DE3534059C1 - Fibre composite material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff für tra­ gende Strukturen zur Absorption elektromagnetischer Wellen.

Faserverbundwerkstoffe für tragende Strukturen sind gekenn­ zeichnet durch eine hohe spezifische Festigkeit und Steifig­ keit, welche im wesentlichen durch die dazu verwendete Faser und den Faservolumenanteil bestimmt sind.

Die meist aus einem organischen Harz bestehende Matrix ver­ bindet die einzelnen Faserlagen zu einem Verbundwerkstoff. An die Matrix werden hohe chemische und mechanische Anforderun­ gen gestellt. Im Flugzeugbau werden vorwiegend Faserverbund­ werkstoffe eingesetzt, welche als vorimprägnierte Fasergelege - sogenannte Prepregs - aufgeschichtet und in Autoklavverfah­ ren gehärtet sind.

Bei derartigen aus Metall- und Faserverbundwerkstoffen be­ stehenden Strukturen werden zur Absorption elektromagneti­ scher Wellen spezielle Folien, Schichten oder Matten z.B. durch Kleben zusätzlich aufgebracht. Nachteilig sind dabei das zusätzliche Gewicht, das hohe Risiko bei der Haftung und Beständigkeit, z.B. Ausfranzen an den Kanten der Matten oder Platten, die aerodynamische Verschlechterung aufgrund der er­ höhten Rauhigkeit der Oberfläche, der Stoßstellen der zusam­ menstoßenden Matten oder Platten und der höhere Wartungsauf­ wand durch Prüfung der Schichten auf Ablösung.

Aus der DE-OS 31 17 245 ist ein Verfahren zur Tarnung belie­ biger, vorwiegend metallischer Objekte gegen Radarentdeckung sowie zum Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagne­ tischen Feldern bekannt, bei welchem die Objekte auf ihrer Oberfläche ganz oder teilweise eine metallisierte textile Polware aufweisen, von der diejenige Seite, die den Pol be­ sitzt, in Richtung zur einfallenden Strahlung zu liegen kommt. Nachteilig ist hier, daß die Polware eine auf eine Objektfläche, z.B. durch Kleben, zusätzlich aufgebrachte Schicht ist und somit ein zusätzliches Gewicht und gleich­ zeitig keine tragende Funktion aufweist. Polware ist wegen ihrer geringen Festigkeit auf Beanspruchung, z.B. gegen Regenerosion, und wegen der aerodynamischen Oberflächenquali­ tät zum Aufbringen auf Außenflächen von Flugzeugen nicht ge­ eignet.

Ein aus der DE-OS 33 11 001 bekannter Absorber für elektro­ magnetische Wellen verwendet dazu im wesentlichen aus Sili­ ziumcarbit (Si-C) bestehende Fasern, die als Faserverbund­ werkstoff geeignet sind. Der darin beschriebene Aufbau be­ steht aus Si-C-Geweben bzw. einem Harz-Gewebeverbund, wobei die Fasern eine geeignete Leitfähigkeit aufweisen müssen und ein metallischer Reflektor als Abschluß (Rückseite) verwendet wird. Der Bauart dieses Absorbers liegt die Funktionsweise des "λ/4"-Schicht-Absorbers zugrunde. Die Dicke der homogenen Absorberschicht ohne den reflektierenden Abschluß beträgt da­ bei ein Viertel der Resonanzwellenlänge, wenn von den Korrek­ turen abgesehen wird, die durch die elektrischen Verluste be­ dingt sind. Die hierbei vorgesehene Metallplatte als Reflek­ tor stellt keinen natürlichen Bestandteil des Faserverbundes dar, was für eine tragende Struktur von Nachteil ist.

Bei einer aus der Literaturstelle JP-Kokai Nr. 52-44 542 be­ kannten Absorberanordnung ist auf der Vorderseite eines Induktors eine dünne Kohlenstoff-Faserschicht und auf der Rückseite eine Reflexionsschicht angeordnet. Auch hierbei hat die verwendete Kohlenstoff-Faserschicht keine tragende Funk­ tion; sie dient lediglich zur Versteifung und als Temperatur­ schutz für den Induktor.

Eine aus der US-PS 25 99 944 bekannte Vorrichtung verwendet zur Absorption einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung einen Behälter, dessen Wandung aus in Schichten verschiedener Dicke übereinander angeordneten unterschied­ lichen Materialien wie Holz, Metall und einer textilen Lein­ wand besteht.

Hierbei ist der geschichtete Aufbau der Wand im Prinzip der­ art, daß die äußere Schicht aus einer Metallplatte, die mitt­ lere aus Holz und die innere Schicht aus einer textilen und mit Graphit überzogenen Leinwand besteht. Dabei kann die Metallplatte zwischen zwei Holzschichten angeordnet sein. Eine tragende Struktur, wie sie im Flugzeugbau benötigt wird, ist auch hier nicht vorhanden.

Schließlich ist noch aus der DE-OS 33 07 066 ein mehrschich­ tiger Faserverbundwerkstoff für tragende Strukturen bekannt, bei dem die absorbierende Wirkung durch den Einsatz von Füll­ stoffen erzielt wird, deren Konzentration zu der Fläche hin zunimmt, die der bestrahlten Fläche abgewandt ist. Nach­ teilig ist hierbei, daß das Einbringen der Füllstoffe in den Faserverbundwerkstoff einen hohen Aufwand an Genauigkeit bei der Herstellung erfordert, weil bei Ungenauigkeiten der Ein­ zelschichtdicke und bei Inhomogenitäten die vorgegebene Frequenzbandbreite und die Dämpfung negativ beeinflußt werden und somit der gewünschte Effekt der Absorption nur unzurei­ chend erzielt wird. Hierbei wird das Prinzip des sogenannten inhomogenen Absorbers bei quasikontinuierlichem stofflichen Übergang verwirklicht (vergleiche z.B. Meyer E. und Pottel R. Fortschritte der Hochfrequenztechnik, Band 5, 1960).

Aufgabe der Erfindung ist, einen Faserverbundwerkstoff für tragende Strukturen so auszubilden, daß er einerseits die hierzu notwendigen Eigenschaften, wie ausgezeichnete mecha­ nische, thermische und chemische Beständigkeit aufweist und andererseits zugleich so aufgebaut ist, daß er in einem vorgegebenen Frequenzbereich elektromagnetische Wellen bzw. Strahlung in einer Weise absorbiert, die entsprechenden herkömmlichen Absorbern zumindest gleichwertig ist.

Erfindungsgemäß sind zur Lösung der gestellten Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Bei gleicher Zielsetzung unterscheidet sich der erfindungs­ gemäße Absorber von den bekannten Absorbern (DE-OS 33 07 066 und DE-OS 33 11 001) in zweifacher Hinsicht. Zum einen liegt hier der Bauweise ein völlig anderes Absorptionsprinzip zu­ grunde und zum anderen wird hierbei auf den Einsatz von Füll­ stoffen ganz oder teilweise verzichtet. Die Absorberkonstruk­ tion läßt sich schon allein mit Fasern und Geweben in Verbin­ dung mit als Matrix verwendeten Bindern verwirklichen, welche natürliche Bestandteile von Faserverbunden sind. Daraus er­ gibt sich der weitere Vorteil, daß bei der strukturellen Aus­ legung bezüglich der mechanischen Anforderungen (tragende Struktur) auf bekannte Kriterien zurückgegriffen werden kann.

Sofern dieser Vorteil nicht von besonderem Interesse ist, läßt sich die Bautiefe des Absorbers gegebenenfalls durch minimale Füllstoffanteile reduzieren.

Die erfindungsgemäße Bauart des Absorbers basiert auf dem Prinzip des Salisburg Screen (vergleiche Salisbury W. W. US-PS 25 99 944), welches auch als Prinzip des Folienabsor­ bers bekannt ist (vergleiche z.B. Meyer E. und Pottel R. in Fortschritte der Hochfrequenztechnik, Band 5, 1960); jedoch werden die üblichen Auslegungskriterien bezüglich der Eigen­ schaften der sogenannten Folie und des Zwischenschichtdielek­ trikums bewußt modifiziert Die Forderung nach geringer Foliendicke, Vernachlässigbarkeit von Polarisationsströmen in der Folienschicht und von Leistungsströmen im Dielektrikum wird hier nicht beibehalten. Diese Bedingungen sind zweck­ mäßig, wenn die für die Auslegung benötigten Perameter mit analytischen Mitteln bestimmt werden müssen. Der Einsatz elektronischer Rechenanlagen erlaubt es, auf die Einschrän­ kungen zu verzichten und auf diese Weise Vorteile bezüglich Bandbreite und Bautiefe zu erzielen.

Bezüglich des Materials für das zu verwendende Gewebe wird erfindungsgemäß keine Einschränkung vorgenommen. Insbesondere für den volumenmäßig unwesentlichen Anteil, welcher die als "Folien" zu bezeichnenden Schichten ausmacht, ist zwar ein Si-C-Gewebe entsprechender Leitfähigkeit geeignet, jedoch ebensogut eine C-Faser mit ausgewähltem Widerstand zu ver­ wenden. Als reflektierende Abschlußschicht ist eine C-Faser­ schicht extrem hoher elektrischer Leitfähigkeit angemessen, deren Wellenwiderstand nahezu verschwindet. Eine Metall­ platte, wie sie bekannte Absorber vorsehen, kann zwar eben­ falls die Anforderungen erfüllen, wird aber in der Regel den Anforderungen weniger genügen, da sie keinen natürlichen Be­ standteil des Faserverbundes darstellt.

Folgend sind Ausführungsbeispiele beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen aus acht unterschiedlichen Schichten gefertigten Faserverbundwerkstoff im Prinzip,

Fig. 2 einen Faserverbundwerkstoff aus drei Schichten und einer zusätzlichen Schutzschicht in detaillierter Darstellung.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Faserverbund­ werkstoffes 1 der erfindungsgemäßen Art dargestellt. Der Faserverbundwerkstoff besteht hier exemplarisch aus acht von­ einander zu unterscheidenden Schichten 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Davon dient die untere, der einfallenden elektromagne­ tischen Strahlung abgewandte Schicht 2 als Reflektor, der kein ideales Reflexionsvermögen besitzen muß. Auf diese Schicht 2, die unter Verwendung einer extrem hochleitfähigen Faser gefertigt wird, folgt ein sogenanntes Zwischenschicht­ dielektrikum 3, für das hochohmige bzw. praktisch nichtlei­ tende Fasern verwendet werden. Die folgende als modifizierte Folie zu bezeichnende Schicht 4 weist relativ hohe Verluste auf. Sie wird mit Fasern gefertigt, deren Leitfähigkeit gegenüber denen im Zwischenschichtdielektrikum 3 hohe Werte annimmt, jedoch nach oben dadurch beschränkt ist, daß die Schicht 4 gegenüber der einfallenden Strahlung teildurch­ lässig sein muß. Es folgen abwechselnd weitere Schichten 5, 6, 7, 8, 9 der beschriebenen Art 3 und 4, wobei als oberste Schicht beide Formen der Ausführung möglich sind. Die Schich­ ten 4, 7, 9, die relativ hohe elektrische Verluste aufweisen, können in ihrer Ausführung bezüglch der elektromagnetischen Stoffkonstanten und Dicken untereinander verschieden sein. Entsprechendes gilt für die Zwischenschichtdielektrika 3, 5, 6, 8.

Die Fig. 2 zeigt einen Aufbau des in Fig. 1 dargestellten allgemeinen Prinzips in einfachster Ausführung, wobei die einzelnen Schichten detaillierter beschrieben sind. Die Schicht 2 besteht z.B. aus mehreren Lagen CFK 10, 11, 12, 13, wobei die Lage 13 als Reflektor dient und die zusätzlichen Lagen 10, 11, 12 zur Anpassung an die Festigkeitsanforde­ rungen benutzt werden. Der spezifische Widerstand für das Gewebe des Reflektors besitzt z.B. Werte von ϕ≈10^-6Ωcm.

Auf die Schicht 2 folgt das Zwischenschichtdielektrikum 3, das z.B. aus einem Aramidfaserverbund (AFK) mit den Faser­ lagen 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 besteht. Wird z.B. eine Kevlarfaser verwendet, so ist die Schicht für die einfallen­ den Wellen transparent, das heißt praktisch verlustfrei. Kevlar weist ein geringes spezifisches Gewicht auf und bietet somit den Vorteil einer gewichtsgünstigen Lösung. Zur Reduk­ tion der Bautiefe können, sofern notwendig, minimale Füll­ stoffanteile 22 eingebracht werden. Die obere Schicht 4 bzw. 9 kann z.B. aus zwei Lagen CF-Gewebe 23, 24 gefertigt werden, das einen spezifischen Widerstand von ϕ≠20Ωcm besitzt, der damit klein ist gegenüber dem Widerstand der für die Zwischenschicht verwendeten Faser. Die so gefertigte Schicht weist bei dieser Ausführung einen nicht zu vernachlässigenden Realteil der komplexen Dielektrizitätskonstanten auf, das heißt, daß bei der Auslegung die auftretenden Polarisations­ ströme zu berücksichtigen sind. Außerdem ist die Dicke der Schicht nicht als klein gegen den reziproken Wert aus dem Betrag der komplexen Wellenzahl anzusehen. Somit entspricht die Bauweise nicht den üblichen Kriterien eines Folienabsor­ bers, bei dem anstelle dieser Schicht eine metallische Folie mit einem Flächenwiderstand verwendet wird, der dem Freifeld­ wellenwiderstand des Vakuums von 377Ω gleicht. Abgesehen von den mechanischen Vorteilen erweist sich diese Bauweise auch für die Bandbreite und Bautiefe als vorteilhaft.

Die Schicht 9 kann speziell im Regenerosionsbereich mit einer Schutzschicht 25, 26 aus thermoplastischem Material überzogen werden, wie z.B. einer dünnen PEEK-Lage, die bei der Auslegung zu berücksichtigen ist und keine Nachteile be­ züglich der Reflexionsdämpfung bewirkt.

Die Wirkung des Faserverbundwerkstoffes als Absorber basiert auf einem Aufbau in einer Form, die eine Modifikation des so­ genannten Folienabsorbers darstellt. Für den Faserverbund­ werkstoff bedeutet das in einfachster Ausführung eine Struk­ tur aus drei in ihren elektromagnetischen Stoffkonstanten zu unterscheidenden Schichten: eine hochleitfähige Faserkunst­ stoff-(FK)-Schicht als Reflektor, eine relativ transparente Zwischenschicht aus hochohmigen Fasern, wie z.B. Kevlar, und eine Folienschicht, die z.B. mit einer geeignet präparierten C-Faser, einer metallisierten Faser oder einer SiC-Faser ge­ fertigt wird. Anstelle der Kevlarfaser ist für die Zwischen­ schicht auch eine Glasfaser, eine Keramikfaser (Al₂O₃) und eine relativ hochohmige SiC-Faser verwendbar.

Durch den Einsatz thermoplastischer Matrizes wird die Schlag-, Stoß- und Reißempfindlichkeit eines Absorbers er­ höht. Durch die Auswahl geeigneter Fasern mit entsprechend thermischen Dehnkoeffizienten entstehen bei Erwärmung in den einzelnen Schichten gleiche thermische Dehnungen, wodurch die inneren Spannungen gering bleiben.

Claims (10)

1. Faserverbundwerkstoff für tragende Strukturen zur Absorp­ tion elektromagnetischer Wellen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sein Aufbau aus wenigstens drei in ihren elektromagnetischen Stoffkonstanten zu unterscheidenden Schichten (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) be­ steht, wobei für die Schichten (2 bis 9) eine oder mehrere Faserlagen (10, 11, 12, 13; 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; 23, 24) verwendet werden und die Faserlagen schicht­ weise abwechselnd eine hohe oder niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen, derart, daß die elektromagneti­ schen Stoffkonstanten der aus den Faserlagen (13 bis 21 und 23, 24) und Binder bestehenden Schichten (2 bis 9) und die Schichtdichen so aufeinander abgestimmt sind, daß die Reflexionsdämpfung integral in einem vorgegebenen Frequenzbereich maximiert ist.

2. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die letzte für die Reflexionsdämpfung wirk­ same Schicht (2) ein hohes Reflexionsvermögen aufweist.

3. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht (2) eine elektrisch hochleitfähige Faser (z.B. C-Faser) verwendet wird.

4. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Realteil der Dielektrizitätskonstanten in den Zwischenschichtdielektrika, das heißt in den Schichten (3, 5, 6, 8), für die Fasern mit geringer elek­ trischer Leitfähigkeit verwendet werden, durch minimale An­ teile von Füllstoffen (22) vergrößert wird.

5. Faserverbundwerwstoff nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anteil der Füllstoffe (22) in den ein­ zelnen Schichten (3, 5, 6, 8) unterschiedlich sein kann.

6. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schichten (3, 5, 6, 8) für die Fasern mit geringer elektrischer Leitfähigkeit verwen­ det werden, nicht zu vernachlässigende Leitungsströme auf­ weisen können.

7. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schichten (2, 4, 7, 9), für die Fasern mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden, nicht zu vernachlässigende Polarisationsströme aufweisen können.

8. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schichten (4, 7, 9) Dicken aufweisen, derart, daß die Produkte aus jeweiliger Dicke und dem jeweiligen Betrag der komplexen Wellenzahl gegen 1 nicht klein sein müssen.

9. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß als Matrix außer duroplasti­ schen Harzen auch thermoplastische Werkstoffe wie Poly­ ether-Ether-Keton (PEEK), Polyetherimid (PEI) oder Poly­ sulfon verwendet werden.

10. Faserverbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste, den einfallenden Wellen zugekehrte Schicht (4, 7 oder 9, je nach Schicht­ zahl) mit einer Erosionsschutzschicht (26), z.B. PEEK, PET oder Polyurethanlack überzogen ist.