DE10330341B4 - Metallischer Schichtwerkstoff, verstärkt mit langen Basaltfasern sowie dessen Erzeugnisse - Google Patents
Metallischer Schichtwerkstoff, verstärkt mit langen Basaltfasern sowie dessen Erzeugnisse Download PDFInfo
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Abstract
Laminat
aus mindestens zwei Metallblechen, von denen jedes eine Dicke von
weniger als 1,5 mm, insbesondere von 0,1 bis 0,8 mm besitzt, wobei
zwischen den Blechen eine Kunststoffschicht angeordnet ist, welche
mit den Metallblechen verklebt ist, welche Schicht Basaltfilamente
mit einem Elastizitätsmodul
von über
50 GPa enthält,
wobei die Basaltfilamente 35-75% des Volumens des Kunststoffes und
der Basaltfilamente zusammen bilden, dadurch gekennzeichnet, dass:
A. die Basaltfilamente einen Elastizitätsmodul von 90-120 GPa haben;
B. die Basaltfilamente 35-55 Gew. %, vorzugsweise 47-50 Gew. % SiO2 enthalten;
C. die Basaltfilamente 10-25 Gew. %, vorzugsweise 15-18 Gew. % Al2O3 enthalten;
D. die Basaltfilamente 3-10 Gew. %, vorzugsweise 5-7 Gew. % MgO enthalten;
E. die Metallbleche aus einem Material mit einer Zugfestigkeit von über 0,20 GPa
bestehen.
A. die Basaltfilamente einen Elastizitätsmodul von 90-120 GPa haben;
B. die Basaltfilamente 35-55 Gew. %, vorzugsweise 47-50 Gew. % SiO2 enthalten;
C. die Basaltfilamente 10-25 Gew. %, vorzugsweise 15-18 Gew. % Al2O3 enthalten;
D. die Basaltfilamente 3-10 Gew. %, vorzugsweise 5-7 Gew. % MgO enthalten;
E. die Metallbleche aus einem Material mit einer Zugfestigkeit von über 0,20 GPa
bestehen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Laminat aus mindestens zwei Metallblechen, von denen jedes eine Dicke von weniger als 1,5 mm, insbesondere von 0,1 bis 0,8 mm besitzt, wobei zwischen den Blechen eine Kunststoffschicht angeordnet ist, welche mit den Metallblechen verklebt ist, welche Schicht Basaltfasern mit einem Elastizitätsmodul von über 50 GPa enthält, die mindestens in einer Richtung parallel zueinander liegen, wobei die Basaltfaserfilmente 35-75% des Volumens des Kunststoffes und der Basaltfasern zusammen bilden.
- Bei der Auslegung von Leichtbaustrukturen wird ein besonderer Wert auf die Gewichtsreduzierung gelegt. Hierbei sollen in Abhängigkeit von der Anwendung die Leichtbaustrukturen unterschiedliche Festigkeits-, Ermüdungs- und Schadenstoleranzanforderungen erfüllen. Insbesondere im Flugzeugbau wird ein besonderer Aspekt auf die schadenstoleranten Eigenschaften von Leichtbaustrukturen gelegt.
- Die Erhöhung der schadenstoleranten Eigenschaften kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen: die Erhöhung der Hautdicke, die Verwendung von zusätzlichen lokalen Versteifungen oder die Anpassung der Hautdicke an Belastungsanforderungen usw. Diese Methoden führen lediglich zur einer Gewichtserhöhung der Leichtbaustruktur. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Werkstoffen mit erhöhten schadenstoleranten Eigenschaften wie z.B. metallische Schichtwerkstoffe oder faserverstärkte Laminate.
- In der letzten Zeit haben die faserverstärkten Verbundwerkstoffe auf Metallbasis an Bedeutung zugenommen. Die Verstärkung von metallischem Material mit Fasern erlaubt die mechanischen und schadenstoleranten Eigenschaften von metallischen Werkstoffen deutlich zu erhöhen. Die Verbesserung von Werkstoffeigenschaften ist jedoch sehr eng mit deutlich höheren Kosten für Verbundwerkstoffe verbunden. Die Gründe dafür liegen in höheren Herstellungskosten.
- Die mit dem Aufschmelzen von Basismetallwerkstoffes verbundenen Methoden sind sehr zeit- und kostenaufwendig. Aus geeigneten, relativ preiswerten Herstellungsmethoden hat sich das Zusammenkleben von Metallblechen mit in Klebefolie eingebundenen Fasern bewährt.
- Aus
EP 0 312 151 A1 ist ein Laminat bekannt, das mindestens aus zwei Metallblechen besteht, wobei zwischen den Blechen eine Kunststoffschicht zugeordnet ist, welche mit den Metallblechen verklebt ist und welche Glasfilamente enthält. Derartige Metall-Laminate sind insbesondere für Leichtbaustrukturen für Flugzeuganwendungen geeignet, da sie vorteilhaften mechanischen Eigenschaften bei einem niedrigen strukturellen Gewicht aufweisen. - Aus
EP 0 056 288 A1 ist ein weiteres Metall-Laminat bekannt, wobei die Verwendung von Polymerfasern aus der Gruppe von Aramiden, polyaromatischen Hydraziten und aromatischen Polyesters in einer Kunststoffschicht erfolgt. - Aus
EP 0 573 507 B1 ist ein Legierungslaminatmaterial mit in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Verstärkungsfasern aus einer Gruppe bestehend aus Kohlenstoff-, polyaromatischen Amid-, Aluminiumoxid-, Siliziumcarbidfasern oder deren Mischungen bekannt. - Nachteile der vorbekannten Lösungen
- Die Vorteile von bekannten laminierten Werkstoffen liegen im Vergleich zu äquivalenten monolithischen Blechen in den deutlich höheren schadenstoleranten Eigenschaften. Die Risswachstumseigenschaften von faserverstärkten Metall-Laminaten sind 10 bis 20 mal besser als in monolithischen Blechen.
- Jedoch besitzen die bekannten laminierten Werkstoffe im Vergleich zur monolithischen Werkstoffen niedrigere statische Eigenschaften. Die Elastizitätsgrenze bei einer Zug-, Druck- oder Schubbeanspruchung von bekannten laminierten Werkstoffen ist in Abhängigkeit von den verwendeten Klebesystemen und Fasertypen 5 bis 20% niedriger als bei äquivalenten monolithischen Werkstoffen.
- Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, mechanische und schadenstolerante Eigenschaften von laminierten Schichtwerkstoffen zu verbessern.
- Die Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.
- Die Vorteile der Erfindung liegen in den verbesserten mechanischen und schadenstoleranten Eigenschaften von laminierten Werkstoffen. Im Vergleich zu bekannten faserverstärkten Laminaten, wie beispielsweise GLARE, ist bei der Verwendung von Basaltfasern eine Erhöhung von statischen Eigenschaften zu erwarten.
- Eine weiterer Vorteil ist eine Senkung der Herstellkosten. Die Herstellung von Basaltfasern erfolgt auf Basis von natürlichen Gesteinen. Hierbei sind die Rohstoffkosten deutlich niedriger als bei den Glasfasern.
- Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben. Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
- Beschreibung der Erfindung
- In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche nachstehend anhand der
1 und2 näher beschrieben sind. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. - Es zeigen im einzelnen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Schichtwerkstoffs in einer ersten Ausführungsform und -
2 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Schichtwerkstoffs in einer zweiten Ausführungsform. - In den Figuren sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Metallbasis gezeigt. Die Erfindung betrifft die Laminierung von Metallblechen mit einer Kunststoffschicht mit Basaltfasern, welche mit den Metallblechen verklebt ist. Der Schichtwerkstoff
1 bzw.10 besteht aus mindestens zwei Metallblechen2 und3 (1 ) bzw.20 ,30 ,40 ,50 (2 ), wobei jedes Metallblech eine Dicke von weniger als 1,5 mm, insbesondere von 0,1 bis 0,8 mm besitzt. Zwischen den Blechen2 und3 (1 ) bzw.20 ,30 ,40 ,50 (2 ) ist eine mindestens eine Kunststoffschicht6 (1 ) bzw.60 ,70 ,80 (2 ) angeordnet. Mittels Klebverbindungen9 bzw.90 werden die Kunststoffschichten6 (1 ) bzw.60 ,70 ,80 (2 ) mit den Metallblechen2 und3 (1 ) bzw.20 ,30 ,40 ,50 (2 ) verklebt. Die Kunststoffschichten6 (1 ) bzw.60 ,70 ,80 (2 ) enthalten Basaltfasern100 mit einem Elastizitätsmodul von über 50 GPa, die mindestens in einer Richtung parallel zueinander liegen, wobei die Basaltfasertilmente 35-75% des Volumens des Kunststoffes und der Basaltfasern zusammen bilden. In1 ist als Kunststoffmatrix eine parallele Anordnung von Basaltfasern100 in der Kunststoffschicht6 gezeigt. In2 sind drei Kunststoffschichten60 ,70 ,80 zwischen den Metallblechen20 ,30 ,40 ,50 angeordnet, wobei die Ausrichtung der Basaltfasern100 in einer Kunststoffschicht60 parallel erfolgt, die darüber angeordneten Schichten70 und80 jeweils gedreht, vorzugsweise um 90°, eine Anordnung der Basaltfasern100 aufweisen. - Durch die Verwendung des Fasertyps in dieser Erfindung wird eine Erhöhung von statischen Eigenschaften erreicht.
- Bisher war die Verwendung von Basaltfasern für die Bauindustrie als Thermoisolierungs-Werkstoff oder zur Armierung von Betonerzeugnissen sowie in der Elektronikindustrie als Platine bekannt. Die Verwendung von Basaltfasern als Armierungsmaterial für laminierte Werkstoffe ist bisher nicht bekannt.
- Für die Herstellung von Basaltfasern kann ein natürliches Gestein in Form vom Basalt, Granit, Diabas, Amphibolite, Diorit, Trachyt, Basalt, Porphyr und Obsidian verwendet werden. Die geeignete chemische Zusammensetzung ist in der Tabelle 1 angegeben:Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von Basaltfasern
- Die Vorteile von Basaltfasern sind ein höherer Elastizitätsmodul 90-120 GPa, ein größerer Temperaturarbeitsbereich vom -260 bis +650 °C, gute Eigenschaften bei wechselnden Temperaturen, gute Korrosionseigenschaften sowie eine sehr gute Vibrationsbeständigkeit. (Tabelle 2). Das macht die Anwendung von geklebten Aluminium-Laminaten mit Basaltfasern speziell für den Flugzeugbau relevant.Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften von unterschiedlichen Fasertypen im Vergleich zur Basaltfaser
- Bei der Positionierung von Basaltfasern in der Kunststoffmatrix sollen die Basaltfasern mindestens in einer Richtung parallel zueinander liegen oder in Form von Geweben miteinanderverbunden sein.
- Als Metallbleche können Metalle aus folgender Werkstoffgruppe bestehen: Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Kupfer-Legierungen, wie solche vom Typ M(USA) No. 2024, oder Aluminium-Zink-Legierungen, wie solche vom Typ M(USA) No. 7075, Aluminium-Lithiumlegierungen mit Lithiumgehalt von 0.5 bis 3%, Stahl, Titaniumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen und Magnesiumlegierungen.
Claims (9)
- Laminat aus mindestens zwei Metallblechen, von denen jedes eine Dicke von weniger als 1,5 mm, insbesondere von 0,1 bis 0,8 mm besitzt, wobei zwischen den Blechen eine Kunststoffschicht angeordnet ist, welche mit den Metallblechen verklebt ist, welche Schicht Basaltfilamente mit einem Elastizitätsmodul von über 50 GPa enthält, wobei die Basaltfilamente 35-75% des Volumens des Kunststoffes und der Basaltfilamente zusammen bilden, dadurch gekennzeichnet, dass: A. die Basaltfilamente einen Elastizitätsmodul von 90-120 GPa haben; B. die Basaltfilamente 35-55 Gew. %, vorzugsweise 47-50 Gew. % SiO2 enthalten; C. die Basaltfilamente 10-25 Gew. %, vorzugsweise 15-18 Gew. % Al2O3 enthalten; D. die Basaltfilamente 3-10 Gew. %, vorzugsweise 5-7 Gew. % MgO enthalten; E. die Metallbleche aus einem Material mit einer Zugfestigkeit von über 0,20 GPa bestehen.
- Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basaltfasern mindestens in einer Richtung parallel zueinander liegen oder in Form von Geweben zusammenverbunden sind.
- Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung der Basaltfilamente 2-5% beträgt.
- Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Metallbleche im Bereich von 2 bis 20 liegt.
- Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kunststoffschicht zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blechen kleiner ist, als die jedes der Bleche.
- Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff und Basaltfilamente enthaltende Schicht ein duroplastisches Material enthält.
- Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff und Basaltfilamente enthaltende Schicht einen thermoplastischen Kunststoff enthält.
- Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbleche aus einem Metall aus folgender Werkstoffgruppe bestehen: Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Kupfer-Legierungen, wie solche vom Typ M(USA) No. 2024, oder Aluminium-Zink-Legierungen, wie solche vom Typ M(USA) No. 7075, Aluminium-Lithiumlegierungen mit Lithiumgehalt von 0.5 bis 3%, Stahl, Titaniumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen und Magnesiumlegierungen.
- Verwendung eines Laminats nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Oberschalenblech eines Flugzeugrumpfes.
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| DE10330341A Expired - Fee Related DE10330341B4 (de) | 2003-07-05 | 2003-07-05 | Metallischer Schichtwerkstoff, verstärkt mit langen Basaltfasern sowie dessen Erzeugnisse |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102010009253A1 (de) | 2010-02-25 | 2011-08-25 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft, 80809 | Fügeverbindung |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0056288A1 (de) * | 1981-01-09 | 1982-07-21 | Technische Universiteit Delft | Schichtstoff aus Metallblech und aus damit verbundenen Fäden und Verfahren zu ihrer Herstellung |
| EP0312151A1 (de) * | 1987-10-14 | 1989-04-19 | Akzo N.V. | Schichtstoff aus Metallschichten und aus durchgehendem faserverstärktem synthetischem Material |
| DE4116639A1 (de) * | 1991-05-22 | 1992-11-26 | Sigri Great Lakes Carbon Gmbh | Verfahren zum beschichten eines faserverstaerkten kunststoffkoerpers |
| DE4324030A1 (de) * | 1993-07-17 | 1995-01-19 | Hoechst Ag | Kunststoff-Formmasse zur Herstellung von Formteilen mit Dekoreffekt |
| EP0573507B1 (de) * | 1991-03-01 | 2000-01-26 | The Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern | Verstärkte Legierungsverbundstoffe |
| DE10108357A1 (de) * | 2001-02-21 | 2002-08-29 | Sika Ag, Vorm. Kaspar Winkler & Co | Armierungsstab sowie Verfahren zu dessen Herstellung |
-
2003
- 2003-07-05 DE DE10330341A patent/DE10330341B4/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
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