DE4343904C3 - Bauteil aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einer Schutzschicht gegen Erosion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus faserverstärk­ tem Verbundwerkstoff mit einer Schutzschicht gegen Erosion und Blitzschlag.

Bauteile aus faserverstärktem Verbundwerkstoff sind besonders im Außenbereich oder im Strömungskanal von Triebwerken durch abrasive Partikel im Luftstrom erosionsgefährdet. Im Außenbereich des Triebwerks besteht zusätzlich die Gefahr der Beschädigung oder Zerstörung des Bauteils durch Blitzeinschlag, insbeson­ dere bei Bauteilen aus nichtmetallischen Faserverbund­ werkstoffen. Derartige Verbundwerkstoffe finden auf­ grund Ihres niedrigen spezifischen Gewichts vermehrt im Außenbereich von Triebwerken beispielsweise als Nasenkonus oder Triebwerksverkleidung oder Geblä­ seschaufeln einen Einsatz. Blitzeinschläge in diese Bau­ teile können zur Delamination oder zum Bruch des Bau­ teils führen, so daß die Funktion des gesamten Trieb­ werks gefährdet ist.

Aus DE-36 44 116 A1 ist eine Schutzschicht aus anor­ ganischem Lack bekannt die bei Temperaturen unter­ halb der Erweichungs- oder Zersetzungstemperatur von nichtmetallischen Verbundwerkstoffen einsetzbar ist. Ein Nachteil dieser anorganischen Lackschicht ist, daß sie aufgrund der niedrigen Einbrenntemperatur nicht abreagierte Restbestandteile enthält, die bewir­ ken, daß die anorganische Lackschicht, trotz metalli­ scher Füller isolierend wirkt und auf metallischen Haft­ schichten oder Bauteilen korrosiv angreift. Ein weiterer Nachteil dieses Lacksystems ist, daß seine Haftwirkung auf Bauteilen aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff nicht ausreicht um ein Abplatzen oder Abblättern bei hoher mechanischer oder elektrischer Belastung zu ver­ meiden.

Ferner ist bekannt, in die äußeren Lagen eines Faser­ verbundbauteils metallische Drahtgewebe oder Netze einzulaminieren, um einen Blitzschutz zu bewirken. Ein Nachteil dieser Lösung ist einerseits die aufwendige Herstellung des oberflächennahen Laminats mit einla­ minierten Drahtgeweben oder Netzen und andererseits die geringe Oberflächenbedeckung des Drahtgewebes oder Netzes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil anzugeben, das die Nachteile im Stand der Tech­ nik überwindet und ein Faserverbundbauteil mittels ei­ ner Schutzschicht wirksam sowohl gegen Erosion als auch gegen Blitzschlag schützt.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Schutz­ schicht eine haftvermittelnde Zwischenschicht aus glas­ faserverstärktem Kunststoff, eine eingebrannte, anorga­ nische Lackschicht mit oxidiertem metallischen Pigmen­ ten und eine elektrisch leitende Deckschicht aus einge­ branntem und verdichtetem, anorganischem Lack auf­ weist und das Bauteil aus faserverstärkter Keramik, vor­ zugsweise aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff auf­ gebaut ist und der Lack für die Lackschicht und für die Deckschicht unterhalb der Schädigungs-, der Erwei­ chungs- oder der Zersetzungstemperatur der Zwischen­ schicht und des Bauteils einbrennbar ist.

Zur Verbesserung der Haftfähigkeit besteht die Zwi­ schenschicht aus Glasfasern mit Matrixmaterial aus Kunststoff. Die oben erwähnten, beim Einbrennen nicht abreagierten Lackbestandteile greifen einerseits derar­ tiges Matrixmaterial nicht an und andererseits haftet aufgrund von Reaktionen des Matrixmaterials mit akti­ ven Lackkomponenten die anorganische Lackschicht nach dem Einbrennen besonders intensiv auf dem Bau­ teil, wenn vorher die Zwischenschicht aufgebracht oder wenn bei der Herstellung des Bauteils als äußere Bau­ teilschicht die Zwischenschicht mithergestellt wurde. Ein weiterer Vorteil ist, daß sowohl für die elektrisch isolierende Schicht, als auch für die elektrisch leitende Deckschicht der gleiche anorganische Lack, wie er bei­ spielsweise in DE-36 44 116 A1 offenbart wird, einge­ setzt werden kann.

Die haftvermittelnde Zwischenschicht besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Das hat den Vorteil, daß einerseits größerer Unterschiede im thermischen Ausdehnungsverhalten zwischen Bauteil und Schutz­ schicht ausgeglichen werden können, indem die Glasfa­ serverstärkung der Zwischenschicht durch Ausrichtung der fasern optimiert wird und andererseits das Matrix­ material mit den aktiven Lackkomponenten reagiert und damit die anorganische Lackschicht nach dem Ein­ brennen besonders intensiv auf dem Bauteil haftet.

Die anorganische Lackschicht weist vorzugsweise ei­ nen Füller aus Aluminiumpulver auf, der beim Einbren­ nen aufgrund der nicht abreagierten Bestandteile des anorganischen Lacks eine elektrisch isolierende Schicht bildet, zumal das Aluminiumpulver aufgrund der Ein­ brennatmosphäre teilweise von Oxidschichten überzo­ gen wird. Der Aluminiumfüller hat den Vorteil, daß durch Nachbehandlung der eingebrannten Schicht eine hohe elektrische Leitfähigkeit im oberflächennahen Be­ reich erreicht werden kann.

Durch geeignete Wahl des Binders des anorganischen Lacks kann auch erreicht werden, daß der Füller unter­ halb der Erweichungs- oder Zersetzungstemperatur des Bauteils deoxidiert und eingebrannt wird, so daß die Bildung einer elektrisch leitenden Deckschicht aus ver­ dichtetem anorganischen Lack erleichtert wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lackschicht und die Deckschicht gleiche Ausgangsmaterialien aufwei­ sen. Das vermindert Lagerkosten und Verarbeitung und gewährleistet einen problemlosen Obergang von der Lackschicht zur verdichteten und elektrisch leitenden Deckschicht.

Das Einbrennen, das unterhalb der Schädigungs-, der Erweichungs- oder der Zersetzungstemperatur des Bauteils erfolgt wird bei faserverstärkten Kunststoffen vorteilhaft unter 200°C durchgeführt, so daß weder ein Erweichen des Kunststoffes noch eine Zersetzung das Bauteil gefährden. Bei Bauteilen aus kohlenstoffaser­ verstärktem Kohlenstoff wären zwar höhere Einbrenn­ temperaturen bis 500°C möglich, jedoch hat sich bei diesen Bauteilen gezeigt, daß als haftvermittelnde Zwi­ schenschicht glasfaserverstärkter Kunststoff oder das reine Matrixmaterial des glasfaserverstärkter Kunst­ stoffs einzusetzen sind, so daß auch hier vorteilhaft eine Einbrenntemperatur unter 200°C gefahren wird.

Bei diesen niedrigen Einbrenntemperaturen verblei­ ben nicht abreagierte Bestandteile des Lacks in der Schutzschicht, so daß diese nach dem Einbrennen zu­ nächst elektrisch isolierend wirkt und damit keinen Schutz vor Blitzschlag bietet.

Unvorhersehbarerweise konnte für die oberflächen­ nahen Lagen des anorganischen Lackes eine geschlosse­ nen elektrisch leitende Schicht erreicht werden, indem die Lackschicht nach dem Einbrennen mittels Kugel strahlen, Walzen, Pressen und/oder Bürsten verdichtet wurde, so daß vorteilhaft mit diesem Beschichtungsver­ fahren ein vollständiger Blitzschutz realisiert werden konnte.

Die Erfindung wird mit der folgenden Figur beispiel­ haft erläutert.

Fig. 1 zeigt einen oberflächennahen Querschnitt durch ein Bauteil mit erfindungsgemäßer Schutzschicht.

Eine Gebläseschaufel 1 wird im wesentlichen aus mit Matrixmaterial vorimprägnierten Schichten von Ver­ stärkungsfasern, beispielsweise Kohlefasern gebildet, die vollständig beispielsweise in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Kunststoffmatrix kann beispiels­ weise ein Epoxidharz, ein Phenolharz oder ein Polyimid­ harz sein, das während des Fertigungsprozesses einer Wärmebehandlung zum Vernetzen der Molekülketten unterworfen wird. Während der Wärmebehandlung bei 120 bis 180°C werden die vorimprägnierten faserschich­ ten zum Verdichten und zur Formgebung in einer form einem Druck von 80 kPa bis 2 MPa beaufschlagt mit und härten dabei aus. Die äußeren Schichten bestehen dabei erfindungsgemäß aus Glasfasergeweben, unidirektiona­ len Glasfaserbändern, Glaskurzfasern oder Glasflecht­ schläuchen. Diese äußeren Glasfaserschichten werden in diesem Beispiel in dem gleichen Matrixmaterial wie die Verstärkungsfasern, aus denen das Bauteil besteht eingebettet. Die Dicke dieser Zwischenschicht aus glas­ faserverstärktem Kunststoff ist 0,05 bis 1 mm.

Anschließend wird eine anorganische Lackschicht 3, 4 mehrlagig aufgetragen. Als anorganischer Lack wurde der aus DE-36 44 116 A1 bekannte Lack eingesetzt, der als Füller Aluminiumpulver aufweist. Nach einem Ein­ brennen der Lackschichtlagen 3, 4 bei 150 bis 190°C liegt eine elektrisch nicht leitende Beschichtung vor. An­ schließend werden die oberflächennahen Lagen 4 der eingebrannten anorganischen Lackschichtlagen 3, 4 mit­ tels Kugelstrahlen verdichtet, so daß die zunächst elek­ trisch nichtleitende Beschichtung im oberflächennahen so Bereich eine elektrisch leitende geschlossenen Schicht 6 ausbildet. Vor einem Kugel strahlen hat sich ein Bürsten der Oberfläche 5 bewährt, weil damit sowohl die Ver­ weildauer beim Kugel strahlen als auch der elektrische Widerstand der leitenden Schicht weiter vermindert werden können. In diesem Beispiel werden zum Kugel strahlen Glasperlen mit einem mittleren Durchmesser von 40 bis 80 µm eingesetzt.

Claims (4)

1. Bauteil aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einer Schutzschicht gegen Erosion und Blitz­ schlag, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz­ schicht eine haftvermittelnde Zwischenschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff, eine eingebrann­ te, anorganische Lackschicht mit oxidierten metalli­ schen Pigmenten und eine elektrisch leitende Deck­ schicht aus eingebranntem und verdichtetem, anor­ ganischem Lack aufweist und das Bauteil aus faser­ verstärkter Keramik, vorzugsweise aus kohlefaser­ verstärktem Kohlenstoff aufgebaut ist und der Lack für die Lackschicht und für die Deckschicht unterhalb der Schädigungs-, der Erweichungs- oder der Zersetzungstemperatur der Zwischenschicht und des Bauteils einbrennbar ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zwischenschicht aus Matrixmaterial für glasfaserverstärkte Kunststoffe besteht.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anorganische Lackschicht einen Füller aus Aluminiumpulver aufweist.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lackschicht und die Deckschicht gleiche Ausgangsmaterialien aufwei­ sen.