DE60224173T2 - Metallverbundwerkstofflaminate und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Metall-Polymer-Laminate, die im Anschluss als Metall-Verbund-Laminate bezeichnet werden und die eine extrem vorteilhafte Beziehung zwischen mechanischen Eigenschaften und spezifischem Gewicht aufweisen. Die Erfindung beinhaltet ebenso die in Übereinstimmung mit diesem Verfahren erzeugten Laminate.
• Laminate bestehen aus zwei oder mehreren metallischen Schichten oder Folien, die mittels einer Verbundschicht in Form eines polymerisierten Bindemittels miteinander verbunden sind, und verschiedene Arten von Faserverstärkungen wurden in vielerlei Zusammenhängen dort getestet, wo eine Notwendigkeit zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit des metallischen Basismaterials ermittelt wurde. Die Festigkeiten und die Schwächen der metallischen Basismaterialien und der faserverstärkten Verbünde wiegen einander auf. Metallische Materialien sind an geometrischen Kerben (Belastungskonzentrationen) in Verbindung mit fluktuierenden Lasten schwach, während dies die Stärke des Verbunds ist; der Verbund ist dagegen sensibel bei geometrischen Kerben unter statischen Belastungen als Ergebnis von dessen Sprödheit, während das Metall in der Lage ist, sich plastisch zu deformieren.
• Verstärkungen für metallische Materialstrukturen, die im Betrieb einen Riss erlitten haben, wurden bisher schon in einem gewissen Ausmaß repariert, beispielsweise durch Haftaufsetzen eines Verbund-Flickens, da die Verbünde gegenüber fluktuierenden Belastungen nicht sensibel sind und somit diesen Bereich entlasten und eine weitere Rissfortsetzung verhindern.
• Durch die Kombination der positiven Eigenschaften des Metalls und des Verbunds wurde es möglich, Metall-Verbund-Laminate zu erzeugen, die immer häufiger in der Flugzeugtechnologie und der Raumfahrttechnologie verwendet wurden, wo sie über eine Anzahl von Jahren mehr und mehr metallische Strukturen ersetzt haben, da diese Laminate Produkte mit besseren Festigkeitseigenschaften bei niedrigerem Gewicht zur Verfügung stellen können, obwohl sie einen höheren Preis haben. Diese Laminate bestehen generell aus zwei, drei oder mehreren metallischen Schichten, die mittels Polymer-Bindemittelschichten zusammengehalten werden und welche üblicherweise mit einer Art Fasermaterial, wie etwa Glasfaser, Aramidfaser oder Karbonfaser verstärkt wurden. Verschiedene Arten von Polymeren wurden zu diesem Zweck als Bindemittel verwendet. Thermoplastische Stoffe haben anfangs dominiert, heute jedoch sind verschiedene Arten von Epoxiden generell weiter verbreitet.
• Eins dieser Metall-Verbund-Laminate, die üblicherweise in der Luftfahrtindustrie verwendet worden sind, ist als GLARE^® bekannt, welches sich früher auf dünne Aluminiumplatten und Fiberglas-Prepreg bezog, welche somit ein Material zur Verfügung stellten, das unter wiederholt auftretenden Belastungen ein gutes Verhalten zeigt und in dem Risse nur langsam wachsen.
• Da es sich als möglich herausgestellt hat, Metall-Verbund-Laminate mit derart vorteilhaften Eigenschaften zu erzeugen, wurden in den letzten Jahren große Anstrengungen zur weiteren Verbesserung dieser Materialien unternommen. Als Ergebnis gibt es eine recht große Anzahl von Patenten auf diesem Gebiet.
• Beispielsweise beschreibt die EP 0 013 146 ein Metall-Verbund-Laminat, welches aus zwei dünnen Metalloberflächenschichten besteht, die mittels einer adhäsiven Schicht aus thermoplastischem Kunststoff miteinander verbunden sind, wobei die adhäsive Schicht auch Füllmaterialien, wie etwa Glasfaser, enthalten kann. Dieses Laminat, welche als vor allem für die Herstellung verschiedener Arten von Paneelen für die Automobilindustrie gedacht beschrieben wird, ist jedoch für die Verwendung bei hohen Temperaturen ungeeignet, da das adhäsive Mittel aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht; die zu der adhäsiven Schicht hinzugegebenen Glasfasern sind gleichzeitig vermutlich kurze, nicht miteinander verbundene Fasern, um so ein Material zu erzielen, das ausreichend deformierbar für den vorgesehen Zweck ist, wobei diese Fasern jedoch aufgrund ihrer kurzen gemeinsamen Länge dem Laminat nicht die verbesserten Eigenschaften geben können, die für viele andere Anwendungen wünschenswert wären.
• Die DE 2 642 882 beschreibt ein Panzermaterial, das zumindest aus einer Stahlplatte besteht, die mit einer Vielzahl von Schichten aus einem thermoplastischen Polyamid und Aramidfasern beschichtet ist.
• Die US 4,035,694 betrifft eine elektrisch leitfähige Metallschicht, die mit einem Polymer-Bindemittel und einem nicht gewebten Material beschichtet ist, das unter anderem aromatische Polyamidfasern enthält. Dieses Laminat ist jedoch zur Verwendung bei der Herstellung von Leiterplatten gedacht und war niemals dazu gedacht, große mechanische Belastungen zu absorbieren.
• Die GB 1 303 301 beschreibt ein Metall-Verbund-Material, das aus einer Vielzahl von Metallschichten besteht, die miteinander mittels eines faserverstärkten Kunststoffmaterials verbunden sind, wobei das Fasermaterial potentiell aus Karbonfasern und/oder Glasfasern bestehen soll. Hauptaugenmerk dieses Patents ist, wie die Fasern ausgerichtet sind, und das Patent beinhaltet somit eine Beschreibung einer Vorrichtung zum Strecken der Fasern in jeder bestimmten Richtung.
• Schließlich beschreibt die US 3,321,019 einen Helikopter-Rotorpropeller, der teilweise mit Aluminiumplatten und Fieberglas-Gewebe verstärkt ist. Das Patent beschreibt somit tatsächlich kein generell anwendbares Material, sondern vielmehr ein spezielles Produkt.
• Die US 4,489,123 beschreibt ebenso ein Metall-Verbund-Laminat aus dünnen Aluminiumschichten und Verbundschichten, die kontinuierliche Fasern aus Aramid- oder Karbonfasern, plus ein polymeres thermoplastisches Bindemittel, enthält. Die in dem Laminat enthaltene Aluminiumschicht soll von 0,1 bis weniger als 1 mm Dicke aufweisen, während das Fasermaterial gemäß Anspruch 1 aus einer aromatischen Polyamidfaser bestehen muss, die Poly-Paraphenylen-Terephthalamid-Garn in langen Längen und mit einer Steifheit von 50 000 bis 250 000 MPa enthält. Diese breiten Bereiche in Bezug auf die Fasersteifheit stellen natürlich bestimmte Fragen in Bezug auf die tatsächliche Intension und ob überhaupt Aramidfasern existieren, die diesen gesamten Bereich abdecken. Auf der einen Seite zitiert Anspruch 15 Grenzen von 100 000 bis 150 000, was anzeigt, dass Karbonfasern ins Auge gefasst sind. Karbonfasern werden ebenso in der Zusammenfassung auf Seite 1 dieses Patents zitiert, jedoch nicht in den Ansprüchen. (E-Glas mit ca. 70 000 MPa und S-Glas mit ca. 85 000 MPa würde somit in die in Anspruch 1 festgelegten Grenzen fallen, unter der Annahme, dass die chemische Definition in Anspruch 1 so aufgefasst würde, dass sie diese Produkte beinhaltet). Das wesentlichste Attribut des in diesem Patent definierten Laminats erscheint jedoch zu sein, dass die metallischen Schichten, welche in dem Laminat eingebaut sind, in einem vollständig unbelasteten Laminat einer gewissen Kompressionskraft unterliegen, während die Polymerschicht gleichzeitig einer Zugbelastung oder duktilen Belastung unterworfen ist.
• Die US 4,500,589 beschreibt das gleiche Produkt wie die US 4,489,123 , mit dem Unterschied, dass aus den gleichen Startmaterialien ein Produkt erzeugt wird, das frei von inhärenten Vorbelastungen ist, welche das Produkt gemäß der US 4,500,589 charakterisieren.
• Die US 5,039,671 beschreibt des Weiteren eine Variante mit im Wesentlichen gleichem Produkt wie die oben beschriebenen zwei Produkte, jedoch mit dem Unterschied, dass das Fasermaterial in dem Laminat mit einem sogenannten S-Glas ersetzt wurde, dessen Elastizitätsmodus als 80 000 bis 100 000 MPa angegeben wird und dessen Bruchdehnung 4 bis 6% beträgt. Gemäß diesem Patent muss die S-Glasfaser eine deutlich bessere „blunt notch strength" ergeben, was sich auf die statische Festigkeit des Materials mit einer geometrischen Einkerbung wie etwa beispielsweise einem Loch bezieht.
• Es wurden somit auf dem Gebiet von Metall-Verbund-Laminat große Anstrengungen unternommen und die Materialarten weisen sämtlich gebräuchliche Anwendungsbereiche auf, in denen ihr höherer Preis im Vergleich zu reinen Metallen deutlich gerechtfertigt ist.
• Anforderungen im Hinblick auf die Leistung steigen jedoch auf dem Gebiet von Flugzeugen und in der Raumfahrt konstant an, soweit rein physikalische Luftkraft-Leistungen im militärischen Gebiet fortschreiten, während auf dem zivilen Gebiet hauptsächlich die Notwendigkeit ins Auge gefasst wird, die Produkt-Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Da die schwerwiegendsten Kosten in der zivilen Luftfahrt die Treibstoffkosten sind, besteht das Ziel, die Kosten pro Luftkilometer und Kilogramm zu reduzieren. Aus diesem Grund bestehen ständig Bemühungen, Flugzeugmaterialien herzustellen, welche leichter sind und gleichzeitig nicht die Leistung verringern, während zur gleichen Zeit über akzeptable Niveaus hinaus ansteigende Materialkosten verhindert werden sollen.
• Wir haben nunmehr herausgefunden, dass es durch einfaches Ausführen kleiner Veränderungen in der im Wesentlichen gut etablierten derzeitigen Technologie möglich ist, Metall-Verbund-Laminate herzustellen, die im Wesentlichen die gleiche Festigkeit und andere mechanische Eigenschaften wie derzeitige Produkte aufweisen, jedoch 5% oder mehr leichtgewichtiger sind. Unter der Vorgabe, dass, wie dies oben bereits erwähnt wurde, die Treibstoffkosten die größten einzelnen Betriebskosten in der zivilen Luftfahrt umfassen, stellt eine Gewichtsreduktion von 5% beispielsweise bei den Rumpfpaneelen deutliche Vorteile zur Verfügung, da jedes am Flugzeug selbst gesparte Kilogramm Gewicht mit einem gleichen Gewicht zu bezahlender Fracht ersetzt werden kann.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren des Gewichts von Metall-Verbund-Laminaten, welche aus zwei oder mehreren metallischen Folienschichten (1) und polymeren Bindemittelschichten (2) bestehen, die die Metallfolienschichten zusammenhalten und Faserverstärkungen (3) enthalten, die im Hinblick auf den gewünschten Anwendungsbereich für das Produkt gestaltet sind, wobei ein Fasermaterial, das zumindest teilweise aus hohlen Fasern besteht, d. h. aus röhrenförmigen Fasern besteht, von denen jede zumindest einen inneren Längshohlkanal enthält, zur Herstellung der Faserverstärkungen (3) ausgewählt wurde.
• Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Metall-Verbund-Laminat einer solchen Art, die zumindest zwei Metallfolienschichten (1) enthält, die mittels faserverstärkter Polymer-Bindemittelschichten (3) verbunden sind, wobei das Bindemittel verstärkende Fasermaterial (3) zumindest teilweise aus hohlem Fasermaterial besteht, was bedeutet, dass jede Faser eine Röhrenform aufweist und zumindest einen Durchgangskanal oder eine Öffnung aufweist und sich in dessen Längsrichtung erstreckt.
• Die Grundidee hinter der Erfindung ist die, dass zumindest ein Teil des zur Verstärkung des Metallverbunds verwendeten Fasermaterials aus hohlen Fasern bestehen muss, wobei hierunter ein Fasermaterial verstanden wird, bei dem jede Faser eine oder mehrere längslaufende und Durchgangskanäle aufweist, d. h., dass jede Faser eine Röhrenform aufweist. Auf der anderen Seite ist die chemische Zusammensetzung der hohlen Faser für die Erfindung per se nicht kritisch. Dieses Basismaterial in der hohlen Faser kann somit aus jeder Art bereits bekannter Fasermaterialien bestehen, die für vergleichbare Zwecke verwendet worden sind, könnte jedoch ebenso aus einem vollständig neuen Typ von Fasermaterial bestehen, der bisher noch unbekannt ist, unter der Maßgabe jedoch, dass es die notwendigen Erfordernisse in Bezug auf Steifheit und Bruchfestigkeit aufweist und eine ausreichende Adhäsion mit den relevanten Bindemitteln aufweist.
• Das Ersetzen des früher verwendeten homogenen Fasermaterials mit hohlem Fasermaterial führt zu Gewichtseinsparungen, die äquivalent zum Volumen des Fasermaterials sind, welches in der hohlen Faser aus den Längskanälen in der Faser besteht, während die Vorteile der Röhrenform über homogene Stangen in Bezug auf die Biegesteifigkeit usw. zur gleichen Zeit vollständig verwirklicht werden.
• Ein Vorteil in diesem Zusammenhang ist, dass bestimmte hohle Fasermaterialien, die dann verwendet werden können, wenn die Erfindung in die Praxis umgesetzt wird, bereits auf dem Markt erhältlich sind und die meisten dieser bereits existierenden hohlen Fasermaterialen bisher keine andere Hauptverwendung als in bestimmten Sonderanwendungen gefunden haben. Die hohlen Fasermaterialien, die bisher die größte Marktdurchdringung haben, sind solche für textile Anwendungen, die als thermische Isolierung in Schlafsäcken und Thermobekleidung verwendet werden. Spezielle hohle Polymerfasern werden kommerziell dazu verwendet, Gase durch Ausnutzung einer osmotischen Druckdifferenz zu trennen. Hohle Karbonfasern wurden ebenso bisher experimentell zum Zwecke der Erhöhung des Druckwiderstands von aus diesen gefertigten Produkten hergestellt, jedoch scheinen hohle Karbonfasern bisher keine breiteren Anwendungsgebiete gefunden zu haben. Hohle S-Glas-Fasern sind ebenso kommerziell unter dem Namen HOLLERS erhältlich, diese Faser, die gute dielektrische Eigenschaften aufweist, wird derzeit jedoch hauptsächlich bei der Konstruktion von Radarnasen verwendet.
• Wie oben bereits erwähnt können die die Erfindung kennzeichnenden hohlen Fasern aus einer Anzahl verschiedener Basismaterialien gefertigt werden, die für ähnliche Zwecke in der Form von homogenen Fasern verwendet wurden, während sämtliche der bisher verwendeten Bindemittel, die bisher zur Fertigung von Verbundmaterialien ins Auge gefasst wurden, gleichzeitig ebenso bei der Verwirklichung der Erfindung verwendet werden können. In der Mehrzahl der Fälle würden jedoch Bindemittel des Epoxid-Typs über beispielsweise thermoplastische Kunststoffe bevorzugt werden, da Faserverstärkungen, die zumindest teilweise aus Glasfasern bestehen, wahrscheinlich die hochqualitativsten Metall-Verbund-Laminate erzeugen werden.
• Gerade da die Wahl der chemischen Zusammensetzung für das Fasermaterial und die Bindemittelkomponente frei erfolgen kann, ist auch die Art in dem abschließend bearbeitenden Produkt verwendeten metallischen Folien nicht kritisch. Da die Erfindung jedoch hauptsächlich im Hinblick auf ihr Ergebnis ein Verfahren zur Reduzierung des Gewichts des abschließenden Produkts betrifft, kann durchaus erwartet werden, dass Aluminium, Aluminiumlegierungen sowie Titan oder Titanlegierungen als am meisten geeignete metallische Folienmaterialien vorherrschen werden. Es sollte ebenso angemerkt werden, dass in diesem Zusammenhang das gemäß der Erfindung hergestellte abschließend bearbeitete Produkt unabhängig von einer Vielzahl von Schichten sowohl aus Metall und Verbund oft eine Dicke aufweisen wird, die in den Bereich von weniger als 1 mm bis 2–3 mm fällt. Wie dies mit anderen ähnlichen Materialien der Fall ist, sind die Verbundschichten, d. h. das Bindemittel plus Faserverstärkung, generell dünner als die metallischen Folien.
• Die metallischen Folienschichten, die in dem Metall-Verbund-Laminat gemäß der Erfindung beinhaltet sind, können eine Dicke innerhalb des Bereichs von 0,1 bis ≤ 1 mm aufweisen, während jede jeweilige Polymerschicht (2) inklusive der darin enthaltenen Faserverstärkung (3) eine Dicke aufweist, die niemals die Dicke der jeweiligen benachbarten Metallschicht (1) erreicht.
• Die in dem Metall-Verbund-Laminat enthaltenen Verstärkungsfasern (3) können zumindest teilweise aus röhrenförmigen Karbonfasern bestehen. Darüber hinaus können die in dem Metall-Verbund-Laminat enthaltenen Verstärkungsfasern (3) zumindest teilweise aus rohrförmigen E- oder S-Glasfasern bestehen.
• Die Erfindung wird rein generell in der anhängenden Figur illustriert, die eine Schrägprojektion eines Stücks des gemäß der Erfindung gefertigten Materials zeigt. Die Erfindung ist in den nachfolgenden Ansprüchen definiert.
• In dem in 1 gezeigten Laminat kennzeichnet das Bezugszeichen 1 die metallischen Folienschichten, das Bezugszeichen 2 die Bindemittelschichten und das Bezugszeichen 3 die Verstärkungen in der Form hohlen Fasermaterials, das in einer solchen Weise angeordnet werden kann, wie es an sich in der Form eines Gewebes bekannt ist, oder als endlose Faserschleifen, die beliebig gedehnt sind, oder in der Form extrem gut geordneter, vorab festgelegter Maschenreihen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Verringern des Gewichtes von Metall-Verbund-Laminaten, die aus zwei oder mehr Metallfolienschichten (1) und Polymer-Bindemittel-Schichten (2) bestehen, die die Metallfolienschichten zusammenhalten und Faserverstärkung (3) enthalten, die unter Berücksichtigung des beabsichtigten Einsatzgebietes für das Erzeugnis gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fasermaterial, das wenigstens teilweise aus hohlen Fasern besteht, d. h. aus röhrenförmigen Fasern besteht, von denen jede wenigstens einen inneren hohlen Längskanal enthält, zur Herstellung der Faserverstärkung (3) ausgewählt wird.
2. Metall-Verbund-Laminat des Typs, das wenigstens zwei Metallfolieschichten (1) enthält, die mittels faserverstärkter Polymer-Bindemittelschichten (2) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3) aus Bindemittel und verstärkender Faser wenigstens teilweise aus einem hohlen Fasermaterial besteht, d. h. dass jede Faser eine Röhrenform hat und wenigstens einen durchgehenden Kanal bzw. eine Öffnung aufweist, der/die in ihrer Längsrichtung verläuft.
3. Metall-Verbund-Laminat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolienschichten (1), die darin enthalten sind, eine Dicke im Bereich von 0,1 bis ≤ 1 mm haben, wobei jede jeweilige Polymerschicht (2) einschließlich der darin enthaltenen Faserverstärkung (3) eine Dicke hat, die in keinem Fall die Dicke ihrer jeweiligen angrenzenden Metallschicht (1) erreicht.
4. Metall-Verbund-Laminat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (3), die darin enthalten sind, wenigstens teilweise aus röhrenförmigen Kohlefasern bestehen.
5. Metall-Verbund-Laminat nach den Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (3), die darin enthalten sind, wenigstens teilweise aus röhrenförmigen E- oder S-Glasfasern bestehen.