、幅広い範囲の溶射プロセスには、この種の要求事項が該当する。原則として、この技術は、繊維複合部材のコーティングへも適用することができる。従来では、表面コートの前処理をするために、表面のブラスト処理が行われていた。

DE10037212A1には、溶射コーティングされたプラスチック材料の表面（繊維強化プラスチック材料の表面を含む）は、密着体の表面は、初期には溶射プロセスによって形成され、機能層も溶射プロセスによってそれらの上に形成されるとの記載がある。典型的にはゴルフクラブのようなスポーツ用品へのコーティング方法が記載されている。

DE102005008487A1には、炭素繊維強化プラスチック材料の被コート体（とくにローラー）およびその製造方法が記載されている。とくに製紙や印刷機のための、このタイプのローラーは、溶射プロセスによって、接着促進層および耐水層に覆われている。

DE19747384A1には、溶射によってコーティング（たとえばセラミックパイプのガス・タイトおよび気密コーティング）された複合材料体製造物の記載がある。

上記の文献では、航空機や宇宙航行機のための繊維複合部材のコーティングへの安全要求に関しては言及していない。また上記の文献では、特にこのタイプのボディに関連しないが、たとえば航空機構造の構成要素の繊維へのダメージに対するリスクに関しても、何ら言及していない。

これらをふまえ、本発明の目的は、上記の不都合を解消、またはかなり低減するために、航空機や宇宙航行機のための繊維複合部材のコーティング方法、および付随する繊維複合部材を提供することである。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴をもつ方法によって達成される。この目的は、さらに、請求項１３の特徴をもつ繊維複合部材によって達成される。

したがって、航空機や宇宙航行機のための繊維複合部材のコーティング方法は、以下の方法ステップによって提供される。最初に、繊維複合部材の表面層の少なくとも一部に、前処理によって、接着層が形成される。下地層が形成された表面層は、繊維複合部材の保護のために、繊維複合部材に導入された繊維から間隔があけられる。形成された下地層には、少なくとも１つの機能層が、引き続いて施工される。

ひいては、少なくとも１つの機能層をもつ繊維複合部材が製造される。前処理によって形成された下地層で、繊維複合部材の表面層の少なくとも一部に、少なくとも１つの機能層が施工される。繊維複合部材の保護のために、表面層は、繊維複合部材に導入された繊維から、間隔があくように形成されている。

本発明の基礎を構成するアイデアは、少なくとも１つの機能層を施工するための下地層を形成するために、繊維複合部材の表面層の少なくとも一部が前処理されることである。表面層は、繊維複合部材に導入された繊維から間隔があくように形成される。すなわち、施工または形成された下地層と、繊維とが、間で接触することがない。

このように、本発明は、特に、概説で言及したアプローチで、繊維複合部材の繊維へのダメージを避けることができ、重量の最適化も同時に達成できる。

このようにして、さまざまな物質における繊維複合部材を改善でき、さまざまなコーティングのタイプを製造することができ、より広範な航空機建設の繊維複合部材に応用することができる。特に、以下の性質、およびそれらの混合にも、製造することができる。たとえば、耐摩耗、耐侵食、導電性、電磁放射の遮蔽、断熱、化学耐性、絶縁等である。

さらに、定義されたマナーで製造された表面、たとえばナノ構造物および／またはうろこ様皮膚をシミュレートした表面、なども製造することができる。

本発明の好適な実施形態が、従属クレームに記載される。

前処理では、いかなる種類の不純物および油脂をも除くことができる。加えて、化学的プロセス（レーザービーム加工、冷放射線、または他の適した手法）を用いることができる。

前処理では、表面が粗化された面微細形状の下地層を形成することができる。その結果、被接着面が増加する。アンダーカット付きの空洞部が形成され、面微細形状が形成される。これは、たとえばレーザービーム処理によって形成することが可能で、球状の泡により、たとえばその層の１０分の１の領域に形成し、泡がはじけることで、アンダーカットが生じる。

他の実施形態では、表面層の前処理ステップの間に、少なくとも一つの樹脂／接着剤層が形成されることにより、下地層が形成される。この方法では、必要ならば、表面層の厚みを増大させることができる。たとえば、樹脂／接着剤層を薄い層として形成することができる。その結果、より薄い前処理層や、複数の前処理層を、他のそれの上に形成することも可能であり、これにより繊維がダメージを受けることがない。硬化メカニズムが、その後の機能層の施工要求およびコンポーネントの要求を満たすという条件で、あらゆる樹脂や接着剤が適用できる。

樹脂／接着剤層は、樹脂／接着剤層の施工に先駆けて、樹脂／接着剤物質に混ぜられる粒子を含んでもよい。粒子は、それらの施工後に、樹脂／接着剤層に塗布され結合することもできる。たとえば、この方法で、樹脂／接着剤層の上にまき散らすこともできる。その結果、樹脂／接着剤層の接着特性によって、粒子は樹脂／接着剤層に結合するが、たとえば、樹脂／接着剤層に粒子を作用またはプレスすることも可能である。樹脂／接着剤物質を予め混合して粒子にし、その後に粒子を供給することも可能である。

あらゆる種類の樹脂および／または接着剤を使用することができる。その後のスプレーおよび構成要素の要求事項を満たす硬化度により、必要に応じて、部分的、あるいは完全に硬化する。粉末として得られる物質（金属、セラミック、酸化物、炭化物、他）であれば、特に限定されず混合物質として用いることができる。この方法の結果、経済的になり、コスト効果の高い、特にシンプルな技術に特徴付けられる。

他の実施形態では、前処理が、少なくとも一部が近接して形成された下地層への個別粒子の施工に効果的であることが好ましい。結果として、被着体面が増加し、塗布された機能層の接着性が向上する。個々の粒子は、溶射プロセスによって施工されることが、特に好適である。溶射に適した全ての物質（例えば金属、セラミック、酸化物、炭化物、熱可塑性ポリマー等）を、好適な物質として用いることができる。例として、粒子サイズは、１〜１００μｍにすることができるが、ナノ粒子を用いることもできる。

溶射プロセスは、高速フレーム溶射であってもよい。

下地層と一緒に、この方法で前処理された表面層は、望ましい機能層を施工できる基礎を形成する。このケースでも、公知の溶射プロセスおよび物質を用いることができる。この方法で、たとえば、遮音性、耐摩耗性、耐腐食性、緊急運転プロパティ、転がり抵抗、マテリアル施工、電導性、断熱性、絶縁等の機能を向上させることが可能になる。

繊維強化物質でできているコンポーネントは、望ましい機能層により、完全に、または部分的に覆われてもよい。加えて、原則的には、どのような溶射プロセスを用いてもよい。

他の実施形態では、少なくとも１つの機能層が、埋め込まれる構成要素を含んでもよい。これらは、たとえば、さまざまな目的のためのストリップ導体および／または繊維でもよい。構成要素は、溶射によるダメージからそれらを保護するために、対応するカバーと共に導入されてもよい。一体化可能なさらなるシステムおよび構成要素は、たとえば、ヒーティングシステム、ガラス繊維、テストコンポーネント（オンライン評価のためのものも含む）である。

繊維複合部材は、上記のようにして製造される。

全てのコーティングにおいて、一つの工程技術のみ、すなわち溶射が用いられてもよい。これにより、高い接着強度で、繊維複合部材の上にコーティングを行うことができる。機能層の様々な特性、および組み合わせの特性は、混合または計量されたコートによって生じてもよい。この目的のために、コートが継続的に施工されてもよい。同様に、混合粉末に溶射してもよい。

以下に、本発明の詳細について、図面の図解を参照しながら述べる。
図面において

図１は、本発明に係る繊維複合部材で、表面層を前処理するステップを例にして、繊維に直交する方向で見た概略断面図である。 図２は、本発明に係る繊維複合部材で、表面層をさらに前処理するステップを例にして、繊維に直交する方向で見た概略断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るコーティングされた繊維複合部材を、繊維に直交する方向で見た概略断面図である。

図面では、特に表示しない限り、同様の参照符号は、同様の、あるいは機能的に関連する要素である。

図１は、本発明に係る繊維複合部材１で、表面層８を前処理するステップを例にして、繊維５に直交する方向で見た概略断面図である。

繊維複合部材１は基材４に埋め込まれた繊維５を有している。基材４は、たとえば樹脂であり、この例では硬化している。図面の下部では、樹脂は繊維５の下方に上塗りで下面３を形成しており、図面の上部では、繊維５を覆うように上面２が形成されている。

この例では、上面２のトップコートは、表面７を含む表面層８を有しており、表面層の厚み９を有している。この例では、表面層の厚み９は、表面７から、表面７に対して最もスペースの小さい繊維表面６までの厚みと解釈する。

図面の繊維複合部材１の左手側には、繊維複合部材１を摩耗から保護するための表面７が示してある。さらに、もし不純物や油脂が、表面層８の表面７からまだ除かれていない場合には、第１方法ステップで除かれる。

さらに、表面層８の前処理を行う。前処理によって、表面微細形状１０を有する下地層１３が、たとえばレーザービーム加工などの好適な方法で施される。この間、表面層８は粗化され、本実施形態では、たとえば破裂気泡によって、アンダーカット１２付きの空洞部１１が形成される。これに限定されず、当然に、他の機械的または化学的なプロセスが可能である。

この場合には、表面層８の中に、下地層１３が所定の侵食深さ１６以内で形成されることが重要である。侵食深さ１６は、表面７から、繊維表面６からの所定スペース２０までの測定値であり、表面７からの深さは最も小さい。このため、前処理プロセスで繊維５がダメージを受けずに済む。

図２は、本実施形態に係る繊維複合部材１で、表面層８をさらに前処理するステップを例にして、繊維５に直交する方向で見た概略断面図である。このケースでは、下地層１３を形成する代替方法として、被覆粒子１４に示すように、表面層８の中に粒子１５を施す。この間、上述したように、侵食深さ１６が大きすぎないことが重要である。粒子１５は、たとえば溶射プロセスによって供給される。表面層８の中で、粒子１５の高い接着強度が、これによって達成される。

必ずしも表面７のアンダーカット１２付きの空洞部１１（図１に示す）がある領域に近くなくてもよいが、粒子被覆１４を結合させることも可能である。

このようにして、前処理によって表面７は増大し、さらなる方法ステップで、形成された下地層１３には、さらなるコーティングが施され、繊維５がダメージを受けることなく、繊維複合部材１への優れた接着性を得ることができる。

図３は、コーティングされた繊維複合部材１を、繊維５に直交する方向で見た概略断面図である。

図の左側領域に例えば粒子１５で示し、図の右側領域に例えばアンダーカット１２付きの空洞部１１を有する下地層１３に対して、第１機能層１７と、その上に第２機能層１８が塗布される。この方法でも、溶射プロセスが用いられる。

第２機能層１８は、コートされた繊維複合部材１の外側表面１９を形成する。第１機能層１７は、たとえば、金属コートとすることができ、それ故に、第２機能層１８を耐食性のコートか絶縁コートにすることが可能となる。第２機能層１８は、ナノ構造物を有する構造化された外側表面１９を形成することもできる。多数の異なる組み合わせが可能である。

本発明を上述の実施形態に基づき説明したが、これらに限定されるものではなく、多くの異なる方法で変更することができる。

たとえば、表面層８の前処理は、表面層８の粗化に効果的だが、アンダーカット１２が形成されなくてもよい。

たとえば、ヒーティングシステムとして、機能層１７，１８にストリップ導体を一体化させてもよい。

機能層１７，１８は、電磁シールドおよび／または避雷および／またはインパクトやノックに対する保護のための金属コートとしても機能する。

表面層の厚み９（大きめに図示してある）を有する表面層８として図１に示すトップコートは、まず、樹脂／接着剤層が追加的に施されることにより、たとえば侵食深さ１６から十分なスペース２０を得てもよい。追加的な樹脂／接着剤層によって、このように表面層８を上昇させることができる。たとえば、２つの異なるものによって下地層１３を形成してもよい。一方では、第１に粒子が樹脂／接着剤の材料に混ぜられ、引き続いて、薄い層として表面層８に塗布される。他方では、樹脂／接着剤の材料が、薄い層として表面層８に塗布され、粒子がその上にふりかけられ、樹脂／接着剤の材料の上または中に、処理またはプレスされる。全てのタイプの樹脂／接着剤を用いることができる。どちらのケースでも、形成された樹脂／接着剤層は、部分的にまたは完全に硬化する。次のさらなる層の溶射の要求（たとえば、機能層１７，１８および各コンポーネントの要求条件）に応じて、硬さの程度を合わせてもよい。粒子としては、粉末として得られる物質（金属、セラミック、酸化物、炭化物、他）であれば、特に限定されず用いることができる。上述したさらなる前処理による樹脂／接着剤層が固着することは明らかに可能であり、表面トポグラフィーおよび／または似たようなさらなるコーティング層および／または異なる他の粒子および／または似たサイズの樹脂／接着剤層を形成することができる。

航空機や宇宙航行機のための、繊維複合部材１のコーティング方法では、自身の保護のために、表面層が繊維複合部材１に配置された繊維３から離れている繊維複合部材１の前処理が、少なくとも一部に行われ、下地層１３が形成される。そして、形成された下地層１３には、少なくとも１層の機能層１７，１８が施工される。類似の繊維複合部材１は、下地層１３に施工された少なくとも１層の機能層１７，１８を含む。

１…繊維複合部材
２…上面
３…下面
４…基材
５…繊維
６…繊維表面
７…表面
８…表面層
９…表面層の厚み
１０…表面微細形状
１１…空洞部
１２…アンダーカット
１３…下地層
１４…コート粒子
１５…粒子
１６…侵食深さ
１７…第１機能層
１８…第２機能層
１９…外側表面
２０…スペース

Claims (13)

1. 航空機や宇宙航行機に用いられる繊維複合部材（１）のコーティング方法であって、：
   (i)繊維複合部材（１）を保護するために導入された繊維（５）から表面層が離れるように構成された繊維複合部材（１）の表面層（８）の少なくとも一部を前処理することで、個別粒子（１５）が少なくとも一部に近接して施工された下地層（１３）を形成する前処理ステップと、；
   (ii)形成された下地層（１３）に対し、避雷のための金属粒から成る金属コートとして、溶射法によって形成される少なくとも１つの機能層（１７，１８）を施工するステップとを有するコーティング方法。
2. 前記前処理ステップは、前記表面層（７）から、不純物および油脂を除去するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のコーティング方法。
3. 前記前処理ステップでは、前記下地層（１３）が、粗面化された表面（７）を含む表面微細形状（１０）に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のコーティング方法。
4. 前処理ステップでは、前記下地層（１３）が、アンダーカット（１２）付きの空洞部（１１）を含む表面微細形状（１０）に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコーティング方法。
5. 前記表面層（８）を前処理するステップでは、前記下地層（１３）が、少なくとも１層の樹脂／接着剤層の施工により形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコーティング方法。
6. 前記樹脂／接着剤層は、粒子を含む樹脂／接着物質を有し、
   前記粒子は前記樹脂／接着剤層の施工の前に前記樹脂／接着物質に混ぜられ、
   および／または前記樹脂／接着剤層の施工の後に、前記樹脂／接着物質は、前記樹脂／接着剤層に施工されて接着されることを特徴とする請求項５に記載のコーディング方法。
7. 前記個別粒子（１５）を施工するステップは、溶射プロセスを用いることによって行われることを特徴とする請求項６に記載のコーティング方法。
8. 前記溶射プロセスは、高速フレーム溶射という形態で行われることを特徴とする請求項７に記載のコーティング方法。
9. 少なくとも１層の前記機能層（１７，１８）は、埋め込まれる構成要素を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のコーティング方法。
10. 埋め込まれた構成要素は、ストリップ導体および／または繊維により形成されることを特徴とする請求項９に記載のコーティング方法。
11. 繊維複合部材（１）を保護するために導入された繊維（５）から、表面層が離れるように配置された繊維複合部材（１）の表面層（８）の少なくとも一部に、前処理によって形成された下地層（１３）に施工された少なくとも１層の機能層（１７，１８）を有する繊維複合部材（１）であって、
    少なくとも一部に近接して配置された前記下地層（１３）を形成するように個別粒子が施工され、
    少なくとも１つの前記機能層（１７，１８）が、避雷のための金属粒から成る金属コートとして形成されることを特徴とする繊維複合部材（１）。
12. 少なくとも１層の前記機能層（１７，１８）は、埋め込まれた構成要素を含むことを特徴とする請求項１１に記載の繊維複合部材（１）。
13. 埋め込まれた前記構成要素は、ストリップ導体および／または繊維を含むことを特徴とする請求項１２に記載の繊維複合部材（１）。

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