CN106536186A - 金属片材和结合到金属片材的粘合剂层的层压材料 - Google Patents

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Abstract

公开了层压材料，其包括第一金属片材和结合到第一金属片材的粘合剂层，在层压材料中以下关系式适用：1<(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)<15(1)，其中E金属＝第一金属片材的拉伸杨氏模量，t金属＝第一金属片材的厚度，E粘合剂＝粘合剂层的拉伸杨氏模量，t粘合剂＝粘合剂层的厚度。粘合剂层可以包括增强纤维。层压材料可以用于提供耐疲劳结构，比如航空航天结构，并且示出高的抗裂纹生长性，特别地在靠近结构的边缘处。

Description

金属片材和结合到金属片材的粘合剂层的层压材料
发明领域
本发明涉及层压材料，其包括至少一种结合到粘合剂层的金属片材。本发明更具体地涉及层压材料，其包括通过粘合剂层相互结合的金属片材。还更具体地，本发明涉及纤维-金属层压材料，其包括通过纤维增强复合材料层相互结合的金属片材。
本发明还涉及此类层压材料的用途，所述用途是用于提供耐疲劳结构，特别地航空航天结构。在其中可以使用层压材料的航空航天结构包括但不限于机身结构、水平尾翼结构(tail plane structure)或机翼结构。
发明背景
负载下的工程结构的行为由许多设计参数确定，并且定义用于特定的应用的最佳材料通常是繁重的任务，并且此外必须处理冲突的要求。在通常使用的工程材料中有金属，如钢合金、钛合金、铝合金；纤维增强复合材料，如玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料和芳族聚酰胺复合材料(aramid composite)；以及杂化材料，下文进一步定义。
纤维增强复合材料相对于其它优选材料比如金属，提供相当大的重量优势。通常，在牺牲其它重要的材料性质比如延展性、韧性、承载强度、导电性和冷成形能力的情况下获得重量减轻。为了克服这些缺陷，已经开发了被称为纤维-金属层压材料的新的杂化材料，以组合金属和复合材料的最佳属性。
纤维-金属层压材料(也被称为FML)，比如在US4,500,589中所描述的，例如通过堆叠金属(最优选地铝)和纤维增强的预浸材料的交替片材并且在热和压力下固化该堆叠而获得。这些材料越来越多地用于比如运输工业的工业中，例如用于船、汽车、火车、航空器和航天器中。它们可以作为片材和/或增强元件和/或加固物被用于这些运输工具的(主体)结构，如对于航空器，用于机翼、机身和尾板(tail panel)和/或航空器的其它外皮面板(skinpanel)和结构元件。
US 2011/246370 A1和US 4,489,123 A公开了使用S2玻璃或芳族聚酰胺纤维复合材料层和铝2024-T3合金片材的纤维-金属层压材料。这些文献没有公开具有金属片材与纤维复合材料层厚度的特定组合的层压材料，该层压材料与其它层压材料相比，将产生显著改进的疲劳行为。
尽管纤维-金属层压材料可以提供相对于金属合金、特别地铝合金的改进的耐疲劳性(特别地裂纹扩展)，但是它们在结构中的行为对于改进仍然是开放的，特别地在经受动态负载的结构中。在这方面的重要特性是抗裂纹生长性。鉴于实现相应的纤维-金属层压材料的最低裂纹生长速率，如果正确的金属片材和纤维增强复合材料层可以在它们的性质方面被识别，那将是非常合意的。
本发明的目的是提供通过粘合剂层互相结合的金属片材的层压材料，特别地纤维-金属层压材料，其在动态负载中具有最佳结构响应，特别地具有相对低的裂纹生长速率。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供包括通过粘合剂层互相结合的金属片材的层压材料，其具有一系列的产生最佳的结构响应的粘合剂层和金属性质。
本发明提供层压材料，其包括第一金属片材和结合到第一金属片材的粘合剂层，在层压材料中以下关系式适用：
1≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤15 (1)
其中
E金属＝第一金属片材的拉伸杨氏模量
t金属＝第一金属片材的厚度
E粘合剂＝粘合剂层的拉伸杨氏模量
t粘合剂＝粘合剂层的厚度。
关系式(1)在层压材料的耐疲劳性方面定义粘合剂层的最佳的性质以及与所述粘合剂层相邻的第一金属片材的性质。满足关系式(1)的第一金属片材厚度和刚度以及粘合剂层厚度和刚度的组合在疲劳测试中产生最大数目的疲劳寿命周期。关系式(1)的性质E*t等于材料的拉伸杨氏模量和厚度的乘积，并且也称为拉伸刚度(extensional stiffness)(量纲Pa.m或N/m)。
术语“第一金属片材”用于表示层压材料可以包括多于一层金属片材，并且第一金属片材是金属片材中的一层。“第一金属片材”不是指金属片材在层压材料中的特定位置，例如第一金属片材不一定是最外金属层。特别地，当固化时，厚度t金属和t粘合剂在层压材料中被确定。
除非另外指示，否则特定层或片材的厚度通常指恒定的厚度。第一金属片材的厚度原则上可以在大范围内选择。在本发明的有用实施方案中，提供层压材料，其中第一金属片材具有大于0.50mm(0.02”)、更优选地大于0.55mm(0.22”)、还更优选地大于0.6mm(0.024”)、还更优选地大于0.8mm(0.32”)、以及最优选地大于1mm(0.04”)的厚度t金属。
本发明的另一实施方案涉及层压材料，其包括结合到粘合剂层并且具有≤t金属的厚度的第二金属片材。此类相互结合到粘合剂层的金属片材的层压材料包括具有厚度t金属的第一金属片材、具有厚度≤t金属的第二金属片材、以及在两者之间并结合到第一和第二金属片材的粘合剂层。根据本发明，关系式(1)适用于第一金属片材和粘合剂层的组合。在本发明的最宽泛的方面中，第二金属层的性质是不重要的。当第二金属层的厚度等于t金属并且第一和第二金属片材使用相同的金属合金时，第一或第二层的性质可以在关系式(1)中使用。当第二金属层的厚度等于t金属并且第一和第二金属片材使用不同的金属合金时，第一和第二层的较硬层的性质在关系式(1)中使用。
本发明的优选实施方案涉及层压材料，其中1.5≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤15、更优选地3.5≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤15、还更优选地3.5≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤12.5、还更优选地4.25≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤13.5、还更优选地5.0≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤13.5、还更优选地5.5≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤12.5、并且最优选地5.5≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤10。
在优选实施方案中，层压材料的一层或更多层的粘合剂层提供有增强纤维。根据本发明的实施方案，提供层压材料，其中粘合剂层包括增强纤维以形成纤维-金属层压材料，并且
E粘合剂＝纤维增强粘合剂层在最大刚度方向上的拉伸杨氏模量
t粘合剂＝纤维增强粘合剂层的厚度。
取决于层压材料或包括层压材料的结构的负载条件，增强纤维可以在一个方向上或在几个不同的方向上定向。因此，拉伸杨氏模量E粘合剂可以与负载方向不同，并且在关系式(1)中的E粘合剂涉及纤维增强粘合剂层在最大刚度方向上的拉伸杨氏模量。
优选的增强纤维包括例如由玻璃、芳族聚酰胺(aromatic polyamide)(“芳族聚酰胺(aramid)”)和共聚物、碳、和/或聚合物纤维比如PBO制成的连续纤维。优选的玻璃纤维包括S-2、S-3和/或R-玻璃纤维，以及碳化硅酸盐玻璃纤维，但是E-玻璃纤维也是合适的。特别优选的纤维包括具有至少80GPa、优选地至少85GPa、并且最优选地至少90GPa的拉伸杨氏模量的高强度玻璃纤维。
增强纤维可以被提供在预浸材料中，被嵌入部分固化的热固性树脂中或被嵌入热塑性聚合物中的增强纤维的中间产物。通常，纤维体积分数在粘合剂层中的粘合剂和增强纤维的总体积的从15％至75％、更优选地从25％至75％、还更优选地从20％至65％、并且最优选地从30％至65％的范围内变动。在粘合剂层中的有效纤维体积分数可以通过向增强粘合剂层添加普通粘合剂层来降低。
根据本发明的实施方案，提供层压材料，其包括具有至少两种不同纤维的纤维增强粘合剂层，和/或包括在纤维上不同的纤维增强复合材料层。在本申请中，纤维增强粘合剂层也被称为(纤维增强)复合材料层。
粘合剂层优选地包括合成聚合物。热固性聚合物的合适实例包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂和酚醛树脂。合适的热塑性聚合物包括聚芳酯类(PAR)、聚砜类(PSO)、聚醚砜类(PES)、聚醚酰亚胺类(PEI)、聚亚苯基醚类(PEE)、聚亚苯基硫化物(polyphenylene sulphide)(PPS)、聚酰胺-4,6、聚酮硫化物(polyketone sulphide)(PKS)、聚醚酮类(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)以及其它。除了存在于粘合剂层中的粘合剂之外，层压材料可以在某些区域中被提供有另外的粘合剂。
满足关系式(1)的层压材料示出最佳的性质，最佳的性质意味着与不满足关系式(1)的层压材料相比，更低的裂纹生长速率大体上被实现。这种教导以前没有被公开，并且使得根据本发明的层压材料特别地可用于提供耐疲劳结构。
根据本发明的另外的方面，提供层压材料，其包括具有厚度>t金属的N层金属片材和具有厚度≤t金属的M层金属片材，其中N≥2且M≥1。金属片材通过间断的粘合剂层来相互结合，优选地利用增强纤维增强的间断的粘合剂层。具有厚度≤t金属的M层金属片材的数目可以全部结合到具有厚度t金属的第一金属片材。然而，在本发明的另一实施方案中，提供包括P层第二金属片材(直接结合到第一金属片材)的层压材料，其中P≥1且<M。
优选的层压材料包括一层或两层金属外层，或者一层或两层纤维增强复合材料外层。特别优选的是包括至少一层并且更优选地两层第一金属片材作为外层的层压材料。
第一金属片材和任选地第二金属片材的厚度可以在大范围内变化，只要满足关系式(1)。在本发明的有用的实施方案中，提供层压材料，其中第一金属片材的厚度大于1.5mm(0.06”)。在另一实施方案中，提供层压材料，其中第二金属片材的厚度小于0.8mm(0.032”)、优选地小于0.6mm(0.024”)、最优选地小于0.5mm(0.02”)。这些实施方案的任何组合是特别优选的。
尽管在本发明的(纤维-金属)层压材料中的金属片材的厚度可以全部相同，但是除了第一金属片材厚度之外，根据本发明的实施方案的层压材料包括不同厚度的金属片材。尽管在本发明的(纤维-金属)层压材料中的粘合剂层的厚度也可以相同，但是根据本发明的实施方案的层压材料也可以包括不同厚度的粘合剂层。
本发明的有用的实施方案提供层压材料，其中第一和/或第二金属片材具有变化的厚度，并且在关系式(1)中使用的第一金属片材的厚度t金属对应于第一金属片材的最大厚度。应当理解的是，最大厚度的区域在层压材料的区域的主要部分上，优选地在超过层压材料的区域的80％上，更优选地在超过层压材料的区域的85％上，并且最优选地在超过层压材料的区域的90％上延伸。第一和/或第二金属片材的厚度可以在某位置上瞬间变化(提供突然的厚度梯度)或者可以连续变化以获得厚度的逐渐变化(提供逐渐变小的厚度(tapering thickness))。例如可以通过磨掉某些材料或通过本领域已知的任何其它手段来减小厚度。厚度的变化通常发生在层压材料的边缘。
本发明的另外的实施方案提供(纤维-金属)层压材料，其包括不同金属合金的金属片材。然而，根据另一实施方案，可以提供包括相同金属合金的金属片材的纤维-金属层压材料。虽然层压材料中的金属片材的金属可以任意选择，但在本发明的又一方面，提供层压材料，其中金属片材的金属选自钢合金、铝合金和钛合金，其中钛合金是特别有用的。铝合金的金属片材是特别优选的。
除了第一和第二金属片材之外，根据本发明的层压材料可以在一个实施方案中包括下述的金属片材：其中所述金属片材的厚度优选地在0.2mm(0.008”)与4mm(0.16”)之间、更优选地在0.3mm(0.012”)与2mm(0.079”)之间、并且最优选地在0.4mm(0.016”)与1.5mm(0.06”)之间变化。
本发明的另一方面提供具有边缘和层压材料厚度的层压材料，通过在离层压材料边缘的第一距离处结束第一金属片材、和/或通过在离层压材料边缘的第二距离处结束第二金属片材、和/或通过在离边缘的第三距离处结束粘合剂层来将该层压材料厚度在层压材料的边缘区域中朝着边缘减小。层压材料厚度被定义为堆叠的第一、第二和其它金属片材，以及(纤维增强)粘合剂层的所有厚度的总和。在离层压材料边缘的第一距离处结束(或停止)第一金属片材、和/或在离层压材料边缘的第二距离处结束(或停止)第二金属片材、和/或在离边缘的第三距离处结束(或停止)粘合剂层，其中，在实施方案中，第一、第二和第三距离中的至少两个彼此不同，产生朝着层压材料边缘逐渐(或阶梯式)减小的层压材料厚度。
本发明的有用的实施方案涉及层压材料，其中第三距离等于第一和/或第二距离。在该实施方案中，在第一和第二金属片材之间的粘合剂层随着第一和/或第二金属层一起结束(在离边缘相同的距离处)。在另一实施方案中，其中第三距离不同于第一和/或第二距离，粘合剂层将比第一和/或第二层延伸得更远(超过第一和/或第二层的端部)。
机械行为的改进可以在层压材料的实施方案中获得，其中第三距离以第一金属片材的厚度的至少5倍的量不同于第一距离。在其中第三距离小于第一距离的优选实施方案中，粘合剂层然后在层压材料边缘的方向上以超过第一金属片材的厚度的至少5倍的量比第一片材延伸得更远。
又一实施方案提供层压材料，其中第一金属片材的厚度在边缘区域中减小，并且该边缘区域在第一金属片材的厚度t金属的至少10倍的离边缘的距离上，优选地在第一金属片材的厚度t金属的至少20倍，最优选地第一金属片材的厚度t金属的至少50倍，并且最多所述厚度的200倍的离边缘的距离上延伸，所述厚度t金属对应于第一金属片材的未减小的厚度。在边缘区域中的第一金属片材的厚度的减小可以是连续的，以获得厚度的逐渐变化(提供逐渐变小的厚度)，或者可以是瞬间的(提供突然的厚度梯度)，并且通过在厚度方向上磨掉第一金属片材的某些材料来方便地进行。
根据本发明的(纤维-金属)层压材料特别地可用于提供耐疲劳结构，比如航空航天结构。
根据某些实施方案的特别优选的(纤维-金属)层压材料包括机身结构、水平尾翼结构或机翼结构。在某些实施方案中，根据本发明的(纤维-金属)层压材料可以被组合并连接到另外的结构元件，比如航空器结构的加固物、角型材(angle section)、Z-纵梁、帽型纵梁(hat stringer)、C-纵梁、Y-纵梁、翼梁(型材)、肋(型材)、剪切夹板(shear-cleat)和/或框架(型材)。另外的结构元件可以通过包括粘合剂和/或纤维增强粘合剂的结合层连接到层压材料，或者可以通过机械紧固手段连接。两种连接方法的组合也是可能的。
附图简述
图1-是根据本发明的实施方案的纤维-金属层压材料的透视图(view inperspective)；
图2-是根据本发明另一实施方案的纤维-金属层压材料的透视图；
图3-10-是根据本发明的纤维-金属层压材料的其它实施方案的透视图，该纤维-金属层压材料在层压材料的边缘区域中具有减小的层压材料厚度；以及
图11-13-是根据本发明的纤维-金属层压材料的其它实施方案的横截面图。
发明详述
在以下的说明书中将参考附图，附图形成说明书的一部分，并且通过图示的方法示出在其中本发明可以被实践的具体实施方案。然而，本发明可以在没有本文描述的那些具体细节的情况下被实践或在采用本文描述的那些方法的某些可选择的等效的方法的情况下被实践。
本发明的基础是至少一种金属片材和粘附到其上的粘合剂层的独特布置。粘合剂层在优选实施方案中包括增强纤维。根据某些实施方案，提供包括纤维增强复合材料层和金属片材的纤维-金属层压材料，其中纤维增强复合材料层和相邻的第一金属片材具有以特定方式的相关性质，如通过关系式(1)给出的。纤维增强复合材料层优选地包括利用复合材料基质体系预浸渍的纤维，优选地金属粘合剂(预浸材料)。复合材料层和金属片材的体系优选地在热和压力下被处理以固化粘合剂并形成实体面板或部件。
本发明人已经发现，具有金属片材和根据等式(1)的粘合剂层性质的层压材料比其相关性质不依照关系式(1)的纤维-金属层压材料具有更好的疲劳结构性质，特别地具有更高的对裂纹生长的抗性。在等式(1)中使用的参数是本领域技术人员公知的，并且此人员在确定所提到的性质方面将没有困难。本发明是基于以下认识：金属片材和相邻粘合剂层(优选地纤维增强复合材料层)的拉伸刚度在获得高的抗裂纹生长性方面是相关的。
在根据本发明的纤维-金属层压材料中的纤维增强复合材料层是轻且坚固的，并且包括嵌入聚合物中的增强纤维。聚合物通常充当各层之间的结合手段。适合用于纤维增强复合材料层中的增强纤维取决于在金属片材中的金属的选择(参见等式(1))，但可以包括玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、PBO纤维、碳纤维、共聚物纤维、硼纤维和金属纤维和/或上述纤维的组合。
用于增强纤维的合适基质材料的实例包括但不限于热塑性聚合物，比如聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚醚砜类、聚醚醚酮、聚氨酯类、聚亚苯基硫化物类(PPS)、聚酰胺-酰亚胺类、聚碳酸酯、聚苯醚掺合物(polyphenylene oxide blend)(PPO)、以及上述聚合物中的一种或更多种的混合物和共聚物。合适的基质材料还包括热固性聚合物，比如环氧树脂类、不饱和聚酯树脂类、三聚氰胺/甲醛树脂类、苯酚/甲醛树脂类、聚氨酯类，其中热固性聚合物环氧树脂类是最优选的。
在根据本发明的层压材料中，纤维增强复合材料层优选地包括大体上连续的纤维，所述纤维在多个方向上(如0°、90°和相对于0°的角度)，并且更优选地在两个几乎正交的方向上(例如各向同性编织织物或斜交帘布层(cross ply))延伸。然而，还更优选的是，纤维增强复合材料层包括大体上连续的纤维，所述纤维主要在一个方向上延伸(所谓的UD材料)。有利的是使用以预浸渍的半成品形式的纤维增强复合材料层。这种“预浸材料”在其固化之后通常示出良好的机械性质，除了其它原因之外，因为纤维已经预先被基质聚合物润湿。
在本发明的某些实施方案中，纤维-金属层压材料可以通过借助于在压力下加热和随后的冷却来将多个金属片材和纤维增强复合材料层彼此连接而获得。本发明的纤维-金属层压材料具有良好的比机械性质(specific mechanical property)(每单位密度的性质)。特别适合使用的金属包括钢(合金)和轻金属比如铝合金，并且特别地钛合金。合适的铝合金是基于合金元素，比如铜、锌、镁、硅、锰和锂。也可以添加少量的铬、钛、钪、锆、铅、铋和镍、以及铁。合适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(2xxx、8xxx系列)、以及铝镁钪合金。合适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-6Al-4V和Ti-6Al-4V-2Sn的合金。在其它方面，本发明不限于使用这些金属的层压材料，使得如果需要，其它金属例如钢或另一合适的结构金属可以被使用。本发明的层压材料还可以包括不同合金的金属片材。
根据本发明的某些实施方案的纤维-金属层压材料可以通过组合多个金属片材和多个纤维增强复合材料层来形成，条件是金属片材和相邻粘合剂层的拉伸刚度满足等式(1)。
纤维-金属层压材料的外层可以包括金属片材和/或纤维增强复合材料层。金属层的数目可以在大范围内变化并且是至少一层。在特别优选的纤维-金属层压材料中，金属层的数目为两层、三层或四层，在其每层之间纤维增强复合材料层已经被优选地应用。取决于预期的用途和设定的要求，本领域技术人员可以容易地确定金属片材的最佳数目。金属片材的总数通常将不超过50，但是本发明不限于具有最大数目的比如此类的金属层的层压材料。根据本发明，金属片材的数目优选地在1和40之间，并且更优选地在1和25之间。
为了防止层压材料由于内部张力而翘曲，根据本发明的层压材料可以相对于通过层压材料的厚度的中心的平面来对称地构建。
根据本发明的某些实施方案的纤维-金属层压材料构造通过布置纤维增强复合材料(优选地以预浸材料的形式)和至少一层金属片材的(交替的)层来容易地获得。纤维-金属层压材料可以以许多不同的布置来设计。
参考图1，根据一个实施方案的纤维-金属层压材料被示出，其中层的总数为3，并且其中层1和层3包括金属片材，并且层2包括纤维复合材料层。可选择地，层1和层3包括纤维复合材料层，并且层2是金属片材。层1和层3可以包括相同的金属合金或者可以由不同种类的金属合金制成。纤维复合材料层可以包含在多个方向上的纤维以及不同种类的纤维。层1和层2、或者层2和层3的组合中的至少一种满足在等式(1)中设定的要求。
参考图2，根据另一实施方案的纤维-金属层压材料被示出，其中层的总数为n，并且其中层1是金属片材，且层2是纤维复合材料层，这将是交替的直到层n-1和层n。可选择地，层1是纤维复合材料层，且层2是金属片材，这将是交替的直到层n-1和层n。交替的金属片材可以由相同的金属合金制成或者由不同种类的金属合金制成，并且可以具有不同的厚度。此外，交替的纤维复合材料层中的至少一层可以包含在多个方向上的纤维以及不同种类的纤维。根据本发明，纤维增强复合材料层(例如层2)和相邻的金属片材(例如层1或层3)的至少一种组合需要满足关系式(1)。如果金属片材(1)和(3)的厚度不同，则选择最厚的金属片材作为在组合中的第一金属片材。如果层压材料的外层是纤维复合材料层，则该层优选地需要相对于其相邻的金属片材满足在等式(1)中设定的要求，除非另一金属片材与其相邻的纤维复合材料层已经满足等式(1)的要求。如果外层是金属片材，则其优选地需要相对于其相邻的纤维复合材料层满足在等式(1)中设定的要求，除非另一金属片材与其相邻的纤维复合材料层已经满足等式(1)的要求。
通过制备按照如在图1和图2中例示的顺序的纤维复合材料和金属片材的堆叠来生产层压材料，例如在平的或单个的、双重的或多重的弯曲模具(curved mold)上。在层压之后，整体结构在适于基质树脂、优选地环氧树脂的温度下，例如在高压釜中，并且优选地在真空下被固化，以便从层压材料中排出截留的空气。对于大多数应用，具有高玻璃转变温度的环氧树脂将是最合适的。然而，任何的环氧树脂都可以被使用。环氧树脂通常在室温或稍高于室温，在大约125℃的温度或在大约175℃的温度下固化。在压力下固化之后，固结的层压材料被获得。如上文所提及的，也可能使用热塑性树脂。
图3示出根据本发明的层压材料的另一实施方案。层压材料10总共包括5层。层压材料10特别地包括具有1.2mm的厚度t金属的铝片材1、结合到第一铝片材1的高强度玻璃纤维环氧复合材料层2、具有0.6mm厚度(小于t金属)并结合到复合材料层2的第二铝片材3、结合到第二铝片材3的另一高强度玻璃纤维环氧复合材料层4、以及结合到复合材料层4且具有1.2mm厚度的另一铝片材5。复合材料层2具有约45体积％的在层压材料的长度方向11上传播的玻璃纤维。纤维具有约85GPa的杨氏模量。层2的厚度为约0.2mm。层1的拉伸刚度E*t为约72GPa*1.2mm，而层2的拉伸刚度为约0.45*85GPa*0.2mm。于是等式(1)产生约11.3的值，其在所要求保护的范围内。
层压材料10还具有边缘13，并且层压材料10的总厚度14在层压材料10的边缘区域中朝向边缘13被减小。厚度减小是通过在离层压材料边缘13的第一距离15处结束第一铝片材1、任选地在离层压材料边缘13的第二距离16处结束另一铝片材3、并且在离边缘13的第三距离17处结束与第一金属片材1相邻的粘合剂层2来实现。在本实施方案中的距离15对应于其中边缘区域从边缘13延伸的距离。另一粘合剂层4在离边缘13的又一距离18处被结束。距离15至18全部彼此不同，事实上，这些距离从距离15至距离18减小，以在边缘区域中实现逐渐变小的层压材料。
图4示出根据本发明的层压材料的另一实施方案。层压材料10包括与图3的实施方案的那些层相同的5层。然而，第一铝片材1具有变化的厚度，其在示出的实施方案中以阶梯的方式从1.2mm的恒定的厚度变化至0.6mm的恒定的厚度。第一铝片材的最大厚度(1.2mm)被当作在关系式(1)中的t金属。
层压材料10还具有边缘13，并且层压材料10的总厚度14在层压材料10的边缘区域15中朝向边缘13被减小。厚度减小是通过在离层压材料边缘13(其与第一铝片材1的端部相同)的第一距离15处减小第一铝片材1的厚度、在离层压材料边缘13的距离15a处结束第一铝片材1、任选地在离层压材料边缘13的第二距离16处结束另一铝片材3、并且通过在离边缘13的第三距离17处结束与第一金属片材1相邻的粘合剂层2而实现。另一粘合剂层4在离边缘13的另一距离18处被结束。距离15、15a至18全部彼此不同，事实上，这些距离从距离15减小至距离18。
图5示出根据本发明的又一实施方案。层压材料10包括与图3和图4的实施方案的那些层相同的5层。层压材料10也具有边缘13，并且层压材料10的总厚度14在层压材料10的边缘区域15中朝向边缘13被减小。厚度减小是通过在离层压材料边缘13的距离15处结束第一铝片材1、任选地在离层压材料边缘13的第二距离16处结束另一铝片材3来实现。与第一金属片材1相邻的粘合剂层2在离边缘13的第三距离17处被结束，在本实施方案中距离17等于第一距离15。另一粘合剂层4在离边缘13的距离18处被结束，距离18等于距离16。粘合剂纤维复合材料层2和4具有在长度方向11上传播的纤维，但是在最末端(2a，4a)处没有增强纤维。
图6示出根据本发明的层压材料的又一实施方案。层压材料10总共包括5层。层压材料10特别地包括具有1.0mm的厚度t金属的铝片材1、结合到第一铝片材1的高强度玻璃纤维环氧复合材料层2、具有0.5mm厚度(小于t金属)并结合到复合材料层2的第二铝片材3、结合到第二铝片材3的另一高强度玻璃纤维环氧复合材料层4、以及结合到复合材料层4且具有1.5mm厚度的另一铝片材5。复合材料层2具有约55体积％的在层压材料的长度方向11上传播的玻璃纤维。纤维具有约85GPa的杨氏模量。层2的厚度为约0.25mm。层1的拉伸刚度E*t为约72GPa*1.0mm，而层2的拉伸刚度为约0.55*85GPa*0.25mm。于是等式(1)产生约6的值，其在所要求保护的范围内。
在图7中示出根据本发明的层压材料的另一实施方案。图7的层压材料与图6的层压材料的不同之处在于，外部的铝片材1在朝向铝片材1的边缘13的边缘区域中在距离15上具有减小的厚度。厚度减小是通过在离层压材料边缘13(其与第一铝片材1的端部相同)的第一距离15处减小第一铝片材1的厚度、并且在离层压材料边缘13的距离15a处结束第一铝片材1来实现，距离15a小于厚度15。
图8示出根据本发明的层压材料的另一实施方案。图8的层压材料与图7的层压材料大部分相同，除了铝片材1的厚度减小从离边缘13的距离15处到离边缘13的距离15a处是逐渐的(或逐渐变小的)。
图9示出根据本发明的层压材料的又一实施方案。层压材料10总共包括9层。层压材料10特别地包括具有3.0mm的厚度t金属的铝片材9、结合到第一铝片材9的高强度玻璃纤维环氧复合材料层8、具有0.4mm厚度(小于t金属)并且结合到复合材料层8的第二铝片材7、结合到铝片材7的另一高强度玻璃纤维环氧复合材料层6、以及结合到复合材料层6且具有0.4mm厚度的另一铝片材5、结合到铝片材5的另一高强度玻璃纤维环氧复合材料层4、以及结合到复合材料层4且具有0.4mm厚度的另一铝片材3、结合到铝片材3的另一高强度玻璃纤维环氧复合材料层2、以及结合到复合材料层2且具有0.4mm厚度的另一铝片材1。外部的铝片材9可以具有恒定的厚度、逐渐变小的厚度或如在图9中示出的厚度减小。厚度减小是通过在离边缘13的距离95处减小金属片材9的厚度来实现。复合材料层8在距离85处被结束，距离85大于距离95。复合材料层8具有约55体积％的在层压材料的长度方向11上传播的玻璃纤维。纤维具有约90GPa的杨氏模量。层8的厚度为约0.4mm。层9的拉伸刚度E*t为约72GPa*3.0mm，而层8的拉伸刚度为约0.55*90GPa*0.40mm。于是等式(1)产生约11的值，其在所要求保护的范围内。
图10示出根据本发明的层压材料的另一实施方案。层压材料10总共包括9层。其大部分等于图9的层压材料，除了铝片材1具有2.0mm而不是0.4mm的厚度，并且片材1在距离17上朝向铝片材1的边缘16具有减小的厚度。
最后，图11-13表示根据本发明的层压材料的三个其它实施方案的横截面。图11的层压材料10包括相对厚的金属片材(1、5、9、23)和相对薄的金属片材(3、7、21)的交替堆叠。金属片材(1、3、5、7、9、21、23)通过间断的纤维复合材料层(2、4、6、8、20、22)相互结合。在层压材料10的边缘区域处，金属片材和纤维复合材料层在离边缘13的不同距离处结束，以便在边缘区域处产生层压材料10的逐渐变小的部分。
图12的层压材料10具有两层相对厚的金属片材(1、9)作为堆叠中的外层，并且在外部金属片材(1、9)之间的3层的数目的相对薄的金属片材(3、5、7)。金属片材(1、3、5、7、9)通过间断的纤维复合材料层(2、4、6、8)相互结合，其中的层(4、6)具有小于层(2、8)的厚度。在层压材料10的边缘区域处，金属片材和纤维复合材料层在离边缘13的不同距离处结束，以便在边缘区域处产生层压材料10的逐渐变小的部分。此外，金属片材1和9具有朝向其边缘减小的厚度。
最后，图13的层压材料10组合根据图12的两种层压材料10。层压材料总共具有9层金属片材和8层纤维复合材料层(2、4、6、8、20、22、24、26)。根据本发明，金属片材(1、9和27)比金属片材(3、5、7、21、23和25)更厚。相对厚的金属片材(1、9、27)的厚度在其相应的边缘处被再次减小。
实验
四种不同的层压材料构造在疲劳方面被测试。特别地，在120MPa的最大应力水平下和在R＝0.1的比率下测量疲劳裂纹生长；其中R是最小应力水平和最大应力水平之间的比率。
所有四种测试的构造是在3/2铺层(lay-up)中的所谓的GLARE 2层压材料。GLARE2使用以预浸材料形式的纤维增强粘合剂层，其具有的所有纤维在一个方向上彼此平行延伸。纤维的方向平行于在层压材料中使用的金属片材的轧制方向，并且也平行于在疲劳测试中的负载方向。应用在金属片材中的金属包括具有拉伸模量E＝72.4GPa的铝合金2024-T3。应用的预浸材料包括嵌入环氧基质体系中的S2-玻璃纤维。预浸材料的标称纤维体积含量在构造1和构造2中为19.8％，并且在构造3和构造4中为35.0％。固化后的相应厚度为0.38mm(构造1和构造2)和0.65mm(构造3和构造4)。
构造1是由2.0mm厚度的三层金属层和置于每层金属层之间的一层预浸材料层组成的层压材料。此层压材料被称为GLARE 2-3/2-2.0-1pp。构造2是由2.0mm厚度的三层金属层和置于每层金属层之间的三层预浸材料层组成的层压材料。该层压材料被称为GLARE 2-3/2-2.0-3pp。构造3是由1.3mm厚度的三层金属层和置于每层金属层之间的一层预浸材料层组成的层压材料。此层压材料被称为GLARE 2-3/2-1.3-1pp。最后，构造4是由1.3mm厚度的三层金属层和置于每层金属层之间的三层预浸材料层组成的层压材料。此层压材料被称为GLARE 2-3/2-1.3-3pp。
应用在预浸材料中的S2-玻璃纤维具有88GPa的E-模量，并且应用的环氧体系具有2.2GPa的E-模量。根据权利要求1的等式(1)的刚度比率可以针对如在表A中示出的不同构造来确定。
表A
表A清楚地示出，构造1是在等式(1)的范围之外。另一方面，构造3具有12.8的刚度比率，其相对接近等式(1)的上边界值。
图B示出在裂纹生长数据“da/dn”相对于半裂纹长度(half crack length)“a”方面获得的结果，其中“n”表示疲劳周期的数目。对于构造1-4以及对于单片铝合金2024-T3的片材的结果被示出。从图B可以推断，单片铝合金的裂纹生长速率是最高的，并且在a＝21mm的半裂纹长度处示出样本的失效。具有构造1的在等式(1)范围之外的样本类似铝样本已经在a＝26mm的半裂纹长度处失效，并且进一步看起来具有与铝合金的裂纹生长速率的斜率相同范围内的裂纹生长速率的斜率。
虽然铝合金和根据构造1的层压材料在相对小的裂纹长度下失效，但是根据本发明的其它构造2-4可以被负载至高得多的半裂纹长度，而没有失效。
构造2-4进一步都示出显著更小的裂纹生长速率，其中构造4示出最佳性能。此构造具有最低的刚度比率(等式(1))。

Claims (22)

1.一种层压材料，包括第一金属片材和结合到所述第一金属片材的粘合剂层，在所述层压材料中以下关系式适用：
1≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤15 (1)
其中
E金属＝所述第一金属片材的拉伸杨氏模量
t金属＝所述第一金属片材的厚度
E粘合剂＝所述粘合剂层的拉伸杨氏模量
t粘合剂＝所述粘合剂层的厚度。
2.根据权利要求1所述的层压材料，其中所述第一金属片材具有大于0.5mm(0.02”)、更优选地大于0.6mm(0.024”)、还更优选地大于0.8mm(0.032”)、以及最优选地大于1.0mm(0.04”)的厚度t金属。
3.根据权利要求1或2所述的层压材料，包括结合到所述粘合剂层并且具有≤t金属的厚度的第二金属片材。
4.根据前述权利要求中任一项所述的层压材料，其中：
1.5≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤15，更优选地
3.5≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤15，还更优选地
4.25≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤13.5，以及最优选地
5.0≤(E金属*t金属)/(E粘合剂*t粘合剂)≤13.5。
5.根据前述权利要求中任一项所述的层压材料，其中所述粘合剂层包括增强纤维以形成纤维-金属层压材料，并且
E粘合剂＝所述纤维增强粘合剂层在最大刚度方向上的拉伸杨氏模量
T粘合剂＝所述纤维增强粘合剂层的厚度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的层压材料，包括具有等于t金属的厚度的N层金属片材和具有≤t金属的厚度的M层金属片材，其中N≥2且M≥1。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的层压材料，包括P层第二金属片材(直接结合到第一金属片材)，其中P≥1。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的层压材料，其中所述第二金属片材的厚度小于0.8mm(0.032”)，优选地小于0.6mm(0.024”)，并且最优选地小于0.5mm(0.02”)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的层压材料，其中所述第一金属片材和/或其它金属片材具有变化的厚度，并且在关系式(1)中的所述第一金属片材的厚度t金属对应于所述第一金属片材的最大厚度，其中最大厚度的区域在大于所述层压材料的区域的80％上延伸。
10.根据前述权利要求中任一项所述的层压材料，包括不同金属合金的金属片材。
11.根据前述权利要求中任一项所述的层压材料，包括铝合金的金属片材，优选地至少一层铝锂片材。
12.根据权利要求5-11中任一项所述的层压材料，包括具有至少两种不同纤维的纤维增强粘合剂层，和/或包括在纤维上不同的纤维增强粘合剂层。
13.根据权利要求5-12中任一项所述的层压材料，其中纤维增强粘合剂层包括具有至少80GPa、优选地至少85GPa、并且最优选地至少90GPa的拉伸杨氏模量的高强度玻璃纤维。
14.根据前述权利要求中任一项所述的层压材料，其中所述层压材料具有边缘，并且通过在离所述层压材料的边缘的第一距离处结束所述第一金属片材、和任选地通过在离所述层压材料的边缘的第二距离处结束另一金属片材、和通过在离所述边缘的第三距离处结束所述粘合剂层来将所述层压材料的厚度在所述层压材料的边缘区域中朝着所述边缘减小。
15.根据权利要求14所述的层压材料，其中所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离中的至少两个彼此不同。
16.根据权利要求14或15所述的层压材料，其中所述第三距离等于所述第一距离和/或所述第二距离。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的层压材料，其中所述第三距离以所述第一金属片材的厚度的至少5倍的量不同于所述第一距离，优选地小于所述第一距离。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的层压材料，其中所述第一金属片材的厚度在所述边缘区域中被减小，并且所述边缘区域在离所述边缘的所述第一金属片材的厚度t金属的至少10倍、并且至多所述厚度的200倍的距离上延伸，其中厚度t金属对应于所述第一金属片材的未减小的厚度。
19.根据权利要求3-18中任一项所述的层压材料，包括两层第一金属片材，所述两层第一金属片材通过多个第二金属片材和间断的粘合剂层被彼此连接。
20.根据前述权利要求中任一项的层压材料用于提供耐疲劳结构的用途。
21.航空航天结构，包括根据前述权利要求中任一项的层压材料。
22.根据权利要求21所述的航空航天结构，包括机身结构、水平尾翼结构或机翼结构。
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