DE69626593T2

DE69626593T2 - Wärmeschutzartikel aus verstärktem Verbundstoff niedriger Dichte und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69626593T2
Application number: DE69626593T
Authority: DE
Inventors: Nicole Pastureau; Michel Daniel Hee; David François Christian Cussac; Jean-Claude Richard
Original assignee: European Aeronautic Defence and Space Company EADS France
Current assignee: Airbus Defence and Space SAS
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2016-10-17
Also published as: EP0769363B1; CA2188310A1; CA2188310C; FR2740068B1; FR2740068A1; JPH09227210A; US5882765A; EP0769363A1; DE69626593D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein wärmeabsorbierendes Material niedriger Dichte für den Hitzeschutz insbesondere von Abschnitten von Raumfahrzeugen während ihres Wiedereintritts in die Erdatmosphäre.
Während des Wiedereintritts in die Atmosphäre muß ein Fahrzeug, wie eine Sonde, eine Kapsel, ein bemanntes Fahrzeug etc., starken Wärmeflüssen widerstehen und die exponierten Abschnitte müssen hiergegen hitzegeschützt sein.
Hierzu sind insbesondere isolierende, wärmeabsorbierend genannte Materialien entwickelt worden, die die zu schützenden Strukturen beschichten und deren fortschreitende Zerstörung unter dem Einfluß des Wärmeflusses, der bei einem Wiedereintritt in die Atmosphäre wirkt, die so beschichtete Struktur dank mehrerer Mechanismen vor der Hitze schützt, die man so zusammenfassen kann:

– Speichern der Energie mit infolgedessen einer Erhöhung der internen Temperatur des wärmeabsorbierenden Materials;
– endothermische Reaktion, d. h.: Depolymerisation, Fusion, Sublimation, Verdampfung;
– Energieverlust durch Abstrahlung;
– Fluß gasförmiger Produkte entgegengesetzt zum Wärmefluß.

Dieser Schutz durch Zerstörung der Isolation ist einer der am effizientesten, um den starken Wärmeflüssen zu widerstehen, die bei einem atmosphärischen Wiedereintritt erzeugt werden.
Dieser Materialtyp, der bereits seit mehreren Jahren bekannt ist, besteht aus einem Elastomer und/oder einem Siliconharz. Es gibt beispielsweise einen Elastomer vom Typ RN (Room Temperature Vulcanisation = Raumtemperaturvulkanisierung), geladen mit organischen (Kohlenstoffverbindungen, Kork, ...) oder inorganischen (SiC, Siliciumoxid, Aluminiumoxid ...) Komponenten.
Dieses Material wird so wie es ist verwendet und beispielsweise in Form von Paneelen oder zusammengesetzten Elementen, insbesondere durch Verklebung, auf die zu schützende Oberfläche aufgebracht.
Um ein eventuelles Ablösen des wärmeabsorbierenden Materials unter dem Wärmefluß zu verhindern, ist erwogen worden, in die das Material bildende Matrix, die beispielsweise aus einem RTV-Elastomer besteht, geschlossene Siliciumoxidkugeln und phenolische Mikroballons und/oder andere Füllungen in einer Struktur vom Bienenwabentyp einzusetzen.
Man hat so Paneele für Hitzeschutzabdeckungen geschaffen, die eben, leicht und mechanisch widerstandsfähig sind und gute Eigenschaften betreffend Hitzebeständigkeit aufweisen.
Anderseits hat man unter Rückgriff auf bienenwabenförmige, in verschiedenen Richtungen flexible Strukturen gekrümmte Beschichtungspaneele herstellen können.
Diese Technik besteht darin, die bienenwabenförmige Struktur beispielsweise durch Einschneiden von Zellwandungen vorzubereiten, damit sie sich wölben kann, und kann die Zellen mit Siliconmatrix geeigneter Formulierung zu versehen, die Matrix zu kompaktieren und die Einheit in der Presse in Form zu bringen.
Die Flexibilität einer derartigen bienenwabenförmigen Struktur findet daher ihre Grenzen im Grad der mit dieser Technik erreichbaren Paneelenkrümmungen, was andererseits zu Problemen beim Füllen führt, das äußerst genau und ohne Lücken von Zellen mit Bienenwabenstruktur erfolgen muß.
Schließlich ist die Verstärkung, die durch diese Struktur gebildet wird, zwangsläufig in der gesamten Masse der endgültigen Paneele homogen, was es nicht ermöglicht, die Paneele in differentieller Weise an ihren verschiedenen Abschnitten zu verstärken. Wenn es sich beispielsweise um eine Vorderkantenpaneele handelt, ist es nicht möglich, die exponierten Materialteile der Paneele stärker zu verstärken, die Verstärkungstechnik, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, verfährt nach dem Prinzip alles oder nichts.
Aus GB 2 191 115 ist eine wärmeabsorbierende Wärmeschutz-Beschichtung bekannt, die dazu bestimmt ist, die Innenfläche eines Raketenfestkraftstofftanks zu bedecken.
Die Beschichtung besteht aus einer gewebten Armierung, die in einer Polymermatrix getränkt ist. Die gewebte Armierung weist Kett- oder Schußfäden auf, die punktuell Ablösungen in Form von Schleifen aufweisen, die eine zur Ebene der Armierung senkrechten Richtung folgen und sich in die Dicke der zusammengesetzten Beschichtung hinein erstrecken. Dabei wird diese Armierung zunächst mit einer vorbestimmten Verteilung vorstehender Schleifen hergestellt, und dann wird die Armierung in einer Form angeordnet und in einer Matrix getränkt. Sobald die Beschichtung hergestellt ist, kann man die Verstärkung nicht mehr ändern.
Die vorliegende Erfindung möchte daher eine neue Verstärkungstechnik für wärmeabsorbierende Materialien mit niedriger Dichte schaffen, die es ermöglicht, Formen zu erhalten, die zugleich komplex sein und starke Krümmungen und eine beliebige lokale Modulation der Verstärkung auf dem Materialteil aufweisen können.
Hierzu betrifft die Erfindung ein verstärktes wärmeabsorbierendes Hitzeschutz-Materialteil mit niedriger Dichte, das eine Elastomer- und/oder Siliconharzmatrix, die mit organischen und/oder anorganischen Komponenten gefüllt ist, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus Faserabschnitten oder ähnlichem, aus Keramik oder Glas oder organischem Material besteht, das in die Masse der Matrix sich entlang von zu zumindest einer der Flächen des Materialteils im wesentlichen senkrechten Richtungen in die Masse der Matrix eingearbeitet ist und mit mindestens einem ihrer Enden sich bis zu wenigstens einer der Flächen erstrecken, wobei die Fasern in einer bestimmten Ausführungsform mit einem polymerisierten Phenolharz imprägniert sind.
Die Faserabschnitte sind vorteilhafterweise gleichmäßig und vorzugsweise versetzt angeordnet.
Gegebenenfalls kann das Materialteil Zonen aufweisen, beispielsweise die durch den Wärmefluß am stärksten beanspruchten, die eine höhere Anzahl von Faserabschnitten pro Flächeneinheit aufweisen als die anderen, weniger beanspruchten Zonen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen derartiger Materialteile, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Formgebung entsprechend den allgemeinen Formen und Abmessungen des Materialteils mit Hilfe einer gefüllten Siliconmatrix die Faserabschnitte durch Einstechen anbringt.
Um die Seite des Materialteils im direkten Anschlag mit der Nadel der Maschine zum Einstechen zu halten, ist die Seite vorteilhafterweise mit einem Gewebe oder einem Filz aus Siliciumoxid oder anorganischem Material beschichtet.
Gemäß einer Variante zum Ausführen des Verfahrens werden mit einem geeigneten Phenolharz vorimprägnierte Fasern verwendet und das Harz nach dem Einstechen polymerisiert.
Gemäß einer anderen Variante werden nichtimprägnierte Fasern verwendet und das Materialteil nach dem Einstechen mit einem geeigneten Harz imprägniert und das Harz polymerisiert.
Nach der Polymerisation des Phenolharzes werden die Flächen des Materialteils mit dem Gewebe oder Filz auf einer seiner Flächen versehen oder nicht, abgeschliffen, um überstehende Faserstücke zu entfernen. Man kann zudem eine abschließende maschinelle Bearbeitung durchführen, um das Materialteil exakt zu bemessen.
Weitere Eigenschaften und Vorlteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Materials hervor, die lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben ist, von denen:
1 eine schematische Perspektivansicht eines Materialteilmusters ist, das aus dem erfindungsgemäßen Material besteht;
2 eine Schemazeichnung ist, die das Anbringen von Verstärkungen in einem Materialteil vom Typ aus 1 illustriert;
3 eine Perspektivansicht einer Paneele in erfindungsgemäßer Form ist, die für den Hitzeschutz einer beanspruchten Kante beispielsweise eines Raumfahrzeugs bestimmt ist, und
4 ein Schnitt durch das Materialteil der 3 ist, der eine Art der Einbringung der Verstärkung illustriert.
In 1 ist unter 1 ein parallelepitetförmiger Block dargestellt, der aus einem wärmeabsorbierenden verstärkten Material niedriger Dichte entsprechend der Erfindung besteht und eine Matrix 2 aus Silconelastomer und verschiedenartigen Füllungen enthält, insbesondere geschlossene Siliciumoxidkugeln und Mikroballons aus Phenolharz, deren Rolle darin besteht, die Dichte des Materials zu verringern und aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften die Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren und damit die Wärmeabtrahlung in das Material zu blockieren und schließlich durch Reaktionen, die sich im Material während der Wärmeabsorption ereignen; dazu beizutragen, die kohlenstoffhaltige zurückbleibende Schicht an der wärmeableitenden Oberfläche anzureichern, d. h. dieser Schicht einen guten strukturellen Widerstand und gute Eigenschaften betreffend Hitzebeständigkeit zu liefern.
Für derartige Matrizen sind viele Formulierungen vorgeschlagen worden, mit Additiven oder ohne, die insbesondere dafür bestimmt sind, die mechanischen und Hitzebeständigkeitseigenschaften des wärmeabsorbierenden Materials zu vergrößern. Die vorliegende Erfindung zielt nicht auf einen bestimmten Formulierungstyp ab, sondern betrifft im wesentlichen die Verstärkung derartiger Matrizen, wie auch immer ihre Zusammensetzung ist.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfaßt das Materialteil 1 steife Spiße 3, die regelmäßig in der Masse der Matrix verteilt sind. Die Spieße 3 sind gerade Abschnitte von Fasern aus Keramik oder Glas oder organischem Material, die senkrecht zur ebenen oberen Fläche des Materialteils 1 angeordnet sind. Sie erstrecken sich durch die gesamte Dicke des Materialteils und sind mit den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen bündig.
Der Gitterabstand der Spieße 3 ist von einem Rechteckschritt P von einigen Millimetern, z. B. 10.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die die Erfindung ebenfalls betrifft, sind die Spieße 3 einer derartigen Verstärkung in die Matrix 2 durch Einstechen mit Hilfe einer geeigneten Faser eingefügt.
Beispielsweise kann man Glas-/Keramikfasern aus NEXTEL 312 oder 440 (vertrieben durch die Firma 3M) oder organische Fasern vom Typ der KEVLAR-Fasern (vertrieben durch die Firma Dupont de Nemours) verwenden.
Die Versteifung der Abschnitte der Fasern oder Spieße 3 wird nach dem Einstechen durch Polymerisation eines geeigneten Imprägnierharzes sichergestellt.
Als geeignetes Phenolharz kann man die Harze der Resolfamilie oder diejenigen der Novolake verwenden, aber auch Expoxyharze.
Das Einstechen wird mit Hilfe einer geeigneten Maschine durchgeführt.
In 2 ist schematisch eine Art des Einstechens des Materialstücks 1 vom Typ der 1 dargestellt.
Die Nadel (nicht dargestellt in 2) befindet sich senkrecht auf einer der Flächen des Materialteils 1 (der oberen Fläche in 2) und durchquert das Materialteil vollständig, wobei es die Faser 4 mit sich zieht, die bei jedem Vor- und Rückwärtsgang der Nadel durch das Materialteil einen Vor- und Rückwärtsgang 3' durchläuft, der schließlich einen Spieß 3 bildet.
Auf der oberen Fläche des Materialteils 1 ist ein Gewebe oder ein Filz 5 aus beispielsweise Glasfasern angeordnet, um die Matrix vor Stücken oder Partikeln zu schützen, die durch die Nadel beim Austritt aus dem Materialteil herausgerissen werden können. Das Gewebe oder der Filz verhindern beispielsweise Ablagerungen in dem Material des Materialteils 2 von Verbindungsteilen 6 der Faser 4 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einstichen, infolge des Zugs, der auf die Faser durch die Nadel ausgeübt wird, die sich in das Materialteil hineindrückt.
An der unteren Fläche des Materialteils 1 kommt die Nadel heraus und bildet eine Schleife 7 an jedem Einstich.
Sobald der Vorgang des Einstechens beendet ist, wird eine Imprägnierung des Materialteils 1 mit dem geeigneten Harz durchgeführt, es wird polymerisiert und schließlich wird das Materialteil maschinell bearbeitet. Hierzu wird bei 9 die untere Fläche des Materialteils 1 aus 2 abgeschliffen, um die Schleifen 7 zu entfernen, und man macht bei 10 das gleiche, um an der Oberfläche des Gewebes oder des Filzes 5 die Faserabschnitte 6 zu entfernen. Das Gewebe oder der Filz 5 sind in 1 an der unteren Fläche des Materialteils mit demselben Bezugszeichen dargestellt.
Die erfindungsgemäße Technik weist den Vorteil auf, daß die Verstärkung der Matrix nach der Formgebung der Matrix in die Formen und Abmessungen des zu erhaltenen Materialteils durchgeführt wird, und daß die Verstärkung anpaßbar ist, d. h. in den am stärksten beanspruchten Zonen des Materialteils verstärkt ist.
Die 3 zeigt beispielhaft ein Paneel 11, das dazu bestimmt ist, ein Element einer angegriffenen Kante zu bilden, und ist durch Formgebung einer Matrix hergestellt, die beispielsweise aus einem Siliciumoxidelastomer vom Typ RTV 141 besteht, der mit geschlossenen Siliciumoxidkugeln und phenolischen Mikroballons geladen ist.
Die Herstellungstechnik eines derartigen, aus einem derartigen Material gebildeten Paneels ist gut bekannt und muß nicht detailliert beschrieben werden. Die 4 ist ein Schnitt durch ein Paneel der 3 und illustriert eine Ausführungsform der Verstärkungselemente, die durch Spieße gebildet sind, die denen 3 der 1 ähnlich sind.
Nach dem Abformen des Materialteils 11 wird mit seinem Einstechen fortgefahren, mit Hilfe einer geeigneten Faser vom vorgenannten Typ und einer Maschine zum Einstechen, deren Nadel so ausgestaltet ist, daß sie auf der einen oder der anderen der einander gegenüberliegenden Flächen in die Matrix des Materialteils senkrecht zur Oberfläche und abhängig vom Typ der einzuführenden Verstärkung eindringt.
Um Spieße herzustellen, die wie 12 oder 13 mit den beiden einander gegenüberliegenden Flächen des Materialteils 11 fluchten, wirkt die Nadel auf die am einfachsten zugängliche Oberfläche ein, wobei das Materialteil hierzu in einer Positionierhalterung angeordnet und gehalten ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die wunschgemäße Verdichtung einer bestimmten, stärker exponierten Zone des Materialteils, beispielsweise des Abschnitts 11a, in dem Spieße 12 mit einem viel kleineren Schritt implantiert werden als demjenigen der Spieße 13 eines Abschnitts 11b, der Wärmeflüssen mit schwächerem Einfall ausgesetzt ist.
In den am stärksten gewölbten Abschnitten wie 11c des Materialteils kann man durch Einstechen Spieße wie 14 einfügen, die das Materialteil vollständig durchqueren und, in dem Bereich zwischen zwei benachbarten Spieße, Spieße wie 15 einfügen, die mit der konvexen Fläche des Materialteils bündig sind, jedoch nicht aus der konkaven Fläche heraustreten, derart, daß ein im wesentlichen gleichbleibender Abstand zwischen den Fasern in allen Richtungen erhalten bleibt. Die Tiefe des Eindringens der Spieße 15 kann selbstverständlich eingestellt sein.
Die Spieße 12 bis 15 können in jeder Zone vorzugsweise gleichmäßig und versetzt angeordnet sein, wobei die Spieße eine Oberflächendichte aufweisen, die sich von Zone zu Zone unterscheidet.
Die unter Beanspruchung durch die Nadel stehende Oberfläche kann zuvor mit einem Gewebe oder einem Filz wie 5 beschichtet sein.
Die Versteifung der Spieße 12 bis 15 kann auf zwei Arten erhalten werden.
Die für das Einstechen verwendete Faser ist mit einem geeigneten Harz, beispielsweise einem Phenolharz, vorimprägniert. Nach dem Anbringen der Fasern wird das Harz der Fasern polymerisiert, dann das Materialteil maschinell auf die Abmessungen des endgültigen Materialteils bearbeitet, wie es im Zusammenhang mit 2 gezeigt ist (Abschleifen der Fächen des Materialteils).
Gemäß einer zweiten Methode wird die verwendete Faser nicht vorimprägniert und nach dem Einstechen wird das Materialteil einer Imprägnierbehandlung mit Hilfe eines geeigneten Harzes, dann einer Polymerisationsbehandlung des Harzes und schließlich einer Bearbeitung wie oben unterworfen.
Dadurch, daß die Verstärkung nach der Formgebung des Materialteils erfolgt, kann man diesem eine komplexe Form mit erheblichen lokalen Krümmungen geben. Es ist immer möglich, eine der Flächen des Materialteils zu erreichen, um senkrecht oder im wesentlichen senkrecht Fasern teilweise oder durch die gesamte Dicke des Materialteils und mit einer beliebigen Verteilung einzuführen.
Schließlich ist die Erfindung offensichtlich nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, die vorstehend beschrieben worden sind, sondern erstreckt sich im Gegensatz auf alle Varianten, soweit diese die Art der geladenen Siliconmatrix, die Art der Fasern, die eingestochen oder auf eine andere Art in die Masse der Matrix eingebracht sind, die Verteilung der Fasern, die Art des Imprägnierharzes für die Fasern, die Modalitäten zum Durchführen der Polymerisation des Harzes sowie die Formen, Abmessungen und die Bestimmung von Materialteilen betrifft, die aus einem derartigen wärmeabsorbierenden verstärkten Material gebildet sind.

Claims

Verstärktes wärmeabsorbierendes Hitzeschutz-Materialteil niedriger Dichte mit einer Elastomer- und/oder Siliconharzmatrix (2), die mit organischen und/oder anorganischen Komponenten gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus geraden und versteiften Abschnitten von Fasern oder ähnlichem (3, 3', 12 bis 15), aus Keramik oder Glas oder organischem Material besteht, die in die Masse der Matrix (2) sich entlang von zu zumindest einer der Oberflächen des Materialteils (1) in im wesentlichen senkrechten Richtungen eingebracht sind und mit mindestens einem ihrer Enden sich bis zu wenigstens einer der Oberflächen erstrecken.
Materialteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte aus Fasern oder ähnlichem (3, 3', 12 bis 15) mit Hilfe eines Imprägnierharzes imprägniert sind.
Materialteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte aus Fasern oder ähnlichem (3, 3', 12 bis 15) mit Hilfe eines Phenolharzes imprägniert und polymerisiert sind.
Materialteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte aus Fasern oder ähnlichem (3, 3', 12 bis 15) mit Hilfe eines Epoxyharzes imprägniert und polymerisiert sind.
Materialteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserabschnitte (3, 3', 12 bis 15) gleichmäßig verteilt sind.
Materialteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserabschnitte (3, 3', 12 bis 15) versetzt angeordnet sind.
Materialteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Zonen vorgesehen sind, die eine unterschiedliche Anzahl von Faserabschnitten (3, 3', 12 bis 15) pro Oberflächeneinheit aufweisen.
Materialteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Oberflächen mit einem Gewebe oder einem Filz aus Siliciumoxid oder Glas oder organischem Material (5) beschichtet ist, das bzw. der von den Faserabschnitten (3, 3', 12 bis 15) durchquert wird.
Verfahren zum Herstellen eines Materialteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Formgebung entsprechend den allgemeinen Formen und Abmessungen des Materialstücks (1, 11) mit Hilfe einer gefüllten Siliconmatrix die Faserabschnitte (3, 3', 12 bis 15) durch Einstechen anbringt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem geeigneten Harz vorimprägnierte Fasern (3, 3', 12 bis 15) verwendet und das Harz nach dem Einstechen polymerisiert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man nichtimprägnierte Fasern (3, 3', 12 bis 15) verwendet und nach dem Einstechen das Materialteil (1, 11) mit einem geeigneten Harz imprägniert und das Harz polymerisiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Materialteils (1, 11), mit dem Gewebe oder Filz (5) auf einer seiner Oberflächen versehen oder nicht, nach der Polymerisation des Harzes abgeschliffen werden, um überstehende Faserstücke (6, 7) zu entfernen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialteil an den Endseiten maschinell bearbeitet wird.