DE3718676C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus Metall und Kunststoff mit einer in den Kunststoff eingebetteten mit Durchtritten versehenen Metallseele sowie Verfahren zu dessen Herstellung.

Verbundwerkstoffe mit Textilfaser- und Textilkabelseele sowie einer Matrix aus thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen sind aus der DE-OS 28 51 526 bekannt. Der­ artige Verbundwerkstoffe haben den Nachteil, daß sie die Anforderungen an Formstabilität, Formsteifigkeit und Kerb­ schlagfestigkeit wie sie im Flugzeug- und Turbinenbau an beispielsweise Leitwerke und Triebwerksteile gestellt werden, nicht erfüllen.

Auch Verbundwerkstoffe mit Kunststoffmatrix und Armierung in Form eines Gitters oder Maschengeflechtes beispiels­ weise aus Draht, wie sie aus DE-OS 15 59 464 bekannt sind, zeigen diese Nachteile, und darüber hinaus führen Wärmeaus­ dehnungsunterschiede zwischen Metallgeflecht und Kunststoff­ matrix unter extremen thermischen Belastungen, bei­ spielsweise an Leitflächen und Triebwerksteilen zur Zerstörung des Verbundwerkstoffes.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, einen Metall­ kunststoff-Verbundwerkstoff zu schaffen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem einerseits Tempe­ ratureinflüsse im Betrieb möglichst nicht durch das wärme­ leitfähige Metall übertragen werden können und andererseits der Verbundkörper mit einer höheren Bruch- und Schlag­ festigkeit auszustatten ist, als es das nichtmetallische Ma­ terial alleine besitzen würde.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 7 enthaltenen Merkmale. Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Die Erfindung ermöglicht teure metallische Rohstoffe einzu­ sparen, und trotz höherer Festigkeit und Steifigkeit gegen­ über diesen Metallen und den aus der DE-OS 28 51 526 und der DE-OS 15 59 464 bekannten Verbundwerkstoffen wird eine Gewichtsersparnis gegenüber metallischen Rohstoffen je nach Verbundbauteil bis etwa 30% erreicht.

Mit der Erfindung werden sehr gute Einbindungen der Metall­ seele in den faserverstärkten Kunststoff erreicht, die nicht nur aus reiner Verklebung bestehen. Die Metallseele kann sehr dünn, unterhalb eines Millimeters, gehalten werden, wodurch Werkstoff eingespart wird. Ebenso können Schichten aus Graphit-, Kohlenstoffaser, Aramid- oder Glasfaser in der Dicke einer Faserlage von 0,05-0,2 mm gebildet werden.

Die Erfindung schafft eine Reihe neuer Anwendungsmöglich­ keiten für einen solchen Verbundwerkstoff, der in der Fachwelt zu der Gruppe der Hybride gezählt wird. Ein wesent­ licher Vorteil eines solchen Werkstoffes ist sein geringes Gewicht, gute Formgebungsmöglichkeiten und eine hohe Ober­ flächengüte. Teile aus solchem Verbundwerkstoff lassen sich einfach und preiswert in Serie fertigen. Besonders vorteilhaft ist er im Triebwerksbau und Flugzeugbau, d. h. für die Luft- und Raumfahrt, anwendbar. Ebenso für statio­ näre Anlagen als auch in Fahrzeugen. Es können komplette Leitwerkstrukturen, Rumpf und Tragflächenbeplankungen, Versteifungen, Klappen, Verkleidungen, Radome, Gehäuse, Zwischen- und Außengehäuse und dergl., mehr hergestellt werden.

Durch den Aufbau des Verbundwerkstoffes aus Metallseele und faserverstärktem Kunststoff, bei dem Metallseele und Kunststoff einerseits vielfach verbunden, andererseits ohne Kontakt zwischen Metallseele und Verstärkungsfaser angeordnet sind, entsteht der große Vorteil, daß der festere Bestandteil insbesondere aus metallischem Werkstoff durch seine höhere Bruchdehnung auch dann noch Energie aufnehmen kann, wenn die beispielsweise aus DE-OS 28 51 526 bekannten Verstärkungsfasern, -fäden oder dergleichen bereits ge­ brochen sind, wie dies insbesondere bei hohen Belastungen mechanischer Art wie Schlagbelastungen, auftreten kann. Dazu weist der metallische Werkstoff Durchtritte, wie Öffnungen, Bohrungen, Löcher, Poren, Kanäle oder andere Hohlräume auf, durch die die Verstärkungsfasern aus Fäden, Fasern, Whiskern einzeln oder miteinander in an sich bekannter Weise z. B. zu Geweben, Netzen, Matten, Filzen, Gelegen verknüpft werden können.

Die Durchtritte in der Metallseele werden durch Metallguß in einer Form mit Kernen und Ausräumen der Kerne aus dieser Form nach dem Gießen oder durch Ausschäumen, Ätzen, Bohren oder durch Stanzen auf mechanische, chemische, elektro­ erosive oder elektrochemische Weise hergestellt.

Die Verstärkungsfasern treten durch die Öffnungen oder Hohl­ räume der Metallseele hindurch bzw. werden durch diese hin­ durchgeführt, hindurchgezogen oder hindurchgepreßt, z. B. maschinell nach Art einer Nähmaschine, wobei die ein­ zelnen Verstärkungsfasern vorteilhaft mit Kunststoff vor­ her imprägniert oder die Hohlräume der Metallseele vor­ her infiltriert sind, wobei sich der Kunststoff in plastischem Zustand befindet. Auf diese Weise werden Wärmedehnung und Elastizitätsmodul der Metallseele den entsprechenden Werten der die Metallseele durchdringenden und umgebenden Verstärkungsfasern mit Kunststoffmatrix angepaßt.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Thermoplasten wegen ihrer guten Verbindbarkeit mit der Metallseele und ihrer Durchdringungsfähigkeit der Durchtritte in der Metall­ seele. Die Verstärkungsfasern können eingeführt, einge­ zogen oder eingepreßt werden, solange das Thermoplast noch nicht wieder erhärtet ist. Auch Duromere sind anwendbar.

Als Metallseele werden vorteilhaft Werkstoffe aus der Gruppe Stahl, Superlegierungen, Titan, Aluminium, Kupfer oder Metalle der Platingruppe (Nebengruppe VIII der Ele­ mente) und Legierungen, die wenigstens eine dieser Metalle enthalten, gewählt.

Mit Vorteil wird ein Vorverbund aus kunststoffinfiltrierter Metallseele und kunststoffimprägnierten Verstärkungsfasern aus nichtmetallischen Fäden, Fasern, Whiskern oder deren Geweben, Netzen oder ähnlichen Strukturen zuerst her­ gestellt und danach das sandwichartige Laminat oder das Halbzeug oder das Beinahe-Endteil oder das Fertigteil. Für dieses Ausformen in Kunststoff hat sich ein Spritzvor­ gang, ein Gießvorgang oder ein Preßvorgang insbesondere ein Kalt- oder Heißpressen bewährt, wie in der Kunststoff­ technik üblich.

Verschiedene Zwischenstufen insbesondere Vor- oder Nachbehand­ lungen können in gewünschter Weise je nach Ausgangsmaterialien oder gewünschtem Endzustand zwischengeschaltet werden. Zum Beispiel kann eine kohlenstoffhaltige Spritzmasse entkokt werden oder es kann ein Basisteil oder Substrat siliziert oder nitriert werden. Ebenso kann ein bereits kohlenstoffhaltiges Basis­ teil oder Substrat wenigstens teilweise in Carbid umgewandelt werden und Grundstoffe, die sich in wasserstoffhaltiger Atmos­ phäre in Reaktion bringen lassen, können z. B. während eines reaktiven Aufsputterns oder Aufstäubens oder eines Ionen­ bombardements in wasserstoffhaltiger Atmosphäre behandelt werden.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn in einer Vorbehand­ lung des Kunststoffes partikulare Stoffe wie metallische Teilchen dem Kunststoff zugemischt weden, weil dadurch ein günstiger, z. B. graduierter Übergang des thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten von der Metallseele zum faserver­ stärkten Kunststoff erreicht wird.

Die Oberfläche kann vorteilhaft abschließend durch Emaillieren, Glasieren oder Metallisieren veredelt werden. Der Verbund­ werkstoff kann in verschiedenartiger Weise metallisiert werden, wie an sich bei der Herstellung von Substraten für Leiterplatten in der Elektronik bekannt. Auch das Einlagern oder Dotieren von Teilchen unterschiedlichen Materials in Oberflächen mittels Hochenergiestrahlen ist an sich bekannt und hier ebenfalls anwendbar. Die Kunststoffe sind mit Vor­ teil vernetzbar und/oder aushärtbar in einer Form.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung rein schematisch dargestellt und in der nach­ folgenden Beschreibung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Metallseele eines Verbundwerk­ stoffes.

Fig. 2 die Metallseele verbunden mit einer Verstärkungsfaser.

Fig. 3 einen Faserverbund (Kette und Schuß) und

Fig. 4 einen laminierten Verbundwerkstoff in Sand­ wichform mit Metallseele.

Wie in Fig. 1 bildet die Metallseele 1 des Verbundwerk­ stoffs 4 eine metallische Platte, Schicht, Folie oder ähn­ liches von relativ geringer Dicke, insbesondere in Blech­ stärke im Millimeterbereich und darunter, wobei in das Metall Öffnungen 2 z. B. galvanisiert, hindurchplattiert, abgeätzt, durchbohrt, erodiert oder in ähnlicher Weise hergestellt sind. Die Öffnungen 2 werden in gewünschter Größe und regelmäßiger oder unregelmäßiger Verteilung über die Fläche der Metallseele 1 verstreut angeordnet. Dabei ist wichtig, daß die Öffnungen 2 zwar relativ größer sind als die hindurchtretenden Verstärkungsfasern 3 jedoch nicht erheblich größer, sondern nur so viel, daß eine Kunststoffimprägnierung oder -infiltrierung einen Abstand zwischen der Metallseele 3 und den Verstärkungs­ fasern schafft und einen Kontakt der Verstärkungsfasern 3 mit der Metallseele 1 besonders im Bereich der Durchtritte der Verstärkungsfasern 3 durch die Öffnungen 2 verhindert.

Andererseits ist die Anzahl und Verteilung der Öffnungen 2 der Metallseele 1 so gewählt, daß die mechanische Festigkeit des metallischen Teils als Ganzes nicht geschwächt wird. Die Metallseele 1 kann durch Walzen, z. B. aus Blech oder sonstwie als Folie insbesondere als Band, auch in Schicht­ technik, z. B. durch Bedampfen oder galvanische oder chemische Abscheidung hergestellt werden. Dabei kann auch ein wieder entfernbares Kunststoffsubstrat mit der Metall­ seele zwischenzeitlich verbunden sein oder umgekehrt. Die Hohlräume in der Metallseele 1 in Form von Öffnungen 2, Bohrungen, Löchern, Poren oder ähnlichem müssen gegebenen­ falls nach zusätzlicher Behandlung - den Durchtritt von Verstärkungsfasern aus einem Verstärkungsmaterial wie Aramid, Kohlenstoff, Glas oder als Hybrid aus zwei oder dreien dieser Stoffe zulassen.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Verstärkungsfaser 3, die durch eine der Öffnungen 2 der Metallseele 1 hindurch­ tritt. Damit kein direkter Kontakt zwischen den Ver­ stärkungsfasern 3 und der Metallseele 1 entsteht, werden die Verstärkungsfasern einzeln oder zu mehreren z. B. in irgendeiner Weise verknüpft, nachdem sie mit Kunstharz wie z. B. einem Epoxydharz oder Polyimiden imprägniert oder lackiert z. B. tauchlackiert und/oder thermisch behandelt wurden.

Oder es wird die folienartige, schichtartige, poröse oder ähnlich gestaltete Metallseele 1 mit den obengenannten Kunststoffen getränkt, d. h. also infiltriert, insbesondere deren Hohlräume z. B. ebenfalls durch Tauchen oder der­ gleichen, so daß sichergestellt ist, daß die Verstärkungs­ fasern 3 durch die Öffnungen 2 hindurchtreten können ohne mit dem Metall in Kontakt zu treten, damit sie durch Kunststoff hiervon beabstandet sind.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Anordnung der Verstärkungs­ faser 3 in einem Faserverbund. Dabei ist die Verstärkungs­ faser 3 zunächst wie Kette und Schuß mit der Metallseele 1 zu verbinden, so daß ein Gewebe oder eine ähnliche Ver­ netzung entstehen, die die Metallseele 1 durchdringen und sie wenigstens teilweise umgeben, so daß ein Vorverbund aus Metallseele und Kunststoffasern gebildet wird.

Fig. 4 zeigt den Verbundwerkstoff in einer laminierten Sandwichform, wie er aus dem Vorverbund aus Metallseele und Kunststoffasern durch Umspritzen, Umpressen, Umgießen oder dergleichen zu einem Halbzeug oder Laminat oder in Beinahe- Endform oder zu einem Fertigteil in eine endgültige Form ge­ bracht wird. Dabei kann wie in Fig. 4 die Metallseele 1 einseitig oder auch beidseitig herausragen. Bei Verwendung von Kunststoff wie Thermoplast empfiehlt sich ein Spritzver­ fahren oder ein Gießverfahren, bei Kunstharzen wie Polyäthylen oder Polyimiden ein Preßverfahren, dabei kann ein thermischer Erhärtungsvorgang, ein Vernetzungsvorgang und/oder ein Aushärtungsvorgang in einer Form zwischen- oder nach­ geschaltet sein, insbesondere bei einem zusätzlichen Ein­ lagern partikularer Stoffe.

Die laminierten Sandwichformen oder Verbundwerkstoffe mit mehrfach übereinander alternierendem Aufbau oder auch mit herausragender Metallseele 1 als Verankerung, können sowohl als ablängbare Halbzeuge endlos z. B. bandförmig vorliegen, insbesondere wenn sie im Spritzguß oder Preßverfahren her­ gestellt sind oder sie können in Beinahe-Endform eines Bau­ teiles hergestellt sein, das heißt, es ist dann noch eine, wenn auch geringe Nachbearbeitung erforderlich, oder sie können in einer Form als Fertigteil (d. h. im Endmaß), vor­ liegen.

Claims (10)

1. Verbundwerkstoff aus Metall und Kunststoff mit einer in den Kunststoff eingebetteten mit Durchtritten versehenen Metallseele, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallseele folienartig, schichtartig, schwammig oder netzartig ist, daß der Kunststoff Verstärkungsfasern aus Aramid und/oder Kohlenstoff und/oder Glas aufweist, und daß die Verstärkungsfasern durch die Durchtritte vielfach hindurchgeführt sind, ohne mechanischen Kontakt zum Metall zu besitzen.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Thermoplast oder ein Duroplast (Duromer) ist.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe: Stahl, Superlegierungen, Titan, Aluminium, Kupfer oder einem Metall der Platingruppe (Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente) oder Legierungen mit wenigstens einem dieser Metalle.

4. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in Form einzelner Fäden oder als Gewebe, Gelege, Filz, Matte, Netz, Gitter oder dergleichen verknüpft und/oder hybridartig zusammengefaßt sind.

5. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtritte im Metall aus beabstandeten Öffnungen, Bohrungen, Löchern, Poren, Kanälen und anderen Hohlräumen bestehen.

6. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Seele wenigstens einseitig, vorzugsweise beidseitig aus dem Kunststoff herausragend angeordnet ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Metall und Kunststoff mit einer in den Kunststoff eingebetteten mit Durchtritten versehenen Metallseele, die folienartig, schichtartig, schwammig oder netzartig ist, wobei der Kunststoff Verstärkungsfasern aus Aramid und/oder Kohlenstoff und/oder Glas aufweist, und die Verstärkungsfasern durch die Durchtritte vielfach hin­ durchgeführt sind, ohne mechanischen Kontakt zum Metall zu besitzen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:

• a) Herstellen der Durchtritte in der Metallseele,
• b) Infiltrieren der Metallseele oder Imprägnieren der Verstärkungsfasern mit thermohärtbarem, vernetzbarem oder aushärtbarem Kunststoff,
• c) Herstellen eines Vorverbundes aus Metallseele und Kunststoffasern durch vielfach Hindurchführen, Hindurchziehen oder Hindurchpressen der Ver­ stärkungsfasern durch die Durchtritte in der Metallseele und
• d) Verbinden mehrerer Schichten des Vorverbundes aus Metallseele und Kunststoffasern zu einem laminierten Verbundwerkstoff beim Vernetzen und Aushärten.

8. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtritte in der Metallseele durch Metallguß in einer Form mit Kernen und Ausräumen der Kerne aus dieser Form, durch Ausschäumen, Ätzen, Bohren oder Stanzen auf mechanische, chemische, elektroerosive oder elektrochemische Weise hergestellt werden.

9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem thermohärt-, vernetz- oder aushärt­ baren Kunststoff partikulare Stoffe, wie metallische Teilchen, zugesetzt werden.

10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche des Verbundwerkstoffes durch Glasieren, Emaillieren oder Metallisieren veredelt wird.