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Patent Searching and Data


Title:
FIBER METAL LAMINATES COMPRISING ELECTRICALLY INSULATED CARBON FIBERS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/229627
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a layer composite for an aircraft or spacecraft, containing coated first carbon fibers, the coating having an electrically insulating effect.

Inventors:
LINDE PETER (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/063530
Publication Date:
November 19, 2020
Filing Date:
May 14, 2020
Export Citation:
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Assignee:
AIRBUS OPERATIONS GMBH (DE)
International Classes:
B32B7/025; B32B5/02; B32B15/08; B32B15/14; B32B15/20; C08J5/06; D06M10/10
Foreign References:
US20190119472A12019-04-25
EP3462525A12019-04-03
DE102011004801A12012-08-30
EP2582288A22013-04-24
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Claims:
Airbus Operations GmbH

Patentansprüche

1. Schichtverbund für ein Luft- oder Raumfahrzeug enthaltend beschichtete ers te Kohlenstofffasern, wobei die Beschichtung elektrisch isolierend ist und als isolierende Beschichtung der einzelnen Fasern Poly(meth)acrylsäurepolygly- colester verwendet werden.

2. Schichtverbund nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schicht verbund Aluminiumblech enthält.

3. Schichtverbund nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schichtverbund Aluminiumblech und elektrisch isolierend beschichtete erste Kohlenstofffasern einander wenigstens zum Teil berühren.

4. Schichtverbund nach Anspruch 2 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schichtverbund Aluminiumblech und eine Schicht mit elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern so angeordnet sind, dass die elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern die Schicht aus Aluminiumblech von einer an die Schicht mit elektrisch isolierend beschichte ten erste Kohlenstofffasern angrenzenden Schicht elektrisch isolieren.

5. Schichtverbund nach Anspruch 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass anei nander angrenzende Schichten aus Aluminiumblech und elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern enthalten sind.

6. Schichtverbund nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass an die

Schicht mit elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern eine Schicht aus elektrisch leitendem Material angrenzt. 7. Schichtverbund nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schicht verbund neben den elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffa sern weitere beschichtete Kohlenstoffasern enthält, deren Beschichtung elektrisch leitend ist und wobei einzelne Schichten des Schichtverbundes entweder elektrisch isolierend beschichtete erste Kohlenstofffasern oder elektrisch leitend beschichtete weitere Kohlenstoffasern oder nicht mit einer dieser Beschichtungen versehene Kohlenstoffasern enthalten.

8. Schichtverbund nach Anspruch 1 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass we- nigstens eine Schicht mit elektrisch leitend beschichteten weiteren Kohlen stoffasern Lithiumsalze enthält.

9. Schichtverbund nach Anspruch 1 , 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund eine jeweils im Wesentlichen vollflächig berührende Ab folge aus einer Schicht aus Aluminiumblech, einer elektrisch leitenden

Schicht, einer Schicht mit elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlen stofffasern, einer Schicht mit elektrisch leitend beschichteten weiteren Koh lenstoffasern enthaltend Lithiumsalze und einer Schicht aus Aluminiumblech aufweist.

10. Schichtverbund nach Anspruch 1 oder 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund eine jeweils im Wesentlichen vollflächig berührende Ab folge aus einer Schicht aus Aluminiumblech, einer elektrisch leitenden Schicht, einer Schicht mit elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlen- stofffasern, einer Schicht mit elektrisch leitend beschichteten weiteren Koh lenstoffasern enthaltend Lithiumsalze und einer Schicht aus Aluminiumblech, einer Schicht mit elektrisch leitend beschichteten weiteren Kohlenstoffasern enthaltend Lithiumsalze, einer Schicht mit elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern, einer elektrisch leitenden Schicht und einer Schicht aus Aluminiumblech aufweist.

1 1. Schichtverbund nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekenn zeichnet, dass der Schichtverbund weniger als 10 Gew.% Glasfasern enthält.

Description:
FASERMETALLAMINATE MIT ELEKTRISCH ISOLIERTEN KOHLENSTOFFASERN

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft beschichtete Kohlenstofffasern. Damit ist es möglich, Kohlenstofffasern für Anwendungen zum Einsatz zu bringen, die mit her kömmlichen, unbeschichteten Kohlenstofffasern nicht bestehen.

Hintergrund der Erfindung

Der Rumpf und die Tragflächen eines modernen Passagierflugzeugs beste hen aus einem steifen Rahmen mit Versteifungselementen, wie zum Beispiel Stringer, Spante, Holme usw., die mit einer Metall- oder Verbundhaut überzo gen sind, welche abhängig von den spezifischen Anforderungen flexibel oder steif gestaltet sein kann. Beispielsweise umfasst das Rumpfgerüst üblicher- weise eine Reihe von Spanten, die entsprechend der Form des Rumpfquer schnitts in Umfangsrichtung gebogen sind, und eine Vielzahl von

Längsversteifungen (Stringer), die mit den Spanten verbunden sind. Die Haut selbst besteht gewöhnlich aus vielen einzelnen Hautplatten, die typischer weise durch Nieten, Bolzen, Schrauben und andere Befestigungsmittel an diesem darunterliegenden strukturellen Rahmen befestigt sind und aus Me tallblechen oder Metalllegierungsblechen, z.B. Aluminiumblechen oder aus ei nem Fasermetalllaminat, z.B. GLARE® oder aus einem faserverstärkten Kunststoff, z. B. kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit einer Epo xidharzmatrix oder dergleichen bestehen. Allen diesen Anwendungen ist ge- meinsam, dass die Flugzeughaut hauptsächlich für grundlegende strukturelle und aerodynamische Zwecke einschließlich des allgemeinen Schutzes vor Hitze, Druck, Blitzen, Höhenstrahlung usw., der Bereitstellung von struktureller Festigkeit, der Verringerung des Luftwiderstands sowie der Übertragung von aerodynamischen Kräften, Lasten und Drücken auf die darunterliegende Struktur optimiert ist.

Kohlenstofffasern bestehen aus Kohlenstoff und können durch pyrolytische Zersetzung von kohlenstoffhaltigen Fasern erhalten werden. Besondere Ver breitung hat die Herstellung aus Polyacrylnitrilfasern, die sehr zugfeste Fasern ergibt. Die dünnen Fasern werden zu Faserbündeln zusammengefasst und diese können zu Geweben verwoben werden. Bettet man Kohlenstofffasern in eine Kunststoff matrix ein, so erhält man kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK). Die Matrix kann aus duromeren Harzen wie Epoxidharz sein oder aus thermoplastischen Kunststoffen bestehen. Die Kombination von CFK und Aluminium (also etwa Befestigung von CFK-Werkstücken mit Aluminium- Befestigungsmitteln erfordert eine elektrische Isolierung der Berührungsflä chen, da es aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen Kohlenstoff und Alumi- nium zu einem Stromfluss kommt, der das Aluminium zerstört (elektrolytische Korrosion).

Verbundwerkstoffe wie CFK werden in der Luft- und Raumfahrt zunehmend eingesetzt, da Konstrukteure die strukturelle Leistung verbessern und gleich- zeitig das Gewicht des Fahrzeugs bzw. Flugzeugs und damit den Kraftstoff verbrauch reduzieren können. Die neuesten Techniken zum Verlegen von Bändern (engl tape lying) sowie zum Platzieren von Fasern (engl fiber placement) zur Fierstellung von Verbundwerkstoffen bieten eine große Quelle noch nicht erschlossenen Potenzials, um unter anderem die Hautstruktur zu verbessern und strukturelle und funktionelle Elemente direkt in die Haut eines Flugzeugs einzubringen.

Faser-Metall-Laminate (engl fiber metal laminates, FML) sind bekannt. Es handelt sich um flächige Materialien, bei denen Metall und faserverstärkter Kunststoff in Schichten alternierend miteinander verklebt sind. Bekannt sind beispielsweise ARRAL, TIGRA und GLARE. Solche Materialien können im Flugzeugbau eingesetzt werden. ARRAL stellt ein Material aus aramidfaser verstärktem Kunststoff und Aluminium dar. TIGRA besteht aus Titanblech und kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK). GLARE ist ein Material aus Aluminium und glasfaserverstärktem Kunststoff und wird beim Bau des Airbus A 380 ein- gesetzt. Im Flugzeugbau ist es stets wünschenswert, Materialien mit geringen spezifischen Gewicht und gleichzeitig hoher spezifische Festigkeit zu verwen den.

Faser-Metall-Laminate aus Aluminium und CFK sind daher zwar ein sehr wünschenswertes Material, sie können jedoch nicht ohne weiteres verwendet werden, weil der Kontakt von Kohlenstofffasern mit Aluminium zu elektrolyti scher Korrosion führt.

Es ist auch bekannt, Wandpaneele mit Strom speichernden Eigenschaften herzustellen. Dies können beispielsweise so genannte Strukturbatterien sein. Dabei bildet mindestens eine der Strukturschichten eine äußere Stützschicht der Flautplatte, mindestens eine der strukturellen Schichten eine innere Stütz schicht der Flautplatte und dazwischen sind primäre Funktionsschichten ein gebettet. Die Strukturschichten und die primären Funktionsschichten sind zu- sammen als Verbundlaminat ausgebildet. Die Funktionsschichten umfassen eine Energiespeicherschicht, die als strukturelle elektrochemische Batterie konfiguriert ist.

Beschreibung der Erfindung

Ausgehend von all dem hat sich nun für den Fachmann nicht vorhersehbar herausgestellt, dass ein Schichtverbund für ein Luft- oder Raumfahrzeug ent haltend beschichtete erste Kohlenstofffasern, wobei die Beschichtung elektrisch isolierend ist, den Nachteilen des Standes der Technik abhilft. Als isolierende Beschichtung der einzelnen Fasern können Po- ly(meth)acrylsäurepolyglycolester verwendet werden, insbesondere solche, die unter Verwendung der Monomere PEG(350)-methylmethacrylat CH 2 =C(CH3)-(C=O)-O-(CH2-O-)350-OCH 3

und/oder Tetraethylenglycoletherdimethacrylat

CH 2 =C(CH3)-(C=0)-0-CH2-0-CH2-0-CH2-0-CH2-0-(C=0)-C(CH3)=C H 2 hergestellt werden können. Die Monomere werden durch Elektropolymerisati- on auf die Kohlenstofffasern aufpolymerisiert ("gegrafted“). Die

(Meth)acrylsäurepolyglycolester werden in Dimethylformamid gelöst verwen det. In dieser Lösung werden die Kohlenstofffasern eingetaucht, als Kathode geschaltet und es bildet sich auf Ihrer Oberfläche eine den elektrischen Strom nicht leitende Schicht aus Poly(meth)acrylsäurepolyglycolestern, die bis zu 500 Nanometer stark ist.

Bevorzugt ist es, wenn der Schichtverbund Aluminiumblech enthält. Dies ist kostengünstiger als z.B. Titan. Bevorzugt ist es, wenn in dem Schichtverbund Aluminiumblech und elektrisch isolierend beschichtete erste Kohlenstofffasern einander wenigstens zum Teil berühren, ganz besonders bevorzugt vollflä chig. Solche Schichtverbunde unterliegen nicht elektrolytischer Korrosion zwi schen beschichteten Fasern und metallischer Schicht. Bevorzugt ist es, wenn in dem Schichtverbund Aluminiumblech und eine Schicht mit elektrisch isolie rend beschichteten ersten Kohlenstofffasern so angeordnet sind, dass die elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern die Schicht aus Aluminiumblech von einer an die Schicht mit elektrisch isolierend beschichte ten ersten Kohlenstofffasern angrenzenden Schicht elektrisch isolieren. Be vorzugt ist es, wenn aneinander angrenzende Schichten aus Aluminiumblech und elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern enthalten sind, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn an die Schicht mit elektrisch iso lierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern eine Schicht aus elektrisch lei tendem Material angrenzt. Diese kann beispielsweise aus CFK bestehen.

Die Erfindung umfasst auch einen Schichtverbund für ein Luft- oder Raum fahrzeug enthaltend beschichtete erste Kohlenstofffasern, wobei die Beschich- tung elektrisch isolierend ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtver bund neben den elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern weitere beschichtete Kohlenstoffasern enthält, deren Beschichtung elektrisch leitend ist und wobei einzelne Schichten des Schichtverbundes entweder elektrisch isolierend beschichtete erste Kohlenstofffasern

oder elektrisch leitend beschichtete weitere Kohlenstoffasern oder nicht mit einer dieser Beschichtungen versehene Kohlenstoffasern enthalten.

Erfindungsgemäße elektrisch leitend beschichtete Kohlenstoffasern können wie erfindungsgemäße elektrisch isolierend beschichtete Kohlenstoffasern hergestellt werden, wobei die (Meth)acrylsäurepolyglycolester mit Lithiumtrif- luormethansulfonat (Lithiumtriflat) im Gewichtsverhältnis 1 :1 in Dimethylfor mamid gelöst verwendet werden. In diese Lösung werden die Kohlenstoffa- sern eingetaucht, als Kathode geschaltet und es bildet sich auf Ihrer Oberflä che eine den elektrischen Strom leitende Schicht aus Po- ly(meth)acrylsäurepolyglycolestern, die bis zu 500 Nanometer stark ist und in die das Lithiumtriflat eingelagert ist.

Dabei ist es bevorzugt, wenn wenigstens eine Schicht mit elektrisch leitend beschichteten weiteren Kohlenstoffasern Lithiumsalze enthält. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Schichtverbund eine jeweils im Wesentlichen vollflächig berührende Abfolge aus einer Schicht aus Aluminiumblech, einer elektrisch leitenden Schicht als Anode, einer Schicht mit elektrisch isolierend beschichte ten erste Kohlenstofffasern, einer Schicht mit elektrisch leitend beschichteten weiteren Kohlenstoffasern enthaltend Lithiumsalze als Kathode und einer Schicht aus Aluminiumblech aufweist. Eine solche Anordnung kann zur Speicherung elektrischer Energie konfiguriert werden und stellt eine Lithium- Ionenbatterie dar. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Schichtverbund eine je weils im Wesentlichen vollflächig berührende Abfolge aus einer Schicht aus Aluminiumblech, einer elektrisch leitenden Schicht, einer Schicht mit elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern, einer Schicht mit elektrisch leitend beschichteten weiteren Kohlenstoffasern enthaltend Lithiumsalze und einer Schicht aus Aluminiumblech, einer Schicht mit elektrisch leitend be schichteten weiteren Kohlenstoffasern enthaltend Lithiumsalze, einer Schicht mit elektrisch isolierend beschichteten ersten Kohlenstofffasern, einer elektrisch leitenden Schicht und einer Schicht aus Aluminiumblech aufweist und besonders bevorzugt zur Speicherung elektrischer Energie konfiguriert ist. Bei allem ist es bevorzugt, wenn der Schichtverbund weniger als 10 Gew.% Glasfasern enthält.

Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung können ebenfalls aus den Beispielen der Ausführungsformen entnommen werden, welche im Folgenden unter Bezugnahme auf die anhän genden Zeichnungen beschrieben werden.

Airbus Operations GmbH

Bezugszeichenliste

1 Metallische Schicht

2 Schicht aus Faserverbundwerkstoff

3 Metallische Schicht

4 Schicht aus Faserverbundwerkstoff

5 Metallische Schicht

6 Anode

7 Leitende Trennschicht, Separator

8 Kathode

9 Kollektor

10 Kollektor

1 1 Gefäß

12 Oberwerkzeug

13 Unterwerkzeug

14 Kanal

14a unterer T eil des Kanals

15 Anode aus Aluminium

16 Separator

17 als Anode geschaltete Kohlenstoffasern

18 Monomerlösung

19 Referenzelektrode

l c Zellenlänge

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt ein herkömmliches Fasermetalllaminat. Metallische Schichten 1 , 3, 5 wechseln sich mit dem Schichten aus Faserverbundwerkstoff 2, 4 ab und sind mit diesen flächig verklebt, wobei auf die Verwendung zusätzlicher Kle beschichten verzichtet werden kann, sofern das Matrixmaterial des Faserver bundkunststoffes so gewählt wird, dass es auch mit den Metallschichten eine gute Verbindung ausbildet. Die Metallschichten können aus Aluminium oder Titan bestehen. Die Schichten aus faserverstärktem Kunststoff können aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, glasfaserverstärktem Kunststoff oder ara midfaserverstärktem Kunststoff bestehen. Als Matrix kann beispielsweise Epoxidharz verwendet werden, welches eine besonders gute Flaftung ermög licht.

Figur 2 zeigt eine so genannte Strukturbatterie: Auf einer Anode 6 ist eine elektrisch nicht leitende Trennschicht 7 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (Separator) angeordnet. An diese schließt sich eine Kathode 8 aus faserver stärktem Kunststoff an, wobei die Fasern mit einem geeigneten Lithiumsalz beschichte Kohlenstofffasern sind und das Lithiumsalz in die Beschichtung eingelagert oder interkaliert ist. Als Lithiumsalz kann Lithiumtriflat verwendet werden. Die Beschichtung kann durch Elektropolymerisation hergestellt wer den.

Figur 3 zeigt, wie eine Strukturbatterien nach Figur 2 herstellbar ist: Anode 6 und Kathode 8 werden mit einem flächigen elektrischen Sammelleiter (Kollek- torflächen) verbunden, hier Aluminiumbleche 9 und 10.

Figur 4 zeigt ein Fasermetalllaminat gemäß der Erfindung. Dieses weist metal lische Kollektorflächen 9 und 10, eine lithiumhaltige Kathode auf Basis von fa serverstärktem Kunststoff 8 und eine Anode 6 aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff sowie eine Trennschicht 7 auf. Das Fasermetalllaminat gemäß der Erfindung kann zusätzlich wenigstens einen weiteren Satz aus Anode, Sepa rator und Kathode (6b, 7b, 8b) enthalten. Figur 5 zeigt die Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung

In ein Gefäß 1 1 wird eine Form, die ein Oberwerkzeug 12 und ein Unterwerk zeug 13 umfasst, positioniert. Zwischen Oberwerkzeug 12 und Unterwerkzeug 13 befindet sich ein Kanal 14, in dem eine Anode aus Aluminium 15, ein Se- parator 16 und als Anode geschaltetes Material aus Kohlenstoffasern 17 an geordnet sind. Das Gefäß 1 1 ist mit der Monomerlösung 18 aus

(Meth)acrylsäurepolyglycolester gefüllt, so dass auch der untere Teil des Ka nals 14 a mit der Lösung gefüllt ist. Eine Referenzelektrode 19 kann zusätzlich vorhanden sein.

Die Apparatur wird unter inerter Atmosphäre betrieben und Kohlenstoffasern werden durch einen angelegten Strom beschichtet und dabei durch das Bad geführt. Durch Wahl der Stromdichte Zellenlänge l c und der Fördergeschwin digkeit der Kohlenstofffasern kann die Schichtdicke der Beschichtung beein flusst werden. Um elektrisch isolierende Beschichtungen auf die Fasern auf- zubringen werden als Monomere (Meth)acrylsäurepolyglycolester in Dimethyl formamid gelöst verwendet. In dieser Lösung werden die Kohlenstoffasern als Kathode geschaltet eingetaucht und es bildet sich auf Ihrer Oberfläche eine den elektrischen Strom nicht leitende Schicht aus Po- ly(meth)acrylsäurepolyglycolestern, die bis zu 500 Nanometer stark ist. Um elektrisch leitende Beschichtungen auf die Fasern aufzubringen werden als Monomere (Meth)acrylsäurepolyglycolester mit Lithiumtrifluormethansulfonat (Lithiumtriflat) im Gewichtsverhältnis 1 :1 in Dimethylformamid gelöst verwen det. In dieser Lösung werden die Kohlenstoffasern als Kathode geschaltet eingetaucht und es bildet sich auf Ihrer Oberfläche eine den elektrischen Strom leitende Schicht aus Poly(meth)acrylsäurepolyglycolestern, die bis zu 500 Nanometer stark ist und in die das Lithiumtriflat eingelagert ist.

Es wird angemerkt, dass beschriebenen Ausführungsformen lediglich illustra tive und nicht beschränkend sind.

Während die Erfindung illustriert und beschrieben wurde im Detail in den Bei- spielen und der vorangegangenen Beschreibung, ist es beabsichtigt, dass derartige Illustrationen und Beschreibungen lediglich illustrativ oder exempla risch und nicht restriktiv sind, so dass die Erfindung nicht durch die offenbar ten Ausführungsformen beschränkt ist. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ nicht andere Elemente aus und der unbestimmte Artikel„ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.

Alleinig der Umstand, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängi gen Ansprüchen genannt sind, beschränkt nicht den Gegenstand der Erfin dung. Auch Kombinationen dieser Merkmale können vorteilhaft eingesetzt werden.