Neue Kombination von Beschichtungs- und Anwendungsmethode schützt Tragflächen
Die Luftfahrtindustrie verwendet großflächig kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (KFK). Dieses Material ist steif und leicht. Und dazu noch glatt. Daher bestehen Flugzeugoberflächen, wie beispielsweise Tragflächen und Anströmkanten, oftmals aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Doch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sind erosionsanfällig. Schwebstaub und Niederschlag wirken auf Flugzeugtragflächen wie Schleifpapier ein. Wichtige Oberflächen wie die Anströmkanten von Tragflächen werden daher beschichtet, um den Erosionsschutz zu gewährleisten. Die aktuellen Beschichtungen sind für diesen Zweck ungeeignet, da sie fortwährend neu aufgetragen werden müssen. Sie weisen außerdem eine schlechte Leitfähigkeit in puncto Wärme und Elektrizität auf. Dies bedeutet, dass die Beschichtungen wenig Schutz vor Blitzschlägen bieten und schlechte Eigenschaften haben, was das Enteisen und Vereisen anbelangt. Die Industrie benötigt eine neue Beschichtung, die im Rahmen des EU-finanzierten Projekts WINNER erarbeitet wurde. Das Team entwickelte mehrere Erosionsschutzbeschichtungen weiter, die für Tragflächen mit verschiedenen elektrischen und thermischen Eigenschaften verwendet werden sollen. Das Ziel war, den Schutz vor Erosion sowie Blitzeinschlägen und Vereisen zu gewährleisten.
Mehrlagige Beschichtungen
Die Beschichtungen basieren auf mehreren Lagen von Titan und Titannitrid. Titan ist ein zähes, aber leichtes Metall, das Aufprallenergie absorbieren kann. Titannitrid ist ein festes, aber zerbrechliches Keramikmaterial, das häufig für die Beschichtung von Werkzeugen verwendet wird, bei einem Aufprall jedoch bricht. Durch die Verwendung beider Materialien werden deren Vorteile kombiniert. „Daher“, erklärt Projektkoordinator Borja Coto, „mussten wir unter Verwendung der Materialien in abwechselnden Lagen eine Beschichtungsstapelarchitektur wie bei einer Lasagne gestalten.“ Die Anwendung der Beschichtungen auf kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffsubstrate stellt besondere Herausforderungen dar. Da es sich bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen im Wesentlichen um Plastik handelt, ist eine Anwendung bei geringer Temperatur erforderlich.
Dampfanwendung
Hierzu modifizierten die Forschenden von WINNER ein bestehendes Beschichtungsverfahren namens physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), das für die neuen Beschichtungen des Projekts verwendet werden sollte. Beim PVD-Verfahren wird das Beschichtungsmaterial in einer Vakuumkammer verdampft und dann auf der Oberfläche abgelagert. Die wichtigsten Vorteile sind, dass das PVD-Verfahren mit vielen Materialien funktioniert, dass damit auf vielen Arten von Substraten (einschließlich kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe) einzelne oder mehrere Lagen erzeugt werden können und dass das Verfahren eine präzise Regulierung der Dicke ermöglicht. Die Kombination aus schützenden Titanverbindungen und PVD-Verfahren war niemals zuvor versucht worden. Die Ergebnisse legen nahe, dass die PVD-Anwendung der neuen Beschichtung einen einwandfreien Erosionsschutz gewährleistet. „Der Schutzgrad für die Regenerosion hat noch Luft für Verbesserungen“, erklärt Coto. „Im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften haben wir widerstandsfähige Beschichtungen erhalten, der Hauptfokus des Projekts lag jedoch auf den Erosionseigenschaften.“ Das wichtigste Ergebnis war das neu erworbene Wissen über die Komplexitäten verschiedener Erosionsarten bei PVD-Beschichtungen auf kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Dies ist wichtig für die Gestaltung geeigneter Beschichtungsstrategien. Im Weiteren wird das Team die Beschichtungen unter Verwendung anderer Materialkandidaten wie Chrom und Chromnitrid optimieren. Diese könnten als Zwischenlagen mit dem Titan und Titannitrid verwendet werden, um die Haftung und somit den Regenschutz zu verbessern. In Zukunft könnte das Hinzufügen weiterer Verbindungen zur Veränderung der elektrischen Eigenschaften beim Schutz vor Blitzeinschlägen und Enteisen hilfreich sein. Für alle Beschichtungen ist letztlich eine Prüfung und Verifikation nach den Sicherheitsnormen im Flugverkehr erforderlich. Das Projekt WINNER ebnet den Weg für zukünftige Beschichtungen auf Flugzeugtragflächen. Solche Beschichtungen sind ein integraler Bestandteil der breit gefächerten Arbeit Europas an der Verbesserung der Energieeffizienz und Umweltauswirkungen im Luftverkehr.
Schlüsselbegriffe
WINNER, Beschichtung, Erosion, KFK, PVD, Flugzeugtragfläche, Luftverkehr, kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, Erosionsschutz, physikalische Gasphasenabscheidung
