Coatings van hedendaagse vliegtuigen

In tegenstelling tot wat de meeste mensen denken wanneer het woord ‘coatings’ gebruikt wordt, is dit niet enkel als een soort verf. Feitelijk is een coating een beschermlaag van een hard materiaal. Vliegtuigen zijn vervaardigd uit metaal. Deze metalen zijn onderhevig aan de extreme temperaturen. Niet alleen de straalmotoren, die blootgesteld worden aan extreem hoge temperaturen, maar ook de body van het vliegtuig, die heel koude temperaturen moet verdragen, zijn de kritische elementen die voorzien moeten worden van een degelijke coating. Toch stopt het daar niet bij. Hoe verder we ons in de toekomst begeven, hoe uitgebreider de toepassing van elektronica op veel gebieden, waaronder ook de elektronica van vliegtuigen. De omgeving kan deze besturingen beïnvloeden, voorbeelden zijn koude of hitte, vocht, olie of andere vuiligheden. Ter bescherming kan deze elektronica ook een coating verkrijgen.

De straalmotoren

Het is duidelijk dat men kan stellen dat de juiste coating noodzakelijk is voor de straalmotoren van het vliegtuig. Er moet met veel factoren rekening gehouden worden, zoals levensduur, temperatuur, efficiëntie, gewicht, kostprijs, …

Omschrijving straalmotor

Vooraan laat de motor lucht binnen via de fan. Deze lucht wordt gecompresseerd in de compressor waarna er kerosine wordt toegevoegd aan de gecompresseerde lucht. Om een stuwkracht te genereren zal men dit mengsel ontsteken. Het geproduceerde gasmengsel zal de motor via de uitlaat verlaten onder hoge druk en temperatuur.

Temperatuur

Bestendigheid tegen grote temperatuurwisselingen is de belangrijkste eigenschap die het metaal van de turbine moet hebben. Een draaiende motor kan gemakkelijk een temperatuur van meer dan 1000 °C bereiken, toch moet het metaal ook bestand zijn tegen vriestemperaturen wanneer het vliegtuig stil aan de grond staat in een minder tropisch land. Zoals eerder vermeld is de kostprijs en het gewicht ook van groot belang wat het aantal beschikbare metalen verkleint. De productie van turbines gebeurt met een sterke en hittebestendige nikkellegering, maar helaas is dit metaal ook niet bestand tegen de geproduceerde temperaturen waardoor men gebruik gaat maken van een keramisch materiaal als oxidelaag zodat de zuurstof de legering niet bereikt. Het materiaal dat gebruikt wordt als coating is aluminiumoxide. Door de verschillende uitzettingscoëfficiënt van aluminiumoxide en de nikkellegering is er veel onderzoek nodig om de perfecte verhoudingen te vinden voor een bindlaag, die het afbladderen door temperatuurschommelingen moet verhinderen. De gebruikte elementen voor de bindlaag zijn aluminium en nikkel om de spanningen af te dempen, chroom om de inwendige oxidatie tegen te gaan en yttrium om de onzuiverheden eruit te halen.

Er werd opgemerkt dat het resultaat van de coating op het schoepenrad van de turbine, die uit een dunne oxidelaag en daaronder een dikkere bindlaag bestaat, een zelfhelend effect heeft.

Thermal Barrier Coating

Om hittebestendig te zijn gaat men nog een derde, isolerende laag toevoegen. Deze laag, Thermal Barrier Coating (TBC), is vervaardigd uit een slecht warmtegeleidend materiaal, met vogelveervormige kristallen waarvan het de bedoeling is om een zo groot mogelijke oppervlakte te bedekken zodat de oxidelaag niet bereikt kan worden door de hitte. Helaas vervalt het zelfhelend effect door de TBC, maar door toevoeging van molybdeen en silicium kan dit effect terug verworven worden.

De body

Om het karkas van het vliegtuig te beschermen tegen de invloeden van het weer is de keuze van een goede coating zeer belangrijk. Indien er gebruik gemaakt wordt van een minder goede coating zal er corrosie optreden, wat de functionaliteit van het vliegtuig omlaag zal halen maar ook de houdbaarheid zal veel lager liggen. Een nieuwe coating aanbrengen zal de kosten van het vliegtuig omhoog brengen. Men moet de huidige verouderde coating volledig van het vliegtuig verwijderen en dan kan de nieuwe coating pas aangebracht worden. Dit zal ook in verschillende stappen worden gedaan, dit proces wordt later uitgelegd. Een nieuwe coating aanbrengen vraagt dus veel tijd omwille van het grote oppervlak. De periode dat het vliegtuig dus niet productief kan zijn en niet de lucht in kan zorgt dan nog een voor extra kosten, die te vermijden zijn door het kiezen van een goede coating.

Aerodynamica

De aerodynamica van een vliegtuig is ook een belangrijk aspect. In 2011 werden er door de Britse vliegtuigmaatschappij easyJet tests uitgevoerd met vliegtuigen die behandeld werden met een coating die samengesteld is uit nanodeeltjes. De deklaag van 1 µm, waardoor het toestel slechts 100 g zwaarder wordt, vult de poriën van de body waardoor er een verminderde weerstand op het vliegtuig inwerkt. Door het gebruik van deze coating werd er een brandstofbesparing van 1 à 2 % waargenomen. Vanaf een besparing van 1 % zouden de kosten van de coating en het aanbrengen ervan al vergoed zijn. De brandstofbesparing weegt dus zeer goed op tegen de gewichtstoename. Door de gladheid van de coating wordt het aanzetten van ijs, sneeuw en vuil vermoeilijkt. Dit brengt met zich mee dat het vliegtuig minder snel gewassen moet worden, wat neerkomt op besparingen.

Aanbrengingsproces

Het aanbrengingsproces wordt in drie stappen gedaan. Allereerst gaat men het toestel wassen zoals voor elke onderhoudsbeurt met gewone schoonmaakproducten. Om de poriën te reinigen zal men met rollers een polariserende was aanbrengen. Deze polariserende was zal zorgen voor een positieve elektrische lading, die is om de derde stap te voltooien. De toplaag, die samengesteld is uit negatief geladen monomeren, moet een krachtige binding vormen met deze positieve elektrische ladingen van de polariserende was. De monomeren zijn de basis die zorgen voor een krachtig polymeer.

Een sterke toplaag van lange polymeerketens wordt gevormd doordat de monomeren zich aan elkaar vasthechten. De elektrostatische aantrekkingskracht zorgt dat de deeltjes goed aan het oppervlak tot in de poriën hechten. Er wordt een vlakkere toplaag gecreëerd door de kleine monomeren, vlakker als bij producten die oorspronkelijk gebruikt werden.

Deze toepassing wordt nochtans al 20 jaar op militaire vliegtuigen in de Verenigde Staten gebruikt de licentie is slechts een paar jaar geleden vrij gekomen. De toepassing kan ook dienen voor andere transportmiddelen zoals auto’s, vrachtwagens, boten. Ook windmolens zouden van toepassing kunnen zijn om een lagere luchtweerstand te bekomen.

De elektronica

Een vliegtuig is een gigantisch toestel dat vol zit met elektronicacomponenten. De blootstelling aan omgeving kan de werking van deze elektronica in de war sturen. Bescherming tegen vocht, olie of andere soorten vuil zijn dan ook hoogst nodig. Dit kan door een conformal coating te gebruiken voor de elektronica.

Printplaten of PCB’s (Printed Circuit Board) zullen bij het conformal coatingsproces beschermd worden door een zeer dunne en niet-geleidende coating. Deze wordt aangebracht door middel van spuiten, dip coaten of lakgieten. Belangrijk is dat de functionaliteit van de elektronica niet verstoord wordt door sensoren, aansluitingen, bedieningselementen en andere externe signaalgevers. Daarom wordt de lak selectief aangebracht. Aangezien corrosie van verbindingen voorkomen wordt, zal de levensduur verlengd en de bedrijfszekerheid verbeterd worden.

Bij aanbrengen door middel van spuiten zal er gebruikt gemaakt worden van masking. Dit concept houdt in dat bepaalde elementen afgeschermd worden dus geen coating krijgen. Spuiten voorziet de PCB van een vrij dunne coating, indien een dikkere bescherming vereist is kan men deze lak dikker maken door het aanbrengen van meerdere lagen.

Wanneer men de hele PCB onderdompelt in een bak met coating, spreekt men van dip coating. De volledige printplaat zal dus met een laag omhuld zijn. De dikkere coatingslaag zal, na het uit de bak halen en afdruipen, gedurende bepaalde tijd uitharden.
Bij lakgieten gaat men te werk met een verfborsteltje om de coating aan te brengen of men zal de lak gewoon over de PCB gieten. Overtollige lak laat men van de PCB afdruipen en deze zal de tijd gegeven worden om uit te harden. Er is hier sprake van een gelijkenis met dip coaten maar er is een verschil. Bij dip coating kan de lak sneller in de elementen kruipen en het afschermen van elementen is niet voor de hand liggend. Bij lakgieten kan men de hoger gelegen onderdelen wel afschermen zodat ze niet voorzien worden van een coating.

Omwille van de langere levensverwachting doormiddel van deze technieken zijn Defensie en de vliegtuigindustrie een zeer belangrijke speler op de markt van beschermingscoatings. Enkele toepassing voor Defensie en de vliegtuigindustrie zijn elektronische besturingssystemen, voedingen, communicatieapparatuur, entertainmentsystemen, levensmiddel apparaten.

Hedendaagse toepassing

In 2014 heeft de Nederlandse Defensie 37 Joint Strike Fighters (JSF of F-35) besteld. Tevens de Belgische Defensie heeft zich laten verleiden om dit toestel, dat in 2025 geleverd zal worden, te bestellen. Deze JSF beschikt over het principe van stealth, men tracht door in te werken op de vorm ervoor te zorgen dat het toestel niet zichtbaar wordt op radar. Zo zijn bijvoorbeeld de bommen weggewerkt in de behuizing van het toestel. Helaas kan men niet zeker weten of in de toekomst het nog steeds een stealth-toestel is aangezien de radartechnieken ook steeds verbeteren.

Apart hiervan, is het toch een toepassing op alles wat coatings aangaat. Men gaat de vorm combineren met een stralingabsorberende en gladde coating om het stealth-eigenschap te versterken en te behouden. Deze absorberende coating heeft het effect om elektrische golven te absorberen. Om het effect niet verloren te laten gaan is er na elke vlucht een herstelling van de coating nodig, dit omdat inspectieluiken geopend worden tijdens de controle waardoor de coating niet één geheel blijft. Deze speciale coating zou zelfs de huidige F-15 en F-16 meer stealth kunnen maken.