航空器或航天器的带储能层蒙皮壁板及其储能层制造方法技术

本发明专利技术关于用于航空器或航天器的具有储能层(3a)的蒙皮壁板(1)。所述蒙皮壁板(1)包括结构层(2)和主要功能层(3)，所述结构层(2)用于向所述蒙皮壁板(1)提供结构稳定性，所述结构层(2)中的至少一个形成所述蒙皮壁板(1)的外部支撑层(2a)，且所述结构层(2)中的至少一个形成所述蒙皮壁板(1)的内部支撑层(2b)，所述主要功能层(3)嵌入于所述外部支撑层(2a)与所述内部支撑层(2b)之间用于向所述蒙皮壁板(1)提供功能能力。所述结构层(2)和所述主要功能层(3)被一起形成为复合层压物并且所述功能层(3)包括被构造为结构电化学电池的储能层(3a)。本发明专利技术还关于用于制造用于航空器或航天器的蒙皮壁板(1)的这种储能层(3a)的方法。

【技术实现步骤摘要】
航空器或航天器的带储能层蒙皮壁板及其储能层制造方法
本专利技术关于用于航空器或航天器的具有储能层的蒙皮壁板和用于制造用于蒙皮壁板的储能层的方法。
技术介绍
尽管通常适用于任何种类的航空器或航天器，本专利技术及其基于的问题将参考客机更详细地加以解释。现代客机的机身和机翼包括加强元件的刚性框架，例如像由金属或复合物蒙皮所覆盖的纵梁、框架、裂缝、翼梁等等，其可根据特定要求而被构造成柔性的或刚性的。例如，所述机身框架通常包括根据机身截面的形状而被弯曲到圆周方向的一系列框架、以及结合到框架的多个纵向纵梁或桁梁。所述蒙皮本身通常包括许多单个蒙皮壁板，它们典型地被铆钉、螺栓、螺钉和其它紧固件固定至此基部结构框架，并且可由金属板或金属合金板(例如，铝板)、纤维金属层压板(例如，玻璃层压铝增强环氧树脂或纤维增强塑(例如，具有环氧树脂基质的碳纤维增强塑料(CFRP))等等而形成。对于所有这些应用而言共同的是，所述航空器蒙皮主要地被优化以满足基本结构和空气动力学目的，包括抵抗热、压力、雷电等的一般性/全面保护，提供结构强度、降阻作用、以及将气动力、负荷和压力传递至基部结构。复合材料如CFRP已被越来越多地用于航空航天应用，因为它们允许设计者改进结构性能且同时减少航空器重量、以及因此减少燃料消耗。用于制造复合铺叠材料的最近的先进胶带铺设、纤维铺放和增材制造技术提供了广阔的尚未开发的潜能以用于改进所述蒙皮结构和用于直接地将结构和功能元件实施到航空器的蒙皮内，这原本将会必定需要复杂的安装工作或是原本完全不可能的。例如，文档US7,883,050B2和US7,829,796B2各自教导了用于航空器的蒙皮的多层雷电防护系统，而文档WO2015/116265A1披露了用于航空器的多层除冰蒙皮。
技术实现思路
相对于此
技术介绍
，本专利技术的一个目的是将能源集成到航空器或航天器蒙皮内以用于对电动功能供电、而同时维持所述蒙皮的结构强度。此目的是由具有权利要求1的特征的蒙皮壁板、具有权利要求13的特征的航空器、和具有权利要求14的特征的方法而实现的。根据本专利技术的第一方面，用于航空器或航天器的具有储能层的蒙皮壁板，包括用于向所述蒙皮壁板提供结构稳定性的结构层，形成所述蒙皮壁板的外部支撑层的至少一个结构层和形成所述蒙皮壁板的内部支撑层的至少一个结构层，以及嵌入于所述外部支撑层与所述内部支撑层之间用于向所述蒙皮壁板提供功能能力的主要功能层。所述结构层和所述主要功能层被一起形成为复合层压物。所述功能层包括被构造为结构的电化学电池的储能层。根据本专利技术的第二方面，航空器或航天器包括具有多个根据本专利技术的第一方面的蒙皮壁板的功能性蒙皮。根据本专利技术的第三方面，一种用于制造用于航空器或航天器的蒙皮壁板的储能层的方法，包括将包含多个增强碳纤维的伸展牵引索带从带供应器供应至合并站，其中所述储能层被构造为电化学电池。所述方法还包括供应来自复丝供应源的多个离子富集的基质材料丝到合并站。所述离子富集的基质材料丝特别地可以是环氧树脂丝。所述方法还包括将多个离子富集的基质材料丝与所述伸展牵引索带在所述合并站处压制在一起。所述方法还包括将所述伸展牵引索带与所述多个离子富集的基质材料丝一起在所述合并站处加热到所述离子富集的基质材料丝的熔融温度以形成所述电化学电池的阳极层。所述方法还包括淀积所述电化学电池的阳极层。所述方法还包括供应来自织物供应源的金属织物至所述合并站。所述金属织物可特别地包括铜丝网。所述方法还包括供应来自复丝供应源的多个离子富集的基质材料丝到合并站。所述基质材料丝特别地可以是环氧树脂丝。所述方法还包括将多个基质材料丝与所述金属织物在所述合并站处压制在一起。所述方法还包括将所述金属织物与所述多个基质材料丝一起在所述合并站处加热至所述基质材料丝的熔融温度以形成所述电化学电池的阴极层。所述方法还包括淀积所述电化学电池的阴极层。本专利技术的一种构思在于提供具有“供嵌入/埋设”支撑结构和“嵌入的”功能结构的分层复合物蒙皮壁板，一种结构电池集成到其中并且提供用于操作所述蒙皮内部或外部的电气装置的电力。所述支撑结构可向所述蒙皮壁板提供所需硬度和刚度从而使得所述蒙皮可满足与常规蒙皮相同的结构要求。特别地，所述支撑层可提供如同那些能够承载拉伸和/或压缩负荷的承载能力。同时,所述复合物蒙皮壁板的内层合并了结构电池来作为结构层，并且很可能还有多个功能性方面。在结构上，这些主要功能层也可被优化以承载作用于所述支撑层与所述功能层之间的剪切负荷。另一方面，所述电化学电池是所述航空器或航天器蒙皮的结构的部分并且在此意义上看起来似乎被集成到蒙皮内。根据本专利技术的结构电池可以是被基质材料所饱和的、并且插入设置有离子的碳纤维织物，其形成可提供强度以及电导率的电极。本领域技术人员将易于认识到，一般而言，取决于特定应用，在一方面是强度且另一方面是电导率之间必须选择一定的权衡取舍。然而，包括碳纳米管的碳纤维可以是对于某些高性能应用而言有利的，因为这些可同时提供高的电导率和高强度。另外，碳纳米管纤维可被设置呈极其小的几何形状。因为典型的航空器蒙皮的表面积非常大，则根据本专利技术的蒙皮壁板可潜在地储存相当大量的电能，其可能被分接(tapped)以便操作所述蒙皮内或所述蒙皮外部(例如在航空器内部，像客舱、驾驶舱、或货舱)的各种电气装置。为此，所述功能蒙皮的主要功能层可与所述航空器内部通过所述内部支撑层、和位于其间的任何其它层、利用对于本领域普通技术人员公知的设置而电互连。原则上，本专利技术的教导因而可使得能够实现电动飞行。此外，本专利技术有利地在一个复合物蒙皮层压物内将结构优化与功能机会相结合。本专利技术的教导可被运用于机身蒙皮壁板以及用于机翼蒙皮壁板或类似物。此外，本专利技术提供了一种精确的、还非常有效率的并且便利的以及成本敏感的方法来制造呈轻量级并且还在结构方面强固的构造的这种复合物蒙皮。在航空航天工程中出现非常大的蒙皮面积的情况下，这一点是特别相关的。本方法的一个特别有利的方面是在增材制造方法内运用伸展牵引索带。使用伸展牵引索带，则包括许多单个纤维的薄材料层可被自动地并且完全自主地应用于一个工艺步骤中。具体地，包括多个增强纤维的伸展牵引索带可与多个基质材料丝合并以形成所述电化学电池的一个电极层。这展示了当干燥纤维的伸展牵引索带可以在高速进行馈送时，提供高品质快速堆叠工艺的可能性例如，以每单位时间所淀积的材料而考虑(例如，表达为每秒所淀积的面积重量或每秒所覆盖的材料层)。为此，所述基质材料丝可在恰好与伸展牵引索带相同的速度的情况下而被加工。伸展牵引索带是利用通过使用机械或电磁的伸展技术来将所需的干燥纤维类型的牵引索伸展为一定面积重量和宽度的平坦单向(UD)带而制造的。所述牵引索的伸展能够使得在维持宽度的一致性同时生产非常低面积重量和非常薄宽度的UD带。原则上，这些带可通过将所需纤维的带进行交错来进一步加工以获得具有纤维的平直取向(例如，在交叉铺层(crossplied)的意义上而言)的织物。因此，实现了这样的伸展牵引索带，其可充当具有常规交叉铺层UD堆叠/叠层的机械性能并且易于装运织物的增强件。在本专利技术的意义内的伸展牵引索带一般地包括伸展纤维索的带，并且因而包括UD伸展牵引索以及源自交错的伸展牵引索的伸展牵引索织物。伸展牵引索极其适合本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于航空器或航天器(100)的具有储能层(3a)的蒙皮壁板(1)，包括：用于向所述蒙皮壁板(1)提供结构稳定性的结构层(2)，所述结构层(2)中的至少一个形成所述蒙皮壁板(1)的外部支撑层(2a)且所述结构层(2)中的至少一个形成所述蒙皮壁板(1)的内部支撑层(2b)；和主要功能层(3)，所述主要功能层被嵌入于所述外部支撑层(2a)与所述内部支撑层(2b)之间以用于向所述蒙皮壁板(1)提供功能能力；其中所述结构层(2)和所述主要功能层(3)被一起形成为复合层压物；和其中所述功能层(3)包括储能层(3a)，所述储能层被构造成结构电化学电池，具体是锂离子电池。

【技术特征摘要】
2016.03.21 EP 16161416.91.用于航空器或航天器(100)的具有储能层(3a)的蒙皮壁板(1)，包括：用于向所述蒙皮壁板(1)提供结构稳定性的结构层(2)，所述结构层(2)中的至少一个形成所述蒙皮壁板(1)的外部支撑层(2a)且所述结构层(2)中的至少一个形成所述蒙皮壁板(1)的内部支撑层(2b)；和主要功能层(3)，所述主要功能层被嵌入于所述外部支撑层(2a)与所述内部支撑层(2b)之间以用于向所述蒙皮壁板(1)提供功能能力；其中所述结构层(2)和所述主要功能层(3)被一起形成为复合层压物；和其中所述功能层(3)包括储能层(3a)，所述储能层被构造成结构电化学电池，具体是锂离子电池。2.根据权利要求1所述的蒙皮壁板(1)，其中所述储能层(3a)包括阳极层(5)和阴极层(6)，所述阳极层(5)包括嵌入于离子富集的基质材料内的碳纤维，所述阴极层(6)包括嵌入于所述基质材料内的金属织物(15)。3.根据权利要求2所述的蒙皮壁板(1)，其中所述碳纤维被嵌入于锂离子富集的基质材料内，其中所述金属织物(15)包括铜丝网，并其中所述基质材料包括环氧树脂。4.根据前述权利要求中的任一项所述的蒙皮壁板(1)，其中至少所述外部支撑层(2a)被构造成视觉上透明的并且所述主要功能层(3)包括被构造为光伏模块的能量采集层(3b)，所述光伏模块被构造和布置成用以基于穿过所述外部支撑层(2a)传输至所述能量采集层(3b)上的光(L)来产生电能、并且用以向所述储能层(3a)充入所产生的电能。5.根据前述权利要求中的任一项所述的蒙皮壁板(1)，其中所述主要功能层(3)包括电致动器层(3c)，所述电致动器层(3c)被构造成用以当向电场暴露时发生弯曲，其中所述电致动器层(3c)由所述储能层(3a)供电。6.根据权利要求5所述的蒙皮壁板(1)，其中所述电致动器层(3c)包括电活性聚合物层(7)和多个电极(8)，所述多个电极(8)被构造成用以在整个所述电活性聚合物层(7)上产生电场。7.根据前述权利要求中的任一项所述的蒙皮壁板(1)，其中，所述主要功能层(3)包括结构健康监控层(3d)，所述结构健康监控层(3d)包括被配置用以监控所述蒙皮壁板(1)的结构健康参数(P)的结构传感器(9)，其中所述结构传感器(9)由储能层(3a)供电。8.根据前述权利要求中的任一项所述的蒙皮壁板(1)，其中所述外部支撑层(2a)和所述内部支撑层(2b)中的至少一个是由包括嵌入于基质材料内的碳纳米管纤维的纤维增强复合材料形成。9.根据权利要求8所述的蒙皮壁板(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫尔曼·本希恩，彼得·林德，马提亚·哈根巴特，
申请(专利权)人：空中客车德国运营有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE