CN101636516B - 制备带有金属基体的纤维复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有金属基体的纤维复合材料和该种材料的制备方法。由单独纤维构成的纤维材料(1)封装到在金属基体中，该金属基体由包围纤维(1)的金属化层(2)和就其本身而言涂覆于金属化层上的金属最终层(4)形成。另外在金属化层(2)和金属最终层(4)之间可提供金属粘结层(3)。金属最终层(4)可由一个或多个涂覆形成，并可由任何机械加工方法形成。
Description
技术领域
本发明涉及带有金属基体的纤维复合材料及该材料的制备方法。
背景技术
塑料纤维复合材料是公知的，其中，例如玻璃、碳或芳香族聚酰胺(aramide)纤维植入在合成树脂中，该合成树脂如环氧、聚酯或乙烯基酯树脂或类似合成树脂。在这种情况下，合成树脂形成了一个基体，该基体通常涂覆纤维并将他们连接在一起，其中纤维以稀松布(scrim)、机织织物或编织物的形式分布。这种传统的塑料纤维复合材料的一个问题是，在发生损害时它们是易燃的，并且容易分裂成锋利的、尖的碎片，该损害可能发生在如陆地上、水中的交通工具或特别是航空器上。
另外，带有金属基体的复合材料也是公知的(也称为金属基复合材料)。但是它的生产在技术上很复杂，因为需要使用原形或模压制品，这就另外地带来了缺点，即所被生产的半成品产品或部件的几何结构自由被严重制约。此外，迄今所使用的金属基复合材料大部分较沉重，这在航空技术上是特别不利的。另外，它们还具有在纤维和金属之间没有非刚性连接(positive connection)的缺点。
使用PVD/CVD方法，例如，纤维可以进行完全包围的涂覆(coated)，但是设备费用较高，同时涂覆时间长。例如对于0.1mm的层厚，在PVD/CVD方法中，依据材料的不同，需要几个小时至几天的时间。因此，多数不同的材料确实可以通过PVD/CVD方法沉积，但需要高于平均水平的长期的处理时间。另外，被涂覆组件的尺寸受所需真空容器的尺寸所限制。
US5846288公开了一种用于生产导电材料的方法，例如，它可用于生产挤压或烧结的导电片或条，其中，锡氧化物的银盐溶液中的粒状颗粒被涂覆。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高强度的金属基体纤维复合材料，该材料不易燃且不易于破碎，同时提供了一种用于生产该种材料的方法，该生产方法可 简单快速的实施。
该目的通过一种具有权利要求1的特征的纤维复合材料实现。此外，该目是通过一种具有权利要求14的特征的制备纤维复合材料的方法而实现。从属权利要求提供了本发明主题的优选实施方式和进一步改进。
本发明发明了金属基体纤维复合材料。根据本发明，其特征在于纤维材料由单独的纤维和涂覆于其上的金属涂层构成，其形成了金属基体，其中金属涂层包括包围纤维的金属化层和金属最终层(metal final layer)，该金属最终层部分涂覆于金属化层上。
金属涂层可以包括附加的金属粘结层，该附加的金属粘结层位于金属化层和金属最终层之间，在热喷涂最终层的情况下，其对于改善粘结特别有利。
金属化层可具有0.5μm至0.5mm的厚度。
金属最终层可具有2μm至20mm的厚度，或优选20μm至2mm。
附加的金属粘结层可具有2μm至1mm或20μm至200μm的厚度。
纤维可以为玻璃、碳和/或芳香族聚酰胺纤维，特别优选使用非导电材料的纤维。
金属化层和/或附加的金属粘结层可含有铜和/或镍。
金属最终层通常由轻金属(例如铝)构成，这对于重量因素特别有利。但是，铜基材料或重金属也可以使用。
纤维材料可由纤维的稀松布(scrim)(例如纤维非织造织物(fibernonwoven))、机织织物(woven fabric)、非织造(nonwoven)或编织物((braidedfabric)形成。
根据本发明的一个具体实施方式，稀松布、机织织物或编织织物等的纤维被金属化层涂覆或被金属化层和附加的金属粘结层涂覆，且稀松布、机织织物或编织织物整体被最终层涂覆。但是同样地，可以从已预制备的纤维稀松布、机织织物或编织物开始，其是另外地与金属化层和任选地粘结层在随后涂覆最终层之前整体提供的。
根据本发明的金属基体纤维复合材料可用于航空构件(例如机翼、方向舵等)、汽车赛车(例如阻流板(spoilers)、车内装饰(trim)、底层结构(substructure)等)、发射物、运动设备和许多其他领域。
本发明还提供一种制备带有金属基体的纤维复合材料的方法。根据本发明， 形成金属基体的金属涂层被涂覆到包括单独纤维的纤维材料上，其中金属涂层由包围纤维的金属化层和涂覆于金属化层的金属最终层形成。
另外，金属涂层可含有金属粘结层，其涂覆于金属化层和金属最终层之间，在通过热喷涂施涂最终层时是特别有利的。
金属化层可以以化学方法/反应方法或由热喷涂涂覆。
金属最终层可以以电镀方法或由热喷涂涂覆。通过热喷涂施涂特别简单、快速和具有成本效益，并且对于所需的几何形状允许很高的灵活性。
附加的金属粘结层也可以电镀方法或由热喷涂涂覆。
形成纤维材料的纤维例如是玻璃、碳和/或芳香族聚酰胺纤维。但是如果使用非导电材料的纤维，具有特别的优点，非导电材料的纤维通过上述的金属化层成为导电的。
金属化层和/或附加的金属粘结层可由铜和/或镍形成。
金属最终层通常由轻金属(例如铝)构成，但是也可以由铜基材料或重金属形成。
纤维材料可由纤维的稀松布、机织织物或编织物形成。
稀松布、机织织物或编织物等的纤维可以被金属化层涂覆或被金属化层和附加的金属粘结层涂覆，且稀松布、机织织物或编织物可以整体被最终层涂覆。同样，纤维稀松布、机织织物或编织物可以整体被金属化层和可任选的粘结层以下述方式涂覆：即纤维被全部包围地涂覆和然后涂覆最终层，优选以热喷涂的方式涂覆。
本发明的一个特别的优点是，提供的带有金属基体的纤维复合材料中的纤维与金属基体，特别是与金属化层为非刚性连接。这与之前的方法和金属基底复合材料的情况不同。
附图说明
以下，参照附图将对本发明的一个典型实施方式进行解释。
该(单幅)附图以示意性放大截面图的方式展示了本发明的一个典型实施方式的带有金属基体的纤维复合材料的截面。
具体实施方式
如图所示的纤维复合材料，其整体以附图标记10表示，包括与纤维材料结合并围绕纤维材料的金属基体。该纤维材料包括如图中示意性示出的纤维1，该 纤维例如可由导电性的玻璃纤维形成，或也可由碳或芳香族聚酰胺纤维形成。位于纤维1之上的是金属导电层，其随后也由金属化层2表示，金属粘结层3可随后沉积在其上。金属化层2和金属粘结层3都涂覆在单独纤维1上，该纤维被加工形成如典型实施方式所示的编织网格。另一方面，金属最终层4整体涂覆在纤维的机织织物上。代替提供金属粘结层3，金属最终层4也可直接涂覆在金属化层2上；在这种情况下，仅有金属化层2位于单独纤维1上，该纤维然后被处理，例如以形成纤维的机织织物，然后金属最终层4整体涂覆于其上。同样，最终的纤维材料(例如以纤维稀松布半成品或编织网格的形式)可以被用于作起始点，其在最初与金属化层以如下方式整体提供：即纤维材料的单独纤维1每根都被金属化层2所包围或完全包围地包覆。为了随后例如通过热喷涂涂覆最终层4，任选的将粘结层3涂覆于金属化层2上。
为了能高粘合强度的涂覆，纤维1必须首先进行预处理，特别是在纤维由非导电材料构成的情况(例如玻璃纤维)下。根据此处所述的典型实施方式，可采用电镀方法或热喷涂进行金属最终层4的涂覆。但是对于金属最终层4的电镀涂覆，纤维1的表面必须为或必须被制成导电的。因此在第一步中，纤维1与所述的金属导电层或金属化层2一起提供。金属化层2例如可以以还原方法/化学方法或由热喷涂来涂覆。
可替换地，金属最终层4可由例如热喷涂涂覆。在这种情况下，先前的金属化和/或粘结层的涂覆也是有用的，这将确保金属最终层4与纤维1的紧密粘合。附加的金属粘结层3可由例如电镀方法或利用热喷涂涂覆。金属化层2或金属化层2和金属粘结层3因此形成了用于热喷涂金属最终层4的基础。
根据一个改进，该金属化层2也可涂覆在单独纤维1上，同时附加的金属粘结层3涂覆在由纤维1形成的纤维材料上，然后再在其上涂覆金属最终层4。
同样的，如之前所述，预制备(例如商用的)的纤维材料也可被作为起始点，其在第一步中与金属化层2一起提供。在这种情况下，应当注意单独的纤维1每根都被金属化层2所包覆。
金属化层2典型地可具有0.5μm至0.5mm的厚度，但是厚度并不局限于该范围。附加的金属粘结层3可具有2μm至1mm的厚度，特别是20μm至200μm，但是并不局限于该范围。金属最终层4最终可具有非常不同的厚度，依据涂覆的面积，该厚度为2μm至20mm，优选20μm至2mm。
金属导电层或金属化层2可含有适合于该目的任何金属或由这些金属形成(例如铜和/或镍)。金属最终层4同样可含有任何适合的金属或由这些金属形成。最终层4通常由轻金属(例如铝)、铜基材料或重金属构成。
由电镀或通过热喷涂涂覆的附加粘结层3也可含有铜和/或镍和/或铝或其他适合的金属，或者由上述金属形成。
如果产生单独纤维与金属特别是与金属化层的非连刚性接，是特别有利的。由于以液态形式涂覆的金属的收缩，在纤维和金属间形成很多微隙。
实施例：
金属纤维复合材料的一个典型实施方式可按如下制备：
-对由玻璃纤维1形成的编织网格脱脂，以碱性水沸腾脱脂的方式进行，随后在软化水中彻底清洗；
-脱脂玻璃纤维编织网格的化学方法(无电镀的)金属化(如化学镀铜或者化学镀镍)，以生产得到迄今不导电的纤维1的薄导电覆层，以及彻底清洗；
-将薄薄地涂有导电层或金属化层2的纤维1电镀增强至层厚度为例如150μm(例如镍电解槽，电流密度2-3A/dm2)，从而形成一个附加的金属粘结层3，以及再次彻底清洗并烘干玻璃纤维编织网格；
-在喷射器喷丸系统中使用金刚砂(corundum)(粒径尺寸例如为0-100μm)对电镀(电镀镍的)表面的两面均进行轻喷吹，因此粗化了该表面；
-采用轻金属(例如铝)通过电弧喷涂将粗糙表面的两面涂覆。实施该电弧喷涂直至原始玻璃纤维网格中的间隙被封闭并形成一个紧密的连续层(复合材料)。该复合材料由于同时具有高强度和低自身重量而卓越。此外，还可以进行这种复合材料的机械加工方法，例如钻孔(drilling)、铣削(milling)、磨削(grinding)、抛光(polishing)或类似方法。
所述的带有金属基体的纤维复合材料形成了一种高强度、不易燃、不易碎的材料，该材料因为具有最优的强度重量比而不具有破碎行为。基体材料不仅限于诸如铝的轻金属，任何其他合适的金属都可使用，该金属能以合适的形式涂覆到制备的纤维材料上形成层。实际上的基体基本上仅通过这种涂覆方法形成，并且在纤维与金属基体之间产生非刚性连接。
通过将用来制备金属化、导电或粘结层的电镀方法(定向法拉第工艺)与 具有高涂覆速度特别是热喷涂的方法结合使用，从而可以以高涂覆速度对纤维材料进行有效包覆。同时，在本发明的情况下，例如在电镀方法中，并不限于电化学势序列(electrochemical potential series)中的普通金属。至于生产得到的纤维复合材料的尺寸，也就是可被制备的最终部件，事实上没有限制，因为热喷涂可实施于几乎任何尺寸的部件。与PVD/CVD方法相比的一个特别的优点，例如，是一方面涂覆速度基本上更高，可从所有的面对纤维进行涂覆并且对部件的尺寸没有限制，如在所述的真空方法中存在的部件，其中该尺寸仅受到周围真空容器的尺寸的限制。
参考清单
1 纤维
2 金属化层，金属导电层
3 金属粘合层
4 金属最终层
10 复合材料
Claims (4)
1.一种制备带有金属基体的纤维复合材料的方法，其中形成金属基体的金属涂层被涂覆于包含单独的纤维(1)的纤维材料，其中金属涂层由包围纤维(1)的金属化层(2)和涂覆于金属化层(2)的金属最终层(4)形成，其特征在于最终层(4)由热喷涂制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于金属粘结层(3)涂覆于金属化层(2)和金属最终层(4)之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于金属化层(2)以化学方法或由热喷涂制备。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于附加的金属粘结层(3)以电镀方法或由热喷涂制备。
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