DE102007057491B4

DE102007057491B4 - Luft- oder Raumfahrzeug mit einem Bauteil mit Carbonanotubes

Info

Publication number: DE102007057491B4
Application number: DE200710057491
Authority: DE
Inventors: Hauke Lengsfeld; Felix Caspar Helfrich; Hans Marquardt
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: DE102007057491A1

Abstract

Luft- oder Raumfahrzeug (1), mit einem Bauteil (7) mit einer Harzmatrix (12), in welche Carbonanotubes (13) für eine hohe Leitfähigkeit des Bauteils (7) eingebettet sind,
wobei eine Stromquelle vorgesehen ist, mittels welcher ein elektrischer Strom in dem Bauteil (7) für ein Aufheizen desselben zum Enteisen des Bauteils (7) oder eines an das Bauteil (7) angrenzenden Bereichs (3) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine Entladeeinrichtung (17) für eine Abgabe von Ladung an die Atmosphäre (18) mit dem Bauteil (7) elektrisch leitend gekoppelt ist, und wobei die Stromquelle als eine Induktionseinrichtung (18) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem Bauteil mit Carbonanotubes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Obwohl auf beliebige Bereiche der Technik anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Zusammenhang mit einem Blitzschutz in einem Flugzeug näher erläutert.
Eine konventionelle Aluminiumhaut eines Flugzeuges weist typischerweise einen inhärenten Blitzschutz auf: Die Aluminiumhaut besitzt eine durchgehend hohe elektrische Leitfähigkeit. Diese hohe Leitfähigkeit verhindert es, dass die extrem hohen Stromdichten, die durch einen Blitzeinschlag erzeugt werden, beispielsweise zu einem Hautdurchbruch führen.
Das Vorsehen von Blitzschutz für eine Haut aus leitfähigem Faserverbundwerkstoff ist dagegen wesentlich schwieriger, da dieser nicht homogen aufgebaut und beträchtlich weniger leitfähig ist als Aluminium.
Ein Ansatz für einen Blitzschutz für eine Haut aus leitfähigem Faserverbundwerkstoff sieht vor, Kupfer-Mesh-Materialien in diese einzulaminieren. Für ein großflächiges Verbinden mehrere im Wesentlichen nebeneinander angeordneter Kupfer-Mesh-Materiallagen werden dies in ihren Randbereichen überlappend angeordnet, um eine Weitergabe von Ladung zwischen den Kupfer-Mesh-Materiallagen sicherzustellen. Diese Überlappungen führen jedoch nachteilig zu Wellen in der Haut.
Da die Kupfer-Mesh-Materialien als Gewebe ausgebildet sind, sind sie auch nicht homogen in ihrer Struktur und es kann daher zu Funkenbildung kommen.
Weiterhin ist Kupfer-Mesh-Material schwierig zu verarbeiten und muss deshalb von Hand gelegt werden, was mit einem hohen Kostenaufwand verbunden ist.
Nachteilig ist auch das hohe Gewicht von Kupfer-Mesh-Material.
Die DE 10 2007 061 548 A1 offenbart eine Folie, die aus einer Mischung von hexagonalem Bornitrid und einem polymerisierbaren Monomer hergestellt wird, wobei das hexagonale Bornitrid in einer Konzentration von etwa 12 Gewichtsprozent bis etwa 40 Gewichtsprozent vorhanden ist, basierend auf dem Gesamtgewicht der Folie. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer thermisch leitenden Folie offenbart, umfassend ein Mischen von hexagonalem Bornitrid und eines polymerisierbaren Monomers, wobei das hexagonale Bornitrid in einer Konzentration von zwischen etwa 12 und etwa 40 Gewichtsprozent vorhanden ist, ein Herstellen einer Schicht der resultierenden Mischung und ein Polymerisieren des polymerisierbaren Monomers, um die thermisch leitende Folie herzustellen.
Die WO 2006/002224 A2 offenbart ein elektrisches Enteisungssystem, welches für einen Einsatz für Flugzeuge geeignet ist. Das System weist eine Stromquelle sowie eine Mehrzahl von an einer Anströmkante einer Flugzeugtragfläche vorgesehenen Kapillarleitungen auf, welche geeignet sind, elektrischen Strom zu leiten. Durch die Versorgung der Kapillarleitungen mit elektrischem Strom wird ein Wärmeimpuls zum Enteisen von an der Flugzeugtragfläche ausgebildetem Eis erzeugt.
Die JP 2001-278195 A offenbart eine Einrichtung zur Zufuhr von Wärme an eine Anströmkante einer Flugzeugtragfläche mittels einer Induktionsvorrichtung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen besseren Blitzschutz, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich, zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird ein Luft- oder Raumfahrzeug bereitgestellt, mit einem Bauteil mit einer Harzmatrix, in welche Carbonanotubes für eine hohe Leitfähigkeit des Bauteils eingebettet sind, wobei eine Stromquelle vorgesehen ist, mittels welcher ein elektrischer Strom in dem Bauteil für ein Aufheizen desselben zum Enteisen des Bauteils oder eines an das Bauteil angrenzenden Bereichs erzeugbar ist, wobei wenigstens eine Entladeeinrichtung für eine Abgabe von Ladung an die Atmosphäre mit dem Bauteil elektrisch leitend gekoppelt ist, und wobei die Stromquelle als eine Induktionseinrichtung ausgebildet ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, Carbonanotubes zu verwenden, die eine insbesondere gegenüber Kupfer sehr viel höhere Leitfähigkeit aufweisen. Mittels der Carbonanotubes lässt sich Ladung, insbesondere von einem Blitzeinschlag, sehr viel schneller und unter der Vermeidung von Funkenbildung abführen. Weiterhin lassen sich die erfindungsgemäßen Faserhalbzeuge einfach verarbeiten.
Carbonanotubes, auch als Kohlenstoff-Nanoröhrchen bezeichnet, werden beispielsweise mittels chemischer Abscheidung hergestellt. Dabei wird ein kohlenstoffhaltiges Gas mittels oder an einem Katalysator zersetzt, so dass der frei werdende Kohlenstoff an Katalysatorpartikeln kondensiert und dort Röhrchen ausbildet.
Die Carbonanotubes müssen einen derartigen Anteil an dem Bauteil haben, dass sich eine hohe Leitfähigkeit für das Bauteil ergibt. Dieser Anteil hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, insbesondere der chemischen Zusammensetzung der Harzmatrix und der Größe der Carbonanotubes.
Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen in der Erfindung.
Mit ”hoher Leitfähigkeit” ist vorliegend eine Leitfähigkeit gemeint, welche höher als die Leitfähigkeit eines Bauteils aus herkömmlichem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff ist.
Unter einem ”Fasermaterial” ist vorliegend jedes Fasergelege, insbesondere unidirektional Fasergelege, Fasergewebe und/oder Faserfilzmaterial zu verstehen. Die Fasern dieser können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils ist in die Harzmatrix weiterhin ein Fasermaterial, ein Kohlenstofffasermaterial eingebettet. Somit kann ein Bauteil erzeugt werden, welches eine sehr hohe Leitfähigkeit besitzt und damit als Blitzschutz fungieren kann und zugleich eine sehr hohe Festigkeit aufweist.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils bildet die Harzmatrix eine äußere Schicht des Bauteils aus. Damit kann vorteilhaft die von dem Blitz eingeleitete elektrische Ladung an der Oberfläche verteilt werden, so dass es gar nicht erst zu einem tiefen Eindringen der elektrischen Ladung in das Bauteil kommt.
Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils weist dieses wenigstens eine innere Schicht aus Faserverbundwerkstoff auf, an welche die äußere Schicht angrenzt. Bei dieser Weiterbildung wird die Harzmatrix mit den Carbonanotubes mittels des darunterliegenden Faserverbundwerkstoffs unterstützt, wodurch sich ein an seiner Oberfläche sehr leitfähiges und insgesamt sehr festes Bauteil ergibt. Unter einem ”Faserverbundwerkstoff” ist vorliegend ein Fasermaterial, welches mit einer Harzmatrix imprägniert ist, insbesondere auch ein vorimprägniertes Fasermaterial (Prepreg), zu verstehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Luft- oder Raumfahrzeugs ist das Bauteil Bestandteil einer Haut des Luft- oder Raumfahrzeugs. Insbesondere bildet das Bauteil ein Segment der Flügel-, Rumpf- und/oder Leitwerkshaut aus. Die Harzmatrix mit den Carbonanotubes bildet dabei die Außenfläche der Haut. Somit können Blitze schnell über die Außenfläche des Luft- oder Raumfahrzeug geleitet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 in einer Seitenansicht ein Flugzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 einen Schnitt A-A aus 1;
3 eine vergrößerte Ansicht B aus 2; und
4 den Schnitt A-A aus 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
In den Fig. bezeichnet x die Flugzeuglängsrichtung von der Nase zum Heck des Flugzeugs, y die Flugzeugquerrichtung von recht nach links in Flugzeuglängsrichtung x gesehen und z die Flugzeughochrichtung.
1 zeigt ein Flugzeug 1 mit einer Haut, welche Blitzschlägen ausgesetzt sein kann. Ein Bereich der Haut des Seitenleitwerks 2, welche gegenüber Blitzschlag geschützt sein soll, ist mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Selbstverständlich könnte auch jeder andere Bereich der Flugzeughaut beispielsweise die Rumpfhaut 4 oder auch die Flügelhaut 6 einen Aufbau, wie er nachfolgend in Zusammenhang mit dem Bereich 3 näher erläutert wird, aufweisen.
2 zeigt einen Teilschnitt A-A durch den Bereich 3, welcher das erfindungsgemäße Bauteil 7 aufweist. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt B aus 2.
Das Bauteil 7 weist sich in seiner Ebene (x-z) erstreckende Kohlenstofffasern (beispielhaft mit dem Bezugszeichen 8 versehen) auf, welche in eine Harzmatrix 12 eingebettet sind.
Die Harzmatrix 12 weist Carbonanotubes (beispielhaft mit dem Bezugszeichen 13 versehen) auf. Die Carbonanotubes bilden einen derart hohen Anteil an dem Volumen des Bauteils 7, dass dieses eine hohe Leitfähigkeit für ein Verteilen von Ladung, welche insbesondere aus einem Blitzschlag resultiert, besitzt. Insbesondere sind die Carbonanotubes 13 derart dicht in der Harzmatrix 12 gepackt, dass einzelne Carbonanotubes einander berühren.
Vorteilhaft wird das Bauteil 7 aus mehreren Lagen 9, 10, 11 Faserhalbzeug aufgebaut, welches die Fasern 8, die mit der Harzmatrix 12 vorimprägniert sind, aufweist. Dazu werden die Lagen 9, 10, 11 mittels eines automatischen Tapelegers (nicht dargestellt) aufgebaut und anschließend zu dem Bauteil 7 ausgehärtet. Selbstverständlich können auch eine oder mehrere Lagen, beispielsweise die Lage 11, aus einem Faserhalbzeug mit Fasern 8, die mit einer Harzmatrix 12a ohne Carbonanotubes 13 vorimprägniert sind, ausgebildet sein.
4 zeigt das Bauteil 7 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei diesem ist eine innere Schicht 14 innen liegend bezüglich einer äußeren Schicht 15 angeordnet, die mit der Atmosphäre 16 in Kontakt steht. Die innere Schicht 14 weist Kohlenstofffasern 8 auf, die in eine Harzmatrix 12a eingebettet sind. Die äußere Schicht 15 weist Carbonanotubes 13 auf, welche in eine Harzmatrix 12 eingebettet sind. Die Harzmatrix 12 und 12a können die gleiche oder eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen.
Die Schicht 15 kann beispielsweise durch nachträgliches Auftragen der Harzmatrix 12 mit den Carbonanotubes 13 auf die Schicht 14 aus ausgehärtetem Faserverbundwerkstoff und anschließendem Aushärten der Schicht 15 hergestellt werden.
Alternativ kann die Schicht 15 durch Auftragen der Harzmatrix 12 auf die Schicht 14 aus mit der Harzmatrix 12a vorimprägnierten (unausgehärtet) Fasern 8 und gemeinsamen Aushärten der Schichten 14 und 15 zu dem Bauteil 7 hergestellt werden.
Die Carbonanotubes 13 bilden einen derart hohen Anteil an dem Volumen der Schicht 15, dass diese eine hohe Leitfähigkeit für ein Verteilen von Ladung, welche insbesondere aus einem Blitzschlag resultiert, aufweist. Die innere Schicht 14 dagegen ist aufgrund der Fasern 8 hochfest und trägt die äußere Schicht 15.
Wird das erfindungsgemäße Bauteil 7 beispielsweise als Flügelhaut 6 eingesetzt, kann die äußere Schicht 15 mit einer Entladeeinrichtung 17 (”discharger rod” – beispielhaft in 4 eingezeichnet) in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Mittels der Entladeeinrichtung 17 kann sich auf der äußeren Schicht 15 ansammelnde Ladung an die Atmosphäre 16 abgegeben werden. Ein Befestigungsmittel, beispielsweise eine Schraube 18, verbindet die Entladeeinrichtung 17 mechanisch oder auch leitend mit Bauteil 7. Vorzugsweise ist die Entladeeinrichtung 17 in das Bauteil 7 einlaminiert.
Das Bauteil 7 ist mit einer Induktionseinrichtung 18 (siehe 1) elektromagnetisch gekoppelt. Die Induktionseinrichtung 18 kann beispielsweise im Seitenleitwerkskasten oder auch im Flügelkasten, für den Fall, dass das Bauteil 7 im Bereich der Flügelhaut 6 vorgesehen ist, untergebracht sein. Die Carbonanotubes 13 bilden dabei einen derartigen Anteil an dem Bauteil 7, dass sich ein geeigneter ohmscher Widerstand für das Bauteil 7 ergibt, der dann, wenn in ihm mittels der Induktionseinrichtung 18 ein Strom induziert wird, eine geeignete Heizleistung erzeugt, d. h. Wärme abgibt. Die erzeugte Heizleistung enteist dann das Bauteil 7 selbst und die Bereiche 3 bzw. 6.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist auch sehr gut für thermische Anwendungen, beispielsweise im Bereich von Wärmeleitern in der Elektronik, geeignet.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Bauteil, insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich, mit eine Harzmatrix, in welcher Carbonanotubes für eine hohe Leitfähigkeit des Bauteils eingebettet sind. Mittels der Erfindung entfällt die aufwendige Verarbeitung von bisher als Blitzschutzmaterial eingesetzten Kupfer-Mesh-Materialien. Darüber hinaus ergibt sich aus der Verwendung von Carbonanotubes eine sehr viel höhere Leitfähigkeit als bei Kupfer-Mesh-Materialien.
Bezugszeichenliste

1: Flugzeug
2: Seitenleitwerk
3: Bereich
4: Rumpfhaut
6: Flügelhaut
7: Bauteil
8: Faser
9: Lage
10: Lage
11: Lage
12: Harzmatrix
12a: Harzmatrix
13: Carbonanotube
14: innere Schicht
15: äußere Schicht
16: Atmosphäre
17: Entladeeinrichtung
18: Induktionseinrichtung

Claims

Luft- oder Raumfahrzeug (1), mit einem Bauteil (7) mit einer Harzmatrix (12), in welche Carbonanotubes (13) für eine hohe Leitfähigkeit des Bauteils (7) eingebettet sind, wobei eine Stromquelle vorgesehen ist, mittels welcher ein elektrischer Strom in dem Bauteil (7) für ein Aufheizen desselben zum Enteisen des Bauteils (7) oder eines an das Bauteil (7) angrenzenden Bereichs (3) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Entladeeinrichtung (17) für eine Abgabe von Ladung an die Atmosphäre (18) mit dem Bauteil (7) elektrisch leitend gekoppelt ist, und wobei die Stromquelle als eine Induktionseinrichtung (18) ausgebildet ist.
Luft- oder Raumfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Harzmatrix (12) weiterhin ein Fasermaterial (8) eingebettet ist.
Luft- oder Raumfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzmatrix (12) eine äußere Schicht (15) des Bauteils (7) ausbildet.
Luft- oder Raumfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (7) wenigstens eine innere Schicht (14) aus Faserverbundwerkstoff (14) aufweist, an welche die äußere Schicht (15) angrenzt.
Luft- oder Raumfahrzeug nach wenigstens einem der vorhe Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (7) Bestandteil einer Haut (3) des Luft- oder Raumfahrzeugs (1) ist.