DE3421123A1

DE3421123A1 - Verbundmaterial

Info

Publication number: DE3421123A1
Application number: DE19843421123
Authority: DE
Inventors: Harold Dr. 5090 Leverkusen Ebneth; Henning Dr. 5090 Leverkusen Giesecke; Gerhard-Dieter Dr. 4047 Dormagen Wolf
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1984-06-07
Publication date: 1985-12-12
Also published as: EP0163805A1; JPS60264240A

Description

BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk Konzernverwaltung RP

Patentabteilung K/Kü-c Q ß. 06. 84.

Verbundmaterial

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial aus mehrlagigen Fasermatten in einer Kunststoffmatrix und dessen Verwendung als Blitzschutz, insbesondere im Flugkörperbau.

Im Flugzeugbau werden aus Gewichtseinsparungsgründen Verbundteile aus Aramid-Filamentgarngeweben und/oder Kohlenstoff-Filamentgarngeweben in Verbindung mit Epoxidharzen bzw. Polyimid- oder Maleinimidharzen eingesetzt (25. National SAMPE-Symposium, San Diego, CA., May 6-8, 1980). Bekannt sind solche Teile für Landeklappen, Seitenleitwerk, Höhenruder und ähnliches; in Zukunft sollen ganze Bausegmente aus diesen Verbundwerkstoffen hergestellt werden.

Als gravierendster Nachteil solcher Verbundbauteile aus Kunstharzen und Verstärkungsfasern wird ein nicht ausreichender Blitzschutz angesehen. Blitze strahlen kurzzeitig hochfrequente elektromagnetische Wellen bis in den 1 GHz-Bereich ab.

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Außerdem zeigen faserverstärkte Bauteile aus Kunststoff am Flugzeug (insbesondere beim Durchfliegen von Schnee und Hagel und bei Sandstürmen) eine überraschend hohe elektrostatische Aufladung. Wegen des Kunststoffes ist im Flugzeug ein Schutz der Leitungen und elektronischen Geräte gegen eindrigende elektromagnetische nicht gegeben .

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Material herzustellen, das einerseits so leicht ist, daß seine Verwendung gegenüber Metall zu einer Gewichtsersparnis des Bauteils führt, und das andererseits eine so hohe Leitfähigkeit hat, daß ein Blitzschutz gewährleistet ist.

Es sind aus der Literatur eine Reihe von Vorschlägen bekannt, wie ein Blitzschutz von Flugzeug-Verbundbauteilen erreicht werden könnte. So wird beispielsweise in der DOS 31 44 653 die Verwendung eines mit Aluminium beschich teten Faden-Verbundmaterials vorgeschlagen. Die DOS 31 39 313 beschreibt allgemein, daß man metallisiertes Aramidgewebe zum Blitzschutz von Flugzeugteilen einsetzen könnte.

In der Technik haben diese Verfahren aber bisher keine Anwendung gefunden. Um Verbundwerkstoffe im Flugzeugbau mit einem Blitzschutz zu versehen, verwendet man ausschließlich Aluminium entweder in Form von Aluminiumblechen oder durch Flammsprühen von Aluminium auf die Verbundteile. Um einen ausreichenden Schutz zu erreichen, müssen dabei Aluminiummengen von mehreren 100 g pro m² aufgetragen werden. Das hat den Nachteil, daß ein großer Teil der Gewichtseinsparung bei Verwendung eines Verbundmaterials wieder verloren geht.

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Erfindungsgemäß kann nun eine drastische Gewichtsverringerung bei Erhalt der Blitzschutzeigenschaften durch ein Verbundmaterial erreicht werden, das im wesent lichen Matten aus Kohlenstoff-enthaltendem Fasermaterial enthält, wobei die Fasern der äußeren Mattenauflage mit 20-200 g Ni/m² belegt sind.

Für einen Schutz vor Blitzen bis zu 100 kA, 0,25 * 10 A * s und 3,6 kA, 10 Coulombs reicht bereits eine Nickelauflage von 80 bis 140 g pro m² Fasermatte aus. Bevorzugt werden 90 bis 130 g eingesetzt. Um einen Schutz vor 200 kA-Blitzen zu erreichen, ist eine Nickelmenge von 140 bis 200 g pro m² erforderlich. Bevorzugt werden 150 bis 130 g pro m² eingesetzt.

Diese Werte sind deshalb so überraschend, das zum Erreichen eines vergleichbaren Blitzschutzes bedeutend höhere Mengen an Aluminium eingesetzt werden müssen, obwohl Nickel eine geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt als Aluminium.

Bevorzugte Fasermatten sind Gewebe oder Gelege, die vorzugsweise aus graphitischen Kohlenstoff-Fasern oder Aramidfasern bestehen. Für den genannten Verwendungszweck kommen praktisch nur Filamentgarngewebe in Frage. Zur Verstärkung besonders der Ränder von Kohlenstoff-Filamentgarngeweben kann man Aramid-Filamentgarne verwenden.

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Das Aufbringen des Metalls kann durch Bedampfen, Sputtern, galvanische oder naßchemisch-stromlose Abscheidung erfolgen. Bei der naßchemisch-stromlosen Beschichtung ist die Einzelfaser sehr gleichmäßig mit Metall umhüllt. Bei der Metallisierung eines Gewebes kommt es zu keinen Metallverklebungen im Faden und im Zwischenraum, wodurch die Flexibilität nur unwesentlich eingeschränkt wird. Selbst Gewebe, auf dem relativ viel Metall niedergeschlagen worden ist und dessen Oberflächenwiderstand gemessen nach DIN 54 345 unter 1 Ohm ist, haben ihren textlien Charakter weitgehend behalten.

Die Vernickelung der Verbundmaterialien erfolgt bevorzugt naßchemisch stromlose. Selbstverständlich kann auch insbesondere bei sehr hohen Nickelmengen eine galvanische Verstärkung der stromlos vernickelten Oberflächen durchgeführt werden. Bei Kohlenstoffasergeweben oder -gelegen ist auch eine rein galvanische Vernickelung durchführbar. Sie führt aber erwartungsgemäß zu einer starken Versprödung der Materialien.

Ganz bevorzugt ist ein naßchemisches stromloses Vernickelungsverfahren unter Verwendung von organometallischen Aktivatoren, wie sie beispielsweise in der DE-A 30 25 307 beschrieben sind.

Geeignete Kunststoffe, in welche die Fasermatten eingebettet werden, sind die heute im Flugzeugbau bevorzugten Duroplaste, wie Epoxid-, Maleinimid- und Polyamidharze.

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Wegen der im folgenden beschriebenen Vorteile ist das Verbundmaterial besonders als Blitzschutzmaterial geeignet: Das im Vergleich zu Metall leichtere Material hält relativ hohe stoßartige Strombelastungen aus. Wiederholte Belastungen sind möglich. Das Material kann je nach zugrundegelegtem Risikofaktor "nach Maß" wirtschaftlich gefertigt werden. Es kann so ausgelegt werden, daß 200 kA-Blitze nicht zu einer Zerstörung des Bauteils führe. Bei 2 mm dicken Aluminiumblechen ist bekannt, daß bei Blitzeinschlag Löcher herausgeschmolzen werden und erst bei einer Aluminiumdicke von 10 mm keine Schäden mehr beobachtet werden. Die elektromagnetische Schutzwirkung bleibt bei dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial auch nach dem Blitzeinschlag erhalten und elektrostatische Aufladungen werden weiter abgeleitet. Bauteile aus dem Verbundmaterial können elektrisch beheizt werden, wodurch beispielsweise eine Vereisung verhindert werden kann. Die Nickelschicht auf dem Gewebe vermeidet Korrosionsprobleme mit der Kohlenstoff-Faser. Beim direkten Kontakt zwischen Kohlenstoff-Faser und Aluminium werden Aluminiumearbide gebildet. Wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit des metallisierten Gewebes kann auf zusätzlich eingebaute Aluminiumbleche oder Kupferdrahtnetze verzichtet werden. Außerdem kann durch eine Vernickelung eine Erhöhung der inerlaminaren Scherfestigkeit der Verbundbauteile erreicht werden.

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Die Prüfung auf Blitzschutzeignung erfolgt sowohl am metallisierten Gewebe als auch am fertigen Bauteil. Muster mit 95 mm Durchmesser werden zwischen zwei kreisrunden Metallringen eingespannt, die als Elektrode dienen. Das Gewebe liegt auf einer isolierenden Unterlage auf. Die Hochspannungselektrode von 10 mm Durchmesser wird entweder mit leichtem Druck gegen das Gewebe gepreßt (direkter Kontakt) oder in einem Abstand von 1 mm von der Gewebeoberfläche gehalten (Spalt). Im ersten Fall erfolgt der Stromübertritt in das Gewebe auf einer Fläche von ca. 0,8 cm², im zweiten Fall praxisnah über einen Lichtbogen, der sich zwischen Elektrodenkante und Gewebeoberfläche ausbildet.

Die in den nachfolgenden Beispielen beschriebenen Versuche wurden an einer Stromstoßanlage mit einer Kapazität von 20 \iF und einer max. Ladespannung von 160 kV durchgeführt. Damit sind Stromstöße mit Scheitelwerten von über 230 kA erzeugbar. Die notwendigen Einrichtungen zur Strom- und Spannungsmessung sind in der Anlage integriert. Die Stromangaben beziehen sich auf den Scheitelwert der ersten HaIbschwingung, die eine Dauer von etwa 20 μββσ hat.

Die Untersuchungen erfolgen mit Stromstößen von 100 und 200 kA, Stromeinleitung jeweils mit direktem Kontakt oder über Lichtbogen. Um den Einfluß von Vorbeschädigungen zu eliminieren, wird für jede Strombelastung ein unbeanspruchtes Gewebestück in die Versuchseinrichtung eingespannt. Die Stromeinleitung über einen

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Lichtbogen ergibt keine signifikanten Unterschiede. Die Gebiete, in denen ein Metallabtrag erfolgen könnte, sind etwa gleich groß.

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Beispiele Beispiel 1

Ein Kohlenstoff-Filamentgarngewebestück von der Größe 40 χ 46 cm in Leinwandbindung L 1/1 mit einem Flächengewicht von 200 g/m² wird in eine Lösung und anschließend getrocknet. Anschließend wird es in einem stromlosen Vernicklungsbad, das pro Liter 30 g Nickelchlorid, 3 g Dimethylaminoboran und 10 g Zitronensäure enthält und mit Ammoniak auf pH 8,1 eingestellt wurde, bei Raumtemperatur 20 Minuten stromlos vernickelt. Das vernickelte Gewebe wird gewaschen, anschließend in verdünnte Schwefelsäure getaucht und dann galvanisch mit Nickel ca. 40 Minuten bei 60⁰C, 6 bis 8 Volt und einem elektrischen Strom von 40 A verstärkt. Anschließend wird das Gewebestück gespült und getrocknet. Die Gesamtnickelauflage beträgt 165 g/m².

Es wurden Prüfkörper aus Prepregs mit 6 Lagen des entsprechenden Kohlenstoff-Filamentgarngewebes in der Art hergestellt, daß das metallisierte Gewebestück die äußere Lage bildet. Der Prüfkörper wurde so in der Testanordnung angebracht, daß der Blitz immer zuerst in die oberste metallisierte Lage einschlug.

Die Tests wurden gemäß LIL-STD-I757, Test-Methode TO 2 "Lightning Qualification Tests Techniques for Aerospace Vehicles and Hardware" 17. Juni 1980 und

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SAE AE4L Report "Lightning Test Waceform an Techniques for Aerospace Cehicles and Hardware" 20. Juni 1978 durchgeführt.

Ein simulierter Lichtblitz von 200 kA, 2 * 10 A * s (Zone 1 A) führte zu keiner durchgehenden Zerstörung des Kohlenstoffverbundkörpers. Die oberste metallisierte Lage ließ eine etwa 1 cm² große Einschlagstelle erkennen, bei der Teile der Metallschicht verdampft waren. Die darunter befindliche Kohlenstoffgewebelage war kaum beschädigt. Die anderen nicht metallisierten Kohlenstofflagen zeigten keinerlei Anzeichen einer Beschädigung.

Beispiel 2

Ein Aramid-Filamentgarngewebe (Kevlar ^) in Leinwandbindung L 1/1 mit einem Flächengewicht von 80 g/m² wurde stromlos mit 80 g /m² Nickel gemäß DOS 31 39 313 metallisiert.

Die Blitzschutzeigenschaften des metallisierten Gewebes wurden gemäß Beispiel 1 getestet. Ein simulierter Blitz

von 100 kA, 0,25 : 10⁶A² : s (Zone 2 A), führte zu keiner Zerstörung des Aramidgewebes, obwohl an der Einschlagstelle die Metallschicht verdampfte. Die 5 Lagen von Kohlenstoff-Filamentgewebe, die unter die metallisierten Kevlar-Gewebe angebracht waren, zeigten keinerlei Anzeichen von Zerstörung.

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Beispiel 3

Ein Kohlenstoff-Filamentgarngewebe, das auch technischen Gründen Aramid-Filamentgarne enthilet, wurde stromlos, wie in Beispiel 2 beschrieben, 2 Stunden bei Raumtemperatur vernickelt. Die Nickelauflage betrug 105 g pro m². Prüfkörper auf diesem Material wurden simulierten Blitzen von 100 kA, 0,25 : 10⁶A² : s und 3,6 kA, 10 Coulombs ausgesetzt. Außer einer geringen Beschädigung an der Einschlagstelle der Blitze konnte keine Zerstörung des Kohlenstoffgewebes festgestellt werden.

Simulierte Blitze von 200 kA (wie in Beispiel 1 beschrieben) zerstörten die erste Lage mit dem metallisierten Kohlenstoffgewebe im Verbundwerkstoff. Die darunter befindlichen nicht metallisierten Kohlenstoffgewebelagen zeigten äußerlich kein Anzeichen einer Beschädigung .

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Claims

Patentansprüche

1. Verbundmaterial aus mehrlagigen Fasermatten in einer Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Matten im wesentlichen aus einer Kohlenstoff-enthaltenden Faser bestehen und die Fasern der äußeren Mattenauflage mit 80-20Og Nickel pro m² Fasermatte belegt sind.

2. Verbundmaterial gemäß Acspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelauflage von 80 bis 140 g pro m² beträgt.

3. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelauflage 140-200 g pro m² beträgt.

4. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterialien Kohlenstofffasern oder Aramidfasern oder ein Gemisch aus beiden verwendet werden.

5. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernickelung der Fasermaterialien naßchemisch stromlos oder galvanisch durchgeführt wird.

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6. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeicnet, daß die Fasern nach einer Aktivierung mit metallorganischen Verbindungen stromlos naßchemisch vernickelt sind.

7. Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Duorplasten, vorzugsweise aus Epoxid-, Polyimid- oder Maleinimid-Harzen besteht.

8. Verwendung von Verbundmaterials gemäß Ansprüchen 1 bis 7 als Blitzschutzmaterial im Flugkörperbau.

9. Verwendung des Verbundmaterials gemäß Ansprüchen 1 bis 7 mit Metallauflagen von 80-140 g/m² gegen Blitzeinwirkungen bis zu 100 kA.

10. Verwendung des Verbundmaterials gemäß Ansprüchen 1 bis 7 mit Metallauflagen von 140-200 g/m² gegen Blitzeinwirkungen bis zu 200 kA.

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