DE3144653A1 - Faden-verbundkonstruktionen, die blitzschlag- und elektromagnetischen schutz bieten - Google Patents
Faden-verbundkonstruktionen, die blitzschlag- und elektromagnetischen schutz bietenInfo
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Description
Faden-Verbunakonstruktionen, die Blitzschlag-
und elektromagnetischen Schutz bieten
Beschrei bung 5
I)Ie vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laminatkonstruktionen
und im besonderen auf solche Konstruktionen, die aus Lagen von Faden-Verbundraaterialien
hergestellt sind.
Faserverstärkte Verbandmaterialien,wie beispielsweise
aus Fäden gewebte oder geflochtene Laminate,ersetzen
aufgrund ihrer ausgezeichneten Struktur-Eigenschaften und niedrigen Herstellungskosten ivtetallmaterialien in
vielen Bereichen,wie der Luftfahrt-Anwendung beispiels-
!5 weise. In der Luftfahrt eingesetzte, aus Glas-Verbundmaterialien
hergestellte Fäden reduzieren beträchtlich das Gewicht von Bauteilen in Fahrzeugen mit überwiegend
metallischen Materialien, öolche leichten Veroundmaterialien
bieten beispielsweise Flugzeugkonstrukteuren solche Vorteile, und ihre Verwendung wird sich mit
steigendem Vertrauen in ihre Zuverlässigkeit erheblich ausweiten. Jedoch sind Probleme mit solchen Verbundmaterialien
infolge ihrer Anfälligkeit gegenüber 31itzschlag-öchäden, elektromagnetischer Interferenz und dgl.
verbunden. Infolgedessen oesteht eine Notwendigkeit,
fadenverstärkte Verbundmaterialien bereitzustellen, die • Blitzschlägen standhalten oder innere Bauteile gegenüber
elektromagnetischer Interferenz abschirmen können.
■ Die Leitfähigkeit einiger Verbundmaterialien,wie beispielsweise
Graphit,ist in gewissen Anwendungsbereichen mit geringen Anforderungen ausreichend, jedoch genügt
im allgemeinen die Leitfähigkeit solcher Materialien nicht, Blitzschlag-ochäden auszuschalten oder gegen
starke elektromagnetische Interferenz abzuschirmen.
3U4653
Versuche wurden durchgeführt, um faden verstärkte Verbundmaterialien
mit der elektrischen Leitfähigkeit bereitzustellen, die in gegenwärtig für Bauteile in der
Luftfahrtindustrie beispielsweise verwendeten Metall-5
materialien vorherrschend zu finden ist. Beispielsweise ■
verwenden einige Verfahren zur Erzielung einer leitfähigen Oberfläche das Auftragen einer Farbe auf Metallbasis
auf die Überfläche, das Verbinden" von Metallfolien mit der Oberfläche, das Flammenspritzen von metallischen
Auflagen, die Verwendung von Lagen aus Metalldrahtgeflecht
und den Einbau von Metallstreifen oder· -stiften
in das .dauteil. All diese Versuche, eine Verbundkonstruktion
mit einem leitfähigen Medium zu versehen, verlangen jedoch sekundäre oder zusätzliche Arbeitsgänge,
die höhere Kosten der betreffenden Konstruktion
verursachen.
Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Probleme lösen und dem 3edürfnis nach einem leitfähigen
Medium in Veroundkonstruktionen abhelfen, um eine
Konstruktion vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz und dgl. zu schützen.
Im allgemeinen bezieht sich die vorliegende Erfindung
25
auf eine Verbundkonstruktion,wie beispielsweise ein
Bauteil in einem Luftfahrzeug, das aus nichtmetallischen Faden-Laminaten hergestellt ist, wobei zur Erzeugung
eines !leitfähigen Mediums bestimmte Fäden mit einem
leitfähigen Metall ,wie Aluminium oeispielsweise,
30
umhüllt werden. Die umhüllten Fäden werden mit.
dem Resultat verbesserter ötruktur-Eigenschaften und
niedrigerer Kosten.mit Harz vermischt und zusammen mit der gesamten Konstruktion gehärtet.
Im einzelnen Dezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Laminat-Konstruktion wie beispielsweise.ein Bauteil
eines Luftfahrzeuges oder ähnlichen, das aus Lagen von
Faden-Verbundmaterialien hergestellt ist. Die äuiere Überflächenlage des Faden-Verbundmaterials ist aus mit
leitfähigem Metall umhüllten Fäden zum Schutz vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz
und dgl. hergea bellt. Die uuUeru üburfliichimyc-hicht
der umhüllten Fäden dient als leitfähige Barriere zur Dispersion des vom Blitz oder von anderen elektromagnetischen
Quellen hervorgerufenen Stromes.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Fäden aus einem Verbundmaterial wie Glas,
Kevlar ader ähnlichem hergestellt, und die Fäden sind Ίc mit einem Aluminium-Material umhüllt. Es ist vor-
gesehen, die Laminat-Konstruktion aus Fäden zu flechten, wobei ihre äuJere Überflächenlage aus mit leitfähigern
Metall umhüllten Fäden geflochten wird. Die Laminat-Konstruktion und die äußere Überflächenlage können auch
2Q in Form eines Geweües hergeatel.lt yein. Eine groiie Anoranungs
-Vielfalt des Faden- oder Faseranteils ist für die: Laminat-Konstruktion vorgesehen, wo Dei ihre riuiere
überflächenlage aus den mit leitfähigem Metall umhüllten
Fäden hergestellt ist. Die gesamte Verouna·=-
konstruktion einschließlich der äußeren überflächenlage
aus umhüllten Fäden kann mit Epoxy-Harz vermischt oder imprägniert und die gesamte Laminat-Konstruktion
gleichzeitig gehärtet werden. Dies vermeidet sekundäre oder zusätzliche Arbeitsgänge, die bei
früheren Versuchen zur Bereitstellung eines leitfähigen Mediums in einer Faden-Verbundkonstruktion angefallen
sind.
Andere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in der folgenden detaillierten !3et>chreibung mit Bezugnähme
auf die beigefügte Zeichnung dargestellt.
Die Merkmale dieser als neu angesehenen Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen mit Genauigkeit
dargestellt. Die Erfindung, ihre Ziele und Vorteile tonnen am besten verstanden wer den durch Bezugnahme
auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in welcher gleiche Bezugszeichen
für gleiche Bestandteile stehen-.
Ss zeigen
10
10
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeuges»
zwischen dessen Flügeln die 3ahn eines eingeschlagenen Blitzes dargestellt ist,
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht einer Flügelspitze
*5 des in Fig. 1 gezeigten Flugzeuges mit einem Teilausschnitt zur Darstellung seiner inneren
Bestandteile,
Fig. t> einen vergrößerten Abschnitt der in Fig. 2
gezeigten Flügelkonstruktion zur Darstellung
ihrer laminierten oaer geschichteten Konstruktion,
Fig. 4 ejne Vergrößerung der äußeren Oberflächenlage der in
Fig. t> gezeigten Laminat-Konsxruktion zur
Darstellung ihrer Gewebeanordnung, Fig. 5 eine Vergrößerung aer Gewebeanordnung von Fig.
mit einer Vielzahl von umhüllten Fäden in Übereinstimmung mit der vorliegenden"Erfindung,
Fig. 6J£ ein Teilstück eines mit einem metallischen Ma teao
rial völlig umhüllten Einzelfadens und
Fig. 6B ein Teilstück eines Einzelfadens, aer zur Hälfte mit einem metallischen Material umhüllt ist.
Fig. 1 zeigt ein Luftfahrzeug in der Form eines Flugzeuges
1o. Das Flugzeug 1o weist einen Rumpf 12, ein
Paar von Flügeln 14-A untt 14B una eine Heckflosse 16
auf. Eines aer Probleme, auf dessen Lösung sich die
31U653
vorliegende Erfindung bezieht, ist der Schutz vor Blitzschlag-Schaden
an Bauteilen»wie beispielsweise solchen des Flugzeuges 1o. Im Punkte 18 schlägt ein Blitz in
die Spitze des Flügels 14A ein. rfie durch die pfeile 2o
angezeigt, verteilt sich der von dem Blitz erzeugte Strom über den Flügel 14A sowie den Rumpf 12 und.den
gegenüberliegenden Flügel 14B und wird im Punkte 22 in die Atmosphäre aogeleitet.
Es versteht sich, dai3 die vorliegende Erfindung, insbesondere
bezüglich der Fig. 1, hier lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung zur Verwendung für Bauteile
eines Luftfahrzeuges,wie beispielsweise eines Flugzeuges 1o,aargestellt wird. Die vorliegende Erfindung hat ein
weites Anwendungsoereich auf zahllosen Gebieten der
15
Verwendung von Bauteilen, wo leitfähige Barrieren in
Faden-Verbundkonatruktionen erforderlich sind. Obwohl
: sie nicht darauf beschränkt ist, schlieft sie den Schutz vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz
una ähnlichem ein.
20
20
In Fig. 2 ist die Spitze des Flügels 14B mit einem Teilausschnitt 24 dargestellt, um zu zeigen, dai3 der Flügel
bestimmte innere Bestandteile 2b enthält. Natürlich trifft dies auch auf den Rumpf 12 zu, und es ist wichtjg,
die inneren Bestandteile in vielfältigen Anwendungs-25
bereichen vor elektromagnetischer Interferenz oeispielsweise
zu schützen. Der Flügel 14B kann in verschiedenen Anordnungen der Lagen aus Faden-Verbundinaterial hergestellt
werden, wie beispielsweise als gewebte Anord-
nungen oder als aus Fäden geflochtene Anordnungen, wobei 30
die letzteren spiralige oder ringförmige Fadenwindungen aufweisen. Solche aus Fäaen geflochtene Verbund-Konstruktionen
sind ohne weiteres für den Rumpf eines Flugzeuges oder als Flügelbestandteile verwendbar. Aus Fäden
_ geflochtene Konstruktionen haben eine weite Aufnahme in
den Raketen-Technologien gefunden.
31U653
Pig. ΐ>. zeigt einen vom flügel 14B,.aus dem Teilausschnitt
24 beispielsweise,abgetrennten Abschnitt 14B1. Dieser
Abschnitt 14B1 zeigt, aai3 die Laminat-Konstruktion
aes Bauteiles aus einer Vielzahl von Lagen 28A-28D von 5
Faden-Verbundinaterial hergestellt ist. Jede Lage kann
in sehr verschiedenartigen Faden-Anordnungen, wie beispielsweise gewebten oder geflochtenen Anordnungen ,
hergestellt sein. Me Fäden jeaer Lage 28A-28D sind mit
Epoxy-Harz vermischt und/oder imprägniert. Sobald aie gesamte Verbund-Konstruktion bis zur gewünsch
ten Dicke entweder aus Fäden geflochten oder aufgebaut ist., wird die gesamte Konstruktion in bekannter ffeise
gehärtet. Das Resultat besteht in. einem leichten Bauteil
Λ _ mit verbesserten otruktur-Eigenschaften und wesentlich
niedrigeren Kosten als gegenwärtig verwendete "Metall—
konstruktionen.
Fig. 4 zeigt eine einzelne Lage aus Faden-Verbundmaterial,
wie aie äußere überfiächenlage 28A beispielsweit.e,
on aie aus einer Gewebe-Lage einschließlich einer Vielzahl
■ von Bändern oder Anordnungen ;>o von individuellen- Fäden
besteht.
In Fig. 5 wird gezeigt, da<3 jedes in der äußeren Oberflächenlage
enthaltenes Band oder Anordnung $o indivi-
2g duelle Fäden umfasst. In Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist jeder Faden luit einem leitfähigen
Metallmaterial umhüllt, um eine zusammengesetzte leitfähige Barriere zur Verteilung von dtrömen
infolge von Blitzen oaer anaeren elektromagnetischen
QQ Quellen zu bilden und aabei vor Blitzschlag-dchäaen,
elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem zu.· schützen. Im einzelnen betracntet, ist jeder Faden aus
einem Verbundmaterial Oder Ader j52 aus Glas, Kevlar
oder ähnlichem Material hergestellt. Die Ader >2 ist
iuit einer metallischen Umhüllung 34 aus Aluminium oder
ähnlichem umhüllt. In dieser v/eise stellt die
3U4653
gesamte äußere Oberflächenlage 28a des Verbund-ßauteiles,
wie der Plügel 14B beispielsweise, eine leitfähige Barriere zur.Verteilung des von Blitzen oder elektromagnetischen.
Quellen erzeugten Stromes dar. Dies ist durch die mit Bezug auf Pig. 1 beschriebene 3litz-Verteilung
gezeigt. Die äußere Oberflächenlage 2öA ist
wie in Pig. 5 dargestellt zusammen mit ae'r Gesamtdicke
der Verbund-Konstruktion mit Epoxy-Harz ^b vermischt
oder imprägniert, öomit sind durch Ausbildung aer
10
resultierenden Barriere als ein integraler Bestandteil der VerDuna-Konstruktion und durch Aushärtung dieser
äußeren Lage oaer leitfähigen Oberfläche gleichzeitig mit der gesamten Konstruktion sämtliche zusätzlichen
oder sekundären Arbeitsgänge, die bisher oei der Erzeu-15
gung eines leitfähigen Mediums in Verbundkonstruktionen
erforderlich waren, ausgeschaltet. »Sollte der Rumpf 12 des Plugzeuges 1ο in ähnlicher ;7eise "wie aer mit iiezug
auf die Pig. d-b beschrieoene Plügel 143 hergestellt
sein, so wird dadurcn eine Barriere gegenüber elektromagnetischer Interferenz init den empfinalichen Instrumenten
innerhalb aes Rumpfes oder im Cockpit erzeugt.
"Fig. 6A una b3 zeigen vergrößerte Abschnitte eines
metall umhüllten Einzelfadens mit verschiedenen 25
Ausbildungen der Umhüllung. Im einzelnen betrachtet,
zeigt Fig. 6A einen Abschnitt eines Einzeli'adens, der
die zusammengesetzte Ader 52 aus Glas, Keylar oder
ähnlichem Material aufweist und der vollständig mit ar. einer Umhüllung 24 aus Aluminium oder anderem
leitfähigen metallischen Material umhüllt ist. Pig. bB zeigt mit dem Bezugszeichen ^4A, daß die Ader
t>2 zur Hälfte mit Aluminium ouer anderem leitfähigen
metallischen Material umhüllt ist.
31U653
Die vorliegende Erfindung wurde geprüft und hat sich
in nachgestellten Blitzschlag-Prüfungen als wirkungsvoll herausgestellt. Im einzelnen betrachtet, treten
Blitze in zwei grundsätzlich verschiedenen Formen auf: zum einen als vVolke-zum-Erdboden-Slitz und zum anderen
als Wolke-zu-tfolke-Blitz. Aufgrund der Schwierigkeit
des Auffangens und des Messens-"von Wolke-zu-v/o lke-Blitzen
oeziehen sich die meisten vorhandenen statistischen Daten der Blitz-Charakteristiken auf Wolke-zum-Erdboden-Blitze.
Da den tfolke-zu-v/olke-Blitz en die
hohen dpitzenströme der tfolke-zum-Erdooden-Blitze
fehlen, stellt die Verwendung der Charakteristiken der tfolke-zum-Erdboden-Blitze tatsächlich ein konservatives
Meiikriterium dar. Blitzentladungen können auch von entweder einem positiven oder einem negativen
Entladungszentrum in einer i/olke ausgehen. Eine negative
Entladung ist durch mehrere zeitweilig aussetzende Blitzschläge una kontinuierliche otröme cnarakterisiert.
üas Merkmal positiver Entladungen, die nur zu einem
geringen Prozentsatz auftreten,ist ein einzelner Blitzschlag
und.kontinuierlich abnehmende dtröme. Laminat-Konstruktionen
aus Lagen von Faden-Verbundmaterial, wobei die äußere Oberflächenlage des Faden-Verbundmaterials
gemäi aer vorliegenden Erfindung aus mit leitfähigem
Metall umhüllten Fäden hergestellt ist, haben sich als ziemlich wirkungsvoll bezüglich der Verteilung
der nachgestellten Blitzschlag-dtröme erwiesen. Durch die Ausbildung der äußeren Oberflächenschicht der mit
leitfähigem Metall umhüllten Fäden als ein integraler Bestandteil der Verbund-Konstruktion wurden zusätzliche
oder sekundäre Arbeitsgänge, wie die Verwendung von Farben auf Metall-3asis, geklebte Metallfolien., ivietalldrahtgeflecht,
aufgesprühte Metallpulver oder ivietallstreifen ouer -stifte, vermieden.
3HA653
Es verstellt sich, daß die Erfindung in anderen Aus-'fuhrungsformen
verwirklicht werden kann, ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen. Aus diesem Grunde sind
die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen in allen Beziehungen als erläuternd und nicht als einschränkend
zu betrachten. Die Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten beschränkt.
Claims (1)
- PatentansprücheEine aus Lagen von Faden-Verbundmaterial hergestellte Laminat-Konstruktion, die Mittel zum Schütze vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere 0berflächenlage(28A) des Faden-Verbundmaterials aus Fäden (32) mit einer Umhüllung (34 bzw. 3^A) aus leitfähigem Metall hergestellt ist, um eine leitfähige Barriere zur Verteilung des von Blitzen oder anderen elektromagnetischen Quellen erzeugten Stromes zu schaffen.31U6532. Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) aus ■ einem Glas aufweisenden Yerbundmaterial hergestelltsind. · ■ .
5.3· Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch Λ und/oder 2, dadurch gekennzei c _h net, daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.4. Eine Laminat-Konstruktion nach wenigstens einem derAnsprüche Λ - 3i dadurch gekennz ei chnet^ daß die Laminat-Konstruktion ein aus Fäden (32) geflochtenes Bauteil aufweist, dessen äußere Oberflächenlage (28A) aus den mit einer Umhüllung (3^ bzw. 1534A) aus leitfähigem Metall versehenen Fäden (32) geflochten ist.5« Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (32) aus einem Glas aufweisenden Verbundmaterial hergestellt sind.6. Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch 4 und/oder 5* dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.7- Eine Laminat-Konstruktion nach wenigstens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn ζ ei chnet, daß die äußere Oberflächenlage (28A) der· mit einer umhüllung (34 bzw. 34-A) aus leitfähigem Metall versehenen Fäden·(32) aus einer gewebten Lage besteht.8. Eine Laminat-Konstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.9· Eine Laminat-Konstruktion nach wenigstens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet , ■daß die Fäden (32) mit Harz vermischt und gleichzeitig mit der gesamten Laminat-Konstruktion aus Faden-. Verbundmaterial gehärtet sind.10. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauteil Lagen (28A-28D) von Faden-Verbundmaterial aufweist und daß die äußere Oberflächenlage (28A) dieses Faden-Verbundmaterials aus Fäden (32) mit einer Umhüllung (34- bzw. 34A) aus leitfähigem Metall hergestellt ist, um einen Schutz vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem zu schaffen.11. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (32) aus einem Glas aufweisenden Verbundmaterial hergestellt sind.12. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 1o und /oder 11, dadurch gekennz eichnet , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Material umhüllt sind.13· Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach wenigstens einem der Ansprüche 1o-12, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauteil aus einem Fadengeflecht besteht, wobei seine äußere Oberflächenlage (28A) aus den mit einer Umhüllung (3^· bzw. aus leitfähigem Metall versehenen Fäden (32) geflochten ist.14. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 13 dadurch' gekennzeichnet , daß die Fäden (32) aus einem Glas aufweisenden Verbundmate rial hergestellt sind.15. Ein Bauteil eines Luftiahrzeuges nach Anspruch. 12 und /öder 14-, dadurch g e k e η η ζ eichnet. , daß die Fäden (32) mit einem Aluminium-Materialumhüllt sind.
516. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach wenigstens einem der Ansprüche I0-I5, dadurch g e k e η η zei'chnet, daß die äußere Oberflächenlage (28A) der mit einer Umhüllung (34 "bzw. 3^A) aus einem leitfähigen Metall versehenen Fäden (32) aus einer gewebten Lage "besteht.17· Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach Anspruch 16,, _ dadurch gekennzeichnet , daß die·Fäden (32) mit einem Aluminium-Material.umhüllt sind.18. Ein Bauteil eines Luftfahrzeuges nach wenigstens einem der Ansprüche 1o-17, dadurch -gekennzeichnet, daß die Fäden (32) mit Harz irer-mischt und gleichzeitig mit der gesamten Laminat-Konstruktion aus Faden-Verbundmaterial gehärtet sind.
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