CN103930266A - 改进的纤维金属层压板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板，所述层压板包括纤维增强复合层与相邻金属片的组合，所述组合中的性质满足以下关系：E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)具有a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.36且c＝0.3)(la)并且当Vf≤0.3时为零(lb)所提供的下限值与a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.88且c＝0)(lc)所提供的上限值之间的值，0.10≤Vf<0.54(2)，E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<400*Vf kN/mm4(3)，其中a＝1200kN/mm4；以及E复合物＝所述组合中的所述纤维增强复合层在所述复合层的最高刚度方向上获得的弹性杨氏模量(以kN/mm2为单位)，E层压板＝在与E复合物相同的方向上获得的所述总纤维金属层压板的弹性杨氏模量(以kN/mm2为单位)，E金属＝所述组合中的所述金属片的弹性杨氏模量(以kN/mm2为单位)，t金属＝所述组合中的所述金属片的厚度(以mm为单位)，Vf＝所述组合中的所述纤维增强复合层的纤维体积分数。本发明进一步涉及一种用于获得此层压板的方法。根据本发明的纤维金属层压板展现出高抗裂纹生长性和刚度以及良好的接合性能。本发明进一步涉及所述纤维金属层压板与另一个元件的组装件，所述另一个元件由包括粘合剂和/或纤维增强复合物的粘合层粘合到所述纤维金属层压板或者通过机械紧固装置来连接。

Description

改进的纤维金属层压板
技术领域
本发明涉及一种包括相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板。更具体来说，本发明涉及一种具有最佳配置的包括相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板。
背景技术
工程结构在负载下的行为通过许多设计参数来确定，并且定义用于特定应用的最佳材料通常是冗长的任务并且另外必须处理相冲突的要求。最常使用的工程材料是如钢合金、钛合金、镁合金、铝合金的金属、如玻璃纤维复合物、碳纤维复合物和芳族聚酰胺复合物的纤维增强复合物以及以下进一步定义的混合材料。
纤维增强复合物提供超过诸如金属的其他优选材料相当大的重量优点。通常，以牺牲诸如延展性、韧性、承载强度、传导性和冷成型能力的其他重要的材料性质为代价获得重量减轻。为了克服这些不足，开发出了称作纤维金属层压板的新型混合材料来组合金属与复合物的最佳属性。
诸如像US4,500,589中所描述的那些纤维金属层压板(也称为FML)是通过交替堆叠金属(最优选地是铝)片与纤维增强半固化片并且将该堆叠物在热和压力下固化来获得。这些材料越来越多地用在诸如运输业等行业中，例如在舰船、汽车、火车、飞机和航天器中。它们可以用作片和/或增强元件和/或用作用于这些运输工具的(主体)结构的支肋，向对于飞机来说用作机翼、机身和尾板和/或飞机的其他蒙皮壁板和结构元件。
WO2009/095381A1公开了一种纤维金属层压板，其中金属体积分数范围在0与47％之间。
WO2007/145512A1公开了一种包括具有1mm以上厚度的厚金属片的纤维金属层压板。厚金属片通过具有的纤维体积分数Vf低于45％的纤维增强复合层来粘合到层压板的其他层。
EP0312150A1和EP0312151A1描述其他可用的纤维金属层压板。
尽管纤维金属层压板可以提供优于金属合金、尤其是铝合金的改进的耐疲劳(尤其是裂纹扩展)性，但是其在结构方面、尤其是经受动态加载的结构方面的行为仍然有待改进，并且还需要高静态强度尤其是用于机械接合的高强度。就此而言，重要的特征是抗裂纹生长性以及良好的结构接合强度。如果考虑到相应纤维金属层压板在具有足够的接合强度性能的情况下实现最低裂纹生长速率，可以确定恰当的金属片和纤维增强复合物的性质，则将是非常合意的。
根据本发明的那些类型的纤维金属层压板优选地连接到结构的其他部件，并且因此可以具备缺口来实现该连接。这样的缺口提供可能不利地影响疲劳寿命的应力集中。本发明的另一个目的在于提供一种在动态加载方面具有最佳缺口性能的包括相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板。
本发明的一个目的在于提供一种在动态加载方面具有最佳结构响应、具体来说具有最低裂纹生长速率同时提供足够的接合强度的包括相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种包括相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板，其具有一系列产生最佳结构响应的纤维和金属性质。
根据本发明的另一个方面，提供相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板，该层压板包括纤维增强复合层与相邻金属片的组合，对于该组合来说满足以下关系：
E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)具有a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.36且c＝0.3)(la)并且当Vf≤0.3时为零(lb)所提供的下限值与a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.88且c＝0)(lc)所提供的上限值之间的值
0.10≤Vf<0.54(2)
E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<400*Vf kN/mm4(3)
其中a＝1200kN/mm4，并且
E复合物＝组合中的纤维增强复合层在该复合层的最高刚度方向上获得的弹性杨氏模量(以kN/mm2为单位)
E层压板＝在与E复合物相同的方向上获得的总纤维金属层压板的弹性杨氏模量(以kN/mm2为单位)
E金属＝组合中的金属片的弹性杨氏模量(以kN/mm2为单位)
t金属＝组合中的金属片的厚度(以mm为单位)
Vf＝组合中的纤维增强复合层的纤维体积分数
在下限值与上限值之间的E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)的值必须被理解为包括极端下限值和上限值。
关系式(1)至(3)定义就纤维金属层压板的耐疲劳性而言纤维增强复合层的最佳性质(这些性质取决于该层的纤维体积分数)和与所述纤维增强复合层相邻的金属片的性质。满足关系式(1)至(3)的Vf和t金属组合在疲劳试验、尤其是在有缺口的疲劳试验中产生最大量的疲劳寿命周期，并且同时提供改进的接合性能。
根据本发明的一个方面的纤维金属层压板中的金属片被选择成使得E层压板*E复合物/(E金 属*t金属 2)<400*Vf kN/mm4。看来这些金属片在很大程度上有助于层压板的接合强度。熟知的是，对于高负载的结构，如像飞机的下机翼，具有通常具有0.4mm及以下的厚度的铝合金层的已知标准纤维金属层压板(诸如GLARE层压板)表现出有限的接合强度性能。因此，这些具有值E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)≥400*Vf kN/mm4的已知纤维金属层压板在本发明的范围之外。
当在纤维金属层压板中仅一个纤维复合层和与其相邻的一个金属片满足关系式(1)至(3)时是足够的。因此，无需所有金属片都具有满足关系式(1)和(3)的厚度而且无需所有纤维增强复合层都满足关系式(1)至(3)。然而，在根据本发明的纤维金属层压板的一个实施例中，纤维增强复合层和相邻的金属片的任意组合的性质都满足关系式(1)至(3)。
根据本发明的纤维金属层压板的另一个实施例的特征在于纤维增强复合层和不同厚度的两个相邻的金属片的组合中的性质，两个相邻金属片中的较厚者满足关系式(1)至(3)。
应理解，当论及金属和纤维复合层的“厚度”时，暗示这些金属和纤维复合层具有恒定厚度。然而，层也可以具有可变厚度，诸如具有渐细的金属片。在这些情况下，厚度应理解为平均厚度。
在根据本发明的金属纤维层压板的一个特别优选实施例中，层压板包括金属片，其中E层 压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<300*Vf kN/mm4、更优选地E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<250*Vf kN/mm4并且最优选地E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<200*Vf kN/mm4。这些层压板表现出逐渐改进的接合强度性能并且同时提供良好的缺口疲劳性能。
纤维层压板的另一个优选实施例在纤维增强复合层中具有纤维，其中E纤维≥80GPa、更优选地E纤维≥85GPa并且最优选地E纤维≥90GPa。
本发明的层压板中的纤维增强复合层被定义为从一个金属片延伸到另一个金属片(或者延伸到层压板的端表面)的层。此层可以包括一个或多个复合层压板，其中在后一种情况下，层压板被堆叠形成层。纤维增强复合层或层压板优选地包括基本上在一个方向上的纤维(所谓的单向或UD复合物)，然而层或层压板也可以是具有的增强纤维在相互垂直的方向上延伸的交叉铺层、具有的纤维沿与主加载方向不同的方向延伸的角度铺层以及其任意组合。在纤维增强层中使用织物并不优选，因此在优选实施例中排除。
本发明的层压板中的纤维增强复合层可能将优选地具有各向异性性质，即，刚度和强度性能根据它们被确定的方向而变化。根据本发明，关系式(1)至(3)中的层压板中的纤维增强复合层的弹性杨氏模量是沿最高刚度方向获得，该方向对应于大部分纤维对齐的方向。当本发明的层压板中的纤维增强复合层展现出各向异性性质时，层压板也可以如此。因此，关系式(1)至(3)中的总纤维金属层压板的弹性杨氏模量也被定义为沿与纤维增强复合层的模量相同的方向获得。
本发明进一步涉及一种用于获得包括相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板中的金属片厚度和纤维增强复合层的纤维体积分数以获得该纤维金属层压板的最佳疲劳性质的方法，该方法包括：选择纤维增强复合层和相邻金属片的组合、选择金属片厚度或纤维体积分数中的一个以及计算满足上述关系式(1)至(3)的相应纤维体积分数或金属片厚度。根据本发明的层压板使用满足关系式(1)至(3)的纤维复合物与金属组合，并且这些配置可以通过首先选择金属和纤维增强复合物并且在室温下确定两者的弹性杨氏模量、考虑到关系式(2)为纤维增强复合物的纤维体积分数Vf假定开始值来获得。随后针对方程式(1)和(3)选择用于金属片的厚度t金属的开始值或用于纤维体积分数Vf的开始值并且进行检查。请注意，需要金属片的厚度t金属和复合层的纤维体积分数Vf两者来计算纤维金属层压板的弹性杨氏模量E层压板。对于t金属和Vf的开始值的选择通过异性概念来辅助，即，随着金属片厚度增加Vf通常应减小且反之亦然，以便同时满足方程式(1)至(3)。
所附权利要求中给出该方法的优选实施例。
满足关系式(1)至(3)的纤维金属层压板展现出最佳性质，这意味着其比不满足关系式(1)至(3)的纤维增强层压板具有更加良好的接合性能以及较低裂纹生长速度。此教示在之前并未公开并且现在可以确定提供最低裂纹生长速度的金属片厚度与复合物纤维体积分数的组合。
为了获得根据本发明的特别稳健的纤维金属层压板，根据所附权利要求2的纤维金属层压板是优选的。根据此实施例的纤维金属层压板不仅展现出高的抗裂纹生长性与良好的接合性能，而且还能实现较高刚度，这例如对于压缩方面的性能和对于气动弹性性能是重要的。
与工程复合物相比，根据本发明的层压板在冲击降级之后对压缩几乎不敏感(通常比其金属成分甚至更好)，且因此可以被设计成比纤维复合物结构对失效具有高得多的应变。此外，组合具有满足方程式(1)至(3)的性质的纤维复合层与金属片通常产生与具有在其比例极限以上的相应金属片相比具有较高刚度的纤维金属层压板，并且因此将具有增加的屈服强度。
在本发明的另一个实施例中，提供一种纤维金属层压板，其中纤维增强复合层的纤维体积分数满足Vf<0.50。这与纤维复合物性质随着纤维体积分数的增加而改进且因此Vf应尽可能高的一般教示截然不同。
根据本发明的其中纤维增强复合层的纤维体积分数满足0.10<Vf<0.54并且特别是0.15<Vf<0.50的纤维金属层压板的实施例是优选的。甚至更优选的是其中纤维增强复合层的纤维体积分数满足0.20≤Vf≤0.45的纤维金属层压板，并且最优选的是纤维增强复合层的纤维体积分数对于具有良好接合性能以及高刚度同时满足满足疲劳要求的最佳层压板而言满足0.20≤Vf≤0.40。
根据本发明的另一个方面，提供一种纤维金属层压板，其包括n个相互粘合且交替的纤维增强复合层和金属片。优选的层压板包括一个或两个金属外层，或者一个或两个纤维增强复合物外层。尤其优选的是包括两个金属片和一个纤维增强复合层或替代地包括一个金属片和两个纤维增强复合层的三层纤维金属层压板。
尽管本发明的纤维金属层压板中的金属片的厚度可以都相同，但是根据本发明的一个实施例，提供包括不同厚度的金属片的纤维金属层压板，由此金属片中的一个或多个满足关系式(1)至(3)。本发明的另一个实施提供包括不同金属合金的金属片的纤维金属层压板。然而，根据另一个实施例，可以提供包括相同金属合金的金属片的纤维金属层压板。
在本发明的另一个方面中，提供包括不同厚度的纤维增强复合层的纤维金属层压板，由此纤维增强复合层中的一个或多个满足关系式(1)至(3)。优选实施例是其中与最厚金属层相邻的纤维增强复合层中的至少一个与所述最厚金属层一起满足关系式(1)至(3)的要求的实施例。在金属层之间包括不同厚度的纤维增强复合层的纤维金属层压板提供另一个有用实施例。
只要满足关系式(1)至(3)，就可以在大范围内选择一个或多个金属片的厚度。根据本发明的纤维金属层压板的优选实施例包括具有厚度0.4mm<t金属≤4mm的金属片，因为本发明的效果在此范围内最明显。甚至更优选的是其中金属片的厚度在0.5mm<t金属≤2mm的范围内的纤维金属层压板的实施例。
在本发明的另一个方面中，提供一种纤维金属层压板，其中纤维增强复合层中的纤维在至少一个方向上延伸(称为UD)并且金属片的厚度低于1.5mm。
在本发明的另一个方面中，提供一种纤维金属层压板，其中金属片的厚度在0.5mm与4mm之间的范围内，更优选地在0.5mm与2mm之间并且最优选地在0.6mm与1.5mm之间。
根据本发明的另一个实施例提供一种纤维金属层压板，其中纤维增强复合层的纤维体积分数满足0.20≤Vf<0.50，并且金属片的厚度等于或低于2mm。
甚至更优选的是其中纤维增强复合层的纤维体积分数满足0.30≤Vf<0.50并且金属片的厚度等于或低于1.2mm的纤维金属层压板。
尽管可用任意选择纤维金属层压板中的金属片的金属，但是在本发明的另一个实施例中，提供一种纤维金属层压板，其中金属片的金属选自钢合金、铝合金、镁合金以及钛合金，由此铝合金、镁合金以及钛合金尤其有用。
在本发明的另一个优选实施例中，提供一种纤维金属层压板，其中纤维增强复合层包括玻璃、芳族聚酰胺、PBO、共聚物或碳纤维或者其组合。纤维增强复合层可以包括主要在一个方向上延伸的基本上连续的纤维，且/或可以包括主要在两个垂直方向上延伸的基本上连续的纤维，诸如以0°/90°的交叉铺层和/或在相对于0°的角度(例如，+45°/-45°形式)下，或者在与0°方向偏离的方向上的气动弹性修整。最优选的是其中复合层中的纤维定向在一个方向上(即，单向)的层压板。在本发明的优选实施例中排除织物。
根据本发明的尤其优选的纤维金属层压板包括平坦或曲线的加倍装置和用于机身、机翼或横尾翼的铝锂蒙皮。
在本发明的又一个方面，提供根据以上权利要求中任一项的纤维金属层压板与另一个元件的组装件，该另一个元件由包括黏性和/或纤维增强复合物的粘合层连接到纤维金属层压板或者通过机械紧固装置来连接。该另一个元件优选地包括选自诸如角形截面的刚性构件、Z形桁条、帽形桁条、C形桁条、Y形桁条、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固着楔和/或飞机结构的框架(截面)的结构元件和/或结构元件的组合。
在本发明的另一个方面中，另一个元件包括由诸如铝合金、镁合金、钛合金和/或钢合金的金属和/或金属片与复合层的组合制成的平板或锥形板。
在本发明的又一个方面中，提供纤维金属层压板与连接到其的另一个元件的组装件，其中该另一个元件包括选自诸如角形截面的刚性构件、Z形桁条、帽形桁条、C形桁条、Y形桁条、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固着楔和/或飞机结构的框架(截面)的至少一个结构元件。
本发明的又一个方面提供这种组装件在提供耐疲劳结构中的使用。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图2是根据本发明的另一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图3至7示出根据本发明的纤维增强压板的几个实施例中的纤维增强复合层的疲劳寿命与纤维体积分数之间的关系；
图8示出权利要求1的参数与用于根据本发明的纤维增强层压板的几个实施例的纤维增强复合层的纤维体积分数之间的关系；
图9示出权利要求2的参数与用于根据本发明的纤维增强层压板的几个其他实施例的纤维增强复合层的纤维体积分数之间的关系；以及
图10示出如在用于不同裂纹长度的循环加载下通过裂纹生长测量出的具有不同纤维体积分数的纤维增强层压板的疲劳行为。
具体实施方式
在以下描述中，参照形成其一部分并且通过图示来展示其中可以实现本发明的具体实施例的附图。然而，本发明可以在没有具体细节的情况下或通过本文描述的那些方法的某些替代等效方法来实现。
本发明的基础是纤维增强复合层和至少一个金属片的唯一布置。根据本发明，提供包括纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板，其中纤维性质以如方程式(1)至(3)所提供的特定方式与金属片性质有关。纤维增强复合层优选地包括预先浸有复合基质系统、优选地金属黏合剂(半固化片)的纤维。复合层和金属片的系统优选地在热和压力下进行处理，以固化黏合剂并且形成固体板或部件。
发明人已经发现，具有根据方程式(1)至(3)的纤维性质的纤维金属层压板与相关性质不根据关系式(1)至(3)的纤维金属层压板相比，在接合强度以及在疲劳方面具有更好的结构性质，尤其是具有更高的抗裂纹生长性。方程式(1)至(3)中所用的参数是本领域技术人员熟知的，并且此人员将不难确定所提及的性质。本发明是基于金属片厚度和纤维增强复合层的纤维体积分数在获得高的抗裂纹生长性方面相关的观点。
图8中用图表展示根据本发明的纤维金属层压板的纤维体积分数与金属片的刚度和厚度之间的关系(方程式(1))。根据本发明的几个实施例的纤维金属层压板使用具有的纤维体积分数低于0.54(即，低于线19并且在线51与50之间)的纤维增强层。线50表示由a＝1200kN/mm4、b＝0.88且c＝0提供的上限。线51表示由a＝1200kN/mm4、b＝0.36且c＝0.3提供的下限。线20表示对于Vf<0.3的下限且线54表示如由400*Vf kN/mm4提供的用于接合性能的上限。
图9用图表展示根据另一个实施例的纤维金属层压板的纤维体积分数与金属片的刚度和厚度之间的关系(方程式(1))，其中线52表示由a＝1200kN/mm4、b＝0.85且c＝0.02提供的上限，而线53表示由a＝1200kN/mm4、b＝0.41且c＝0.26提供的下限。根据本发明的几个实施例的纤维金属层压板使用具有的纤维体积分数低于0.54(即，低于线19并且在线53与52之间)的纤维增强层。线20表示对于Vf<0.26的下限且线54表示如由400*Vf kN/mm4提供的用于接合性能的上限。
根据本发明的纤维金属层压板中的纤维增强复合层轻且牢固，并且包括嵌入到聚合物中的增强纤维。聚合物可以用作各个层之间的粘合装置。适用于纤维增强复合层中的增强纤维取决于金属片中的金属的选择(参见方程式(1)至(3))但是可以包括玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、PBO纤维、碳纤维共聚物纤维和金属纤维和/或以上纤维的组合。优选的纤维包括具有相对高拉伸强度和/或刚度的增强纤维，该类中诸如碳纤维的高模量纤维是特别优选的。优选的增强纤维包括共聚物纤维，诸如称为纤维并且可从Teijin购得的那些纤维。其他优选的纤维将具有至少E纤维＝80GPa、或者更优选地至少E纤维＝85GPa并且最优选地至少E纤维＝90GPa的纤维刚度。
用于增强纤维的适合的基质材料的实例包括但不限于热塑性聚合物，诸如聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚氨酯、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯醚掺合物(PPO)以及以上聚合物中的一个或多个的混合物和共聚物。适合的基质材料还包括热固性聚合物，诸如环氧树脂、不饱和聚酯树脂、三聚氰胺/甲醛树脂、苯酚/甲醛树脂、聚亚安酯，在这些热固性聚合物中，环氧树脂是最优选的。根据本发明，纤维复合物包括少于54体积百分比的纤维。
在根据本发明的层压板中，纤维增强复合层优选地包括在多个方向上(如0°、90°和相对于0°成角度)并且可能在两个几乎垂直的方向上(例如，交叉铺层)延伸的基本上连续的纤维。然而，甚至更优选的是纤维增强复合层包括主要在一个方向上延伸的基本上连续的纤维(所谓的UD材料)。有利的是，使用预浸半成品形式的纤维增强复合层。此“预浸料坯”通常在其固化之后展现出良好的机械性能，原因特别在于因为纤维已经通过基质聚合物提前湿化。
纤维金属层压板可以通过借助于在压力下加热和随后冷却将若干金属片和纤维增强复合层彼此连接来获得。本发明的纤维金属层压板具有良好的特定机械性质(每单位密度的性质)。特别适于使用的金属包括钢(合金)和轻金属，诸如铝合金、镁合金并且特别是钛合金。适合的铝合金是基于诸如铜、锌、镁、硅、锰以及锂的合金元素。也可以添加少量的铬、钛、钪、锆、铅、铋和镍、以及铁。适合的铝合金包括铝铜合金(2xxx系列)、铝镁合金(5xxx系列)、铝硅镁合金(6xxx系列)、铝锌镁合金(7xxx系列)、铝锂合金(8xxx系列)以及铝镁钪合金。适合的钛合金包括但不限于包括Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-15Mo-3Al-3Nb、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo、Ti-13V-11Cr-3Al,Ti-6A1-4Y以及Ti-6Al-4V-2Sn的合金。在其他方面中，本发明并不限于使用这些金属的层压板，因此如果需要其他金属，则可以使用例如铜和另一个适合的结构金属。本发明的层压板还可以包括不同合金的金属片。
根据本发明的纤维金属层压板通常将由若干金属片和若干纤维增强复合层形成，条件是纤维增强复合层的性质和金属片的性质满足方程式(1)至(3)。
纤维金属层压板的外层可以包括金属片和/或纤维增强复合层。金属层的数量可以在大范围内变化并且至少为一个。在一个特别优选的纤维金属层压板中，金属层的数量可以为两个、三个或四个，在每一个金属层之间优选地涂布纤维增强复合层。取决于预期使用和要求设置，本领域技术人员可以容易地确定金属片的最佳数量。金属片的总数量通常将不超过40，然而本发明并不限于具有诸如此类的最大数量的金属层的层压板。根据本发明，金属片的数量优选地在1与30之间，并且更优选地在1与10之间，其中金属片优选地具有至少0.25GPa的拉伸极限强度。
为了防止层压板由于内部拉力而扭曲，根据本发明的层压板可以相对于穿过层压板的厚度中心的平面对称地构造。
根据本发明的纤维金属层压板通过布置(交替)纤维增强复合层,优选地为半固化片形式的纤维增强复合层和至少一个金属片的层来容易地获得。纤维金属层压板可以用许多不同的布置来设计。
参照图1，展示根据一个实施例的纤维金属层压板，其中层的总数量是3，并且其中层1和层3包括金属层和层2(纤维复合层)。或者，层1和层3包括纤维复合层和层2(金属层)。层1和层3可以包括相同的金属或者可以是不同种类的金属。纤维复合层可以含有在多个方向上的纤维以及不同种类的纤维，对于这些纤维来说，至少一个纤维复合层中的至少一种纤维类型满足方程式(1)至(3)中设置的要求。
参照图2，展示根据另一个实施例的纤维金属层压板，其中层的总数量是n，并且其中层1是金属层并且层2是纤维复合层，这将是交替的直至层n-1和层n。
或者，层1是纤维复合层并且层2是金属层，这将是交替的直至层n-1和层n。交替的金属层可以是相同的金属或者是不同种类的金属，并且可以具有不同的厚度。另外，交替的纤维复合层中的至少一个可以含有在多个方向上的纤维以及不同种类的纤维，对于这些纤维来说，至少一个纤维复合层中的至少一种纤维类型相对于相邻金属层(优选地具有最大金属厚度)满足方程式(1)至(3)中设置的要求。根据本发明，纤维增强复合层(例如，层2)和相邻金属片(例如，层1或3)的至少一个组合需要满足关系式(1)至(3)，其中E层压板对应于包括所有层1、2……、n-1、n的总纤维金属层压板的弹性杨氏模量(以kN/mm2为单位)。在金属层(1)和(3)厚度不同的情况下，在该组合中优选地选择最厚的金属层。在层压板的外层是纤维复合层的情况下，此层优选地需要相对于其相邻金属层满足方程式(1)至(3)中设置的要求，除非另一个金属层与其相邻纤维复合层已经满足要求。如果外层是金属，则其优选地需要相对于其相邻纤维复合层满足方程式(1)至(3)中设置的要求，除非另一个金属层与其相邻纤维复合层已经满足要求。
层压板通过例如在平坦或单个、两个或多个弯曲模具上以图1和2中例示的顺序准备纤维复合物和金属片的堆叠来制造。在层压之后，在适于基质树脂(优选地环氧树脂)的温度下,例如，在高压处理器中,并且优选地在真空下来固化整个结构以便将滞留空气从层压板排出来固化总结构。对于大多数应用来说，具有高玻璃转换温度的环氧树脂将是最适宜的。然而，可以使用任何环氧树脂。通常在室温下或稍高于室温、在约125℃的温度下或者在约175℃的温度下固化环氧树脂。在压力下固化之后获得加固的层压板。如上所述，也有可能使用热塑性树脂。
根据本发明的层压板的另一个优选制造方法包括多于一个固化周期。参照图2，层压板可以例如通过以下步骤来产生：首先在专用固化周期中制造含有层3至n-2的层压板，并且随后在第二调整的固化周期中借助于每侧上具有符合方程式(1)至(3)的要求的适当纤维体积含量的纤维增强复合层(2和n-1)将两个金属层1和层n连接到此层压板。
实例和比较实例
将通过几个实例来说明本发明。将这些实例与一些已知层压板进行比较，即，在由根据本发明的层压板的线19、50、51、54和20所限定的区域之外的层压板和用于根据优选实施例的层压板的线19、52、53、54和20所界定的区域之外的层压板，参见图8和图9。
实例
所调查的层压板称为：
FML-G-A-UD-4/3：S2玻璃纤维增强FML，其具有在纤维增强复合层中定向在负载方向上的单向纤维和在金属片中作为金属的铝2024-T3合金；
FML-C-A-UD-4/3：高强度碳纤维增强FML，其具有在纤维增强复合层中定向在负载方向上的单向纤维和在金属片中作为金属的铝2024-T3合金；
FML-C-T-UD-4/3：高强度(HS)碳纤维增强FML，其具有在纤维增强复合层中定向在负载方向上的单向纤维和在金属片中作为金属的钛Ti-6AI-4V合金；
FML-I-T-UD-4/3：中间模量(IM)纤维(具有的刚度在高性能玻璃纤维与高模量碳纤维之间)增强FML，其具有在纤维增强复合层中定向在负载方向上的单向纤维和在金属片中作为金属的钛Ti-6AI-4V合金；以及
FML-G-A-CP-4/3：S2玻璃纤维增强FML，其具有在纤维增强复合层中主要定向在金属卷绕方向上的交叉铺层和在金属片中作为金属的铝2024-T3合金。
所有分析的层压板包括4个金属片和与金属片穿插的3个纤维增强复合层。为了能够正确地比较，具有相同金属厚度的每级层压板(即，具有相同的金属和纤维)具有大约相同的重量和与在Vf＝0.57获得的100MPa应力相对应的运转负载。
基于对具有5mm的启动器缺口的样本进行的多个疲劳试验开发出分析方法，由此疲劳寿命被定义为获得20mm的金属裂纹长度所需的周期数量。
图3至7中提供关于在不同的金属片厚度和纤维增强层中的纤维体积分数下的所有层压板的结果。
图3示出就动态加载周期的数量而言的缺口疲劳寿命10对用于具有不同金属片厚度的FML-G-A-UD-4/3FML的纤维体积分数20。曲线11、12、13、14、15、16和17是分别用于金属片厚度0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm和3.0mm。线19对应于Vf＝0.54。
图4示出就动态加载周期的数量而言的缺口疲劳寿命10对用于具有不同金属片厚度的FML-C-A-UD-4/3FML的纤维体积分数20。曲线21、22、23、24、25和26是分别用于金属片厚度0.7mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm和4.0mm。线19对应于Vf＝0.54。
图5示出就动态加载周期的数量而言的缺口疲劳寿命10对用于具有不同金属片厚度的FML-C-T-UD-4/3FML的纤维体积分数20。曲线31、32、33、34和35是分别用于金属片厚度0.9mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、和3.0mm。线19对应于Vf＝0.54。
图6示出就动态加载周期的数量而言的缺口疲劳寿命10对用于具有不同金属片厚度的FML-I-T-UD-4/3FML的纤维体积分数20。曲线41、42、43、44和45是分别用于金属片厚度0.7mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm。线19对应于Vf＝0.54。
图7最终示出就动态加载周期的数量而言的缺口疲劳寿命10对用于具有不同金属片厚度的FML-G-A-CP-4/3FML的纤维体积分数20。曲线51、52、53、54、55和56是分别用于金属片厚度0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.5mm。线19对应于Vf＝0.54。
所有结果展示出用于每一个金属片厚度的最佳Vf，由此展示最佳偏移以降低用于具有较厚金属片的FML的Vf。最佳值对应于疲劳寿命(周期)10的数量的最大值。另外，展示了太低Vf产生比较不佳的疲劳性能。因此，Vf的最小值是本发明的一部分。
图8和9中选择和组合展示疲劳寿命的最大值(图3至7中的最大值)的FML。最大值遵循线59，如图8和9中所示。最佳线与b＝0.58且c＝0.15并且其中对于Vf<0.15来说为0(零)相对应。这些图展示针对纤维体积分数20的参数60＝E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)(以kN/mm2为单位)。这些图还用图表表示关系式(1)至(3)，由此图8中的虚线50和51分别表示对应于层压板的最大疲劳性能的90％的关系式(1)的上限和下限。虚线50和51以及线54表示权利要求1所限定的边界。对应于本发明的层压板位于由线50、19、51、54和20(对于Vf≤0.3)所界定的区域内。图9表示对应于层压板的最大疲劳性能的95％的关系式(1)的上限和下限(即，分别是虚线52和53)。虚线52、53和线54表示权利要求2所限定的边界。根据此优选实施例的层压板位于由线54、52、19、53和20(对于Vf≤0.26)所界定的区域内。
最佳纤维金属层压板(即，在动态加载下具有最高抗裂纹性的FML)都位于由表示关系式(2)的虚线50、51和线19以及表示关系式(3)的线54所限定的边界内。如权利要求2中所限定的优选实施例都位于由虚线52、53、线54以及线19所界定的边界内。在本发明范围之外的非最佳纤维金属层压板不在由虚线50、51(或52、53)、线54以及线19所界定的区域内。
比较实例
比较实例1
在EP0322947B1中，充分详细地描述两个层压板以允许根据本发明计算方程式(1)至(3)的结果。
层压板1(由ARALL1定义)包括各自具有t金属＝0.3mm的14个铝合金7075-T6片。在各金属层之间涂覆有厚度0.2mm并且Vf＝50％的芳族聚酰胺半固化片。
层压板2由夹在含有厚度t金属＝0.3mm的3个铝合金7075-T6片的两个ARALL1片之间的厚度t金属＝4mm的铝合金2024-T3片构成。在每个ARALL1金属片之间并且在ARALL1与较薄2024-T3合金片之间涂覆有厚度0.2mm并且Vf＝50％的芳族聚酰胺半固化片。
尽管所涂覆的铝合金的杨氏模量在EP0322947B1中并未公开，但是此杨氏模量已经从MMPDS(DOT/FAA/AR-MMPDS-01)获得，其为2024-T3铝合金提供E金属＝72.4GPa，为7075-T6铝合金提供E金属＝71.0GPa。芳族聚酰胺纤维的弹性模量或杨氏模量在EP0322947B1中也并未明确公开。因此，将假定，所涂覆的芳族聚酰胺纤维具有模量E纤维＝125GPa。为了计算复合层的刚度E复合层，需要知道在EP0322947中未明确公开的所涂覆的基质系统的刚度。将假定基质系统的刚度是4GPa。
尽管在EP0322947B1中公开了芳族聚酰胺半固化片的厚度(0.2mm)，但是并不清楚这是在高压处理器固化过程之前还是之后的厚度。因此，假定所提及的厚度对应于固化后的半固化片厚度。
在方程式(1)中应用EP0322947B1的所有明确公开和合理假定的性质数据得到层压板1的695N/mm4的值和层压板2的4N/mm4的值.因此，层压板1在所请求的最佳区域之上，而层压板2在权利要求的区域之下。在图8和图9中将后一个值将显示为数据点CE1。
比较实例2
在WO2007/145512A1中第16页，描述夹在厚铝层之间的GLARE内层压板的三个组合层压板。
层压板1由GLARE1-5/4-0.4内层压板构成，厚度4mm的铝2024-T3片通过黏性膜(非纤维)粘合到其两侧上。
层压板2类似于层压板1，但是区别仅在于涂覆于GLARE和4mm铝外片之间的胶黏剂。替代黏性膜，涂覆标准硅玻璃半固化片。
层压板3类似于以上层压板，区别仅在于替代GLARE与外4mm厚金属之间的标准半固化片，标准半固化片连同黏性膜一起涂覆。标准S2玻璃半固化片的纤维体积含量是Vf＝60％(第16页)，这在本发明所请求的区域之外。因此，层压板1和层压板2将落在本发明权利要求的区域之外。
除此以外要提及，未公开所涂覆的S2玻璃半固化片的厚度或其刚度，也未公开所涂覆的黏性膜的厚度和其刚度、GLARE层压板与4mm厚外铝层之间的复合层的厚度、纤维体积含量Vf或刚度。
因此，不能建立WO2007/145512Al的层压板3是否满足根据本发明的方程式(1)至(3)。
比较实例3
WO2009/095381Al在第11页公开具有放0.2mm厚度的两个铝2024-T3片的层压板，其之间设置8个纤维增强层。纤维增强层包括具有Vf＝60％的UD S2玻璃纤维并且每个层具有0.25mm的厚度。
为了能够计算根据方程式(1)至(3)的值，需要在WO2009/095381Al中未明确公开的性质数据。具体来说，缺乏纤维增强层的刚度和金属的刚度。对于玻璃纤维使用E纤维＝88.5GPa，并且与以上提及的值相同的值用于纤维增强复合基质材料和铝刚度，即，E基质＝4GPa并且E金属＝72.3GPa，以及关于复合层厚度做出与先前实例相同的假定，计算方程式(1)的值得到345N/mm4。图8和图9中将此值展示为数据点CE3。WO2009/095381Al的层压板未展示最佳疲劳性质并且清楚的是该层压板在权利要求的区域之外。
图10示出如在用于不同裂纹长度的循环加载下通过裂纹生长测量出的具有不同纤维体积分数的纤维增强层压板的疲劳行为。已知的纤维增强层压板是所谓的GLARE3-4/3-0.5，其具有厚度为0.5mm的铝层。因此，应将这些层压板的结果与图7的线52(相同金属厚度)进行比较。图10清楚地示出使用标准半固化片(G3S)的已知GLARE3-4/3-0.5层压板在20mm的裂纹长度下具有185,000周期数的疲劳寿命。标准半固化片具有约58％的标称纤维体积分数。对于使用标准半固化片(G3S)的已知GLARE3-4/3-0.5层压板来说，参数60的值＝E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)，等于162kN/mm4。
根据本发明的层压板(G3SO)具有与G3S相同的配置，但是区别在于将额外的黏性层添加到半固化片层。图10中也示出此层压板(具有约42.5％的体积分数)的疲劳结果，并且展示约330,000周期数的疲劳寿命，这几乎比已知层压板高过两倍。在图7中，层压板G3SO的数据点将位于靠近线52的顶部。对于使用G3SO半固化片的层压板来说，参数60的值＝E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)，等于110kN/mm4。根据本发明，存在疲劳行为中的最佳值，因为通过进一步减少纤维体积分数，疲劳性能将再次减少。的确，层压板G3SL具有与先前层压板G3S和G3SO相同的铺叠，但是纤维体积分数进一步减少了约20％。对于使用G3SL半固化片的层压板而言，参数60的值＝E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)等于40kN/mm4。G3SL层压板展示减少的约230,000周期数的疲劳寿命(图10)。图8中也示出对于这些层压板获得的结果。此图清楚地示出线50、51和54之间的所要求保护的区域显示出最佳疲劳性能，因为使用G3SO半固化片的层压板以及图3至图7中示出的缺口疲劳寿命的最大值都属于此区域之内。使用诸如G3SL和G3S半固化片的半固化片的已知层压板在本发明的区域之外，即，在用于使用G3S半固化片的层压板的下限(线51)之下和在用于使用G3SL半固化片的层压板的上限(线50)之上。

Claims (45)

1.一种相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板，所述层压板包括纤维增强复合层与相邻金属片的组合，所述组合的性质满足以下关系：
E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)具有a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.36且c＝0.3)(la)并且当Vf≤0.3时为零(lb)所提供的下限值与a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.88且c＝0)(lc)所提供的上限值之间的值
0.10≤Vf<0.54(2)
0<E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<400*Vf kN/mm4(3)
其中a＝1200kN/mm4；以及
E复合物＝所述组合中的所述纤维增强复合层在所述复合层的最高刚度方向上获得的弹性杨氏模量，以kN/mm2为单位
E层压板＝在与E复合物相同的方向上获得的所述总纤维金属层压板的弹性杨氏模量，以kN/mm2为单位
E金属＝所述组合中的所述金属片的弹性杨氏模量，以kN/mm2为单位
t金属＝所述组合中的所述金属片的厚度，以mm为单位
Vf＝所述组合中的所述纤维增强复合层的纤维体积分数。
2.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中a＝1200kN/mm4；所述下限参数b＝0.41且c＝0.26，并且当Vf≤0.26时所述下限为零；并且所述上限参数b＝0.85且c＝0.02。
3.根据权利要求1或2所述的纤维金属层压板，其中纤维增强复合层与相邻金属片的任意组合的性质满足所述关系式(1)至(3)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中纤维增强复合层与两个相邻金属片中的较厚者的组合的性质满足所述关系式(1)至(3)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<300*Vf kN/mm4，并且更优选地<200*Vf kN/mm4。
6.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层的所述纤维体积分数满足0.15≤Vf<0.50、更优选地0.20≤Vf≤0.45，并且最优选地0.20≤Vf≤0.40。
7.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其包括不同厚度的金属片。
8.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其包括不同金属合金的金属片。
9.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其包括相同金属合金的金属片。
10.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其包括不同厚度的纤维增强复合层，和/或包括具有至少两种不同纤维的纤维增强复合层，和/或包括纤维不同的纤维增强复合层。
11.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述金属片的所述厚度是0.4mm<t金属≤4mm。
12.根据权利要求11所述的纤维金属层压板，其中所述金属片的所述厚度是0.5mm≤t金 属≤2mm，并且优选地在0.6mm≤t金属≤1.5mm之间。
13.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层中的所述纤维在多个不同的方向上延伸。
14.根据权利要求13所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层中的所述纤维在至少两个相互不同的方向上延伸。
15.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层包括主要在一个方向上延伸的基本上连续的纤维。
16.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层的所述纤维体积分数满足0.20≤Vf<0.50并且所述金属片的所述厚度是0.4mm<t金属≤2mm。
17.根据权利要求16所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层的所述纤维体积分数满足0.30≤Vf<0.50并且所述金属片的所述厚度满足0.5mm<t金属≤1.2mm。
18.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述金属选自钢合金、铝合金、镁合金以及钛合金。
19.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层包括玻璃、芳族聚酰胺、PBO、共聚物或碳纤维或者其组合。
20.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层包括纤维，其中纤维刚度E纤维≥80GPa、更优选地E纤维≥85GPa并且最优选地E纤维≥90GPa。
21.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，所述层压板包括平坦或弯曲的加倍装置。
22.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述层压板包括用于机身、机翼或横尾翼的铝锂蒙皮。
23.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板与另一个元件的组装件，所述另一个元件由包括粘合剂和/或纤维增强复合物的粘合层连接到所述纤维金属层压板或者通过机械紧固装置来连接。
24.根据权利要求22所述的组装件，其中所述另一个元件包括选自诸如角形截面的刚性构件、Z形桁条、帽形桁条、C形桁条、Y形桁条、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固着楔和/或飞机结构的框架(截面)的至少一个结构元件或其组合。
25.根据权利要求22所述的组装件，其中所述另一个元件包括由诸如铝合金、镁合金、钛合金和/或钢合金的金属和/或金属片与纤维复合层的组合制成的平板或锥形板。
26.根据权利要求24所述的组装件，其中所述平金属板或锥形金属板连接到另一个元件，所述另一个元件包括选自诸如角形截面的刚性构件、Z形桁条、帽形桁条、C形桁条、Y形桁条、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固着楔和/或飞机结构的框架(截面)的至少一个结构元件或其组合。
27.根据权利要求20至25中任一项所述的组装件在提供耐疲劳结构中的使用。
28.用于获得包括相互粘合的纤维增强复合层和金属片的纤维金属层压板中的金属片厚度和所述纤维增强复合层的纤维体积分数以获得所述纤维金属层压板的最佳疲劳性质的方法，所述方法包括：选择纤维增强复合层和相邻金属片的组合、选择所述金属片厚度或纤维体积分数中的一个以及计算满足以下关系的相应纤维体积分数或金属片厚度：
E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)具有a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.36且c＝0.3)(la)并且当Vf≤0.3时为零(lb)所提供的下限值与a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.88且c＝0)(lc)所提供的上限值之间的值
0.10≤Vf<0.54(2)
E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<400*Vf kN/mm4(3)
其中a＝1200kN/mm4；以及
E复合物＝所述组合中的所述纤维增强复合层在所述复合层的最高刚度方向上获得的弹性杨氏模量，以kN/mm2为单位
E层压板＝在与E复合物相同的方向上获得的所述总纤维金属层压板的弹性杨氏模量，以kN/mm2为单位
E金属＝所述组合中的所述金属片的弹性杨氏模量，以kN/mm2为单位
t金属＝所述组合中的所述金属片的厚度，以mm为单位
Vf＝所述组合中的所述纤维增强复合层的纤维体积分数。
29.根据权利要求27所述的方法，其中a＝1200kN/mm4；所述下限参数b＝0.41且c＝0.26，并且当Vf≤0.26时所述下限为零；并且所述上限参数b＝0.85且c＝0.02。
30.根据权利要求27或28所述的方法，其中E层压板*E复合物/(E金属*t金属 2)<300*Vf kN/mm4并且更优选地<200*Vf kN/mm4。
31.根据权利要求27至29中任一项所述的方法，其中所述纤维增强复合层的所述纤维体积分数满足0.15≤Vf<0.50。
32.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，其包括不同厚度的金属片。
33.根据权利要求27至31中任一项所述的方法，其包括不同金属合金的金属片。
34.根据权利要求27至31中任一项所述的方法，其包括相同金属合金的金属片。
35.根据权利要求27至33中任一项所述的方法，其在金属层之间包括不同厚度的纤维增强复合层。
36.根据权利要求27至34中任一项所述的方法，其中所述金属片的所述厚度低于4mm。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述金属片的所述厚度低于2mm。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述纤维增强复合层中的所述纤维在至少两个相互不同的方向上延伸，并且所述金属片的所述厚度低于1.5mm且优选地在0.6与1.5mm之间。
39.根据权利要求27至37中任一项所述的方法，其中所述纤维增强复合层中的所述纤维在多个不同的方向上延伸。
40.根据权利要求38所述的方法，其中所述纤维增强复合层中的所述纤维在至少两个相互不同的方向上延伸。
41.根据权利要求27至37中任一项所述的方法，其中所述纤维增强复合层包括主要在一个方向上延伸的基本上连续的纤维。
42.根据权利要求27至40中任一项所述的方法，其中所述纤维增强复合层的所述纤维体积分数满足0.20≤Vf<0.50并且所述金属片的所述厚度是0.4mm<t金属≤2mm。
43.根据权利要求41所述的方法，其中所述纤维增强复合层的所述纤维体积分数满足0.30≤Vf<0.50并且所述金属片的所述厚度是0.5mm<t金属≤1.2mm。
44.根据权利要求27至42中任一项所述的方法，其中所述金属选自钢合金、铝合金以及钛合金。
45.根据权利要求27至43中任一项所述的方法，其中所述纤维增强复合层包括玻璃、芳族聚酰胺、PBO、共聚物或碳纤维或者其组合。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104385714A (zh) * 2014-10-30 2015-03-04 北京汽车股份有限公司 玻璃纤维增强镁合金层合板及其制造方法
CN108309424A (zh) * 2018-01-18 2018-07-24 江苏百易得医疗科技有限公司 一种桡骨远端掌侧锁定板
CN111139410A (zh) * 2020-01-13 2020-05-12 嘉瑞科技（惠州）有限公司 一种纤维加强型铝合金层压复合材料及其制备方法
CN113183565A (zh) * 2021-06-03 2021-07-30 河南工业大学 一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2965902B1 (de) * 2014-07-09 2016-03-16 Hydro Aluminium Rolled Products GmbH Mehrschichtiges strukturbauteil, verfahren zu dessen herstellung und verwendung dafür sowie system mit einem solchen strukturbauteil
EP3265633B1 (en) * 2015-03-06 2018-09-26 Kiekert AG Locking mechanism component for a motor vehicle lock
RU2600765C1 (ru) * 2015-06-10 2016-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Слоистый алюмостеклопластик и изделие, выполненное из него
DE102016207372A1 (de) 2016-04-29 2017-11-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Radführender Lenker in der Radaufhängung eines Fahrzeugs
TWM538876U (zh) * 2016-11-22 2017-04-01 Tyko Tech Co Ltd 複合材料結構
NL2017849B1 (en) * 2016-11-23 2018-05-28 Gtm Advanced Products B V Laminate of mutually bonded adhesive layers and spliced metal sheets
US11273622B2 (en) * 2016-12-14 2022-03-15 The Boeing Company Stiffening elements that comprise integral current flowpaths
US11077644B2 (en) 2016-12-14 2021-08-03 The Boeing Company Material systems and methods of manufacturing material systems
US11014337B2 (en) 2016-12-14 2021-05-25 The Boeing Company Laminate structures comprising fiber-reinforced thermoplastic prepreg plies
IT202100002504A1 (it) * 2021-02-04 2022-08-04 Enea Agenzia Naz Per Le Nuove Tecnologie Lenergia E Lo Sviluppo Economico Sostenibile Semilavorato per la produzione di un multimateriale strutturale resistente al fuoco, per termoformatura a caldo
EP4169702B1 (en) * 2021-10-25 2024-05-29 Airbus SAS Fibre metal laminate part, aircraft having a fibre metal laminate part, and method for manufacturing a fibre metal laminate part

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5736254A (en) * 1992-10-02 1998-04-07 Sumitomo Chemical Company, Limited Multilayer laminate
US6521331B1 (en) * 1999-03-05 2003-02-18 Mtu Aero Engines Gmbh Layer structure including metallic cover layer and fiber-reinforced composite substrate, and a method of making the same
CN101500797A (zh) * 2006-06-13 2009-08-05 美铝公司 金属板和聚合物的层压板
WO2009095381A1 (en) * 2008-01-29 2009-08-06 Gtm Holding B.V. High toughness fiber-metal laminate
CN102056742A (zh) * 2008-06-03 2011-05-11 沙伯基础创新塑料知识产权有限公司 具有a类表面抛光的轻质高刚度复合体

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL8100087A (nl) * 1981-01-09 1982-08-02 Tech Hogeschool Delft Afdeling Laminaat uit metalen platen en daarmede verbonden draden.
DE3862185D1 (de) 1987-10-14 1991-05-02 Akzo Nv Schichtstoff aus metallschichten und aus durchgehendem faserverstaerktem synthetischem material.
DE3876371T2 (de) 1987-10-14 1993-05-13 Structural Laminates Co Schichtstoff aus metallschichten und aus durchgehendem,faserverstaerkten,synthetischen,thermoplastischen material und verfahren zu seiner herstellung.
DE3872858T2 (de) 1987-12-31 1993-01-14 Structural Laminates Co Zusammengestelltes laminat aus metallschichten und mit fortlaufenden faeden verstaerkte kunststoffschichten.
US5547735A (en) * 1994-10-26 1996-08-20 Structural Laminates Company Impact resistant laminate
EP1932757B1 (en) * 2006-12-15 2016-10-26 Airbus Deutschland GmbH Bonded aluminium window frame on fibre metal laminate fuselage skin

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5736254A (en) * 1992-10-02 1998-04-07 Sumitomo Chemical Company, Limited Multilayer laminate
US6521331B1 (en) * 1999-03-05 2003-02-18 Mtu Aero Engines Gmbh Layer structure including metallic cover layer and fiber-reinforced composite substrate, and a method of making the same
CN101500797A (zh) * 2006-06-13 2009-08-05 美铝公司 金属板和聚合物的层压板
WO2009095381A1 (en) * 2008-01-29 2009-08-06 Gtm Holding B.V. High toughness fiber-metal laminate
CN102056742A (zh) * 2008-06-03 2011-05-11 沙伯基础创新塑料知识产权有限公司 具有a类表面抛光的轻质高刚度复合体

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104385714A (zh) * 2014-10-30 2015-03-04 北京汽车股份有限公司 玻璃纤维增强镁合金层合板及其制造方法
CN108309424A (zh) * 2018-01-18 2018-07-24 江苏百易得医疗科技有限公司 一种桡骨远端掌侧锁定板
CN111139410A (zh) * 2020-01-13 2020-05-12 嘉瑞科技（惠州）有限公司 一种纤维加强型铝合金层压复合材料及其制备方法
CN113183565A (zh) * 2021-06-03 2021-07-30 河南工业大学 一种高速列车用碳纤维增强型滑动集电材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
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US9919495B2 (en) 2018-03-20
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ES2543952T3 (es) 2015-08-26
CA2851973A1 (en) 2013-05-10
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