RS61824B1 - Vozilo sa oklopom lakše od vazduha, laminat za takav oklop i postupak za proizvodnju takvog laminata - Google Patents

Description

Opis pronalaska

OBLAST PRONALASKA

[0001] Ovaj pronalazak se odnosi na vozilo sa oklopom lakše od vazduha, laminat za takav oklop i postupak za proizvodnju takvog laminata. Pogotovu, se odnosi na više funkcionalni laminat sa ojačavajućim slojem vlakana i filmom za gasnu barijeru.

OSNOVA PRONALASKA

[0002] Vozila lakša od vazduha imaju fleksibilan oklop koji je napunjen sa gasom, obično helijumom. U slučaju da vozilo nema unutrašnji strukturni okvirni region, takođe se naziva cepelin, gde se oblik cepelina, obično izduženog oblika, održava unutrašnjim pritiskom. Oklop mora biti napravljen od laminata koji je dovoljno stabilan da ne pukne i koji takođe funkcioniše kao gasna barijera, tipično za helijum, He, unutar oklopa.

[0003] Materijal oklopa za vozila koja su lakša od vazduha na velikim nadmorskim visinama je predmet u brojnim zahtevima. Mora biti lagan, a istovremeno obezbediti mehaničku stabilnost. Mora se hemijski odupreti agresivnoj atmosferi na velikoj nadmorskoj visini, posebno sadržaju ozona u vazduhu. Takođe mora biti otporan na UV zrake i stabilan i fleksibilan na visokim i niskim temperaturama. Iako su materijali poznati za svaki od ovih zahteva, njihova kombinacija predstavlja ozbiljan izazov za razvoj materijala oklopa.

[0004] Američki patent Br. 7,354,636 autora Lavan-a i saradnika, dodeljen kompaniji Lockheed Martin, otkriva laminat sa slojem polimernih vlakana tečnog kristala, na primer Vectran®, sloj poliimida (PI) pričvršćen za sloj polimernih vlakna tečnog kristala; i sloj poliviniliden fluorida (PVDF) pričvršćen za PI sloj. Slojevi su međusobno pričvršćeni poliuretanskim (PU) lepkom. Susedni laminati mogu se međusobno učvrstiti PVDF zaštitnom trakom na spoljnim površinama i strukturnom trakom na unutrašnjim površinama. Strukturna traka uključuje sloj polimernih vlakana tečnog kristala i PI sloj da bi se osigurao integritet sredstva. Alternativni materijal može obuhvatati sloj polimernih vlakna tečnog kristala i PVDF sloj raspoređen na obe strane sloja polimernih vlakana tečnog kristala. Težina je oko 5 unci po kvadratnom jardu (170 grama/kvadratni metar). Zatezna čvrstoća je oko 240 lbs po inču, što odgovara 420 N/cm.

[0005] Videći da je kapacitet nosivosti direktno povezan sa težinom oklopa, bilo bi poželjno smanjiti težinu zadržavajući ili čak povećavajući čvrstoću.

[0006] Bolji odnos težine i čvsrtoće je pronađen u članku "Tear propagation of a Highperformance Airship Envelope Material" koji su objavili Maekawa i Yoshino u Journal of Aircraft Vol.45, Br. 5, Sept-Okt.2008. Otkriveni materijal je imao težinu 157 g/m<2>i zateznu čvrstoću 997 N/cm. Laminat sadrži Zylon® vlakna kao osnovni materijal. Zylon® je zaštitno ime kompanije Toyobo Corporation za liotropni polimeri tečnih kristala sa čvrstim štapićima. Detaljnije, to je termoset tečno-kristalni polioksazol, poli (p-fenilen-2,6-benzobisoksazol), koji se takođe naziva PBO.

[0007] Zylon® (PBO) ima visoku specifičnu čvrstoću u poređenju sa drugim komercijalno dostupnim vlaknima visokih performansi. Pređe Zylon® takođe imaju visoku otpornost na povećanje izduživanja i zbog toga su korisne za ojačanje vlakana (FR) u laminatnom materijalu. Međutim, poznato je i da je PBO vrlo podložan fotodegradaciji ne samo UV, već i vidljive svetlosti. Utvrđeno je da prisustvo vlage i kiseonika ubrzava fotorazgradnju. Iz ovih razloga, uprkos očiglednim prednostima u smislu velike čvrstoće i slabog izduživanja, drugi izazovi se pojavljuju sa ovim vlaknastim materijalom kada se koristi za stratosferske cepeline.

[0008] Drugi materijal oklopa otkriven je u američkim patentima US6074722 od Cuccias i saradnika dodeljenih kompaniji Lockheed Martin, pri čemu je laminat napravljen od vlaknastog sloja laminiranog na plastičnu smolu. Vlaknasti sloj je ili tkani materijal ili višeslojni jednosmerni filamentirani materijal. Laminati sa tkanim materijalom za cepeline takođe su opisani u US7713890 od strane Vogt i saradnika dodeljenog kompaniji Milliken & Company. Integracija elektronskih komponenti u sloj oklopa opisana je u US8152093 od strane Liggett i saradnika je dodeljena Lockheed Martin kompaniji.

[0009] O različitim materijalima oklopa se diskutuje u članku "Material challenges for Lighter-Than-Air Systems in High Altitude Applications" autora Zhai i Euler, koji je objavio the American Institute of Aeronautics and Astronautics na the AIAA 5th Aviation, Technology, Integration, and Operations Conference (ATIO) 26.-28. Septembra 2005., Arlington, Kalifornija. U ovom članku se diskutuje o različitim materijalima balonete lakših od vazduha, posebno o materijalima za zadržavajući sloja gasa, kao i o nosećem tkanom strukturnom sloju, koji preuzima opterećenje/naprezanje. Ovi slojevi su međusobno povezani lepljivim slojem.

Vezivanje lepljenjem je opisano u vezi sa poliuretanom, epoksidom i akrilom. Za sloj za zadržavanje gasa, članak navodi fleksibilnost niske temperature kao najvažniji parametar među raznim poželjnim svojstvima, što takođe uključuje nisku propustljivost gasa, minimalnu težinu, dobru povezanost, otpornost na abraziju i otpornost na ozon. U tabeli 5 ovog članka pominje se kopolimer etilen vinil alkohola (EVOH) koji ima lošu fleksibilnost pri niskim temperaturama, što ukazuje da EVOH nije pogodan kao balonet ili materijal oklopa za cepeline lakše od vazduha na niskim temperaturama, koje se obično nalaze na velikim nadmorskim visinama. Iz ovog očiglednog razloga, ovaj članak umesto toga navodi poliolefin, poliuretan, etilen-propilen-dien-monomernu gumu (EPDM) i silikonsku gumu kao najperspektivnije polimerne materijale za sloj koji zadržava gas.

[0010] Iako članak od Zhai-a i Euler-a ukazuje na to da EVOH nije koristan za cepeline na velikim nadmorskim visinama, pronađene su naznake da je EVOH koristan kada se koristi u “sendvič” sloju zajedno sa poliuretanima, koji se takođe smatraju obećavajućim materijalom u pomenutom članku. S tim u vezi upućuje se na prodajnu brošuru kompanije Eval Europe NV, podružnice kompanije Kuraray Co. Ltd., brošura se nalazi na Internet stranici http://evalamericas.com/media/15453/eval%20industrial% 20application.pdf. U ovoj brošuri se pominju velika fleksibilnost i izvrsne gasne barijere, pored pogodnosti u hladnim atmosferskim uslovima za koekstrudiranu strukturu filma gde je EVOH smola (Eval ™) smeštena između slojeva termoplastičnog poliuretana (TPU), “sendvič” ukratko opisan kao TPU/Eval™/ TPU. Jedna od predloženih upotreba ovog “sendvič” filma je kao materijal za stratosferske cepeline. Ova brošura ukazuje da “sendvič” EVOH-a između dva TPU filma prevazilazi nedostatak loše fleksibilnosti samog EVOH-a pri niskim temperaturama. Međutim, za lagani materijal oklopa, koji je neophodan za pogodan kapacitet dizanja cepelina, umetanje EVOH između slojeva TPU nepovoljno dodaje težinu oklopu bez optimizacije čvrstoće završnog materijala oklopa.

[0011] US2009042037 A otkriva vozilo lakše od vazduha, koje se sastoji od oklopa koji sam sadrži najmanje jedan komad laminatnog materijala, koji uključuje ravni sloj monofilamentoznog sloja pređe; preovlađujući sloj monofilamentnog sloja pređe pričvršćen je za pomenuti ravni sloj sloja; sloj polimernog filma pričvršćen za pomenuti preovlađujući sloj sloja; i sloj metalnog premaza pričvršćen za pomenuti sloj polimernog filma. Navedeni laminat dalje sadrži poliuretanski lepak raspoređen između pomenutog ravnog sloja sloja i navedenog preovlađujućeg sloja sloja i između navedenog sloja preovlađujućeg sloja i navedenog sloja polimernog filma.

[0012] US2007128963 otkriva laminiranu fleksibilnu slojevitu kompozitnu podlogu koja se koristi u vozilima lakšim od vazduha, koja sadrži, u kombinaciji, sloj materijala, sloj filma i sloj lepka u kontaktu sa navedenim slojem materijala i navedenim slojem filma, pri čemu se navedeni sloj materijala sastoji od prediva koji ima relativno visoke module koji su raspoređeni u konstrukciju koja omogućava ograničeno, kontrolisano pomeranje prediva tokom laminiranja i koja obezbeđuje izdržljivost na cepanje koja se poboljšava tokom pokretanja tačke cepanja na više prediva.

[0013] Shodno tome, čini se da još uvek nije pronađeno optimalno rešenje za materijal oklopa. Kao zaključak, iako se u prethodnoj tehnici nalaze brojni predlozi za oklope cepelina, i dalje postoji stalna potreba za poboljšanjima i optimizacijom.

OPIS PRONALASKA / KRATAK OPIS PRONALASKA

[0014] Stoga je cilj pronalaska da obezbedi poboljšanje stanja tehnike. Dalji je cilj obezbediti vozilo lakše od vazduha sa poboljšanim oklopom. Naročito, poboljšani laminatni oklop je optimizovan s obzirom na relativnu težinu u odnosu na čvrstoću, kao i na minimalizovanu permeabilnost gasa. Ovi ciljevi se postižu vozilom lakšim od vazduha koji ima oklop koji sadrži laminat, kao što je detaljnije opisano u nastavku.

[0015] Sledeće skraćenice su korišćene:

ypi (jardi po inču), 1 inč = 2.54 cm, 1 ypi = 1/(2.54) jardi po cm

tpi (zavrtanja po inču) ; tpm (zavrtanja po metru); 1 tpi=39 tpm

gsm (grami po metru kvadratnom)

sqm (metar kvadratni)

UV-V je izlagaje vremenskim uslovima – degradacija izlaganjem UV zračenju i/ili vidljivoj svetlosti

[0016] Laminat za oklop sadrži laminatni materijal kao gasnu barijeru i noseću strukturu, laminat koji sadrži ojačavajući sloj vlakana i prvi etilen vinilni alkohol, EVOH, film koji se stapa sa slojem vlakna na jednoj strani sloja vlakana, pri čemu je EVOH u direktnom kontaktu sa ojačavajućim slojem vlakana.

[0017] Termin "direktan kontakt" podrazumeva da se sloj drugog materijala ne nalazi između sloja EVOH i sloja vlakana. Naročito, EVOH film nije obezbeđen kao deo kompozitnog filma, gde je EVOH umetnut između dva TPU sloja pre nego što se stopi sa slojem vlakana.

[0018] Opciono, laminat sadrži drugi film EVOH koji je rastopljen u sloju vlakna na suprotnoj strani sloja vlakna, pri čemu je takođe EVOH drugog EVOH filma u direktnom kontaktu sa ojačavajućim slojem vlakna. U ovom slučaju, ojačavajući sloj vlakana je umetnut između prvog i drugog filma napravljenog od etilen vinil alkohola, EVOH, koji se stapa u sloju vlakana sa obe strane.

[0019] EVOH ima veoma nisku permeabilnost gasa za helijum, što je izuzetno korisno. Stabilan je na UV zrake i otporan je na ozon. Štaviše, toplotno se zaptiva. Izjava iz prethodne tehnike stanja o lošoj fleksibilnosti pri niskim temperaturama eksperimentalno nije ustanovljena kao problem kada se koristi samostalno ili kada se koristi u laminatima koji su bili obezbeđen sa EVOH kao slojem gasne barijere.

[0020] Za materijal oklopa, prvi EVOH film se stapa na i najmanje delimično u sloju vlakana sa jedne strane, a opciono se drugi EVOH film stapa na i najmanje delimično u sloju vlakna sa suprotne strane sloja vlakna. Takvo stapanje postiže se toplotnim presovanjem svih slojeva zajedno. Kao primer, korisna je temperatura u opsegu od 175-180 °C. U laminatu, kao što je opisano u sledećim pasusima, EVOH film ne služi samo kao lepak za međusobno povezivanje slojeva, već deluje i kao gasna barijera. Dakle, on služi kao višenamenski sloj.

[0021] Da bi se obezbedila velika čvrstoća i mala težina ojačanog sloja vlakana (FR), vlakna sa tečnim kristalima su dobar kandidat, na primer Poli [p-fenilen-2, 6-benzobisoksazol], PBO. Takva vlakna se prodaju kao Zylon® vlakna, kao što je već objašnjeno u uvodu.

[0022] Da bi se optimizovala čvrstoća i/ili uniformnost, korisno je u nekim slučajevima uključiti najmanje jedno od uvijenih vlakana, odmerenih vlakana i vlakna koja su i odmerena i uvijena. Opcionalno, odmerena vlakna pomažu u dodatnom vezivanju između slojeva, posebno ako je odmeren materijal kompatibilan sa slojem lepka. Primeri odmerenog materijala su određena PVA (poli-vinil-acetatna) vlakna. Drugi primer su vlakna koja se prodaju pod trgovačkim imenom Exceval. Na primer, odmeravanje vlakana se postiže nanošenjem odmerenog materijala na završno uvijena vlakana.

[0023] Pogodno sredstvo za odmeravanje je polivinil alkohol. Takvo sredstvo je komercijalno dostupno, na primer, od japanske kompanije Kuraray® Co, Ltd. Hidrofobno modifikovani polivinil alkohol sa trgovačkim nazivom Exceval ™ iz Kuraray® takođe je eksperimentalno korišćen sa dobrim rezultatima. Takva sredstva za odmeravanje na bazi polivinil alkohola su visoko elastična, hemijski otporna i pokazalo se da su kompatibilna sa EVOH. Eksperimentalno je pokazano da je polivinil alkohol ojačao prediva Zylon®. Takođe je obezbedio bolje lepljenje između materijala i EVOH.

[0024] Na primer, prvi set vlakana u sloju vlakana, opciono tečna kristalna vlakna, su uvijena, dok drugi set vlakana u sloju vlakana, opciono tečna kristalna vlakna, nisu uvijena.

[0025] U nekim primerima izvođenja, dva kompleta vlakana su raspoređena u različitim pravcima. Na primer, prvi set vlakana orijentisanih u prvom pravcu su uvijena, a drugi set vlakana orijentisani u drugom pravcu nisu uvijena. Na primer, prvi i drugi pravac imaju ugao između pravaca od najmanje 30 stepeni, na primer 45 stepeni, opciono okomito. Dobri rezultati su postignuti sa uvijenim vlaknima koja sadrže između 30 i 50 uvijanja po metru.

[0026] Potencijalno su korisni i uravnoteženi i neuravnoteženi vlaknasti slojevi. U nekim primerima izvođenja, vlakna u drugom setu vlakana su najmanje dva puta deblja od prvog skupa vlakana. U nekim primerima izvođenja, prvi set vlakana ima jednu gustinu pređe, a drugi set vlakana ima drugu gustinu pređe koja se razlikuje od prve gustine pređe najmanje za faktor dva.

[0027] Za vozilo lakše od vazduha, gde je težina presudna, dobijeni su eksperimentalni rezultati za sloj vlakana sa masom između 40 i 70 g po kvadratnom metru.

[0028] Na primer, debljina EVOH sloja je između 10 i 20 mikrona.

[0029] Poželjno je da laminat sadrži multifunkcionalni sloj izložen vremenskim prilikama koji je stopljen sa prvim EVOH slojem, pri čemu sloj izložen vremenskim prilikama sadrži metalizirani polimerni film, koji ima jedan metalni sloj na samo jednoj strani ili, alternativno, na obe strane polimernog filma . U slučaju da sloj izložen vremenskim prilikama ima samo jedan metalni sloj, on je poželjno orijentisan metalnim slojem prema EVOH i stopljen na prvom sloju EVOH filma. Na taj način je zaštićen sa polimerom usmerenim spolja, na primer poliimidom, sloja izloženog vremenskim prilikama. Takav sloj izložen vremenskim prilikama mora zaštititi oklop od reaktivnog ozona i drugih hemijskih napada, kao i zaštitni sloj ojačavajućih vlakana od UV zračenja. Kao što je inicijalno disutovano, PBO, na primer Zylon® se vrlo brzo razgrađuje na UV svetlu. Pored toga, funkcioniše kao dodatna gasna barijera. Dobar kandidat za polimer u sloju izloženom vremenskim prilikama je poliimid, PI. Primer alternativnog materijala za ovu namenu je polivinil fluorid, PVF. Na primer, debljina sloja izloženog vremenskim prilikama je između 10 i 20 mikrona.

[0030] Istaknuto je da je sloj polimera usmerenog spolja takođe koristan za stvaranje jakih šavova između susednih laminata.

[0031] Iako je EVOH dobra gasna barijera, nepropusnost za gas se može poboljšati dodavanjem metalizovanog sloja gasne barijere laminatu na unutrašnjoj strani oklopa, koji je suprotan sloju izloženom vremenskim prilikama. U tu svrhu se metalizovana gasna barijera opciono stapa na drugi EVOH film. Kandidat za metalizovani polimerni sloj filma je polietilen tereftalat, PET; na primer PET sloj debljine između 4 i 8 mikrona. Opcionalno, PET sloj ima debljinu između 2 i 6 mikrona.

[0032] U eksperimentima je pokazano, kao što će takođe biti detaljnije opisano u nastavku, da se može napraviti nepropusan za gas i stabilni laminat sa težinom u rasponu između 90 i 110 gsm. Opcionalno, težina laminata je između 85 i 120 gsm. Na primer, eksperimentalno je utvrđeno da je odnos čvrstoće i težine laminata iznad 890 kNm/kg.

[0033] U nekim primerima izvođenja, sloj vlakana je tkani sloj sa osnovom i potkom. Za izdužene cepeline potrebna snaga u poprečnom pravcu oklopa je veća nego u uzdužnom pravcu. Shodno tome, osnova i potka, opciono, imaju filamente različite debljine i/ili gustine. Kada se koristi ne-nabiran sloj vlakana, on se sastoji od mnoštva slojeva sa jednosmernim filamentima, a različiti slojevi imaju različite pravce filamenata, na primer okomite pravce. Takođe u ovom slučaju, filamenti u jednom smeru su povoljno deblji i/ili gušći nego u drugom smeru da bi se optimizovala čvrstoća bez dodavanja nepotrebne težine.

[0034] Otkriveno je da su korisne i uravnotežene i neuravnotežene strukture. Izbor uravnoteženih ili neuravnoteženih struktura zavisi od svrhe. Na primer, može se želeti veća čvrstoća u jednom pravcu u poređenju sa drugim. Ovo je važno za stabilnost oblika oklopa, kao i za smanjenje težine, jer neuravnotežene strukture obično imaju veći potencijal za optimiziranje odnosa čvrstoća/težina, kod kojih se čini da se sila na materijalu usled izduženog oblika oklopa razlikuje u uzdužnom i poprečnom pravcu.

[0035] Kao što se vidi iz prethodnog teksta, laminat uključuje brojne slojeve čija je kombinacija višenamenska. Funkcionalnost uključuje zaštitu od UV zračenja, vidljive svetlosti, ozona, singletnog kiseonika i toplote. Krajnji spoljašnji sloj takođe obezbeđuje upravljanje toplotom tako što ima malu emisivnost.

[0036] Za opsege između prve i druge vrednosti, prva i druga vrednost su opciono uključene.

KRATAK OPIS CRTEŽA

[0037] Pronalazak će detaljnije biti opisan sa pozivanjem na crteže, gde

SLIKA 1 ilustruje osnovnu skicu za laminatni materijal oklopa;

SLIKA 2 ilustruje alternativnu osnovnu skicu za laminatni materijal oklopa;

SLIKA 3 ilustruje sloj ojačanog vlakna (FR) a) ne-nabiran dvoslojni poprečni sloj i b) tkani; c) ne-nabiran troslojni;

SLIKA 4 Prototip P3, a) šematski dizajn i b) fotografije spolja i iznutra;

SLIKA 5 Prototip P4, a) šematski dizajn i b) fotografije spolja i iznutra;

SLIKA 6 Prototip P9, a) šematski dizajn i b) fotografije spolja i iznutra;

SLIKA 7 Prototip P10, a) šematski dizajn i b) fotografije spolja i iznutra;

SLIKA 8 Poređenje čvrstoće i težine novih prototipova laminata i laminatnih materijala razvijenih u drugim studijama;

SLIKA 9 Poređenje odnosa čvrstoće i težine novih prototipova laminata i laminatnih materijala razvijenih u drugim studijama;

SLIKA 10 Poređenje zatezne čvrstoće prototipova pre i posle termičke izloženosti i ubrzanih vremenskih uslova UV zračenja-Vidljive svetlosti;

SLIKA 11 Gubitak čvrstine posle termičke izloženosti i ubrzanih vremenskih uslova UV zračenja-Vidljive svetlosti;

SLIKA 12 Šematski dizajn popucalog uzorka;

SLIKA 13 Kriva produženja opterećenja prototipa P4 podvrgnuta konstantnom opterećenju od 1250 N;

SLIKA 14 Prototip P12, šematski dizajn;

SLIKA 15 Prototip P13, šematski dizajn;

SLIKA 16 Prototip P14 šematski dizajn;

SLIKA 17 ilustruje DMA merenja izvedena za a) EVOH film, b) Mylar-ov film, c) PI film, d) osnovu prototipa P4.

DETALJAN OPIS PRONALASKA / POŽELJAN PRIMER IZVOĐENJA

[0038] Da bi se obezbedio tanak i lagan oklop od laminiranog materijala, koji je istovremeno nepropusan za gas, UV otporan, otporan na toplotu i hemijski otporan, posebno protiv singletnog kiseonika i ozona, korišćena je sledeća osnovna šema, koja je prikazano na Slici 1. Noseći fibrozni ojačavajući (FR) sloj je umetnut između dva lepljiva sloja, koji se koriste za vezivanje FR na dalje slojeve, na primer spoljašnji sloj oklopa, u nastavku nazvan sloj izložen vremenskim prilikama, i potencijalni unutrašnji sloj oklopa kao gasna barijera. Posebno, lepljivi slojevi su konfigurisani kao efikasna gasna barijera sa malom permeabilnošću gasa. Na primer, lepljivi slojevi su glavni zaštitni slojevi gasa, tako da je ukupna permeabilnost gasa lepljivih slojeva manja od permeabilnosti gasa preostalih slojeva. Ova kombinacija funkcija lepljivosti i niske permeabilnosti gasa je nekonvencionalna. Suprotno tome, u prethodnoj tehnici postoje specifični glavni slojevi gasne barijere različiti od lepljivih slojeva, gde glavne gasne barijere imaju manju permeabilnost gasa od lepljivih slojeva. U ovom kontekstu, permeabilnost gasa se odnosi na gas unutar oklopa, obično helijum ili vodonik.

[0039] Kao primer, detaljnije prikazan na Slici 1, noseći vlaknasti sloj je umetnut između dva sloja EVOH, koji ne deluju samo kao gasne barijere, već se takođe koriste i da bi preuzeli ulogu lepka za potencijalne dalje slojeve, posebno spoljni sloj oklopa, u nastavku nazvan sloj izložen vremenskim prilikama, i potencijalni unutrašnji sloj oklopa kao dodatna gasna barijera. Dodatne funkcije slojeva, pogotovu sloja izloženog vremenskim prilikama, su zaštita od UV zračenja, vidljive svetlosti, ozona, singletnog kiseonika i toplote.

[0040] Iako su u postupku optimizacije korišćena dva sloja EVOH filma, veruje se da bi jedan sloj EVOH stopljen u sloj vlakna takođe bio povoljniji od laminatnih sistema iz prethodne tehnike.

[0041] Varijacija koncepta dizajna sa Slike 1 prikazana je na Slici 2. U ovom slučaju, laminatni materijal nema zaseban unutrašnji osnovni sloj gasne barijere. Umesto toga, unutrašnja površina laminata je metalizovana nakon formiranja laminata. Upotreba EVOH-a kao lepljivog materijala sa niskom permeabilnošću gasa i metalizacijom unutrašnje površine pruža odlična svojstva gasnoj barijeri od laminatnog materijala. Uklanjanjem sloja gasne barijere smanjuje se ukupna težina laminata, dok na zateznu čvrstoću laminata to ne utiče.

[0042] U nastavku se raspravlja o materijalima i postupcima proizvodnje u vezi sa eksperimentima koji su izvedeni za optimizaciju laminatnog materijala oklopa.

Odabir pređe

[0043] Da bi se istovremeno optimizovala mala težina i velika čvrstoća, povoljno se koriste vlakna visoke čvrstoće. Primer povoljnog materijala za vlaknasti noseći sloj pronađen je u kristalnim PBO (kristalni polioksazol, poli (p-fenilen-2,6-benzobisoksazol) vlaknima, posebno marke Zylon®, jer ta vlakna imaju veoma visoku čvrstoću i specifični modul među komercijalno dostupnim vlaknima visokih performansi. Ova prediva takođe imaju visoku otpornost na povećanje izduživanja. Zbog toga su pređe Zylon® odabrane za ojačavanje vlakana u laminatnom materijalu koji se koristi u eksperimentima. Međutim, poznato je da je PBO vrlo podložan fotodegradaciji. Prisustvo vlage i kiseonika ubrzava fotodegradaciju, i to je razlog zašto je zaštitni mehanizam morao biti pronađen.

[0044] Za sloj ojačan vlaknima mogu se koristiti i uravnotežene i neuravnotežene strukture. U nekim primerima izvođenja, neuravnotežena konstrukcija je izabrana da bi se obezbedila različita čvrstoća potrebna u uzdužnom i poprečnom pravcu LTA cipelina.

1

[0045] Prediva Zilon® sa 99 deni, 150 deni i 250 deni izbrojanih pređa su obezbeđene od Toyobo Co., Ltd. Isporučenim predivima, koja su imala nulto uvijanje (ne uvijena), testirana je zatezna čvrstoća. Prosečne vrednosti zateznih čvrstoća neupletenih prediva od 99 deni i 250 deni su bile 35.5 gf/deniju (4.8% cv; cv = koeficijent varijacije) i 34.9 gf/deniju (3.0% cv), respektivno. Prepoznajući činjenicu da dodavanje optimalnog stepena uvijanja (faktor uvijanja) pređi obezbeđuje najveću zateznu čvrstoću, sprovedena je serija ispitivanja da bi se utvrdio optimalni faktor uvijanja i odgovarajuća najveća zatezna čvrstoća postignuta u 99 deni i 250 deni Zilon® prediva. Faktor uvijanja (TF), koji zavisi i od količine uvijanja (uvijanja po inču, tpi; uvijanja po metru, tpm; 1 tpi = 39 tpm) i broja pređe izračunava se pomoću formule TF = 0.124 • tpi • dtex<05>gde je dtex jedinica za brojanje, koja se naziva i linearna gustina pređe (1 deni je jednak 0.9 dtex).

[0046] Prediva sa 99 deni (110 dtex) i 250 deni (278 dtex) uvijena su sa različitom količinom uvijanja (tpi, tpm) i testirana na zateznu čvrstoću. Rezultati tabelarno prikazani u Tabeli 1 pokazuju da je zatezna čvrstoća i prediva od 99 deni i od 250 deni najviša za faktor uvijanja 10, što odgovara 7.69 tpi (ili 303 uvijanja po metru, tpm) za pređu od 99 deni i 4.84 tpi ( ili 190 tpm) za pređu od 250 deni.

Konfiguracija ojačana vlaknima

[0047] U eksperimentima je za opterećenje nosećeg sloja primenjeno nekoliko principa. Jedan je bio ne-nabiran dvoslojni poprečni sloj sloja ojačanog vlaknima kao što je prikazano na SLICI 3a i drugi sloj ojačan tkanim vlaknima kako je prikazano na SLICI 3b. Treći princip sa 90/±45 stepenom slojeva je prikazan na SLICI 3c.

Odabir filma za laminiranje

[0048] EVOH (etilen vinil alkoholni kopolimer) ima vrlo nisku permeabilnost u odnosu na gas, posebno He, zbog čega je dobar kandidat za lepljivi sloj.

[0049] Dobar kandidat za spoljašnji sloj izložen vremenskim prilikama protiv spoljašnje atmosfere pronađen je u PI (poliimidu), mada su mogući i drugi polimeri, na primer poli-vinil fluorid (PVF). Povoljno je što je spoljašnji sloj izložen vremenskim prilikama metalizovan, da bi odbio zračenje i toplotu. Da bi se metal zaštitio od oštećenja, metalni premaz je bio usmeren prema unutra, između polimera izloženih vremenskim prilikama i EVOH. Na ovaj način, polimer štiti metal od korozivnog okruženja u stratosferi.

[0050] Alternativno, sloj izložen vremenskim prilikama je metalizovan sa obe strane. Ako je sloj izložen vremenskim prilikama metaliziran sa obe strane ili ima metalizovanu stranu koja je izložena spoljašnjoj sredini, on je povoljno zaštićen premazom otpornim na koroziju.

[0051] U nekim primerima izvođenja, unutrašnja gasna barijera je dodata na suprotnu stranu višeslojnog sloja u poređenju sa slojem izloženom vremenskim prilikama, gde je unutrašnji sloj gasne barijere bio metalizirani film od polietilen tereftalata (PET), na primer Mylar®.

[0052] Laminiranje je izvedeno na laminatima veličine 7.5 inča × 7.5 inča (19 cm × 19 cm) pod pritiskom na 285 psi = 1965 kPa između dve nepokretne aluminijumske ploče sa temperaturom od 175-178 °C tokom 15 minuta, gornji kraj temperaturnog intervala pokazuje najbolje rezultate laminiranja. Ovi uzorci se koriste za ispitivanja različitih vrsta kao što je opisano u nastavku.

[0053] Međutim, moguće su različite kombinacije temperature i vremena zadržavanja. U drugim eksperimentima bio je uspešan niži pritisak i niže vreme zadržavanja na višim temperaturama u opsegu od 180-200 °C. Na primer, temperatura od 196 °C korišćena je 2 sekunde pod pritiskom od 60 psi = 414 kPa.

Merenje čvrstoće

[0054] Merenja zatezne čvrstoće izvedena su u skladu sa Standardnim postupkom ispitivanja sile kidanja i izduživanja tekstilnih materijala (postupak trake) ASTM D5035. Vrednosti zatezne čvrstoće su saopštene u jedinicama N/cm i gf/deni (mN/tex = 88.3 gf/deni). Zatezna čvrstoća u N/cm predstavlja čvrstoću uzorka po jedinici širine u cm. Zatezna čvrstoća u gf/deni predstavlja čvrstoću uzorka po ukupnom deniju prediva u pravcu opterećenja. Zatezna čvrstoća u gf/deniju koristi se kao normalizovana metrika da bi se utvrdilo koliko čvrstoće prediva se prevodi u snagu ojačanog laminiriranog/nelemiranog vlakna.

[0055] Za neuravnotežene strukture, kako je detaljno objašnjeno u nastavku, procenjene zatezne čvrstoće (izračunate na osnovu čvrstoće pređe i konstruktivnih parametara ojačanja vlakna) iznosile su 1033 N/cm i 516 N/cm u pravcima osnove i potke, respektivno. Generalno, utvrđeno je da je zatezna čvrstoća pravca osnove svih uzoraka (osim ojačanih laminiranih tkanih vlakana) blizu 1000 N/cm, dok je potka svih uzoraka bila veća od 500 N/cm. Odgovarajuće vrednosti parametara u smislu gf/deni bile su u opsegu 31-35.

[0056] Takođe su izvedeni eksperimenti za uravnotežene strukture materijala na bazi Zylon® pređe u materijalu. Nisko uvijena (3-5 tpi) Zilon® prediva od 99 denija i sa gustinom od 46-50 ypi (približno 18-20 prediva po cm) korišćena su i za osnovu i za potku u običnom tkanju. Zylon® predivo je bilo odmereno sa polivinil alkoholom. Zatezne čvrstoće bile su mere u rasponu od 520 do 615 N/cm i 28 do 34 gf/deniju u pravcima osnove i potke, a izduživanje cepanjem od 2.9-3.2%. Ovi rezultati su takođe vrlo dobri u smislu svrhe, jer se radi o vrednostima za materijal, a ne za ceo laminat. Detaljnije su izmereni sledeći podaci.

[0057] Kao zaključak, pokazano je da su i balansirane i nebalansirane strukture sa visokom čvrstoćom prediva veoma korisne.

Primer 1 - P3

[0058] SLIKA.4a pokazuje specifični primer izvođenja osnovne skice SLIKE 2. Levo na slici je težina svakog sloja prikazana u jedinici grami po kvadratnom metru (gsm), a debljina u mikronima je prikazana desno. Fotografije proizvedenih laminata prikazane su na SLICI 4b.

[0059] Šematski dizajn ovog prototipa laminata, u eksperimentu nazvan P3, sadrži nebalansirani poprečni sloj (dvosloj) ne-nabranog materijala kao ojačanih vlakana. Materijal ima 250 deni Zylon® prediva u pravcima 90 stepeni i 0 stepeni. Osnovna težina materijala je 48 gsm sa gustinom prediva od 30 ypi (30 prediva po inču je oko 12 prediva po cm) u pravcu 90 stepeni i 15 ypi (oko 6 prediva po cm) u pravcu 0 stepeni, tako, koji dobija veću čvrstoću u pravcu 90 stepeni nego u pravcu 0 stepeni. Dizajn protopima uključuje 3 sloja EVOH filma koji obezbeđuju odlična svojstva adhezije i gasne barijere. Otkriveno je da je procenjena i izmerena težina ovog prototipa laminata bila 111 gsm i 109 gsm, respektivno.

Primer 2 - P4

1

[0060] SLIKA. 5a prikazuje specifičan primer izvođenja osnovne skice SLIKE 1. Na levoj strani slike, prikazana je težina svakog sloja u jedinici grami po metru kvadratnom (gsm), a debljina je prikazana desno. Fotofrafije proizvedenih laminata su prikazane na SLICI 5b.

[0061] Šematski dizajn ovog prototipa laminata, u eksperimentu nazvan P4, sadrži nebalansiran poprečni sloj (dvosloj) ne-nabranog materijala kao ojačanih vlakana. Materijal ima 250 deni PBO prediva u uzdužnim i poprečnim pravcima. Osnovna težina materijala je 48 gsm sa gustinom pređe od 30 ypi (otprilike 12 prediva po cm) u pravcu od 90 stepeni i 15 ypi (otprilike 6 prediva po cm) u pravcu od 0 stepeni. Da bi se dobila manja težina laminata, dizajn koristi dva sloja EVOH filma i donji sloj laganog metaliziranog PET filma (Mylar®) koji služi kao primarni sloj gasne barijere. Procenjena i izmerena težina ovog prototipa laminata je 103 gsm.

Primer 3 - P9

[0062] SLIKA. 6a prikazuje specifičan primer izvođenja osnovne skice SLIKE 1. Na levoj strani slike, prikazana je težina svakog sloja u jedinici grami po metru kvadratnom (gsm), a debljina je prikazana desno. Fotofrafije proizvedenih laminata su prikazane na SLICI 6b.

[0063] Šematski dizajn ovog prototipa laminata, u eksperimentu nazvan P9, sadrži nebalansiran tkani materijal kao ojačana vlakna. Tkani materijal ima 99 deni Zylon® prediva sa 40 tpm uvrtanjem u pravcu osnove i ne uvijena 250 deni Zylon® prediva u pravcu potke, respektivno. Osnovna težina materijala je 50 gsm sa gustinom pređe od 40 ypi (otprilike 16 prediva po cm) u pravcu osnove i 30 ypi (otprilike 12 prediva po cm) u pravcu potke. Slično kao prototip P4, donji sloj je lagani metalizirani PET film (Mylar®) koji služi kao osnovni sloj gasne barijere. Iako je na temperaturi laminacije od 175 °C proizvedena zadovoljavajuća adhezija između slojeva, povećanjem temperature laminacije do 178°C poboljšana je adhezija između slojeva. Procenjene i izmerene težine ovog prototipa laminata su bile 105 gsm.

Primer 4 - P10

[0064] SLIKA. 7a prikazuje specifičan primer izvođenja osnovne skice SLIKE 1. Na levoj strani slike, prikazana je težina svakog sloja u jedinici grami po metru kvadratnom (gsm), a debljina je prikazana desno. Fotofrafije proizvedenih laminata su prikazane na SLICI 7b.

[0065] Šematski dizajn ovog prototipa laminata, u eksperimentu nazvan P10, sadrži nebalansiran tkani materijal kao ojačana vlakna. Za razliku od prototipa P9, prototip P10 koristi tkani materijal sa 99 deni Zylon® prediva sa 40 tpm uvrtanjem u pravcu osnove i ne uvijena 99 deni Zylon® prediva u pravcu potke, respektivno. Osnovna težina materijala je 50 gsm sa gustinom pređe od 40 ypi (otprilike 16 prediva po cm) u pravcu osnove i 75 ypi (30 prediva po cm) u pravcu potke. Viši ypi (prediva po inču) u pravcu potke se očekuje da formira stabilniju strukturu materijala sa glatkijom površinskom teksturom. U početnim izvođenjima, korišćena je temperatura laminacije od 175 °C, međutim, to je rezurtiralo slabim kvalitetom laminacije sa slabom adhezijom metaliziranog PI filma. Povećanjem temperature laminacije do 178°C poboljšan je kvalitet laminacije, ali athezija nije bila dobra kao u prototipu P9 ali je još uvek zadovoljavajuća. Procenjena i izmerena težina ovog prototipa laminata je bila 105 gsm.

Performanse gasne barijere

[0066] Rezultati testa permeabilnosti helijuma (Tabela 2) pokazuju da oba prototipa laminata P3 i P4 imaju mnogo manju permeabilnost helijuma od ciljane vrednosti od 132 cc/m<2>.dan.atm, laminat prototipa P4 ima značajno manju permeabilnost helijuma u poređenju sa prototipom P3. Manja permeabilnost prototipa P4 se pripisuje prisustvu metalizirnog Mylar® sloja koji takođe smanjuje ukupnu težinu prototipa P4.

[0067] Uprkos istim šemama slojeva, bilo je očekivano da vrednosti permeabilnosti helijuma prototipova P9 i P10 budu iste kao prototipa P4, koji su u odnosu na nepropusnost gasa favorizovani u odnosu na P3.

Čvrstina laminate

[0068] Zatezne čvrstoća osnovnog pravca i pravca potke prototipova laminata P4, P9, i P10 su prikazane u Tabeli 3. Pronađeno je da je zatezna čvrstoća jednog uzorka prototipa P3 bila 1086 N/cm.

1

�

[0069] Procenjene zatezne čvrstoće, izračunate na osnovu konstrukcionih parametara čvrstoće prediva i ojačanih vlakana, su 1033 N/cm i 516 N/cm u dva pravca. Izmerena zatezna čvrstoća propotipova je bila nešto niža od procenjenih vrednosti. Niže zatezne čvrstoće u poređenju sa procenjenom zateznom čvrstoćom se prepisuju ručnoj eksperimentalnoj pripremi prototipova laminata koji uzorkuju odsustvo potpunog poravljanja prediva i neujednačene zategnutosti u predivima. Ove nesavršenosti rezultuju u neujednačeno podeljenom opterečenju između nosećih prediva koji na kraju uzrokuje prevremeno pucanje uzoraka tokom ispitivanja zatezanja. Veruje se da se zatezne čvrstoće poboljšavaju i da su slične teorijskim vrednostima kada se laminati proizvode u namenskom proizvodnom pogonu velikog obima. Međutim, istaknuto je da su eksperimentalne vrednosti odstupale za manje od 10% od teorijskih vrednosti, što je zadovoljavajuči rezultat.

Poređenja sa drugim studijama

[0070] Poređenje čvrstoće i težine novih prototipova laminata i materijala laminata razvijenih u drugim studijama u literaturi je prikazano na SLICI 8. Reference su otkrivene na kraju ovog dela i odnose se na Tabelu 4.

[0071] Poređenje odnosa čvrstoće i težine novih laminata sa laminatima razvijenim u drugim studijama je prikazano na SLICI 9. Novi prototipovi laminate nisu samo značajno lakši od bilo kog drugog laminata sa sličnom zateznom čvrstoćom, već su takođe značajno jači od bilo kog laminata sa sličnom težinom. Odnosi čvrstoća- težina novih prototipova laminata su veći od svih laminata razvijenih u drugim studijama.

[0072] Kao što se vidi u ovom poređenju, čvrstoća laminata P3, P4, P9, i P10 je veoma veća u poređenju sa težinom, što ih čini više pogodnim za upotrebu u vozilima lakšim od vazduha. Međutim, istaknuto je da se superiorni odnos čvrstoće i težine, kako je ilustrovano na SLICI 9, verovatno može prilagoditi debljim laminatima, što takođe favorizuje ogledne laminate u odnosu na one laminate koji imaju ukupno veću čvrstinu na SLICI 8.

1

Tabela 4

1

1

[0073] Reference iz Tabele 4:

1. Kamatsu, K, Sano, M., and Kakuta, Y., "Development of High Specific Strength Envelope Material", AAIA 3rd Annual Aviation Technology, Integration, and Operations (ATIO) Tech, Nov 17-182003, Denver, Colorado.

2. Sasaki Y., Eguchi, K, Kono T, and Maekawa, S, "Scenario for Development of the SPF Airship Technology Demostrator", The Fifth Stratospheric Platform Systems Workshop, Feb 23-24, 2005, Tokyo, Japan.

3. Maekawa S, "On the Design Issue of a Stratospheric Platform Airship Structure" NAL TM-722, National Aerospace Laboratory of Japan, May 2003.

4. Maekawa, S and Yoshino, T, "Tear propagation of a High-Performance Airship Envelope Material", Journal of Aircraft, 45 (5), Sept-Oct 2008.

5. Nkadate, M., Maekawa, S., Maeda .T, Hiyoshi, M., Kitada, T., and Segawa6, S. "Reinforcement of an Opening for High Strength and Light Weight Envelop Material Zylon" 18th AIAA Lighter-Than-Air Systems Technology Conference, May 4-7 2009, Seattle, Washington, USA.

6. Nakadate, M., Maekawa, S., Shibasaki, K, Kurose, T. Kitada, T, and Segawa, S., "Development of High Strength and Light Weight Envelop Material Zylon" 7th International Airship Convention 2008, Friedrichshafen Germany, Oct

9-11 2008.

2

7. High Strength-to-Weight Ratio Non-Woven Technical Fabrics for Aerospace Applications" Cubic Tech Corp, 2009, Mesa, Arizona.

8. Kang, W, Suh, Y, and Woo, K.., "Mechanical property characterization of film-fabric laminate for stratospheric airship envelope" Composite Structures, 75, pp.151-155, 2006. 9. Gu Z., "Research of Stratospheric Airships Skin Material’ Spacecraft Recovery& Remote Sensing, 28(1), pp.62-66, 2007.

10. Cao, X, and Gao, C. "Fabrication and Investigation of Envelope Materials for Stratospheric Aircraft with PBO Fabric as Load-carriers" High-tech Fibre & Application, 34(4), pp.0-5, 2009.

11. Li B, Xing L, Zhou Z, Jiang S, and Chen X., "Study on Mechanical Properties of High Performance Envelope Materials" Material Engineering, pp.1-5, 2010.

Efekat termičkih i vremenskih uslova UV- Vidljive svetlosti

[0074] Prototipovi laminata P4, P9, i P10 su podvrgnuti dvema grupama različitih vremenskih uslova. U jednom izlaganju vremenkim uslovima prototipovi su bili podvrgnuti termalnom izlaganju 24 sata u peći na 80°C. Drugo izlaganje vremenkim uslovima je uključivalo ubrzanu izloženost UV i vidljivom (UV-Vis) spektru svetlosti od ∼275 do 700 nm u trajanju od 170 sati (∼ 60 dana realnog vremena izloženosti na nadmorskoj visini 10 km). Prototipovi su izloženi u Atlas Ci 3000+ Weather-Ometer (www. atlas-mts.com) sa nivoom ozračenosti 1.1 W/m2 na 340 nm. Tokom UV-Vis izloženosti vremenskim uslovima, temperatura prototipova je održavana na oko 80°C. Za UV-Vis izloženosti vremenskim uslovima uzorci su bili montirani na metalne okvire i unutrašnja strana (Mylar® strana) uzoraka bila je prekrivena sa dva sloja crnog kartonskog papira da bi se sprečilo bilo kakvo izlaganje unutrašnje strane. Okviri su onda montirani na okruglim šinama unutar komore za izlaganje vremenskim uslovima Atlas Ci 3000+ Weather-Ometer tako da je spoljašnja strana uzoraka okrenuta ka izvoru UV i vidljive svetlosti.

[0075] Testirana je zatezna čvrstoća prototipova posle svakog izlaganja vremenskim uslovima Gubitak čvrstoće u procentima je definisan na sledeći način:

Zatezna čvrstoćapre izlaganja- Zatezna čvrstoćaposle izlaganjaGubitak čvrstoće% =<____________________________________________________________>× 100

Zatezna čvrstoćapre izlaganja

Ovo je korišćeno kao metrika da bi se procenila termička i fotodegradacija.

[0076] Otkriveno je da je prosečna zatezna čvrstoča pre i posle termalnog izlaganja i izlaganja UV-Vis vremenskim uslovima bila statistički ista (statistička analiza je izvedena upotrebom ttesta sa intervalom poverenja 95%), Stoga se može zaključiti da postoji neznatna degradacija uzrokovana termalnim i UV-Vis vremenskim uslovima. Važno je napomenuti da su primerci testirani pre i posle izlaganja vremenskim uslovima uzeti iz različitih replika istog prototipa. Usled ručnog pripremanja prototipova postoje inherentne varijacije unutar replika kao i varijacije između različitih replika istog prototipa. Neki uzorci izloženi toploti pokazuju veću čvrstinu u poređenju sa odgovarajućim ne-izloženim uzorcima što ukazuje na snažnu varijabilnost primeraka u uzorku. Grafičko poređenje zateznih čvrstoća prototipova P4, P9, i P10 pre i posle izlaganja termalnim i vremenskim uslovima UV-Vis prikazano je na SLICI 10.

[0077] Gubitak čvrstoće% u prototipovima P4, P9 i P10 nakon termičkog izlaganja i ubrzanog izlaganja UV-Vis vremenskim uslovima prikazan je na SLIICI 11.

[0078] Otkriveno je da je prosečna zatezna čvrstoča pre i posle termalnog izlaganja i izlaganja UV-Vis vremenskih uslova bila statistički ista (statistička analiza je izvedena upotrebom ttesta sa intervalom poverenja 95%), Stoga se može zaključiti da postoji neznatna degradacija uzrokovana termalnim i vremenskim uslovima UV-Vis. Važno je napomenuti da su primerci testirani pre i posle izlaganja vremenskim uslovima uzeti iz različitih replika istog prototipa. Usled ručnog pripremanja prototipova postoje inherentne varijacije unutar replika kao i varijacije između različitih replika istog prototipa. Neki uzorci izloženi toploti pokazuju veću čvrstinu u poređenju sa odgovarajućim ne-izloženim uzorcima što ukazuje na snažnu varijabilnost primeraka u uzorku.

Merenje izdržljivosti na cepanje

[0079] Izdržljivost na cepanje prototipa P4 i P9 je merena upotrebom testa pucanja postupkom MIL-C-21189. Šematski dijagram cepanja primeraka je prikazan na SLICI 12. Prorez od 1.25 inči je napravljen na centru primerka okomito na pravac ispitivanja. Primerci su široki 4 inča, a dužina ispitnog merača između rukohvata je 3 inča.

[0080] Izdržljivost na cepanje primerka je izračunata uprosečavanjem 5 najvećih pikova opterećenja tokom ispitivanja cepanja. Tri primerka po uzorku su testirana u pravcu osnove i pravcu potke. Rezultati izdržljivosti na cepanje prototipa P4 i P9 su prikazani u Tabeli 5.

[0081] Razlog za veće cepanje u pravcu osnove prototipa P4 u odnosu na prototip P9 je usled razlike u denijima prediva osnove korišćenih za izgradnju dve strukture. Kod prototipa P4, korišćena su prediva 250 deni, dok su kod prototipa P9 korišćena prediva 99 deni. Dobro je utvrđeno u literaturi da se opterećenje cepanja povećava sa povećanjem opterećenja pucanja prediva.

Otpornost na povećanje izduživanja

[0082] Primerak širok 1 inč prototipa P4 je podvrgnut konstantnom opterećenju 1250 N u trajanju od 1 dana na MTS Load frame (www.mts.com) sa opterećenjem okvira koji radi u režimu kontrole opterećenja. Izmerena dužina testiranog primerka je bila 3 inča (76 mm). Ispitivana kriva produžetka opterećenja je prikazana na SLICI 13. Nakon trenutnog produžetka od 1.6%, P4 primerak je pokazivao veoma malo povećanje izduživanja od 0.02%.

Alternativni laminati

[0083] SLIKA 14 i SLIKA 15 pokazuje specifične lagane primere izvođenja osnovne skice SLIKE 2.

[0084] Šematski dizajn prototipa laminata, eksperimentalno nazvan P12, ilustrovan na SLICI 14 koristi neuravnotežen unakrsni sloj ne-nabranog materijala ili neuravnotežen tkani materijal kao ojačana vlakna. 48 gsm materijal je napravljen od PBO prediva. Unutrašnja površina laminata (adhezivni sloj) je metaliziran nakon formiranja laminata. Procenjena osnovna težina prototipa laminata je 96 gsm.

[0085] Umesto toga, upotreba troslojnog ne-nabranog materijala ne samo da će dodatno smanjiti težinu ojačanih vlakana već će i povećati zateznu čvrstoću laminata. Primer prototipa

2

laminata sa troslojnim ojačanim vlaknima je opisan u nastavku i odnosi se na SLIKU 15. Šematski dizajn ovog prototipa laminata, eksperimentalno nazvan P13, ilustrovan na SLICI 15, koristi troslojni materijal (pređa 250 deni) sa 15 ypi (oko 6 prediva po cm) u 90° pravcu, i 11 ypi (oko 4 prediva po cm) u /- 45° pravcima. Tri sloja su uređena kao na SLICI 3c. Težina ojačanog vlakna je jednako 41 gsm. Slično prototipu P12, unutrašnja površina laminata (adhezivni sloj) je metaliziran nakon postupka laminacije. Procenjena težina laminata se očekuje da će biti 89 gsm. Procenjena zatezna čvrstoća prototipa laminata P13 se očekuje da će biti veća od 1000 N/cm.

[0086] Šematski dizajn prototipa laminata, eksperimentalno nazvan P14, ilustrovan na SLICI 16, koristi troslojni materijal (pređa 250 deni) sa 22 ypi (oko 9 prediva po cm) u 90° pravcu, i 16 ypi (oko 6 prediva po cm) u /- 45° pravcima. Težina ojačanog vlakna je jednako 59 gsm. Tri sloja su uređena kao na SLICI 3c. Slično prototipu P12, unutrašnja površina laminata (adhezivni sloj) je metaliziran nakon postupka laminacije. Procenjena težina laminata se očekuje da će biti 107 gsm. Procenjena zatezna čvrstoća prototipa laminata P13 se očekuje da će biti veća od 1550 N/cm. Odnos čvrstoća i težina se očekuje da će biti blizu 1400 kN.m/Kg, što je znatno više od svih materijala laminata razvijenih u drugim studijama.

Merenja temperaturne stabilnosti

[0087] Dinamičko-mehanička analiza (DMA) je rađena na određenom broju uzoraka u velikom temperaturnom opsegu da bi postalo jasno da li niske temperature mogu postati problem za fleksibilnost materijala. Temperaturni opseg je bio od -60°C to 100°C. U ovom intervalu modul gubitka, povezan sa neelastičnim svojstvima i rasipanjem energije, i modul skladištenja, povezan sa elastičnim svojstvima, izmereni su u jedinicama MPa sa Q800 DMA uređajem za merenje koji komercijano obezbeđuje TA Instruments, New Castle, DE19720, USA (www.TAInstruments.com). Dodatno, izračunat je odnos između dva parametra, takođe nazvan Tan Delta. Merenja su ilustrovana na SLICI 17a, 17b i 17c.

[0088] Merenja su ilustrovana na

SLIKA. 17a za uzorak EVOH filma veličine 20 x 7 x 0.0130 mm,

SLIKA. 17b za uzorak Mylar filma veličine 22 x 7 x 0.0050 mm,

SLIKA. 17c za uzorak poliimidnog (PI) filma veličine 23 x 7 x 0.0130 mm,

SLIKA. 17d za uzorak P4 osnove zatezanja 3 veličine 19 x 6 x 0.1020 mm.

[0089] Merenja su pokazala da su EVOH, Mylar i PI filmovi stabilni na niskim temperaturama bez ukazivanja na slabosti niske temperature. Za EVOH film, ovo je iznenađujuće u pogledu članka od strane Zhai i Euler koji je diskutovan u uvodu. Tan Delta kriva ukazuje na fazne prelaze, što se izgleda ne dešava u slučaju filmova na niskim temperaturama. Za laminate prototipa P4, nisu uočeni dokazi o delaminaciji niti o fizičkom oštećenju. Veruje se da zagrevanje materijala do 180 °C tokom postupanja dovodi do poprečnog povezivanja polimera u njihovom konačnom stanju u materijalu, što je pogodno za stabilnost.

Zaključci

[0090] Razvijeni su lagani laminatni materijali za oklop vozila lakšeg od vazduha na visokim nadmorskim visinama, koji imaju poboljšana svojstva. Novi laminatni prototipovi nisu samo značajno lakši od prethodne tehnike laminata sa sličnom zateznom čvrstoćom, već su takođe značajno jači od prethodne tehnike laminata sa sličnom težinom. Specifična čvrstina (odnos čvrstine i težine) prototipova laminata je značajno veća od trenutnog stanja tehnike. Prototipovi laminata takođe imaju odličnu otpornost na termičku degradaciju, forodegradaciju, hemijsku otpornost, pogotovu protiv singletnog kiseonika i ozona, odlična svojstva gasne barijere, i odličnu otpornost na povećanje izduživanja. Dodatno, krajnji spoljašnji film/sloj takođe obezbeđuje odlično termičko upravljanje, uključujući malu emisivnost. Prema tome, slojeviti materijal ima višefunkcionalna svojstva na visokom nivou. Koncept dizajna laminata može se koristiti da bi se podesio laminatni materijal na manju ili veću težinu dok se u velikoj meri zadržava odnos čvrstoće i težine.

2

Claims (22)

Patentni zahtevi

1. Vozilo lakše od vazduha koje sadrži oklop, oklop koji sadrži laminirani materijal kao gasnu barijeru ili noseću strukturu, laminirani materijal koji sadrži sloj ojačanih vlakana i prvi etilen vinil alkohol, EVOH, film se stapa u sloju vlakana na jednoj strani sloja vlakana, naznačeno time da je EVOH u direktnom kontaktu sa slojem ojačanih vlakana.

2. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 1, naznačeno time da se drugi EVOH film stapa u sloju vlakana na suprotnoj strani sloja vlakana, pri čemu je EVOH drugog EVOH filma u direktnom kontaktu sa slojem ojačanih vlakana.

3. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 1 ili 2, naznačeno time da sloj ojačanih vlakana sadrži vlakna napravljena od tečnog kristala.

4. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 3, naznačeno time da je tečni kristal poli [p-fenilen-2, 6-benzobisoksazol], PBO.

5. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 3 ili 4, naznačeno time da je najmanje neko vlakno tečnog kristala uvijeno.

6. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 5, naznačeno time da uvijena vlakna tečnog kristala sadrže između 30 i 50 uvijanja po metru.

7. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 5 ili 6, naznačeno time da sloj vlakana sadrži najmanje prvi skup vlakana i drugi skup vlakana, pri čemu su vlakna u prvom skupu vlakana uvijena vlakna tečnog kristala i orijentisana su u jednom pravcu, i pri čemu vlakna u drugom skupu vlakana nisu uvijena vlakna tečnog kristala i orijentisana su u drugom pravcu koji je različit od prvog pravca.

8. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 7, naznačeno time da prvi i drugi pravac imaju ugao između pravaca najmanje 30 stepeni.

9. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 7 ili 8, naznačeno time da su prvi i drugi pravac okomiti.

2

10. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od patentnih zahteva 7-9, naznačeno time da prvi skup vlakana ima jednu gustinu pređe, a drugi skup vlakana ima drugu gustinu pređe koja se razlikuje od prve gustine pređe za najmanje faktor dva.

11. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, naznačeno time da je težina sloja vlakana između 40 i 70 g po kvadratnom metru.

12. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, naznačeno time da je debljina prvog EVOH filma između 10 i 20 mikrona.

13. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od patentnih zahteva 2 ili patentnih zahteva koji zavise od njega, naznačeno time da je debljina drugog EVOH filma između 10 i 20 mikrona.

14. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, naznačeno time da laminat sadrži sloj izložen vremenskim prilikama stopljen u prvi EVOH film, pri čemu sloj izložen vremenskim prilikama sadrži metaliziran polimerni film.

15. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 14, naznačeno time da metaliziran polimerni film sadrži metalni sloj stopljen pomoću i na prvom sloju EVOH filma.

16. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 14 ili 15, naznačeno time da je debljina sloja izloženog vremenskim prilikama između 10 i 20 mikrona.

17. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od patentnih zahteva 2 ili patentnih zahteva koji zavise od njega, naznačeno time da laminat sadrži metaliziran sloj gasne barijere stopljen na drugim EVOH filmom na suprotnoj strani laminata u odnosu na sloj izložen vremenskim prilikama.

18. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 17, naznačeno time da metalizirani sloj gasne barijere sadrži metaliziran polimerni film koji je stopljen sa drugim EVOH filmom metalnog sloja na suprotnoj strani metaliziranog polimetnog filma u odnosu na drugi EVOH film.

19. Vozilo lakše od vazduha prema patentnom zahtevu 18, naznačeno time da je metalizirani polimerni film sloja polietilen tereftalat, PET, sloj sa debljinom između 4 i 8 mikrona.

20. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, naznačeno time da laminat ima težinu između 90 i 110 gsm.

21. Vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, naznačeno time da je odnos čvrstoće i težine za laminat iznad 890 kNm/kg.

22. Postupak za proizvodnju laminiranog materijala za vozilo lakše od vazduha prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu postupak sadrži obezbeđivanje sloja ojačanih vlakana i prvi EVOH film na jednoj strani sloja vlakana i toplotno potiskivanje slojeva zajedno na temperaturi između 175°C i 200°C za stapanje.

2