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Die
Erfindung betrifft ein Schichtsystem zum Blitzschutz von Bauteilen,
nach dem Oberbegriff des beigefügten
Patentanspruchs 1, wie es aus der
US 4 155 896 A bekannt ist. Die Erfindung
findet insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik Anwendung, z.
B. in Flugzeugen oder Hubschraubern.
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Das
Problem des Blitzschutzes ist insbesondere bei Bauteilen aus Kunststoff
oder bei Bauteilen, die in irgendeiner Form Kunststoff-Strukturen
enthalten, wie sie beispielsweise in der Luftfahrttechnik in Form
von Kunststoff-Verbundwerkstoffen eingesetzt werden, zuverlässig zu
lösen.
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Verbundwerkstoffe
aus Kunststoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
(CFK), haben den Vorteil, dass sie leichtgewichtig sind und dennoch
sehr gute mechanische Eigenschaften (z. B. eine hohe Festigkeit)
aufweisen. Sie können
in einfacher Weise auch in ungewöhnliche
unregelmäßige Formen
gebracht werden. Daher ist der Einsatz von derartigen faserverstärkten Verbundwerkstoffen insbesondere
für die
Luftfahrttechnik interessant und wird dort in Zukunft in größerem Maße eingesetzt.
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Der
geplante Einsatz größerer Strukturen
in CFK-Bauweise in der Luftfahrttechnik erfordert unter anderem
einen wirksamen Schutz gegenüber
Blitzschlag. Die physikalischen Vorgänge beim Blitzeinschlag sind
bei CFK-Strukturen im wesentlichen analog zu jenen bei metallischen
Strukturen. Es kommt zur Ausbildung eines Vorentladungs-Plasmakanals und
im weiteren Verlauf zur Blitzentladung. Je nach Lage des Erstberührungspunktes
wird der Blitzkanal über
die Flugzeugoberfläche
gezogen. Mit der Berührung
von Blitzkanal und Flugzeugoberfläche ist ein hoher Stromfluss
und Wärmeeintrag
in die betreffende Struktur verbunden. Die Parameter, die die Intensität des Blitzes
charakterisieren, unterscheiden sich nicht zwischen CFK-Strukturen
und metallischen Bauteilen. Da die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit
von CFK-Strukturen deutlich geringer ausfällt als die von Metallen, bedürfen CFK-Strukturen
eines Blitzschutzes. Ansonsten könnte
eine erheblich Delamination mit einhergehender Festigkeitseinbuße die Folge
sein.
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In
der Praxis werden zum Schutz von CFK-Strukturen gegen Schädigungen
bei Blitzeinschlägen
derzeit nahezu ausnahmslos Gitterstrukturen und Netzstrukturen aus
Metallen (z. B. Aluminium oder Kupfer) eingesetzt. Diese werden
als äußere Lage
in die CFK-Struktur einlaminiert. Eine Verwendung von Metallfolien
oder ähnlichem
ist im Flugzeugbau aufgrund der komplizierten Formengebung problematisch;
die Metallfolien lassen sich nur schwer zweifach gekrümmten Strukturen
anpassen. Zur Anpassung an die Oberflächenform bei zweifach gekrümmten Strukturen
sind Gitterstrukturen erforderlich. Insbesondere bei größeren Strukturbauteilen handelt
es sich um eine verfahrenstechnisch aufwändige Methode, die mit einer
signifikanten Gewichtsbelastung verbunden ist.
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In
der Literatur werden Mechanismen zum Blitzschutz von CFK-Strukturen
beispielsweise durch Allen L. Hall in „Mechanism for Lightning Protection
of CFC Structures Using Interwoven Wires", veröffentlicht durch Society of
Automotive Engineers, Inc., 1999-01-2352, S. 183 bis 188 beschrieben.
Hall hat Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe untersucht, in deren äußerster
Graphitschicht dünne
Metalldrähte aus
unterschiedlichen Materialien eingewebt waren. Untersucht wurden
Drähte
aus Aluminium, Messing, Kupfer und Monel. Es wird die These vertreten,
dass bei den bekannten Strukturen die Drähte die oberste Lackdeckschicht
zerstören
müssen,
um guten Blitzschutz zu erzielen. Es wird erläutert, dass aufgrund der gewebten
Drähte
in der CFK-Struktur an der Blitzeinschlagstelle mehrere sogenannte „Streamer" ausgebildet werden,
so dass die Blitzenergie nicht an einem einzigen Punkt, sondern
in mehreren Punkten eintritt. In dem Artikel wird die Auffassung
vertreten, dass der Blitzschutz am besten wirkt, je eher die eingewobenen
Drähte
die obersten Lackschichten zerstören
und durchdringen, um so eine schnelle Ableitung der Energie über die
Drähte
zu erzielen. Demnach wird nicht die Streamer-Bildung hervorgehoben,
vielmehr werden Wege vorgeschlagen, wie man die Drähte ausbilden
und anordnen kann, um die schnellste und größte Oberflächenzerstörung zu erreichen. Insgesamt
wird vorgeschlagen, die Anordnung so zu wählen, dass ein maximaler Stromdurchfluss
durch die Drähte
erreicht wird, wodurch dann durch Hitzeentwicklung und die dann
erfolgte Ausdehnung die Drähte
durch die Deckschichten stoßen können.
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F.
A. Fisher et al. beschreiben in dem Artikel „Lightning Protection of Air
Craft", veröffentlicht
durch Lightning Technology, Inc., Pittsfield, 1990, S. 143–153 einen
Blitzschutz von CFK-Materialien durch aufgebrachte Leiter. Es wird
der Blitzschutz verschiedener leitfähiger Schichten, welche auf CFK-Strukturen
aufgebracht werden, untersucht. Insgesamt werden diejenigen Schichten
als besonders vorteilhaft angesehen, die die beste elektrische Leitfähigkeit
liefern. Dies sind insbesondere Metallfolien, die aber Probleme
bei der Anpassung an komplizierte Strukturen haben. Diesbezüglich werden
expandierte Metallfolien als vorteilhafter vorgeschlagen, die in
einem Streckprozess perforiert und gedehnt werden. Deren mechanische
Eigenschaften gleichen denjenigen eines gewebten Metallgitters;
es gibt aber einen besseren Kontakt des Metallmaterials als beim gewebten
Metallgitter, da das Material immer noch eine einheitliche Folie
und nicht einzelne Drähte
darstellt, die sich jeweils an Kontaktstellen berühren müssten. Es
werden weitere CFK-Strukturen
vorgeschlagen, deren Fasern mit Nickel belegt sind und somit leitfähig gemacht
werden. Dies schwächt
aber die Festigkeit der CFK-Struktur, so dass noch eine zweite Lage
benötigt
wird. Der Blitzschutz solcher Strukturen wird als weniger gut wie
der Blitzschutz von Metallgeflechten beschrieben. Weiter werden
in die CFK-Strukturen eingewebte Drähte mit sehr dünnem Durchmesser
be schrieben, die mit 3 bis 9 Drähten
pro Zentimeter in die CFK-Struktur eingewebt werden. Als Effekt
wird beschrieben, dass an vielen verschiedenen Stellen eine Intensivierung
des elektrischen Feldes eintritt, so dass der Blitz in viele kleine
Kanäle
aufgespalten wird (Streamer-Bildung), so dass der Eintritt über viele
Stellen erfolgt.
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A.
C. Douay et al. beschreiben in dem Artikel „Lightning-Induced Damage
Phenomenology in Carbon Fiber Composite Materials"; Journal of Aerospace
Engineering, Seiten 39-1 bis 39-11 einen Test von vier CFK-Platten,
die mit einem Bronzenetz geschützt
waren. Es wurde ein Leitfähigkeitstest
und ein Blitzeinschlagtest durchgeführt. Dabei wurden die Schäden einer
CFK-Struktur, die durch ein Metallgeflecht geschützt ist, im Falle eines Blitzeinschlages genauer
beschrieben, und es wurden die entsprechenden Mechanismen hierzu
erläutert.
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Die
EP 0 900 647 A2 offenbart
einen Blitzschutz für
einen elektrisch leitfähigen
oder isolierenden Mantel und einen Kern einer Wabenstruktur. Genauer
wird der Blitzschutz an einer CFK-Struktur beschrieben, der trotz
ausreichendem Blitzschutz dennoch leichtgewichtig sein soll. Als
Lösung
wird das bereits eingangs erwähnte
Metallgeflecht vorgeschlagen, welches die Oberflächenleitfähigkeit erhöhen soll. Als Materialien für das Metallgeflecht
werden Aluminium oder Kupferdrähte
vorgeschlagen.
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Die
DE 44 26 906 C2 betrifft
einen für
den Flugzeugbau verwendbaren elektrisch leitfähigen faserverstärkten Verbundwerkstoff.
Um die dort beschriebene Struktur leitfähig zu machen, werden einer
Kunststoffmatrix fein dispergierte Russpartikel in der Größenordnung
von etwa 30 nm mit 0,1 bis 2 Gewichtsprozent zugesetzt. Diese Maßnahme dient
jedoch nicht dem Blitzschutz, sondern soll die Struktur derart leitfähig machen,
dass das Abschirmvermögen
gegen elektrische Felder und die Ableitung elektrostatischer Aufladungen
verbessert wird, so dass keine Störungen im Funkverkehr auftreten.
Es wird hierzu eine Wabenstruktur mit einer Abdeckplatte aus Verbundwerkstoff
beschrieben, wobei die Abdeckplatte in der beschriebenen Weise mit
Russpartikeln beladen wird.
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Ein
anderer elektrisch leitender Verbundwerkstoff wird in der
DE 199 56 331 A1 beschrieben. Diese
Druckschrift enthält
allerdings keinerlei Hinweise auf eine Eignung bzw. Anwendung in
der Luft- und Raumfahrttechnik; sie ist aber für das Verständnis der Erfindung interessant.
Es wird ein elektrisch leitender Kunststoff beschrieben. Es wird
zunächst
erläutert,
dass Kunststoffe in der Regel Isolatoren darstellen, die statischen
Aufladungen unterworfen sein können.
Dies kann insbesondere bei der Verpackung von Elektronik-Bauteilen
zu Problemen führen.
Als Ziel wird daher eine Verpackung angegeben, die elektrisch leitend
ist, so dass elektrische Ladung abgeleitet werden kann. Es wird
weiter erläutert,
dass bestimmte Kunststoffe ein metallisches Verhalten an den Tag
legen. Der Grund hierfür
sind Molekülketten mit
konjugierten Doppelbindungen. Wenn man diese Kunststoffe entsprechend
dotiert, lässt
sich entlang dieser Molekülketten
ein Elektronentransport bewerkstelligen, so dass die Kunststoffe
ein metallisches Verhalten zeigen. Das Problem dieser Kunststoffe
ist, dass die mechanischen Eigenschaften unzureichend sind. Es wird
weiter beschrieben, dass es bekannt sei, Russ- oder Aluminiumpartikel
in eine Kunststoffmatrix einzubetten, um den Kunststoff leitfähig zu machen.
Die Leitfähigkeit
ist eine Funktion der Konzentration der leitfähigen Partikel in der Kunststoffmatrix.
Zunächst
erfolgt lange kaum eine Erhöhung
der Leitfähigkeit.
Erhöht
man die Konzentration weiter, bilden sich durch eine Anlagerung
der leitfähigen
Partikel zueinander Pfade innerhalb der Kunststoffmatrix. Dies bewirkt
eine schlagartige Erhöhung
der Leitfähigkeit.
Bei einer weiter erhöhten Konzentration
ergibt sich dann jedoch kaum noch ein Anstieg der Leitfähigkeit.
Den Wendepunkt in der entsprechenden Kurve der Leitfähigkeit über der
Konzentration aufgetragen, nennt man allgemein Perkolationsschwelle
oder Perkolationsgrenze. Als nachteilig dieser mit leitfähigen Partikel
beladenen Kunst stoffmatrix wird beschrieben, dass sich die mechanischen
Eigenschaften verschlechtern. Die
DE 199 56 331 A1 schlägt daher vor, Fasern aus einem
schlecht leitenden Trägermaterial
mit einem leitfähigen
Kunststoff zu beschichten. Als leitfähiger Kunststoff für die Beschichtung
wird ein entsprechend mit leitfähigen Partikeln
beladener Kunststoff verwendet. Als Anwendungsmöglichkeit ist lediglich die
Verpackungsindustrie genannt, um so Kunststoffverpackungen herzustellen,
die elektrisch leitfähig
sind und somit elektrostatische Aufladungen vermeiden können.
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Die
EP 0 465 399 A2 betrifft
wiederum den Flugzeugbau. Es wird vorgeschlagen, eine Verbundstruktur
mit einem Metallnetz zu versehen. Das Metallnetz wird dabei in einer
Matrix aus Epoxidharz eingebracht.
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Aus
der
US 2006/0051592
A1 ist ein Schichtsystem zum Blitzschutz von Bauteilen
zur Verwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik bekannt. Das Schichtsystem
wird als Folienbeschichtung auf Flugzeugbauteile aufgebracht. Einige
Ausführungsformen
weisen als äußere Deckschicht
eine Polymerfolie auf, die zum Schutz des Schichtsystems gegen Umwelteinflüsse geeignet
ist. Diese dielektrische Schicht ist auf eine elektrisch leitende
Schicht in Form einer Metallfolie, die in Gitterstruktur strukturiert sein
kann, aufgebracht. Die Metallfolie kann so strukturiert sein, dass
bei Blitzeinschlägen
Koronaentladungen entstehen. Zur Unterstützung der Entstehung der Koronaentladungen
kann die dielektrische Deckschicht mit Partikeln aus Halbleitermaterial
versetzt werden, in einer Hochstrom- und Hochspannungsumgebung,
wie sie bei einem Blitzschlage entstehen können, können die Halbleiterpartikel
elektrisch leitfähig
werden, wodurch sie zu der im Wesentlichen plötzlichen Erzeugung von Koronas
an der Oberfläche
beitragen. Über
die Form der Halbleiterpartikel ist keine Aussage getroffen.
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Aus
der
FR 27 20 214 A1 ist
ein Blitzschutzsystem zum Schutz eines dielektrischen Bauteiles gegen
Blitzeinschlag bekannt, bei dem das dielektrische Bauteil mit einem
ionisierenden Lack überzogen
wird. Der ionisierende Lack enthält
in einer dielektrischen Matrix Partikel aus Alkalimetallsalzen oder
Erdalkalimetallsalzen, die eine niedrige Ionisationsschwelle aufweisen,
um im Falle eines Blitzeinschlages Ionen zu erzeugen.
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Und
auch die
EP 0 629 549
A2 befasst sich mit dem Blitzschutz für CFK-Strukturen. Dabei wird von dem zuvor
erläuterten
Stand der Technik ausgegangen, wonach in der obersten Schicht einer CFK-Struktur
Kupfer- oder Aluminiumnetze eingebettet werden. Als problematisch
wird jedoch angesehen, dass auch solche Strukturen mit einer Decklackschicht
versehen werden müssen,
um sie gegen Umwelteinflüsse
zu schützen.
Solche Lackschichten bestehen in der Regel aus Polyurethan und stellen
somit eine dielektrische Schicht dar. Wenngleich bekannte mit Metallnetzen
versehene CFK-Strukturen recht guten Blitzschutz liefern, wird der
Blitzschutz nicht mehr ausreichend, wenn diese Strukturen noch mit
dem üblichen
Polyurethanlack überdeckt
werden. Daher schlägt
die
EP 0 629 549 A2 vor,
den Polyurethanlack leitfähig
zu machen. Hierzu wird ein dünnes Blatt
von nickelbeschichteten Kohlefaserpapier in eine Lackmatrix eingebettet.
Das Nickel auf dem Kohlenstoff in dem Lack oder dem Anstrich bildet
viele Leitwege überall
durch die Lackschicht. Durch die so erreichbare hohe Leitfähigkeit
soll die Energie des Blitzes schnell über eine große Fläche verteilt
werden können.
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Und
in der eingangs erwähnten
US 4 155 896 A werden
verschiedene organische Lacke und Anstriche für Flugzeugbauteile aus Metallen,
z. B. Aluminium, oder Nichtmetallen, z. B. Fiberglassubstraten,
vorgeschlagen. Dabei werden in einer dielektrischen Deckschicht
aus Polyurethan leitfähige
Fasern, beispielsweise aus Aluminium oder Nickel, in einer Orientierung
vertikal zur Oberfläche
der Deckschicht eingebracht, um diese Deckschicht in Dickenrichtung
elektrisch leitfähig
zu machen. Die Deckschicht ist auf einer weiteren elektrisch leitfähigen Schicht
aufgebracht, die ebenfalls aus einer Schicht mit einer dielektrischen
Matrix besteht, in die elektrisch leitfähige Fasern in ungeordneter
Orientierung so eingebracht sind, dass die Schicht elektrisch leitfähig ist.
Es werden die erhöhte
elektrische Leitfähigkeit
der Deckschichten und die daraus resultierende Fähigkeit, elektrostatische Aufladungen
zu verteilen und für
einen Blitzschutz zu sorgen, hervorgehoben.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin,
einen leichtgewichtigeren Blitzschutz für Bauteile, insbesondere Kunststoff-Bauteile
(z. B. CFK-Strukturen), zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Schichtsystem mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst,
sowie durch ein entsprechend beschichtetes Bauteil wie es in Anspruch
18 angegeben ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung schlägt
somit ein Schichtsystem zum Blitzschutz von Bauteilen vor, welches
eine äußere Deckschicht
aufweist, die zum Schutz gegen Umwelteinflüsse geeignet ist.
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Wenn
man nur einen üblichen
dielektrischen Lack zum Schutz gegen Umwelteinflüsse verwendet, findet bedingt
durch die physikalischen Eigenschaften solcher konventioneller Lacksysteme
bei einem Blitzeinschlag eine Konzentration bzw. eine Einschnürung des
Plasmakanals am Fußpunkt
statt. Außerdem
behindert der Lack ein gleichförmiges
Gleiten des Fußpunktes
des Blitzkanals über
die Flugzeugoberfläche.
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Eine
etwas bessere Lösung
bietet die oben erwähnte
Lösung
nach der
EP 0 629 549
A2 an, die diese obere Deckschicht durch nickelbeschichtete Fasern
in alle Richtungen derart leitfähig
macht, dass die Energie eines Blitzeinschlages schnell weggeleitet
wird.
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Im
Gegensatz hierzu schlägt
die Erfindung vor, die obere Deckschicht mit polarisierbaren ersten Partikeln
zu versetzen. Das heißt,
diese ersten Partikel sind elektrisch leitfähig, und sie sind länglich bzw. weisen
eine gestreckte Form auf.
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Hat
man in der oberen Lackschicht diese polarisierbaren ersten Partikel,
dann werden sie im Bereich eines Plasmakanals eines einschlagenden
Blitzes polarisiert. Es ergibt sich hierdurch ein erhöhtes elektrisches
Feld an den vielen Partikelpunkten. Durch die Erhöhung des
elektrischen Feldes an vielen unterschiedlichen Punkten ergeben
sich eine Vielzahl von Ionisationskanälen. Die Energie des dann einschlagenden
Blitzes wird über
eine Vielzahl von Ionisationskanälen – Streamer – eingeleitet.
Der Blitzeinschlag erfolgt demnach nicht mehr an einer einzelnen
Stelle, sondern verteilt über
eine große Fläche. Die
polarisierbaren ersten Partikel wirken somit wie Zündelemente
zur breiten Ausbildung von vielen Streamern.
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Die
Erfinder haben herausgefunden, dass nicht die gute Leitfähigkeit
der oberen Lackschicht entscheidend ist, sondern die hohe Polarisierbarkeit der
eingesetzten ersten Partikel.
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Als
wesentlicher Bestandteil eines vollständigen Blitzschutzsystems wird
durch die Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen demnach
eine äußere Lackschicht
vorgeschlagen, die gut polarisierbare Materialien in länglicher
Gestalt aufweist. Die ersten Partikel sind bevorzugt in zylindrischer oder
gestreckter ellipsoider Form ausgebildet. Vorzugsweise handelt es
sich um Partikel im Mikrometer-Bereich,
insbesondere aus Kohlenstoff oder Metall (z. B. Nickel). Je länger die
Partikel sind, um so größer ist
ihre Polarisierbarkeit. Ihre Länge
wird jedoch bei idealer Orientierung durch die Dicke der Lackschicht
begrenzt, die typischerweise eine Dicke im Mikrometer-Bereich aufweist
und üblicherweise kleiner
150 μm ist.
Prin zipiell ist es auch möglich,
mit kleineren Primärteilchen
zu arbeiten, sofern diese sich zu Ketten ausbilden und dadurch Agglomerate bilden,
die sich effektiv wie die beschriebenen ersten Partikel verhalten.
Dabei wird eine Ausrichtung der ersten Partikel vorgeschlagen, bei
der die Richtung größerer Ausdehnung
möglichst
wenig parallel zur Oberfläche
des Verbundes orientiert ist. Die Füllgrade oder Konzentrationen
der ersten Partikel bewegen sich in der äußeren Deckschicht erfindungsgemäß unterhalb
der Perkolationsgrenze. Es ist also gar nicht das Ziel, eine erhöhte Leitfähigkeit
zu erreichen; vielmehr soll eine Vielzahl von Einzelpartikeln vorgesehen
sein, die jeweils polarisierbar sind. Die Enden sehr kleiner, länglicher,
etwa senkrecht zur Oberfläche
gerichteter polarisierbarer Partikel wirken wie spitze Nadeln im
elektrischen Feld. An der Spitze ergibt sich eine hohe Feldkonzentration,
so dass Ionisationskanäle „gezündet" werden.
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Vorzugsweise
wird die äußere Deckschicht der
beschriebenen Art ergänzt
um einen Lackunterbau, der eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit
aufweist. Eine elektrisch leitfähige
Beschichtung zum Bilden dieses Lackunterbaus lässt sich auf verschiedene Weisen
ausbilden. Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrisch leitfähige Schicht
durch einen elektrisch leitfähigen
Kunststoff gebildet. Hierzu werden in einer Matrix elektrisch leitfähige, insbesondere
metallische zweite Partikel in einer hohen Konzentration eingebracht.
Diese elektrisch leitfähigen
zweiten Partikel werden mit einem Füllgrad oberhalb der Perkolationsgrenze
eingebracht. Die zweiten Partikel haben im Gegensatz zu den ersten
Partikeln vorzugsweise keine zylindrische Gestalt und insbesondere
eine variable Größe, um so
einen möglichst
hohen Füllgrad oder
eine möglichst
hohe Konzentration zu erzielen. Die zweiten Partikel können eine
sphärische
oder besonders bevorzugt eine flockenförmige (d. h. flächige) Gestalt
aufweisen.
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Alternativ
kann die elektrisch leitfähige Schicht
durch eine Metallisierung gebildet werden, die zum Beispiel mittels
Beschichtungstechnologie (z. B. Galvanik, CVD- Verfahren etc.) aufgebracht wird. Daneben
kann die Metallisierung auch unter Verwendung von Drahtgeweben oder
elektrisch leitenden Folien erzeugt werden. Optional kann der Lackunterbau
durch eine dünne,
nicht leitfähige,
dielektrische Schicht von dem vor Blitzeinschlag zu schützenden
Bauteil getrennt werden. Diese dielektrische Schicht behindert ein
Eindringen des Stromflusses in das Bauteil.
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Anstelle
der leitfähigen
Schicht (Lackunterbau oder Metallisierung) können z. B. dünne leitfähige Drähte in CFK-Lagen
des Bauteils eingelegt oder eingewebt werden, die neben ihrer Schutzwirkung gegen
thermische Schädigung
gleichzeitig mechanische Funktionen wahrnehmen können. Die dielektrische Schicht,
die ein Eindringen des Stromflusses in das Bauteil behindert, ist
auch bei dieser Ausführungsvariante
entbehrlich.
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Die
polarisierbaren ersten Partikel in der äußeren Lackschicht bewirken
eine großflächigere
Bildung von Streamern, die sich mit dem nähernden Leitblitz verbinden
können.
Dadurch wird der Blitzkanal im Bereich seines Fußpunktes nicht wie bei einem
konventionellen Lack eingeschnürt,
sondern aufgeweitet. Diese Aufweitung bewirkt ihrerseits eine Verteilung
des Stromflusses und des Wärmeeintrags auf
eine größere Fläche mit
dem Resultat einer reduzierten thermischen Belastung des Bauteils
im Bereich des Fußpunktes.
Der beschriebene Effekt erlaubt es, die metallische Beschichtung,
die den Strom und die Wärme
flächig
verteilen muss, dünner
als konventionell zu gestalten. Dadurch wird zunächst ein Teil jenes Gewichts
gespart, das allein für
den Blitzschutz erforderlich wäre.
Wegen des geringeren Flächengewichtes
an hochleitfähigem
Material, das zur Verteilung der Energie benötigt wird, kommen darüber hinaus
andere Techniken in Betracht, die metallischen Bestandteile in den
Verbund einzubringen. Daraus ergeben sich verfahrenstechnische Vorteile
gegenüber
der bisherigen Technik des Einlaminierens von metallischen Netzstrukturen.
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Die
polarisierbaren ersten Partikel reduzieren die dielektrische Festigkeit
des Lackes. Die Ladungsträger
sind eher in der Lage, den Lack zu durchdringen. Der Kanal kann
sich unbehinderter als bei einer dielektrischen Lackschicht mit
hoher dielektrischer Festigkeit über
die Oberfläche
bewegen. Die Verweildauer des Blitzkanals an einem festen Punkt der
Oberfläche
wird auf diese Weise vermindert. Auch dieser Effekt erlaubt es,
die Dicken der schützenden
Metallschichten in den entsprechenden Blitzschutzzonen zu verringern.
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Die
Erfindung bietet insbesondere Vorteile beim Blitzschutz von Kunststoff-Bauteilen, die beispielsweise
aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen, insbesondere (kohlenstoff)faserverstärkten Kunststoffen,
bestehen oder derartige Komponenten bzw. Strukturen umfassen.
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Daneben
kann die Erfindung selbstverständlich
auch bei metallischen Bauteilen, Bauteilen aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen
oder Bauteilen die derartige oder sonstige metallische Komponenten enthalten,
eingesetzt werden.
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Die
Erfindung ist vorwiegend für
eine Anwendung in der Luftfahrtechnik (z. B. für Strukturbauteile in Flugzeugen
oder Hubschraubern) konzipiert; sie kann natürlich auch in der Raumfahrt-
oder Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden, um nur einige der vielen
möglichen
Anwendungsbereiche zu nennen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Situation kurz vor Einschlag des Hauptblitzes
in eine erfindungsgemäße Schichtstruktur
zum Schutz eines Bauteils;
-
2a die Situation von 1 bei
einem lackierten Bauteil nach dem Stand der Technik;
-
2b die Situation von 1 bei
einem unlackierten Bauteil nach dem Stand der Technik;
-
3 eine
schematische Darstellung der Deformation des Blitzkanals und der
resultierenden Wiederberührung
(engl. „reattachement") bei einem Flugzeug
im Flug nach dem Stand der Technik;
-
4 einen
Schnitt durch eine erste Ausführungsform
eines Schichtsystems zum Blitzschutz eines Bauteils mit CFK-Struktur;
-
5 das
Detail V von 4;
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6 eine
Schnittansicht eines zweiten Schichtsystems zum Blitzschutz eines
Bauteils mit CFK-Struktur; und
-
7 eine
Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform eines Schichtsystems
zum Blitzschutz eines Bauteils mit CFK-Struktur.
-
Nachstehend
wird die Erfindung beispielhaft an Hand von CFK-Strukturen oder
Bauteilen, die zumindest teilweise derartige CFK-Strukturen oder
-Lagen aufweisen, beschrieben, ohne dass die Erfindung jedoch, wie
voranstehend erläutert,
darauf beschränkt
sein soll.
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Im
Stand der Technik werden CFK-Strukturen beispielsweise durch das
Aufbringen einer gedehnten Metallfolie oder eines Drahtgewebes auf
die äußerste CFK-Lage gegen Blitz
geschützt.
Die Dicke der gedehnten Metallfolie beträgt ca. 0,05 bis 0,1 mm. Als
Metalle werden hierzu z. B. Aluminium oder Kupfer verwendet. Bei
einem Drahtgewebe werden Drähte
mit einem Durchmesser von 0,5 bis 0,1 mm und einer Dichte von 40
bis 80 Drähten
pro Zentimeter auf die äußerste CFK-Lage
aufgebracht oder darin einlaminiert. Eine weitere Methode beinhaltet,
metallisch beschichtete Fasern in die äußerste CFK-Schicht einzubetten.
Weiter wurden auch schon eingewebte Drähte mit einem Durchmesser von
0,08 bis 0,12 mm und einer Dichte von 3 bis 9 Drähten pro Zentimeters in die äußerste Lage
eingewebt. Oder es gibt sonstige metallische Beschichtungen der äußersten
CFK-Struktur. Eine solche ist in 2b gezeigt;
die äußerste CFK-Schicht
ist durch die vorgenannten Maßnahmen
leitfähig
gemacht worden oder außen
auf den CFK-Verbund wird eine leitfähige Beschichtung aufgebracht. 2b zeigt eine CFK-Struktur 10 mit
einer elektrisch leitfähigen,
einer ungeschützten
bzw. nicht lackierten CFK-Schicht 12. Bei
einem Blitzschlag wird zunächst
ein Plasmakanal 14 ausgebildet. Wegen der Ladungsträger im Plasmakanal 14 gibt
es nahe der CFK-Schicht 12 ein elektrisches Feld. Die sich
dort befindliche Luft wird ionisiert, so dass sich Ionisationskanäle, sogenannte Streamer 16,
ausbilden. Der darauf erfolgende Blitzeinschlag erfolgt auf einer
großen
Fläche.
Jedoch muss die CFK-Struktur 10 gegen Umwelteinflüsse geschützt werden.
In dem Stand der Technik wird hierzu ein dielektischer Lack 18 verwendet,
wie in 2a dargestellt. Durch das Dielektrikum
wird die Bildung von Streamern behindert und damit der Blitzkanal
im Bereich des Fußpunktes 22 eingeschnürt; der
Blitzeinschlag erfolgt sehr konzentriert, siehe 2a.
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3 zeigt
die Situation an Hand des Beispiels eines fliegenden Flugzeuges.
Die Wurzel 22 oder der Fußpunkt des Blitzkanals 20 wird
durch die Flugzeugbewegung 24 mitgezogen. Der übliche dielektrische
Lack 18 verhindert, dass die Wurzel 22 kontinuierlich über die
Flugzeugoberfläche 26 gleitet, so
dass sich der Blitz sukzessive neue Einschlagspunkte sucht, wie
bei 28 angedeutet. Aufgrund der dielektrischen Festigkeit
des Lacks 18 erhöht
sich somit die Verweildauer des Blit zes in den jeweiligen Berührungspunkten
an der Flugzeugoberfläche 26.
Als Konsequenz gibt es eine erhöhte
Temperaturbelastung und Schädigung
der Flugzeugoberfläche 26,
die die Schutzwirkungen der bekannten Blitzschutzsysteme für CFK-Strukturen
nachteilig beeinträchtigen.
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1 zeigt
dagegen die Situation kurz vor Ausbildung des Blitzkanals bei einem
Blitzeinschlag in ein Bauteil 30 mit einem erfindungsgemäßen Schichtsystem 32.
Das Bauteil 30 weist bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
eine CFK-Schicht 12 auf;
es kann aber auch insgesamt in CFK-Bauweise gefertigt sein (siehe
z. B. Stand der Technik gemäß 2 und 3).
Das erfindungsgemäße Schichtsystem 32 kann
aber auch grundsätzlich
bei metallischen Bauteilen verwendet werden.
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Das
Schichtsystem 32 umfasst eine äußere Deckschicht in Form einer
Lackschicht 34, die polarisierbare erste Partikel 36 in
einer relativ geringen Konzentration aufweisen. Dadurch wird praktisch
ein Lack mit „Zündelementen" geschaffen. Die
ersten Partikel 36 der Lackschicht 34 sind gut
leitfähige
Füllstoffteilchen
mit einer hohen Polarisierbarkeit. Als Material für die ersten
Partikel 36 dient Metall oder Kohlenstoff, insbesondere
Kohlenstoff-Kurzfasern. Die Form der ersten Partikel 36 ist
langgestreckt, insbesondere in Form von gestreckten Ellipsoiden
bzw. von Zylindern. Der Füllgrad
ist tendenziell unterhalb der Perkolationsgrenze. Die polarisierbaren
langgestreckten ersten Partikel 36 sind bevorzugt senkrecht zu
der Oberfläche 26 ausgerichtet.
Die Länge
der polarisierbaren Partikel ist durch die Dicke der Lackschicht 34 begrenzt.
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Wie 1 verdeutlicht,
wirken die polarisierbaren ersten Partikel 36 als Zündelemente.
Die ersten Partikel 36 werden bei Annäherung des Plasmakanals 14 polarisiert,
so dass sich in ihrer Nähe
und insbesondere an deren Spitzen ein sehr hohes elektrisches Feld
ausbildet. Dadurch werden eine Vielzahl von Ionisationska nälen – Streamern 16 – gebildet,
so dass der Fußpunkt
oder die Wurzel des sich dann ausbildenden Blitzkanals wesentlich
verbreitert wird. Dies ergibt eine Reduktion der spezifischen thermischen
Belastung.
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Ein
weiterer Effekt der polarisierbaren ersten Partikel 36,
die auch gut leitfähig
sind, ist die Reduktion der dielektrischen Festigkeit. Dadurch ergibt
sich auch eine geringere Verweildauer der Wurzel des sich ausbildenden
Blitzkanals in den jeweiligen Berührungspunkten an der Flugzeugoberfläche 26 und damit
eine geringere Blitzbelastung.
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In
den 4 bis 7 sind bevorzugte Aufbauten
des Schichtsystems 32 detaillierter dargestellt.
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Die
Lackschicht 34 mit den polarisierbaren ersten Partikeln 36 ist
in der Regel kein vollwertiger Blitzschutz. Zusätzliche Metallbeschichtungen
oder sonstige elektrisch leitfähige
Beschichtungen sind zum Schutz des Bauteils weiterhin erforderlich.
Allerdings ergibt sich in jedem Fall durch die vorgeschlagene Lackschicht 34 eine
Reduktion der Gewichtsbelastung. Es können elektrisch leitfähige Schichten
mit geringeren Dicken als im Stand der Technik eingesetzt werden,
so dass auch einfachere Verfahren für Beschichtungen eingesetzt
werden können.
Es kann gegebenenfalls die Anbringung eines Metall-Lackes (sogenannter „Lackunterbau") ausreichen.
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4 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel. Als
Beispiel für
das Bauteil 30 ist eine Wabenstruktur 40 mit einer
kohlenstofffaserverstärkten
Abdeckplatte 42, die eine CFK-Schicht 12 bildet,
vorgesehen. Auf der Abdeckplatte 42 ist eine dielektrische
Schicht 46 mit dünner
Dicke aufgetragen. Auf der dielektrischen Schicht 46 befindet
sich eine elektrisch leitfähige
Beschichtung in Form eines elektrisch leitfähigen Kunststoffes 44.
Auf dem elektrisch leitenden Kunststoff 44 befindet sich
die Lackschicht 34 mit den polarisierten ersten Partikeln 36.
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Wie
man am besten aus dem Detail von 5 erkennen
kann, sind die polarisierbaren ersten Partikel 36 in der
Lackschicht 34 im Durchschnitt mehr senkrecht als parallel
zu der Oberfläche 26 ausgerichtet.
Dies kann man beispielsweise durch das Anlegen eines elektrischen
Feldes während
der Lack noch flüssig
ist und bis zum Aushärten
des Lackes erreichen.
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Der
elektrisch leitfähige
Kunststoff 44 ist mit einer hohen Konzentration von elektrisch
leitfähigen zweiten
Partikeln 48 mit unterschiedlichen Größen beladen. Die Konzentration
dieser zweiten Partikel 48 liegt oberhalb der Perkolationsgrenze,
so dass sich innerhalb des elektrisch leitfähigen Kunststoffes 44 über die
elektrisch leitfähigen
Partikel 48 Leitungskanäle
in alle Richtungen ausbilden. Die Kunststoffschicht 44 ist
bei der Ausführungsform
gemäß 5 auf
einer dielektrischen Schicht 46 aufgetragen. Diese dielektrische
Schicht 46 ist jedoch optional. Im Gegensatz zu den ersten
Partikeln 36 sind die metallischen zweiten Partikel 48 nicht
zylindrisch, sondern weisen typischerweise eine sphärische oder
flächige, flockenförmige Gestalt
auf.
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6 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
Schichtsystems 32, das im wesentlichen der in 4 und 5 dargestellten
ersten Ausführungsform
mit dem Unterschied entspricht, dass der elektrisch leitfähige Kunststoff 44 durch
eine Metallisierung – Metallschicht 50 – ersetzt
ist. Die Metallschicht 50 kann z. B. durch ein galvanisches
Verfahren auf die dielektrische Schicht 46, die auf der
Abdeckplatte 42 aufgebracht ist, aufgetragen werden. Die
Metallschicht 50 kann aber auch unter Verwendung eines Drahtgewebes
oder geeigneter Metallfolien gebildet werden. Auch hier ist die
dielektrische Schicht 46 wiederum optional.
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Bei
der in 7 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung sind
in die obere Lage der Abdeckplatte 42 dünne Metalldrähte 52 eingewebt.
Unmittelbar auf dieser mit Metalldrähten 52 verstärkten CFK-Lage 42 ist
dann die Lackschicht 34 aufgebracht. Auf die dielektrische
Schicht 46 kann auch bei dieser Ausführungsform verzichtet werden.
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In
Versuchen wurden vollständig
aus Nickel gebildete, sogenannte Nanofasern (I ~ 50 μm, d ~ 1 μm) in der äußersten
Harzschichten eingebracht. Blitzeinschlagversuche ergaben bedeutend
bessere Ergebnisse als Vergleichsversuche, bei denen die äußerste Harzlage
keine Nickel-Nanofasern enthielt. Auch waren die Ergebnisse mit
sehr geringem Füllgrad
der Nickel-Nanofasern zu erreichen. Demnach ist nicht die Erhöhung der
Leitfähigkeit,
sondern die Verbreiterung des Fußpunktes entscheidend und damit
die Polarisierbarkeit der Partikel.
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- 10
- CFK-Struktur
- 12
- CFK-Schicht
- 14
- Plasmakanal
- 16
- Streamer
- 18
- dielektrischer
Lack (Stand der Technik)
- 20
- Blitzkanal
- 22
- Wurzel
oder Fußpunkt
des Blitzkanals
- 24
- Flugzeugbewegung
- 26
- Flugzeugoberfläche
- 28
- Wiederberührung (engl. „reattachement") des Blitzkanals
- 30
- Bauteil
- 32
- Schichtsystem
- 34
- Lackschicht
- 36
- erste
Partikel
- 40
- Wabenstruktur
- 42
- kohlenstofffaserverstärkte Abdeckplatte
- 44
- elektrisch
leitfähiger
Kunststoff
- 46
- dielektrische
Schicht
- 48
- zweite
Partikel
- 50
- Metallschicht
(Metallfolie, Drahtgewebe etc.)
- 52
- Metalldrähte