SE517953C2 - Metallkompositlaminat samt sätt att framställa detsamma - Google Patents

Description

51 7 952,5 En inom flygindustrien allmänt använd beteckning på ett dylikt metall-komposit larninat material är GLARE®, varmed frärnst avses laminat av tunna alurniniumplåtar och glasfiberprepreg, vilket alltså ger ett material med som är bra i utmattning och har låg spricktillväxthastighet.

Genom att det visat sig att det går att framställa metall-komposit laminat med så fördelaktiga egenskaper har man på senare år lagt ner mycket arbete på att förbättra dessa material ytterligare. Det finns därför ett ganska stort antal olika patent inom detta område.

I EP 001 3146 beskrivs t ex ett metall-komposit larninat bestående av två tunna metallytterskikt förenade medelst ett limskikt av termoplast varvid limskiktet även kan innehålla fyllmaterial t ex glasfiber. Detta laminat, som främst anges vara avsett för framställning av olika typer av paneler tör bilindustrien, är emellertid, eftersom limmet utgörs av en termoplast, olämpligt för användning vid höga temperaturer samtidigt som glasfibertillsatsen i limskiktet förutsätts bestå av korta friliggande fibrer för att ge ett för där 'avsett ändamål tillräckligt lättdeforrnerbart material, men där fibrerna genom sin korta inbördes längd inte ger laminatet de förbättrade egenskaper, som skulle vara önskvärda för många andra ändamål.

IDE 2,642, 882 beskrivs ett parisarrnaterial bestående av minst en stålplåt belagd med flera skikt av en termoplastisk polyamid- och aramidfibrer.

US 4,035,694 avser ett elektriskt ledande metallskikt belagt med polymert bindemedel och ett non-wovenmaterial innehållande bl. a. aromatiska polyamidfibrer. Det larninatet är emellertid avsett för framställriing av tryckta kretsar och aldrig tänkt att uppta höga mekaniska i belastníngar GB l,303,30l beskriver ett metall-komposit material bestående av flera metallskikt sammanbundna medelst fiberarmerade plastmaterial där fibermaterialet sägs kunna bestå av kol- och eller glasfibrer. I det patentet lägger man stor vikt på hur fibrema är orienterade och patentet innehåller därför även en beskrivning på en anordning för att sträcka ñbrema i varje särskild riktning. innan »q--s »rv-a 517 953 3 US 3,321, 019 slutligen beskriver en helkopterpropellerblad som till en del armerats med aluminiurnplåtar och glasfiberväv. Det patentet beskriver alltså egentligen inte ett allrnängiltigt material utan snare specifik produkt.

I US 4.489.123 beskrivs vidare ett metall-komposit laminat av tunna alurniniurnskikt och ett kompositskikt innehållande kontinuerliga fibrer av ararnid eller kolfiber samt ett polymert tennoplastiskt bindemedel. De i larninatet ingående aluminiumskikten sägs vara 0.1 till mindre än l mm tjocka medan fibermaterialet enligt patentkravet 1 skall utgöras av en aromatisk polyamidfiber innefattande poly-parafenylen terephthalarnide gam i löpande längder och med en styvhet om 50,000-25 0,000 Mpa. De vida gränserna för fiberns styvhet väcker viss funderingar om vad som egentligen avses och om det verkligen finns ararnidfibrer som täcker hela det intervallet. Däremot finns kravet 15 som anger gränserna 100,000 till l50,000 Mpa vilket tyder på att det är kolfiber som avses. I abstractet på sid 1 i patentet närrms även kolfiber, men ej i patentkraven.(E-glas ca 70.000 Mpa och S-glas ca 85.000 Mpa skulle alltså falla inom de i kravet 1 angivna gränserna om kravets 1 kerniska definition kan anses inbegripa även dessa produkter) Det mest specifika med det laminat som definieras i detta patent tycks annars vara att de i laminatet ingående metallskikten vid ett helt obelastat larninat skall vara utsatt för en viss sarnmantryckande kraft medan polyrnerskiktet samtidigt är utsatt för en drag eller töjbelastning.

US 4,500,589 beskriver samma produkt som den i US 4,489,l23 med den skillnaden att det av samma utgångsmaterial fiarnställs en produkt utan de för produkten enligt US 4,500,5 89 kännetecknade inbyggda förspänningarna.

US 5,039,571 beskriver ytterligare en variant på i princip samma produkt som de närmast ovan beskrivna bägge produkterna dock här med den skillnaden att fibermaterialet i laminatet ersatts av sk S-glas vars E-modul ange till 80.000-100.000 Mpa och med en brottöjning till 4- 6%. Enligt denna patentskrifi skulle S- glasfibern ge en mycket bättre ”blunt notch strength” varmed avses materialets statiska hållfasthet med en geometrisk anvisning som t ex ett hål.

Det finns alltså en hel del gjort inom området metall- komposit larninat och materialtypen har sitt väl inarbetade användningsområde där dess i jämförelse rena metaller högre pris är klart motiverat. s|sau r»|n= 51 7 953 "l i: 'i 4 Inom det aktuella flyg- och rymdindustriorrirådet ökar emellertid prestandakraven kontinuerligt i och med att man inom den militära delen ökar planens rent fysiska prestanda medan man inom den civila delen fiamför allt har ett behov av att öka produkternas lönsamhet. Eftersom en av civilflygets tyngsta kostnader är bränslekostnaderna så gäller det där att få ner kostnaderna per flygkilometer och kilo. Av den orsaken arbetar man kontinuerligt på att försöka få fram lättare material till flygplanen utan att för den skull göra avkall på prestanda och utan att samtidigt öka materialkostnadema över det acceptabla.

Vi har nu funnit att det med i huvudsak samma väl inarbetade teknik som idag, enbart genom små förändringar, går att framställa metallkomposit laminat med i princip samma hållfasthet och övriga mekaniska egenskaper som dagens produkter men med en 5% eller däröver lägre vikt.

Efiersom bränslekostnaderna, som redan antytts, är civilflygets största enskilda driftskostnad så innebär en viktminskning om 5% av t.ex. flygkroppens paneler klara fördelar, eftersom varje sparat kilo på flygplanet kan ersättas av samma vikt i betalande last.

Grundtanken bakom föreliggande uppfinning är att åtminstone en del av det fibermaterial som utnyttjas för armering av metallkomposit laminatet skall utgöras av en hålfiber och med en hålfiber avses här ett fibermaterial där varje fiber uppvisar en eller flera längsgående och genomlöpande kanaler , dvs varje fiber har en rörform. Däremot är den kemiska sammansättningen av hålfibem inte kritisk för uppfinningen som sådan. Basmaterialet i hålfibem kan sålunda vara av vilken tidigare känd typ som helst av de för motsvarade ändamål tidigare använda fibermaterialen, men skulle även kunna vara av en helt ny typ av idag okänt fibermaterial, dock under förutsättning att det uppfyller nödvändiga krav på styvhet och brottgräns samt att den får en tillfredställande vidhäftning mot aktuella bindemedel.

Genom att ersätta tidigare använda homogena fibermaterial med hålfiberrnaterial uppnås den viktbesparing som motsvarar den fiberrnaterialvolym som i hålfibern utgörs av de längsgående kanalema i fibern samtidigt som rörformens fördelar vad avser böj styvhet mm jämfört med den homo gena staven helt utnyttjas.

En fördel i sammanhanget är att det på marknaden redan finns vissa hålfiberrnaterial som kan utnyttjas då uppfimiingen sätts i praktisk användning och de flesta av dessa redan befintliga :apan -t-u» -»»|n 51 7 92553 ï.:ï- I' hålfibermaterial har idag inte kommit till någon större användning armat än för vissa specialtillämpningar. De hålfibennaterial som idag har den största egna marknaden är de av textiltyp som används som värmeisolering i sovsäckar och andra värmeplagg. Vissa polymera ihåliga fibrer används även kommersiellt fór separation av gaser genom att utnyttja den osmotiska tryckskillnaden. Ihåliga kolfibrer har vidare fiamställts som experiment i avsikt att öka tryckhållfastheten för därav framställda produkter men den ihåliga kolfibem tycks inte ha fått någon större spridning. Ihålig S-glasfiber finns även kommersiellt tillgänglig under namnet HOLLEX® men den fibem som har bra dielektriska egenskaper används idag främst för fiarnställriing av radomer.

Som redan nämnts kan de för uppfinningen kännetecknande hålfibrema vara framställda av ett flertal olika för liknande ändamål i form av homo gena fibrer använda basmaterial samtidigt som alla tidigare för framställning av kompositer tänkbara bindemedel även kan användas vid utövandet av uppfinningen. I det allra flesta fall torde dock bindemedel av epoxityp vara att föredra framför t ex termoplaster på samma sätt som fiberarmeringar som åtminstone delvis består av glasfibrer kan förväntas ge de mest högkvalitativa metallkomposit larninaten.

På samma sätt som valet av kemisk sammansättning på fibennaterialet och bindemedelskomponenten kan göras rätt fritt är inte heller typen av i den i färdiga produkten ingående metallfolier kritisk. Eftersom uppfinningen till sitt resultat fi-ämst berör ett sätt att sänka vikten på den slutgiltiga produkten så kan man emellertid räkna med att det nog framförallt blir aluminium, aluminiumlegeringar och titan eller titanlegeringar som främst kan bli aktuella som metallfoliematerial. I det här sammanhanget skulle det dessutom kanske vara motiverat att påpeka att den i enlighet med uppfinningen framställda färdiga produkten trots flera skikt av såväl metall som komposit oftast har en tjocklek som ligger inom intervallet under lmm upp till 2-3 mm. Dessutom gäller som vid andra liknande material att kompositskikten, dvs bindemedlet plus fiberarrneringen som regel är tmmare än metallfoliema.

Uppfinningen har rent generellt illustrerats på bifogade figur som visar en snedproj ektion av ett enligt uppfinningen framställt materialstycke och den finns definierad i de efterföljande patentkraven. 51 7 9 å; 3 I det på figuren visade laminatet markerar 1 metallfolieskikt medan 2 är bindemedel och 3 en armering i fonn av hålfiberrnaterial som kan vara anordnat på ett i och för sig känt sätt i form av väv, oändliga ñberslingor med slumpvissträckning eller i mycket välordnade förutbestämda stråk. s-xu: »|»|» »lr-n

Claims (5)

517 953 Patentkrav

1. Sätt att minska vikten för sådana metallkomposit laminat, som utgörs av två eller flera metallfolieskikt (1) samt dessa metallfolieskikt sammanbindande polymera bindemedelsskikt (2) innefattande en med avseende på produktens avsedda användningsområde utformad fiberarmering (3) kännetecknat därav att för utformningen av fiberarmeringen (3) väljs ett fibermaterial som åtminstone till en del utgörs av hålfibrer, dvs utgörs av rörforrniga fibrer med vardera minst en längsgående inre hålkanal.

2. Metallkomposit larninat av den typ som innefattar åtminstone två metallskikt (1) förenade medelst fiberarmerade polymera bindemedelsskikt (2) kännetecknat därav att det bindemedlet armerande fibermaterialet (3) åtminstone till en del utgörs av ett hålfibennaterial varmed avses att varje fiber har rörform och uppvisar minst en i dess längdriktning sig sträckande genomgående kanal eller öppning.

3. Metallkomposit laminat enligt krav 2 kännetecknat därav att däri ingående metallfolieskikt (1) har en tjocklek inom intervallet 0,1 till S lmm medan varje respektive polymerskikt (2) inklusive däri ingående fiberarmering (3) har en tjocklek som aldrig uppgår till respektive angränsande metallskikts (1) tjocklek.

4. Metallkomposit laminat enligt krav 2 eller 3 kännetecknat därav att ingående armeringsfibrer (3) åtminstone till en del utgörs av rörformiga kolfibrer.

5. Metallkomposit laminat enligt endera av kraven 2 till 4 kännetecknat därav att däri ingående armeringsfibrer (3) åtminstone till en del utgörs av rörfonniga E- eller S-glasfibrer.