DE3144653C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtstoff-Bauteil zum Blitzschutz und zur elektromagnetischen Abschirmung gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1.

Bei einem aus der US-PS 37 55 713 bekannten Verfahren zum Herstellen eines Schichtstoff-Bauteils zum Blitzschutz und zur elektromagnetischen Abschirmung bei Luftfahrzeug-Außenhüllen wird auf eine vorgefertigte, glasfaserverstärkte Kunststoffplatte an der späteren Außenseite ein Drahtgewebe oder Drahtmaschenwerk aufgebracht und mittels eines haftungsvermittelnden Harzes daran festgeklebt. Nachteilig ist dabei die aufwendige Herstellung des Bauteils, bei der zum Aufbringen und Anhaften des Drahtmaschenwerks zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sind. Ungünstig ist ferner trotz des verwendeten dünnen Metalldrahtes das für Luftfahrzeuge relativ hohe Flächengewicht des Drahtmaschenwerks und die Tatsache, daß im fertigen Bauteil das Drahtmaschenwerk einen Fremdkörper darstellt, der andere Festigkeitseigenschaften und ein anderes thermisches Verhalten aufweist als die glasfaserverstärkte Kunststoffplatte. Da das Ankleben des Drahtmaschenwerks mittels eines haftungsvermittelnden Harzes auf der fertigen Oberfläche der glasfaserverstärkten Platte zwangsweise eine Grenz- oder Übergangsschicht schafft, kann eine für die besonderen Anforderungen bei Luftfahrzeugen erforderliche Homogenität des Bauteils nicht erreicht werden. Zudem ist es erforderlich, das Drahtmaschenwerk an der Sichtseite mit einer glatten Oberflächenbeschichtung abzudecken, was weitere, die Herstellung des Bauteils verteuernde Maßnahmen erfordert.

Aus der US-PS 41 95 114 ist ein Verfahren zum Herstellen von Pellets als Zwischenprodukt für Spritzgußverfahren bekannt, wobei die Pellets metallbeschichtete Fasern enthalten. Dabei werden vorproduzierbare Glasfasern zuerst in eine bestimmte Größe gebrochen, und dann, z. B. durch Flammspritzen, mit Metall beschichtet, ehe sie mit einem Polymer imprägniert, getrocknet und in die Pelletform gebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schichtstoff-Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, der nur ein geringes Flächengewicht aufweist und einfach und preiswert herstellbar ist, wobei der Bauteil einen den Anforderungen bei Luftfahrzeug-Außenhüllen entsprechenden Blitzschutz und eine Abschirmung gegen elektromagnetische Einflüsse gewährleisten soll.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 enthaltenen Merkmalen gelöst.

Bei dieser Ausbildung führen die metallbeschichteten Fasern zum Vorteil eines geringen Flächengewichtes verglichen mit massiven Metalldrähten in einem Maschenwerk. Die Verstärkungsschicht aus den metallbeschichteten Fasern hat zudem die gleichen Festigkeitseigenschaften wie die Fasern in der nichtleitenden Verstärkungsschicht. Die Fasern haben annähernd das gleiche Verhalten bei Temperaturänderungen wie die nichtleitenden Fasern. Die metallbeschichteten Fasern leisten ferner den gleichen Beitrag zur Gestaltfestigkeit des Bauteils wie die nichtleitenden Fasern und stellen keinen Fremdkörper innerhalb des Bauteils dar. Durch die in-situ Verarbeitung, d. h., das gleichzeitige Einbetten der Verstärkungsschichten in die Harzmatrix, wird ein homogenes Gefüge ohne Trenn- oder Grenzschicht zwischen den Verstärkungsschichten erreicht, was der Qualität des Bauteils zugute kommt. Die Herstellung des Bauteils ist sehr einfach und kostengünstig. Auch eine sichtseitige Oberflächenschicht kann schon mit der endgültigen Qualität oder Glätte bei der in-situ Herstellung vorgesehen werden. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeuges, zwischen dessen Flügeln die Bahn eines einge­ schlagenen Blitzes dargestellt ist,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht einer Flügelspitze des in Fig. 1 gezeigten Flugzeuges mit einem Teilausschnitt zur Darstellung seiner inneren Bestandteile,

Fig. 3 einen vergrößerten Abschnitt der in Fig. 2 gezeigten Flügelkonstruktion zur Darstellung ihrer laminierten oder geschichteten Konstruktion,

Fig. 4 eine Vergrößerung der äußeren Oberflächenlage der in Fig. 3 gezeigten Laminat-Konstruktion zur Darstellung ihrer Gewebeanordnung,

Fig. 5 eine Vergrößerung der Gewebeanordnung von Fig. 4 mit einer Vielzahl von umhüllten Fäden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6A ein Teilstück eines mit einem metallischen Mate­ rial völlig umhüllten Einzelfadens und

Fig. 6B ein Teilstück eines Einzelfadens, der zur Hälfte mit einem metallischen Material umhüllt ist.

Fig. 1 zeigt ein Luftfahrzeug in der Form eines Flug­ zeuges 10. Das Flugzeug 10 weist einen Rumpf 12, ein Paar von Flügeln 14 A und 14 B und eine Heckflosse 16 auf. Eines der Probleme, auf dessen Lösung sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist der Schutz vor Blitz­ schlag-Schäden an Bauteilen, wie beispielsweise solchen des Flugzeuges 10. Im Punkte 18 schlägt ein Blitz in die Spitze des Flügels 14 A ein. Wie durch die Pfeile 20 angezeigt, verteilt sich der von dem Blitz erzeugte Strom über den Flügel 14 A sowie den Rumpf 12 und den gegenüberliegenden Flügel 14 B und wird im Punkte 22 in die Atmosphäre abgeleitet.

Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung, ins­ besondere bezüglich der Fig. 1, hier lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung zur Verwendung für Bauteile eines Luftfahrzeuges, wie beispielsweise eines Flugzeuges 10, dargestellt wird. Die vorliegende Erfindung hat einen weiten Anwendungsbereich auf zahllosen Gebieten der Verwendung von Bauteilen, wo leitfähige Barrieren in Faden-Verbundkonstruktionen erforderlich sind. Obwohl sie nicht darauf beschränkt ist, schließt sie den Schutz vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz und ähnlichem ein.

In Fig. 2 ist die Spitze des Flügels 14 B mit einem Teil­ ausschnitt 24 dargestellt, um zu zeigen, daß der Flügel bestimmte innere Bestandteile 26 enthält. Natürlich trifft dies auch auf den Rumpf 12 zu, und es ist wichtig, die inneren Bestandteile in vielfältigen Anwendungs­ bereichen vor elektromagnetischer Interferenz beispiels­ weise zu schützen. Der Flügel 14 B kann in verschiedenen Anordnungen der Lagen aus Faden-Verbundmaterial herge­ stellt werden, wie beispielsweise als gewebte Anord­ nungen oder als aus Fäden geflochtene Anordnungen, wobei die letzteren spiralige oder ringförmige Fadenwindungen aufweisen. Solche aus Fäden geflochtene Verbund-Konstruk­ tionen 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.

Fig. 3 zeigt einen vom Flügel 14 B, aus dem Teilausschnitt 24 beispielsweise abgetrennten Abschnitt 14 B′. Dieser Abschnitt 14 B′ zeigt, daß die Laminat-Konstruktion des Bauteiles aus einer Vielzahl von Lagen 28 A-28 D von Faden-Verbundmaterial hergestellt ist. Jede Lage kann in sehr verschiedenartigen Faden-Anordnungen, wie bei­ spielsweise gewebten oder geflochtenen Anordnungen, hergestellt sein. Die Fäden jeder Lage 28 A-28 D sind mit Epoxy-Harz vermischt und/oder imprägniert.

Sobald die gesamte Verbund-Konstruktion bis zur gewünsch­ ten Dicke entweder aus Fäden geflochten oder aufgebaut ist, wird die gesamte Konstruktion in bekannter Weise gehärtet. Das Resultat besteht in einem leichten Bauteil mit verbesserten Struktur-Eigenschaften und wesentlich niedrigeren Kosten als gegenwärtig verwendete Metall­ konstruktionen.

Fig. 4 zeigt eine einzelne Lage aus Faden-Verbundmate­ rial, wie die äußere Oberflächenlage 28 A beispielsweise, die aus einer Gewebe-Lage einschließlich einer Vielzahl von Bändern oder Anordnungen 30 von individuellen Fäden besteht.

In Fig. 5 wird gezeigt, daß jedes in der äußeren Ober­ flächenlage enthaltenes Band oder Anordnung 30 indivi­ duelle Fäden umfaßt. In Übereinstimmung mit der vor­ liegenden Erfindung ist jeder Faden mit einem leit­ fähigen Metallmaterial umhüllt, um eine zusammen­ gesetzte leitfähige Barriere zur Verteilung von Strömen infolge von Blitzen oder anderen elektromagnetischen Quellen zu bilden und dabei vor Blitzschlag-Schäden, elektromagnetischer Interferenz oder ähnlichem zu schützen. Im einzelnen betrachtet, ist jeder Faden aus einem Verbundmaterial oder Ader 32 aus Glas, Kevlar oder ähnlichem Material hergestellt. Die Ader 32 ist mit einer metallischen Umhüllung 34 aus Aluminium oder ähnlichem umhüllt. In dieser Weise stellt die gesamte äußere Oberflächenlage 28 A des Verbund-Bauteiles, wie der Flügel 14 B beispielsweise, eine leitfähige Barriere zur Verteilung des von Blitzen oder elektro­ magnetischen Quellen erzeugten Stromes dar. Dies ist durch die mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Blitz- Verteilung gezeigt. Die äußere Oberflächenlage 28 A ist, wie in Fig. 5 dargestellt, zusammen mit der Gesamtdicke der Verbund-Konstruktion mit Epoxy-Harz 36 vermischt oder imprägniert. Somit sind durch Ausbildung der resultierenden Barriere als ein integraler Bestandteil der Verbund-Konstruktion und durch Aushärtung dieser äußeren Lage oder leitfähigen Oberfläche gleichzeitig mit der gesamten Konstruktion sämtliche zusätzlichen oder sekundären Arbeitsgänge, die bisher bei der Erzeu­ gung eines leitfähigen Mediums in Verbundkonstruktionen erforderlich waren, ausgeschaltet. Sollte der Rumpf 12 des Flugzeuges 10 in ähnlicher Weise wie der mit Bezug auf die Fig. 2-5 beschriebene Flügel 14 B hergestellt sein, so wird dadurch eine Barriere gegenüber elektro­ magnetischer Interferenz mit den empfindlichen Instru­ menten innerhalb des Rumpfes oder im Cockpit erzeugt.

Fig. 6A und 6B zeigen vergrößerte Abschnitte eines metallumhüllten Einzelfadens mit verschiedenen Ausbildungen der Umhüllung. Im einzelnen betrachtet, zeigt Fig. 6A einen Abschnitt eines Einzelfadens, der die zusammengesetzte Ader 32 aus Glas, Kevlar oder ähnlichem Material aufweist und der vollständig mit einer Umhüllung 34 aus Aluminium oder anderem leitfähigen metallischen Material umhüllt ist.

Fig. 6B zeigt mit dem Bezugszeichen 34 A, daß die Ader 32 zur Hälfte mit Aluminium oder anderem leitfähigen metallischen Material umhüllt ist.

Die vorliegende Erfindung wurde geprüft und hat sich in nachgestellten Blitzschlag-Prüfungen als wirkungs­ voll herausgestellt. Im einzelnen betrachtet, treten Blitze in zwei grundsätzlich verschiedenen Formen auf:
zum einen als Wolke-zum-Erdboden-Blitz und zum anderen als Wolke-zu-Wolke-Blitz. Aufgrund der Schwierigkeit des Auffangens und des Messens von Wolke-zu-Wolke- Blitzen beziehen sich die meisten vorhandenen stati­ stischen Daten der Blitz-Charakteristiken auf Wolke-zum- Erdboden-Blitze. Da den Wolke-zu-Wolke-Blitzen die hohen Spitzenströme der Wolke-zum-Erdboden-Blitze fehlen, stellt die Verwendung der Charakteristiken der Wolke-zum-Erdboden-Blitze tatsächlich ein konser­ vatives Meßkriterium dar. Blitzentladungen können auch von entweder einem positiven oder einem negativen Entladungszentrum in einer Wolke ausgehen. Eine negative Entladung ist durch mehrere zeitweilig aussetzende Blitzschläge und kontinuierliche Ströme charakterisiert. Das Merkmal positiver Entladungen, die nur zu einem geringen Prozentsatz auftreten, ist ein einzelner Blitz­ schlag und kontinuierlich abnehmende Ströme. Laminat- Konstruktionen aus Lagen von Faden-Verbundmaterial, wobei die äußere Oberflächenlage des Faden-Verbundmate­ rials gemäß der vorliegenden Erfindung aus mit leit­ fähigem Material umhüllten Fäden hergestellt ist, haben sich als ziemlich wirkungsvoll bezüglich der Verteilung der nachgestellten Blitzschlag-Ströme 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-Basis, geklebte Metallfolien, Metall­ drahtgeflecht, aufgesprühte Metallpulver oder Metall­ streifen oder -stifte, vermieden.

Es versteht sich, daß die Erfindung in anderen Aus­ führungsformen 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 ein­ schränkend zu betrachten. Die Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten beschränkt.

Claims (6)

1. Schichtstoff-Bauteil zum Blitzschutz und zur elektro­ magnetischen Abschirmung, insbesondere für Luftfahrzeu­ ge, mit wenigstens einer der Bauteiloberfläche benach­ barten und elektrisch leitfähige Fasern enthaltenden Verstärkungsschicht, mit wenigstens einer der Bauteilun­ terseite benachbarten und nichtleitende Fasern enthal­ tenden Verstärkungsschicht, wobei die Verstärkungs­ schichten in eine ausgehärtete oder vernetzte Kunst­ stoffmatrix eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die der Bauteiloberfläche benachbarte Verstärkungs­ schicht (28 A) zur Gänze aus an ihrer Oberfläche mit Me­ tall (34) beschichteten Fasern (32) besteht, und daß die Verstärkungsschichten (28 A, 28 B, 28 C, 28 D) jeweils mit ei­ nem Epoxid-Harz (36) vermischt und durch gleichzeitiges Aushärten des gesamten mit den Verstärkungsschichten vermischten Epoxid-Harzes miteinander verbunden sind.

2. Schichtstoff-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstärkungsschichten (28 A, 28 B, 28 C, 28 D) Glas- oder Kevlarfasern enthalten.

3. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 und 2, wo­ bei Aluminium für die elektrische Leitfähigkeit verwen­ det ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern (32) eine Aluminiumbeschichtung aufweisen.

4. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die metallbeschichteten Fasern (32) verwunden oder verstrickt sind.

5. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die metallbeschichteten Fasern (32) gewebt sind.

6. Schichtstoffbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die metallbeschichteten Fasern (32) Bänder (30) und die Bänder (30) ein Gewebe bilden.