DE69528467T2 - Flexibles material zur verwendung in in einer aufblasbaren struktur - Google Patents
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Description
- Die Erfindung ist auf das Gebiet flexibler Materialien gerichtet, und insbesondere auf das Gebiet flexibler Verbundmaterialien. Das Material ist direkt bei aufblasbaren Strukturen anwendbar, wie etwa der Gaszelle für leichter-als-Luft Fahrzeuge.
- Bei großen nicht starren leichter-als-Luft Fahrzeugen muss das für die Gaszelle verwendete Material eine große Anzahl von konstruktiven Anforderungen erfüllen, wie etwa hohe Festigkeit, Vorsehen von Rissbeständigkeit, Wirkung als Gasbarriere, keiner Alterung durch die Umgebung unterliegen, einschließlich ultravioletter Strahlung, durch Einwirkung von Sonnenlicht. Daher entwickelt sich ein solches Material zu einem mehrschichtigen Laminat, das Materialien mit verschiedenen Eigenschaften kombiniert (wie aus der US-A-5 118 558 bekannt). Die primären axialen Lasten auf irgendeinen Wandabschnitt der Gaszelle liegen bei 0 Grad zur Längsachse der Gaszelle und bei 90 Grad hierzu (in Umfangsrichtung). Die meisten Materialien enthalten gewobenes Fasermaterial, wobei das Fasermaterial an den 0 und 90 Grad Winkeln orientiert ist. Darüber hinaus Scherlasten aufzunehmen, enthält das Fasermaterial manchmal Orientierungen bei plus oder minus 45 Grad zu jenen, die die Axiallasten aufnehmen.
- Bei früheren Konstruktionen, wo die Spannungswerte gering waren, wurden häufig mehrere Schichten aus Baumwollgewebe verwendet, das mit Gummi imprägniert war, um für die Gasabdichtung zu sorgen. Später wurden Kunstfasern wie etwa RAYONTM oder DACRONAM verwendet, hergestellt von E. I. duPont de Nemours & Company (nachfolgend als "DuPont" bezeichnet). Die Baumwollgewebeschichten lagen an 0 und 90 Grad (Axial- oder Festigkeitslagen) für die Zuglast und plus und minus 45 Grad (Spannlagen) für die Scherlasten. Jedoch führte dieser Ansatz nicht immer zu einer optimal festen Konstruktion für die Festigkeit, die zu Aufnahmen von Scherlasten erforderlich war, die typischerweise viel geringer sind als sie die Spannlagen aushalten. Die Verwendung desselben Materials sowohl für die axialen Zuglasten als auch die Spann-(Scher-) Lasten führte häufig zu einem Gewichtsproblem.
- Einige moderne Konstruktionen verwenden eine gewobene Polyesterfaser wie etwa DACRONTM für das 0 und 90 Grad-Axiallast-Aufnahmematerial. Eine Folie aus einem Material, das für Helium undurchlässig ist, wie etwa Polyesterterephthalat, das als Gasbarriere dient, nimmt auch einige Scherlasten auf. Ein typisches Polyesterterephthalat wird von DuPont unter dem Handelsnamen MYLARTM verkauft. Gewobene Polyesterfaser wie etwa DRACRONTM hat einen sehr großen Bruchdehnungswert, etwa 20 Prozent. Jedoch erforderten in großen nicht starren Luftschiffen die Festigkeitsanforderungen die Verwendung von sehr hochfesten Materialien, wie etwa (schmelzgesponnener) thermotropischer Flüssigkristall- Polyesterpolyacrylatfaser, z. B. VECTRANTM hergestellt von Hoechst Celanese, Deutschland, um die Axiallasten aufzunehmen. Ein anderes hochfestes Material ist eine (lösungsmittelgesponnene) lyotropische aromatische Polyaramidfaser, wie etwa KEVLARTM, die von DuPont hergestellt wird. Jedoch haben sowohl VECTRANTM als auch KEVLARTM einen sehr kleinen Bruchdehnungswert, in der Größenordnung von 4%. Wenn die Spannschichten aus demselben Material hergestellt wären, würde eine biaxiale Last in den 0 und 90 Grad Fasern eine signifikante Last auf die 45 Grad-Spannschichten übertragen. Dass diese Schichten genauso hart wie die 0 und 90 Grad Lagen arbeiten müssen, führt zu einem potentiellen Bruchmodus oder zu einer Schwächung des Systems. In der Tat verhindert eine Spannschicht mit einer höheren Dehnung als die 0 und 90 Grad (Festigkeitsfasern) einen frühzeitigen Bruch in der Spannlage bei Höchstlast in den Festigkeitsfasern.
- Ein Teil der Stand der Technik führt von der Verwendung eines solchen Konzepts weg, wie z. B. das deutsche Patent Nr. DE 3702936 "Faserverbundwerkstoff" von S. Roth et al. Roth et al. lehren die Verwendung von Fasern mit hoher Festigkeit und Dehnung bei 0 und 90 Grad in Verbindung mit 45 Grad Fasern, die einen hohen Elastizitätsmodul haben, zur Verwendung in starren Kompositstrukturen. Somit ist der Bruchdehnungswert der plus oder minus 45 Grad Fasern kleiner als der der 0 und 90 Grad Fasern.
- In dem U.S. Patent Nr. 4,770,918 "Diaphragm For Producing Sound" von A. Hayashi ist eine flexible Membrane zur Schallerzeugung offenbart, die zumindest eine Schicht aus einem ersten Gewebe mit geringer Dehnung und zumindest zwei Schichten aus einem zweiten Gewebe mit einer starken Dehnung aufweist. Die ersten und zweiten Gewebe sind derart angeordnet, dass sich deren Ketten einander zwischen 10 und 80 Grad kreuzen, wodurch eine Dehnung der Membrane in der Kettrichtung des ersten Gewebes allgemein gleich der Dehnung der Membrane in einer Richtung ist, die mit einem 45 Grad Winkel relativ zur Kettrichtung des ersten Gewebes geneigt ist. Dies erlaubt eine leichte Abstimmung der Membrane. Diese Erfindung würde natürlich eine ineffiziente unter Druck gesetzte Struktur erzeugen.
- Andere Patente von allgemeinem Interesse, in denen Materialien unterschiedlicher Eigenschaften zu einer einzigen flexiblen Struktur kombiniert sind, sind die U.S. Patente Nummern 5,189,280 "Three Dimensional Fiber Structures Having Improved Penetration Resistance" von G. A. Harpell et al., 4,871,598 "Container With Flexible Walls" von E. Potente et al. und 5,215,795 "Shock-Absorbing Air Bag" von M. Matsumoto et al.
- Die DE-A-3702936 offenbart ein faserverstärktes Verbundmaterial zur Verwendung bei der Flugzeugherstellung und besteht aus hochfesten Fasern, insbesondere Karbonfasern. Das Material besteht aus einem multidirektionalen Laminat mit Fasern, die bei 0º, ±45º und 90º orientiert sind. Die bei 0º und 90º orientierten Fasern haben eine hohe Zug-Bruch- Festigkeit. Die Fasern mit der ±45º Orientierung haben eine hohe Steifigkeit (Elastizitätsmodul). Die Toleranz für die gegebenen Faserorientierungen beträgt ±15º.
- Primäre Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Laminatmaterial anzugeben, das für die Wand flexibler Druckbehälter geeignet ist.
- Eine andere primäre Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laminatmaterial anzugeben, das für die Wand eines flexiblen Druckbehälters geeignet ist, worin Spannscherlast-aufnehmende Lagen einen größeren Bruchdehnungswert haben als die Axialzuglast-aufnehmenden Lagen.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laminatmaterial anzugeben, das für Druckbehälter mit flexibler Wand geeignet ist, das durch Ultraviolettstrahlung nicht altert.
- Eine noch weitere Aufgabe zumindest einer Ausführung der Erfindung ist es, ein Laminatmaterial anzugeben, das für die Wand von flexiblen Druckbehältern geeignet ist, die zur Aufnahme von Heliumgas geeignet sind.
- Eine andere Aufgabe zumindest einer Ausführung der Erfindung ist es, ein Laminatmaterial anzugeben, das für die Wand von flexiblen Druckbehältern geeignet ist, leicht miteinander vernäht werden kann.
- Die Erfindung ist ein Material, das zur Verwendung als die Wand eines Druckbehälters, wie etwa der Gaszelle eines leichter-als-Luft Fahrzeugs, geeignet ist. Im Detail gibt die Erfindung ein flexibles laminiertes hochfestes, rissbeständiges, gasundurchlässiges, ultraviolettstrahlungs- und windbeständiges Wandmaterial für leichter-als-Luft Fahrzeuge und dergleichen an, wobei das Material freiliegende Innen- und Außenseiten aufweist und zwischen den freiliegenden Innen- und Außenseiten mehrere verbundene Schichten enthält, wobei das Material aufweist:
- a) eine erste Schicht aus Bindeharz, die die freiliegende Innenseite bildet;
- b) zumindest eine erste Schicht aus Material, das einzelne Stränge bei 0º und 90º hat, die an die erste Schicht aus Bindeharz gebunden sind;
- c) zumindest eine zweite Schicht aus Material, das einzelne Stränge bei plus und minus 45º hat, wobei die zumindest eine zweite Schicht einen Bruchdehnungswert hat, der größer als der der zumindest einen ersten Schicht ist;
- d) Sicherungsmittel, um die zumindest eine erste und die zumindest eine zweite Schicht aneinander zu sichern;
- e) eine zweite Schicht aus Bindeharz;
- f) eine Schicht aus gasundurchlässigem Material, wobei die zweite Schicht aus Bindeharz die Schicht aus gasundurchlässigem Material an die zumindest eine zweite Schicht aus hochfestem gewobenem Material bindet;
- g) eine Schicht aus ultraviolettstrahlungs- und windbeständigem Material; und
- h) eine dritte Schicht aus Harz, das die Schicht aus ultraviolettstrahlungs- und windbeständigem Material an das gasundurchlässige Material bindet, wobei die freiliegende Außenseite durch die UV-beständige Schicht gebildet ist.
- Kritisch für die Erfindung ist, dass der Bruchdehnungswert für das Fasermaterial der zweiten Schicht größer sein muss als für das 0 und 90 Grad Fasermaterial der ersten Schicht. Die ersten und zweiten Schichten sind durch Harz miteinander verbunden. Die ersten und zweiten Schichten können auch miteinander verstrickt oder vernäht sein, mit oder ohne das Harz, um zusätzliche Festigkeit hinzuzufügen. Bevorzugt sind eine zusätzliche Folie aus gasundurchlässigem Material und ein ultraviolettstrahlungs-beständiges Material an die ersten zwei Schichten gebunden.
- Die neuartigen Merkmale, von denen angenommen wird, dass sie für die Erfindung charakteristisch sind, sowie ihre Organisation und das Betriebsverfahren, gemeinsam mit weiteren Zielen und Vorteilen davon werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen die gegenwärtig bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung als Beispiele dargestellt sind. Es versteht sich natürlich, dass die Zeichnungen nur zu Illustrations- und Beschreibungszwecken sind und nicht als Einschränkung der Grenzen der Erfindung dienen sollen.
- Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines leichter-als-Luft Fahrzeugs.
- Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines Abschnitts der Wand der Gaszelle, die aus einem flexiblen Fabriktextillaminat hergestellt ist, die die Hauptachse der Fasermaterialausrichtung darstellt.
- Fig. 3 ist eine Teilperspektivansicht eines Abschnitts des Textillaminats, worin die ersten und zweiten Schichten gewobene Materialien sind.
- Fig. 4 ist eine Teilseitenansicht einer zweiten Ausführung des Textilmaterials, worin die Fasermaterialien, die beide ersten und zweiten Schichten bilden, unidirektionale Lagen sind, die miteinander vernäht sind.
- Fig. 5 ist eine Ansicht einer dritten Ausführung des Textillaminats orthogonal hierzu, worin die Fasermaterialien, die beide ersten und zweiten Schichten bilden, unidirektionale Lagen sind, die miteinander verstrickt sind.
- Fig. 6 ist eine Seitenansicht der dritten Ausführung des in Fig. 5 dargestellten Textillaminats.
- Fig. 7 ist eine Grafik, in der die Festigkeit der 0 und 90 Grad Faser als Funktion des Verhältnisses der Bruchdehnungsrate der 0 und 90 Grad Faser zur plus oder minus 45 Grad Faser aufgetragen ist.
- In Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines leichter-als-Luft Fahrzeugs dargestellt, allgemein mit der Nummer 10 bezeichnet. Das Fahrzeug 10 enthält eine Gaszelle 12 mit einer Längsachse 13A, einer Querachse 13B und einer Vertikalachse 13C. An der Gaszelle ist eine Gondel 14 aufgehängt, die eine Mehrzahl von daran angebrachten Vortriebssystemen 16 enthält. Mit zunehmender Größe des Fahrzeugs werden hohe Spannungswerte in die Gaszelle 12 eingeleitet. Zusätzlich sollte die Gaszelle 12 bevorzugt sein: undurchlässig für Heliumgas; nicht durch die Umgebung beeinträchtigt (einschließlich Ultraviolettstrahlung); vernähbar sein; und beschädigungstolerant sein. Um alle diese Anforderungen zu erfüllen, benötigt man ein laminiertes mehrschichtiges flexibles Textil, das aus verschiedenen Materialien mit spezifischen mechanischen Eigenschaften hergestellt ist.
- In Fig. 2 ist ein Abschnitt der flexiblen Wand mit einer Innenseite 22 und einer Außenseite 24 dargestellt, und ist auf mehreren Schichten von Fasermaterial in einer nachfolgend diskutierten Weise zusammengesetzt. Die Hauptaxiallasten werden entlang der 0 Grad Achse eingeleitet, die mit der Längsachse 13A fluchtet und mit der Zahl 26 bezeichnet ist, und 90 Grad hierzu wie mit der Zahl 28 bezeichnet. Somit ist das hauptlastaufnehmende Fasermaterial zu diesen Achsen ausgerichtet. Scherlasten werden von dem Fasermaterial aufgenommen, das zu den plus und minus 45 Grad Richtungen ausgerichtet ist, wie mit den Zahlen 30 und 32 bezeichnet. Der 45 Grad Winkel kann auf der Basis der Detailanforderungen der spezifischen Anwendungen justiert werden.
- In Bezug auf Fig. 3 ist die flexible Wand 20 (ausgehend von der Innenseite 22) aufgebaut aus einer ersten Harzschicht 40, die an eine erste Schicht 42 aus gewobenem Garn mit einzelnen Strängen bei 0 und 90 Grad, gebunden ist. Die Harzschicht 30 und die darauf folgenden Harzschichten sind bevorzugt ein Polyurethan. Die erste Schicht 42 ist aus einem hochfesten Garn hergestellt, wie etwa (schmelzgesponnener) thermotropischer Flüssigkristall-Polyesteracrylatfaser (VECTRANTM). Auch geeignet ist eine lyotropische (lösungsmittelgesponnene) aromatische Polyaramidfaser (KEVLARTM). Eine zweite Harzschicht 44 trennt die erste Schicht 42 von einer zweiten Schicht 46 aus gewobenem Fasermaterial mit einzelnen Strängen plus oder minus 45 Grad. Eine dritte Harzschicht 48 trennt die zweite Schicht 46 von einer Folie 50 aus Material, das für Heliumgas im Wesentlichen undurchlässig ist, wie etwa Polyesterterephthalat (MYLARTM). Schließlich dient eine vierte Harzschicht 52 dazu, an eine Außenschicht 54 einer Materials zu binden, das gegen Alterung durch Ultraviolettstrahlung beständig ist und das auch einen Schutz vor Winderosion und dergleichen bietet. Dieses Material ist eine Polyvinylfluoridfaser, die unter dem Handelsnamen TEDLARTM von DuPont verkauft wird. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das Material in seiner "Auflage- Form" dargestellt. Eine Alternative zu MYLARTM oder TEDLARTM ist es, den Harzgehalt des Laminats zu erhöhen, um die Fasern unter Bildung einer gasundurchlässigen Schicht zu imprägnieren.
- Der kritische Faktor in der Auwahl der Materialien für die Gaszellenwand 20 ist, abgesehen von chemischer Kompatibilität, dass die Bruchdehnung (Zentimeter pro Zentimeter oder Zoll pro Zoll) der zweiten Schicht aus Fasermaterial größer ist als die Bruchdehnung für die erste Schicht. Dies stellt sicher, dass die Dehnungen, die durch die 0 und 90 Grad Axiallasten in die Schicht 42 eingeleitet werden, keine Brüche erzeugen, wenn sie in die Schicht 46 übertragen werden. Ferner ist ein Material mit hoher Dehnungsrate für die zweite Schicht 46 sehr gewünscht darin, dass sie die Möglichkeit lokaler Spannungskonzentrationen reduziert.
- In Fig. 4 ist eine zweite Ausführung des betreffenden Materials dargestellt, im Allgemeinen mit der Zahl 60 bezeichnet. Ausgehend von unten nach oben, umfasst das Material eine erste Harzschicht 61; eine erste Schicht 62 mit einer unidirektionalen Fasermateriallage 64 bei 0 Grad und einer Lage 66 bei 90 Grad; eine zweite Schicht 70 mit einer unidirektionalen Fasermateriallage 72 bei plus 45 Grad und einer zweiten Lage 74 bei minus 45 Grad. Die vier Lagen 62, 64, 72 und 74 sind miteinander vernäht, wobei die Nähte mit der Zahl 78 bezeichnet sind. Eine Heliumgas-Barriereschicht aus einem Material, wie etwa einer MYLARTM Schicht 79 ist darüber durch die Harzschicht 76 gebunden, und eine End- Schicht 80 aus ultraviolettstrahlungsbeständigem Material wie etwa TEDLARTM ist mittels einer Harzschicht 82 gebunden. In der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführung werden, wenn die einzelnen Schichten miteinander verbunden werden, die ersten und zweiten Schichten 62 und 70 jeweils in einer flexiblen Harzmatrix verkapselt. Anzumerken ist, dass die gewobenen oder gewebten ersten und zweiten Materialschichten 42 und 46, die jeweils in Fig. 3 dargestellt sind, auch miteinander vernäht werden könnten.
- In den Fig. 5 und 6 ist eine dritte Ausführung dargestellt, allgemein mit der Zahl 90 bezeichnet, worin die in Fig. 4 gezeigten ersten und zweiten Schichten 62 und 70 miteinander verstrickt sind, wie mit der Zahl 92 angegeben. Der Rest des Materials 90 ist ähnlich zu Fig. 4. Wiederum ist anzumerken, dass die gewobenen oder gewebten ersten oder zweiten Materialschichten 42 und 46, die jeweils in Fig. 3 dargestellt sind, auch miteinander verstrickt werden könnten, um die Festigkeit zu verbessern.
- Wie zuvor erwähnt, ist es für die Erfindung kritisch, dass der Bruchdehnungswert für das Fasermaterial in der zweiten plus oder minus 45 Grad-Schicht größer sein muss als für das 0 und 90 Grad Fasermaterial für die erste Schicht. Fig. 7 demonstriert die Wichtigkeit dieses Merkmals. Die Festigkeit des Materials sowohl unter uniaxialen als auch biaxialen Lastzuständen ist mit einer Serie verschiedener Dehnungswerte für das biaxiale Material gezeigt. Die Bruchdehnung des biaxialen Materials ist durch die Bruchdehnung des 0 und 90 Grad Materials geteilt, um ein Dehnungsverhältnis zu erzeugen. Wenn das Verhältnis kleiner als eins ist, wird die plus oder minus 45 Grad-Spannschicht zuerst brechen, und ein Verhältnis von größer als eins bedeutet, dass die 0 und 90 Grad-Schicht zuerst brechen wird. Die schwere Strafe für niedrige Verhältnisse ist offensichtlich.
- Während die Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Ausführungen lediglich illustrativ sind, da es zahlreiche Variationen und Modifikationen gibt, die vom Fachmann durchgeführt werden können. Somit soll die Erfindung nur aus dem Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt werden.
- Die Erfindung ist in der Verbundwerkstoffindustrie und auch in der Luftfahrzeugindustrie anwendbar.
Claims (9)
1. Flexibles laminiertes, hochfestes, rissbeständiges,
gasundurchlässiges, ultraviolettstrahlungs- und windbeständiges
Wandmaterial (20, 60) für leichter-als-Luft Fahrzeuge und
dergleichen, wobei das Material freiliegende Innen- und Außenseiten
aufweist und zwischen den freiliegenden Innen- und Außenseiten
mehrere verbundene Schichten enthält, wobei das Material aufweist:
a) eine erste Schicht aus Bindeharz (40, 61), die die freiliegende
Innenseite bildet;
b) zumindest eine erste Schicht aus Material (42, 70), das
einzelne Stränge bei 0º und 90º hat, die an die erste Schicht
aus Bindeharz (40, 61) gebunden sind;
c) zumindest eine zweite Schicht (46, 70) aus Material, das
einzelne Stränge bei plus und minus 45º hat, wobei die
zumindest eine zweite Schicht (46, 70) einen
Bruchdehnungswert hat, der größer als der der zumindest
einen ersten Schicht (42, 70) ist;
d) Sicherungsmittel (44, 78), um die zumindest eine erste und
die zumindest eine zweite Schicht aneinander zu sichern;
e) eine zweite Schicht (48, 76) aus Bindeharz;
f) eine Schicht (50, 79) aus gasundurchlässigem Material, wobei
die zweite Schicht (48, 76) aus Bindeharz die Schicht (50,
79) aus gasundurchlässigem Material an die zumindest eine
zweite Schicht (46, 70) aus hochfestem gewobenem Material
bindet;
g) eine Schicht (54, 80) aus ultraviolettstrahlungs- und
windbeständigem Material; und
h) eine dritte Schicht (52, 82) aus Harz, das die Schicht (54, 80)
aus ultraviolettstrahlungs- und windbeständigem Material an
das gasundurchlässige Material (50, 79) bindet, wobei die
freiliegende Außenseite durch die UV-beständige Schicht (54,
80) gebildet ist.
2. Flexibles laminiertes Material wie beansprucht, worin die ersten,
zweiten und dritten Schichten aus Bindeharz Polyurethanharz sind.
3. Flexibles laminiertes Material nach Anspruch 1 oder 2, worin das
Sicherungsmittel (44), um die zumindest eine erste und die
zumindest eine zweite Schicht aus gewobenem Material zu
verbinden, ein Polyurethanharz ist.
4. Flexibles laminiertes Material nach Anspruch 1 oder 2, worin das
Sicherungsmittel (78), um die zumindest eine erste und die
zumindest eine zweite Schicht aus gewobenem Material zu
verbinden, Nähen ist.
5. Flexibles laminiertes Material nach Anspruch 1 oder 2, worin das
Sicherungsmittel (78), um die zumindest eine erste und die
zumindest eine zweite Schicht aus gewobenem Material zu
verbinden, Stricken ist.
6. Flexibles laminiertes Material nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, worin die zumindest eine erste Schicht aus gewobenem
Material (42, 70) eine Faser ist, die aus der Gruppe
herausgenommen ist, die aus schmelzgesponnenen und
lösungsmittelgesponnenen Fasern besteht.
7. Flexibles laminiertes Material nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, worin das gasundurchlässige Material ein
Polyesterterephthalat ist.
8. Flexibles laminiertes Material nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, worin die ultraviolettstrahlungs- und windbeständige
Materialschicht (54, 80) Polyvinylfluorid ist.
9. Flexibles laminiertes Material nach Anspruch 6, worin die
schmelzgesponnenen oder lösungsmittelgesponnenen Fasern
Polyesterpolyacrylat bzw. aromatische Polyaramidfasern sind.
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