Derzeit sind Verbundwerkstoffe neben metallischen Werkstoffen, Polymerwerkstoffen und anorganischen nicht{0}}metallischen Werkstoffen zu einem der vier wichtigsten Materialsysteme geworden. Das Niveau der Verbundwerkstoffindustrie eines Landes ist zu einem Schlüsselindikator für seine wissenschaftliche, technologische und wirtschaftliche Stärke geworden. Fortschrittliche Verbundwerkstoffe sind eine Quelle von Wettbewerbsvorteilen für die nationale Sicherheit und die Wirtschaft. Es wird prognostiziert, dass bis 2020 nur Verbundwerkstoffe das Potenzial haben werden, eine Leistungssteigerung von 20–25 % zu erreichen.
1. Anwendungen in Flugzeugrumpfstrukturen
Fortschrittliche Verbundwerkstoffe werden zur Herstellung von Primärlast--Tragstrukturen und Sekundärlast--Tragstrukturen verwendet und bieten eine Steifigkeit und Festigkeit, die mit denen von Aluminiumlegierungen vergleichbar ist oder diese übertrifft. Diese Materialien werden heute häufig bei der Herstellung von Flugzeugrumpfstrukturen und kleinen integrierten Strukturen für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) eingesetzt. Die Vereinigten Staaten haben Verbundwerkstoffe in großem Umfang in Kampfjets und Kampfflugzeugen eingesetzt. In den 1960er Jahren verwendeten die USA erstmals „kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe“ (CFRP) in Militärflugzeugen für Komponenten wie Kabinentüren, Zugangsklappen, Verkleidungen und Steuerflächen (z. B. Querruder und Ruder) mit geringen oder nicht{11}}Belastungsanforderungen-. In den frühen 1980er Jahren entwickelten sich Verbundwerkstoffe zu „Heckkomponenten“ wie vertikalen und horizontalen Stabilisatoren (sekundäre tragende Strukturen), wie sie in Flugzeugen wie der F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 und Mirage 4000 zu sehen waren. Während dieser Phase blieb die Verwendung von Verbundwerkstoffen begrenzt. In den späten 1980er Jahren wurden Jäger der vierten Generation wie die F-22 und F-35 JSF begann mit der Einbindung von Verbundwerkstoffen in „wichtige tragende Strukturen“ wie Tragflächen und Rümpfe und beschleunigte so die Integration von Verbundwerkstoffen in Militärflugzeuge. Der Einsatz von Verbundwerkstoffen hat weiter zugenommen (Tabelle 1-2) und macht mittlerweile „20–50 % der Strukturmasse“ moderner Militärflugzeuge aus.
Das britische Unternehmen ICI verwendete GF/PA (wahrscheinlich glasfaserverstärktes Polyamid) zur Herstellung von Ventilen für Kampfflugzeuge und stellte sicher, dass diese Ventile auch nach längerer Einwirkung von Treibstoff über einen weiten Temperaturbereich ihre Leistung und Formstabilität beibehalten. Du Pont verwendete auch Materialien wie GF, KF/PA und PPS (Polyphenylensulfid) zur Herstellung von Komponenten für Militärflugzeuge.
Am Beispiel des F/A-22-Kampfflugzeugs der vierten-Generation machen Verbundwerkstoffe 24,2 % der Strukturmaterialien aus. Davon machen duroplastische Verbundwerkstoffe 23,8 % aus, während thermoplastische Verbundwerkstoffe etwa 0,4 % ausmachen. Rund 70 % der duroplastischen Verbundwerkstoffe basieren auf Bismaleimidharz (BMI), das zur Herstellung von über 200 Arten komplexer Komponenten verwendet wird. Die übrigen duroplastischen Materialien bestehen hauptsächlich aus Verbundwerkstoffen auf der Basis von Epoxidharz-, zusätzlich werden Verbundwerkstoffe auf der Basis von Cyanatester und thermoplastischem Harz- verwendet. Zu den Hauptanwendungsbereichen gehören Tragflächen, mittlere Rumpfhäute, Spanten und Heckabschnitte.
Militärische Drehflügler nutzen ebenfalls in großem Umfang Verbundwerkstoffe. Beispielsweise besteht das Tiltrotorflugzeug V-22 Osprey für über 40 % seiner Strukturmasse aus Verbundwerkstoffen, einschließlich Rumpf, Flügeln, Leitwerk und Rotationsmechanismen, was insgesamt mehr als 3.000 kg Verbundwerkstoffe ergibt. Der neueste europäische Kampfhubschrauber Eurocopter Tiger besteht in 80 % seiner Strukturkomponenten aus Verbundwerkstoffen und kommt damit einer vollständig aus Verbundwerkstoff bestehenden Flugzeugzelle nahe. Im Gegensatz dazu verwenden militärische Transportflugzeuge weniger Verbundwerkstoffe-C-17 mit 8 % und C-130J mit nur 2 % – obwohl der Militärtransporter Airbus A400M einen Flügel vollständig aus Verbundwerkstoffen enthält, wobei Verbundwerkstoffe im leeren Zustand 35 % seiner Strukturmasse ausmachen.
In der Zivilluftfahrt hatten die Anfang der 1980er Jahre in den USA gebauten Einzelpiloten-Leichtflugzeuge vom Typ Star™ eine Strukturmasse von etwa 1.800 kg, wobei die Verbundwerkstoffe über 1.200 kg wogen. Das Leichtflugzeug Voyager von 1986, dessen Struktur zu über 90 % aus Kohlefaserverbundwerkstoffen bestand, stellte einen Weltrekord für einen neuntägigen Nonstop-Flug rund um die Welt auf. Heute hat sich die Rivalität zwischen den Luft- und Raumfahrtgiganten Boeing und Airbus verschärft, wobei der Schwerpunkt auf der zunehmenden Verwendung von Verbundwerkstoffen liegt (Abbildung 1-2).
Um den ersten vollständig aus Verbundwerkstoffen gefertigten Rumpf eines 787-Flugzeugs herzustellen, verwendete Boeing eine Faserplatzierungsmethode, die der von Raytheon ähnelt. Dabei entstand ein zusammengesetztes Rumpfbauteil mit einer Länge von 7 Metern und einer Breite von 6 Metern. Diese Struktur wurde mithilfe der „Automatic Fiber Placement (AFP)“-Technologie auf einem massiven rotierenden Dorn hergestellt. Der Dorn wurde mit Rillen vor-bearbeitet, die der Form und den Abmessungen der Rumpfstringer und Längsträger entsprachen. Vorgeformte Stringer und Balken (hergestellt aus Kohlenstofffaser-Prepreg-Schichten und druckgehärtet) wurden vor dem Wickeln in diese Rillen gelegt. Während der Produktion drehte sich der Dorn um seine Achse und ermöglichte das kontinuierliche Aufwickeln der Fasern auf die Form, um die Rumpfschale zu bilden, wobei die Fensteröffnungen unbelegt blieben. Die Rumpfschale wurde dann zusammen mit den Trägern und Stringern im Autoklaven ausgehärtet, um einen monolithischen Rumpfabschnitt aus Verbundwerkstoff zu erzeugen, der später als Endprodukt entformt wurde.
Der Rumpfabschnitt der Boeing 787 aus Verbundwerkstoff ist nicht nur die größte filamentgewickelte Rumpfkomponente der Welt, sondern gilt auch als der größte jemals hergestellte Kohlefaser-Druckbehälter. Die außergewöhnliche Zug-/Ringfestigkeit des Verbundmaterials ermöglicht es ihm, einem höheren Kabinendruck standzuhalten und einen Innendruck aufrechtzuerhalten, der einer Höhe von 6.000 Fuß (1.830 Metern)-im Vergleich zu den typischen 7.000–9.000 Fuß in herkömmlichen Flugzeugen entspricht-was den Passagierkomfort erheblich verbessert. Darüber hinaus sind Verbundwerkstoffe korrosionsbeständig (eine große Schwäche von Flugzeugzellen aus Metall), wodurch die Luftfeuchtigkeit in der Kabine stabil bei 10–15 % (gegenüber 5–10 % in Metallrümpfen) bleibt, was den Komfort weiter erhöht.
Unter dem wachsenden Einfluss der Verbundwerkstofftechnologie hat Airbus den A-350 komplett neu gestaltet und ihn in „A-350 XWB (Extra Wide Body)“ umbenannt. Das Flugzeug erhöhte seinen Verbundmaterialverbrauch von ursprünglich 40 % auf 52 %. Der Rumpf der A-350 Wie die 787 wird auch die A-350 XWB den Kabinendruck auf einem Höhenäquivalent von 6.000 Fuß aufrechterhalten.
Am 14. Juni 2013 führte Airbus den Jungfernflug seines neuen Großraumflugzeugs A350 XWB erfolgreich durch und markierte damit nach Boeings B-787 „Dreamliner“ einen weiteren Meilenstein in der globalen Luftfahrtindustrie. Der A350
Die 555-sitzige A-380, das größte Flugzeug der Welt, erreichte bahnbrechende Leistungen in der Geschichte der Luftfahrt, indem sie in großem Umfang „kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK)“ verwendete. Verbundwerkstoffe machen „25 % der Masse“ des Flugzeugs aus, wobei 22 % aus CFK und 3 % aus „GLARE-Faser-Metall-Laminat“ (einem geschichteten Hybrid aus Aluminium- und Glasfaserverbundwerkstoffen) bestehen, wobei Letzteres erstmals in Zivilflugzeugen eingesetzt wird. Zu den CFK-Komponenten gehören: Geschwindigkeitsbremsen, vertikale und horizontale Stabilisatoren (die gleichzeitig als Treibstofftanks dienen), Höhenruder, Querruder, Klappenspoiler, Fahrwerkstüren, Verkleidungen, vertikale Heckflossenkästen, obere Kabinenbodenträger, hintere Druckschotte, hintere Rumpfabschnitte, horizontale Stabilisatoren und Querruder.
Nach dem bahnbrechenden Einsatz von Kohlefaser für den Kielträger und die hinteren Druckschotts aus Verbundwerkstoff bei der A{{1}340-durchbrach die A-380 traditionelle Konstruktionsbarrieren-und stellte mit der Verwendung von CFK für ihren „zentralen Flügelkasten“ (der die Flügel mit dem Rumpf verbindet) eine weitere Herausforderung an technische Normen dar. Allein diese Innovation reduzierte das Gewicht um 1,5 Tonnen im Vergleich zu fortschrittlichen Aluminiumlegierungen. Die Gewichtseinsparungen von CFRP, kombiniert mit Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit, verbesserten die Kraftstoffeffizienz um 13 % im Vergleich zu Konkurrenzmodellen und reduzierten die Emissionen. Die A-380 war das erste Langstreckenflugzeug, das „weniger als 3 Liter Treibstoff pro Passagier und 100 km“ verbrauchte, wobei die Betriebskosten „15–20 % niedriger“ waren als das effizienteste Flugzeug seiner Zeit.
Der Geschäftsjet „Falcon 7X“ von Dassault Aviation kann auf 12.000 Metern Höhe mit einer Höchstgeschwindigkeit von Mach 0,8 fliegen, bietet Platz für 8 Passagiere und verfügt über eine Reichweite von 10.560 km (5.700 Seemeilen). Raytheons Leichtjet „Beechcraft Premier 1“ erreicht eine Reisegeschwindigkeit von 835 km/h und eine Reichweite von 2.759 km-beide sind mit fortschrittlichen vollständig-Verbundrümpfen ausgestattet.
Japans neues Transportflugzeug „ALELEX“ enthält ebenfalls bedeutende Kohlefaserverbundstoffe.
China hat Verbundwerkstoffe auch in großem Umfang bei der Konstruktion und Produktion von Flugzeugen eingesetzt. Beispielsweise wurden das vom Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute entwickelte und hergestellte unidirektionale Kohlenstofffaser-Prepreg und Verbundmaterial QY8911/HT3 aus Bismaleimid auf Komponenten wie den vorderen Rumpfabschnitt, den Seitenleitwerksstabilisator, die Außenflügelteile, Spoiler und stromlinienförmige Verkleidungen von Flugzeugen angewendet. Das vom Beijing Institute of Aeronautical Materials entwickelte unidirektionale Carbonfaser-Prepreg und Verbundmaterial PEEK/AS4C aus thermoplastischem Harz weist eine außergewöhnliche Bruchzähigkeit, Wasserbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit, Flammwidrigkeit und Ermüdungsbeständigkeit auf. Diese Materialien eignen sich für die Herstellung primär tragender Flugzeugstrukturen, können langfristig bei 120 Grad betrieben werden und wurden in den Vorderhäuten von Flugzeugfahrwerksschachtplatten verwendet.
Das chinesische Militärflugzeug „Flying Leopard“, das wesentliche Komponenten aus Kohlefaserverbundwerkstoffen enthält, hat eine Gesamtlänge von etwa 22,3 Metern, eine Flügelspannweite von 12,7 Metern, ein maximales Startgewicht von 28,4 Tonnen, eine maximale äußere Nutzlastkapazität von 6,5 Tonnen, eine Höchstgeschwindigkeit von Mach 1,70 und eine Reichweite von rund 3.600 Kilometern. Mit Kampffähigkeiten, die die der Jaguar-, Tornado- und Su{9}}24-Flugzeuge übertreffen, weist der Flying Leopard Eigenschaften auf, die mit Kampfflugzeugen der dritten Generation übereinstimmen.
2. Anwendung von Verbundwerkstoffen im Stealth-Flugzeug
In den letzten Jahrzehnten wurden bei der Erforschung von Stealth-Verbundwerkstoffen erhebliche Fortschritte erzielt, die sich in Richtung „Dünnheit, Leichtigkeit, breitbandige (spektrale) Absorption und Festigkeit (Schlagzähigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit)“ weiterentwickelt haben. Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe sind nicht nur leichte und hochfeste Strukturmaterialien, sondern verfügen auch über wichtige Tarnfunktionalität. Beispielsweise weisen CF/PEEK oder CF/PPS eine hervorragende Breitbandabsorptionsleistung auf und absorbieren effektiv Radarwellen. Die Vereinigten Staaten waren Vorreiter bei der Verwendung von Tarnkappenmaterialien in Flugzeugen, wobei die Modelle „F-117“ und „F-22“ am stärksten beschichtet waren. Die Tarnkappe der F-117 war äußerst komplex und umfasste bis zu „sieben verschiedene Materialien“.
Die Primärstruktur des US-amerikanischen Überschalljägers „F-22“ besteht aus kohlenstofffaserverstärkten Spezialkunststoffen mit mittlerem Modul-Modul{6}. Ebenso bestehen die Verzögerungsfallschirmabdeckungen und Schleudersitzkomponenten des Jägers „Mirage III“ aus solchen Materialien, die erfolgreich für Radar absorbierende Teile wie Flugzeugrippen, Häute, Anschlüsse und Befestigungselemente eingesetzt wurden. Das Gehäuse der „Tomahawk-Marschflugkörper“, das Flugzeugzellensubstrat des Stealth-Bombers „B-2“ und Teile des Stealth-Flugzeugs „F-117A“ verwenden ebenfalls kohlenstofffasermodifizierte Polymer-Radarabsorptionsmaterialien.
Im Jahr 2000 verbesserte die US Air Force die Stealth-Materialien der F-117 und ersetzte die ursprüngliche sieben-lagige Beschichtung durch ein einziges Material. Dadurch werden standardisierte Wartungsverfahren und Radarabsorptionsmaterialien für alle F-117 geändert, wodurch die technischen Spezifikationen um etwa 50 % reduziert werden. Nach dem-Upgrade wurde die Wartungszeit pro Flugstunde für die F-117 um mehr als die Hälfte reduziert, und die jährlichen Wartungskosten für alle 52 F-117 sanken von 14,5 Millionen,6,9 Millionen. Im Gegensatz zur F-117 verzichtet die F-22 auf Radar absorbierende Ganzkörperbeschichtungen, trägt jedoch „Radar absorbierende Ferritbeschichtungen“ auf alle internen und externen Metallkomponenten auf. Diese Beschichtung ist langlebig, verschleißfest und im Vergleich zum F-117-System einfacher aufzutragen.
Experten gehen davon aus, dass in den 2030er Jahren fortschrittliche Verbundwerkstoffe wie „leitfähige elektrochrome Polymermaterialien“, „Hybridhalbleitermaterialien“, „Nanokomposite“ und „intelligente Stealth-Technologien“ praktisch in Flugzeugen implementiert sein werden. Diese Innovationen könnten Avioniksysteme und Flugzeugsteuerungsmethoden grundlegend verändern.
Quelle:Verbundwerkstoffe für die Luftfahrt und ihre mechanische Analysevon Haitao Cui und Zhigang Sun (Hrsg.)