DE10330341B4 - Metallic coating material reinforced with long basalt fibers and its products - Google Patents

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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.Laminate of at least two metal sheets, each of which has a thickness of less than 1.5 mm, in particular from 0.1 to 0.8 mm, wherein between the sheets a plastic layer is arranged, which is glued to the metal sheets, which layer basalt filaments having a modulus of elasticity greater than 50 GPa, the basal filaments constituting 35-75% of the volume of the plastic and basalt filaments, characterized in that:
A. the basalt filaments have a modulus of elasticity of 90-120 GPa;
B. The basalt filaments 35-55 wt.%, Preferably 47-50 wt.% SiO2 contain;
C. the basal filaments contain 10-25% by weight, preferably 15-18% by weight Al 2 O 3;
D. The basalt filaments contain 3-10% by weight, preferably 5-7% by weight of MgO;
E. The metal sheets of a material with a tensile strength of over 0.20 GPa
consist.

Figure 00000001
Figure 00000001

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.The Invention relates to a laminate of at least two metal sheets, each of which has a thickness of less than 1.5 mm, in particular from 0.1 to 0.8 mm, wherein between the sheets a plastic layer is arranged, which is glued to the metal sheets, which Layer of basalt fibers with a modulus of elasticity of over 50 GPa contains which are at least in one direction parallel to each other, wherein the basalt fiber films 35-75% of the volume of the plastic and form the basalt fibers together.

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.at The design of lightweight structures is of particular value put the weight reduction. Here are dependent on from the application of lightweight structures different strength, fatigue and Meet damage tolerance requirements. Especially in aircraft becomes a special aspect on the damage tolerant properties laid by lightweight structures.

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.The increase The damage tolerant properties can vary on different Because of: the increase the skin thickness, the use of additional local stiffeners or the adaptation of the skin thickness to load requirements, etc. These methods lead only for an increase in weight the lightweight structure. Another possibility is the use of materials with increased damage tolerant properties such as metallic coating materials or fiber reinforced Laminates.

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.In Of late, the fiber reinforced composites have on Metal base increased in importance. The reinforcement of metallic material with fibers allows the mechanical and damage tolerant properties significantly increase of metallic materials. The improvement of material properties however, is very narrow with significantly higher cost of composites connected. The reasons are in higher Production costs.

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.The associated with the melting of base metal material methods are very time consuming and costly. Made of suitable, relatively inexpensive Manufacturing methods has been the sticking together of metal sheets proven with embedded in adhesive film fibers.

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.Out EP 0 312 151 A1 a laminate is known, which consists of at least two metal sheets, wherein between the sheets a plastic layer is associated, which is glued to the metal sheets and which contains Glasfilamente. Such metal laminates are particularly suitable for lightweight structures for aircraft applications because they have advantageous mechanical properties with a low structural weight.

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.Out EP 0 056 288 A1 Another metal laminate is known, wherein the use of polymer fibers from the group of aramids, polyaromatic hydrazites and aromatic polyester takes place in a plastic layer.

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.Out EP 0 573 507 B1 For example, an alloy laminate material having reinforcing fibers embedded in a plastic matrix is known from a group consisting of carbon, polyaromatic amide, alumina, silicon carbide fibers, or mixtures thereof.

Nachteile der vorbekannten Lösungendisadvantage the previously known solutions

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.The Advantages of known laminated materials are in comparison to equivalent monolithic sheets in the significantly higher damage tolerant properties. The crack growth characteristics of fiber reinforced metal laminates are 10 to 20 times better than in monolithic sheets.

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.however own the known laminated materials compared to monolithic ones Materials lower static properties. The elastic limit at a tensile, compressive or shear stress of known laminated Materials is dependent of the adhesive systems and fiber types used, 5 to 20% lower as at equivalent monolithic materials.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, mechanische und schadenstolerante Eigenschaften von laminierten Schichtwerkstoffen zu verbessern.Of the The invention is therefore based on the object, mechanical and damage tolerant Properties of laminated laminates to improve.

Die Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.The Task is achieved by the measures listed in the patent claim 1 solved.

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.The Advantages of the invention lie in the improved mechanical and damage tolerant properties of laminated materials. in the Compared to known fiber-reinforced laminates, such as GLARE, is an increase in the use of basalt fibers static properties expected.

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.A Another advantage is a reduction in manufacturing costs. The production Basalt fibers are based on natural rocks. in this connection the raw material costs are significantly lower than with the glass fibers.

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.further developments and advantageous embodiments are in the claims 2 to 11 indicated. Further details and advantages emerge the following description of embodiments of the invention.

Beschreibung der Erfindungdescription the invention

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche nachstehend anhand der 1 und 2 näher beschrieben sind. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the drawings, embodiments of the invention are shown, which hereinafter with reference to the 1 and 2 are described in more detail. In the figures, the same components are provided with the same reference numerals.

Es zeigen im einzelnen:It show in detail:

1 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Schichtwerkstoffs in einer ersten Ausführungsform und 1 a schematic representation of a layer structure of a laminate material in a first embodiment and

2 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Schichtwerkstoffs in einer zweiten Ausführungsform. 2 a schematic representation of a layer structure of a laminate material in a second embodiment.

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 Metallblechen 2 und 3 (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 Blechen 2 und 3 (1) bzw. 20, 30, 40, 50 (2) ist eine mindestens eine Kunststoffschicht 6 (1) bzw. 60, 70, 80 (2) angeordnet. Mittels Klebverbindungen 9 bzw. 90 werden die Kunststoffschichten 6 (1) bzw. 60, 70, 80 (2) mit den Metallblechen 2 und 3 (1) bzw. 20, 30, 40, 50 (2) verklebt. Die Kunststoffschichten 6 (1) bzw. 60, 70, 80 (2) enthalten Basaltfasern 100 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. In 1 ist als Kunststoffmatrix eine parallele Anordnung von Basaltfasern 100 in der Kunststoffschicht 6 gezeigt. In 2 sind drei Kunststoffschichten 60, 70, 80 zwischen den Metallblechen 20, 30, 40, 50 angeordnet, wobei die Ausrichtung der Basaltfasern 100 in einer Kunststoffschicht 60 parallel erfolgt, die darüber angeordneten Schichten 70 und 80 jeweils gedreht, vorzugsweise um 90°, eine Anordnung der Basaltfasern 100 aufweisen.In the figures, fiber-reinforced composite materials based on metal are shown. The invention relates to the lamination of metal sheets with a plastic layer of basalt fibers, which is glued to the metal sheets. The coating material 1 respectively. 10 consists of at least two metal sheets 2 and 3 ( 1 ) respectively. 20 . 30 . 40 . 50 ( 2 ), wherein each metal sheet has a thickness of less than 1.5 mm, in particular from 0.1 to 0.8 mm. Between the sheets 2 and 3 ( 1 ) respectively. 20 . 30 . 40 . 50 ( 2 ) is at least one plastic layer 6 ( 1 ) respectively. 60 . 70 . 80 ( 2 ) arranged. By means of glued joints 9 respectively. 90 become the plastic layers 6 ( 1 ) respectively. 60 . 70 . 80 ( 2 ) with the metal sheets 2 and 3 ( 1 ) respectively. 20 . 30 . 40 . 50 ( 2 ) glued. The plastic layers 6 ( 1 ) respectively. 60 . 70 . 80 ( 2 ) contain basalt fibers 100 having a modulus of elasticity greater than 50 GPa, which are at least in one direction parallel to each other, the basalt fiber segments forming 35-75% of the volume of the plastic and the basalt fibers together. In 1 As a plastic matrix, it is a parallel arrangement of basalt fibers 100 in the plastic layer 6 shown. In 2 are three plastic layers 60 . 70 . 80 between the metal sheets 20 . 30 . 40 . 50 arranged, with the orientation of basalt fibers 100 in a plastic layer 60 takes place in parallel, the layers arranged above 70 and 80 each rotated, preferably by 90 °, an arrangement of basalt fibers 100 exhibit.

Durch die Verwendung des Fasertyps in dieser Erfindung wird eine Erhöhung von statischen Eigenschaften erreicht.By the use of the fiber type in this invention will be an increase of achieved static properties.

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.So far was the use of basalt fibers for the construction industry as a thermal insulation material or for the reinforcement of concrete products and in the electronics industry known as the board. The use of basalt fibers as reinforcing material for laminated Materials is not known yet.

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:

Figure 00050001
Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von Basaltfasern For the production of basalt fibers, a natural rock in the form of basalt, granite, diabase, amphibolite, diorite, trachyte, basalt, porphyry and obsidian can be used. The suitable chemical composition is given in Table 1:
Figure 00050001
Table 1: Chemical composition of basalt fibers

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.

Figure 00060001
Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften von unterschiedlichen Fasertypen im Vergleich zur Basaltfaser The advantages of basalt fibers are a higher modulus of elasticity 90-120 GPa, a greater temperature working range of -260 to +650 ° C, good properties at changing temperatures, good corrosion properties and a very good vibration resistance. (Table 2). This makes the application of glued aluminum laminates with basalt fibers especially relevant for aircraft construction.
Figure 00060001
Table 2: Mechanical properties of different fiber types compared to basalt fiber

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.at the positioning of basalt fibers in the plastic matrix the basalt fibers in at least one direction parallel to each other lie or be connected together in the form of tissues.

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.When Metal sheets can Metals from the following group of materials consist of: aluminum alloys, in particular Aluminum-copper alloys, such as those of type M (USA) no. 2024 or aluminum-zinc alloys, such as those of type M (USA) no. 7075, Aluminum-lithium alloys with lithium content of 0.5 to 3%, steel, Titanium alloys, copper, copper alloys and magnesium alloys.

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.Laminate of at least two metal sheets, each of which has a thickness of less than 1.5 mm, in particular from 0.1 to 0.8 mm, wherein between the sheets a plastic layer is arranged, which is glued to the metal sheets, which layer basalt filaments having a modulus of elasticity greater than 50 GPa, the basal filaments constituting 35-75% of the volume of the plastic and the basalt filaments, characterized in that: A. the basal filaments have a modulus of elasticity of 90-120 GPa; B. The basalt filaments 35-55 wt.%, Preferably 47-50 wt.% SiO2 contain; C. the basal filaments contain 10-25% by weight, preferably 15-18% by weight Al 2 O 3; D. The basalt filaments contain 3-10% by weight, preferably 5-7% by weight of MgO; E. The metal sheets are made of a material with a tensile strength of over 0.20 GPa. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basaltfasern mindestens in einer Richtung parallel zueinander liegen oder in Form von Geweben zusammenverbunden sind.Laminate according to claim 1, characterized in that that the basalt fibers in at least one direction parallel to each other lie or are connected together in the form of tissues. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung der Basaltfilamente 2-5% beträgt.Laminate according to claim 1, characterized in that that the elongation at break of the basalt filaments is 2-5%. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Metallbleche im Bereich von 2 bis 20 liegt.Laminate according to claim 1, characterized in that that the number of metal sheets is in the range of 2 to 20. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kunststoffschicht zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blechen kleiner ist, als die jedes der Bleche.Laminate according to claim 1, characterized in that that the thickness of the plastic layer between two consecutive Sheet metal is smaller than any of the sheets. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff und Basaltfilamente enthaltende Schicht ein duroplastisches Material enthält.Laminate according to claim 1, characterized in that that the plastic and basalt filaments containing layer contains thermosetting material. Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff und Basaltfilamente enthaltende Schicht einen thermoplastischen Kunststoff enthält.Laminate according to claim 1, characterized in that that the plastic and basalt filaments containing layer has a contains thermoplastic material. 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.Laminate according to claim 1, characterized in that that the metal sheets of a metal from the following group of materials consist of: aluminum alloys, in particular aluminum-copper alloys, such as type M (USA) no. 2024, or aluminum-zinc alloys, such as type M (USA) no. 7075, aluminum lithium alloys with lithium content from 0.5 to 3%, steel, titanium alloys, copper, copper alloys and magnesium alloys. Verwendung eines Laminats nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Oberschalenblech eines Flugzeugrumpfes.Use of a laminate according to one of claims 1 to 8 as the upper shell plate of an aircraft fuselage.
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