改進(jìn)的纖維金屬層壓板的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板，所述層壓板包括纖維增強(qiáng)復(fù)合層與相鄰金屬片的組合，所述組合中的性質(zhì)滿(mǎn)足以下關(guān)系：E層壓板*E復(fù)合物/(E金屬*t金屬2)具有a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.36且c＝0.3)(la)并且當(dāng)Vf≤0.3時(shí)為零(lb)所提供的下限值與a*(Vf-c)(b/(Vf-c))(其中b＝0.88且c＝0)(lc)所提供的上限值之間的值，0.10≤Vf<0.54(2)，E層壓板*E復(fù)合物/(E金屬*t金屬2)<400*Vf?kN/mm4(3)，其中a＝1200kN/mm4；以及E復(fù)合物＝所述組合中的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層在所述復(fù)合層的最高剛度方向上獲得的彈性楊氏模量(以kN/mm2為單位)，E層壓板＝在與E復(fù)合物相同的方向上獲得的所述總纖維金屬層壓板的彈性楊氏模量(以kN/mm2為單位)，E金屬＝所述組合中的所述金屬片的彈性楊氏模量(以kN/mm2為單位)，t金屬＝所述組合中的所述金屬片的厚度(以mm為單位)，Vf＝所述組合中的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于獲得此層壓板的方法。根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板展現(xiàn)出高抗裂紋生長(zhǎng)性和剛度以及良好的接合性能。本發(fā)明進(jìn)一步涉及所述纖維金屬層壓板與另一個(gè)元件的組裝件，所述另一個(gè)元件由包括粘合劑和/或纖維增強(qiáng)復(fù)合物的粘合層粘合到所述纖維金屬層壓板或者通過(guò)機(jī)械緊固裝置來(lái)連接。
【專(zhuān)利說(shuō)明】改進(jìn)的纖維金屬層壓板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板。更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種具有最佳配置的包括相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板。
【背景技術(shù)】
[0002]工程結(jié)構(gòu)在負(fù)載下的行為通過(guò)許多設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)確定，并且定義用于特定應(yīng)用的最佳材料通常是冗長(zhǎng)的任務(wù)并且另外必須處理相沖突的要求。最常使用的工程材料是如鋼合金、鈦合金、鎂合金、鋁合金的金屬、如玻璃纖維復(fù)合物、碳纖維復(fù)合物和芳族聚酰胺復(fù)合物的纖維增強(qiáng)復(fù)合物以及以下進(jìn)一步定義的混合材料。
[0003]纖維增強(qiáng)復(fù)合物提供超過(guò)諸如金屬的其他優(yōu)選材料相當(dāng)大的重量?jī)?yōu)點(diǎn)。通常，以犧牲諸如延展性、韌性、承載強(qiáng)度、傳導(dǎo)性和冷成型能力的其他重要的材料性質(zhì)為代價(jià)獲得重量減輕。為了克服這些不足，開(kāi)發(fā)出了稱(chēng)作纖維金屬層壓板的新型混合材料來(lái)組合金屬與復(fù)合物的最佳屬性。
[0004]諸如像US4，500, 589中所描述的那些纖維金屬層壓板(也稱(chēng)為FML)是通過(guò)交替堆疊金屬(最優(yōu)選地是鋁)片與纖維增強(qiáng)半固化片并且將該堆疊物在熱和壓力下固化來(lái)獲得。這些材料越來(lái)越多地用在諸如運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)中，例如在艦船、汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)和航天器中。它們可以用作片和/或增強(qiáng)元件和/或用作用于這些運(yùn)輸工具的(主體)結(jié)構(gòu)的支肋，向?qū)τ陲w機(jī)來(lái)說(shuō)用作機(jī)翼、機(jī)身和尾板和/或飛機(jī)的其他蒙皮壁板和結(jié)構(gòu)元件。
[0005]W02009/095381A1公開(kāi)了一種纖維金屬層壓板，其中金屬體積分?jǐn)?shù)范圍在O與47%之間。
[0006]W02007/145512A1公開(kāi)了一種包括具有Imm以上厚度的厚金屬片的纖維金屬層壓板。厚金屬片通過(guò)具有的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf低于45%的纖維增強(qiáng)復(fù)合層來(lái)粘合到層壓板的其他層。
[0007]EP0312150A1和EP0312151A1描述其他可用的纖維金屬層壓板。
[0008]盡管纖維金屬層壓板可以提供優(yōu)于金屬合金、尤其是鋁合金的改進(jìn)的耐疲勞(尤其是裂紋擴(kuò)展)性，但是其在結(jié)構(gòu)方面、尤其是經(jīng)受動(dòng)態(tài)加載的結(jié)構(gòu)方面的行為仍然有待改進(jìn)，并且還需要高靜態(tài)強(qiáng)度尤其是用于機(jī)械接合的高強(qiáng)度。就此而言，重要的特征是抗裂紋生長(zhǎng)性以及良好的結(jié)構(gòu)接合強(qiáng)度。如果考慮到相應(yīng)纖維金屬層壓板在具有足夠的接合強(qiáng)度性能的情況下實(shí)現(xiàn)最低裂紋生長(zhǎng)速率，可以確定恰當(dāng)?shù)慕饘倨屠w維增強(qiáng)復(fù)合物的性質(zhì)，則將是非常合意的。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的那些類(lèi)型的纖維金屬層壓板優(yōu)選地連接到結(jié)構(gòu)的其他部件，并且因此可以具備缺口來(lái)實(shí)現(xiàn)該連接。這樣的缺口提供可能不利地影響疲勞壽命的應(yīng)力集中。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種在動(dòng)態(tài)加載方面具有最佳缺口性能的包括相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種在動(dòng)態(tài)加載方面具有最佳結(jié)構(gòu)響應(yīng)、具體來(lái)說(shuō)具有最低裂紋生長(zhǎng)速率同時(shí)提供足夠的接合強(qiáng)度的包括相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種包括相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板，其具有一系列產(chǎn)生最佳結(jié)構(gòu)響應(yīng)的纖維和金屬性質(zhì)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板，該層壓板包括纖維增強(qiáng)復(fù)合層與相鄰金屬片的組合，對(duì)于該組合來(lái)說(shuō)滿(mǎn)足以下關(guān)系:
[0013]E層壓板*E復(fù)合物/(E金屬*t 金屬2)具有 a* (Vf-c) (b/(Vf_d)(其中 b = 0.36 且 c = 0.3) (Ia)并且當(dāng)Vf≤0.3時(shí)為零(Ib)所提供的下限值與a*(Vf-C) (b/(Vf-c))(其中b = 0.88且C =O) (Ic)所提供的上限值之間的值
[0014]0.10 ≤ Vf〈0.54(2)
[0〇15] E層壓板*E復(fù)合物/(B金屬*t金屬2)〈400*Vf kN/mm4⑶
[0016]其中a = 1200kN/mm4,并且
[0017]E =組合中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層在該復(fù)合層的最高剛度方向上獲得的彈性楊氏模量(以kN/mm2為單位)
[0018]Ejgffift =在與相同的方向上獲得的總纖維金屬層壓板的彈性楊氏模量(以kN/mm2為單位)
[0019]E^ =組合中的金屬片的彈性楊氏模量(以kN/mm2為單位)
[0020]t#M =組合中的金屬片的厚度(以mm為單位)
[0021 ] Vf =組合中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)
[0022]在下限值與上限值之間的ΕβΜ^ΕΜ_/(Ε_*^Μ2)的值必須被理解為包括極端下限值和上限值。
[0023]關(guān)系式(I)至(3)定義就纖維金屬層壓板的耐疲勞性而言纖維增強(qiáng)復(fù)合層的最佳性質(zhì)(這些性質(zhì)取決于該層的纖維體積分?jǐn)?shù))和與所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層相鄰的金屬片的性質(zhì)。滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)的Vf和〖^^組合在疲勞試驗(yàn)、尤其是在有缺口的疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生最大量的疲勞壽命周期，并且同時(shí)提供改進(jìn)的接合性能。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的纖維金屬層壓板中的金屬片被選擇成使得/(E^M*t^M2)<400*Vf kN/mm4?？磥?lái)這些金屬片在很大程度上有助于層壓板的接合強(qiáng)度。熟知的是，對(duì)于高負(fù)載的結(jié)構(gòu)，如像飛機(jī)的下機(jī)翼，具有通常具有0.4mm及以下的厚度的鋁合金層的已知標(biāo)準(zhǔn)纖維金屬層壓板(諸如GLARE層壓板)表現(xiàn)出有限的接合強(qiáng)度性能。因此，這些具有值EJlω?*ESa?/(E金JS*t金JS2)≥400*Vf kN/mm4的已知纖維金屬層壓板在本發(fā)明的范圍之外。
[0025]當(dāng)在纖維金屬層壓板中僅一個(gè)纖維復(fù)合層和與其相鄰的一個(gè)金屬片滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)時(shí)是足夠的。因此，無(wú)需所有金屬片都具有滿(mǎn)足關(guān)系式(I)和(3)的厚度而且無(wú)需所有纖維增強(qiáng)復(fù)合層都滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)。然而，在根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板的一個(gè)實(shí)施例中，纖維增強(qiáng)復(fù)合層和相鄰的金屬片的任意組合的性質(zhì)都滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至⑶。[0026]根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板的另一個(gè)實(shí)施例的特征在于纖維增強(qiáng)復(fù)合層和不同厚度的兩個(gè)相鄰的金屬片的組合中的性質(zhì)，兩個(gè)相鄰金屬片中的較厚者滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至⑶。
[0027]應(yīng)理解，當(dāng)論及金屬和纖維復(fù)合層的“厚度”時(shí)，暗示這些金屬和纖維復(fù)合層具有恒定厚度。然而，層也可以具有可變厚度，諸如具有漸細(xì)的金屬片。在這些情況下，厚度應(yīng)理解為平均厚度。
[0028]在根據(jù)本發(fā)明的金屬纖維層壓板的一個(gè)特別優(yōu)選實(shí)施例中，層壓板包括金屬
片，其中E層壓板*E復(fù)合物/ Φ金屬*t金屬2) <300*Vf kN/mm4、更優(yōu)選地E層壓板*E復(fù)合物/ Φ金屬*t金屬2)〈250*Vf kN/mm4并且最優(yōu)選地Ejgffift襯金_2)〈200衿丨kN/mm4。這些層壓板表現(xiàn)出逐漸改進(jìn)的接合強(qiáng)度性能并且同時(shí)提供良好的缺口疲勞性能。
[0029]纖維層壓板的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在纖維增強(qiáng)復(fù)合層中具有纖維，其中E纟≥0GPa、更優(yōu)選地E纖維> 85GPa并且最優(yōu)選地E纖維> 90GPa。
[0030]本發(fā)明的層壓板中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層被定義為從一個(gè)金屬片延伸到另一個(gè)金屬片(或者延伸到層壓板的端表面)的層。此層可以包括一個(gè)或多個(gè)復(fù)合層壓板，其中在后一種情況下，層壓板被堆疊形成層。纖維增強(qiáng)復(fù)合層或?qū)訅喊鍍?yōu)選地包括基本上在一個(gè)方向上的纖維(所謂的單向或UD復(fù)合物)，然而層或?qū)訅喊逡部梢允蔷哂械脑鰪?qiáng)纖維在相互垂直的方向上延伸的交叉鋪層、具有的纖維沿與主加載方向不同的方向延伸的角度鋪層以及其任意組合。在纖維增強(qiáng)層中使用織物并不優(yōu)選，因此在優(yōu)選實(shí)施例中排除。
[0031]本發(fā)明的層壓板中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層可能將優(yōu)選地具有各向異性性質(zhì)，即，剛度和強(qiáng)度性能根據(jù)它們被確定的方向而變化。根據(jù)本發(fā)明，關(guān)系式(I)至(3)中的層壓板中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層的彈性楊氏模量是沿最高剛度方向獲得，該方向?qū)?yīng)于大部分纖維對(duì)齊的方向。當(dāng)本發(fā)明的層壓板中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層展現(xiàn)出各向異性性質(zhì)時(shí)，層壓板也可以如此。因此，關(guān)系式(I)至(3)中的總纖維金屬層壓板的彈性楊氏模量也被定義為沿與纖維增強(qiáng)復(fù)合層的模量相同的方向獲得。
[0032]本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于獲得包括相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板中的金屬片厚度和纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)以獲得該纖維金屬層壓板的最佳疲勞性質(zhì)的方法，該方法包括:選擇纖維增強(qiáng)復(fù)合層和相鄰金屬片的組合、選擇金屬片厚度或纖維體積分?jǐn)?shù)中的一個(gè)以及計(jì)算滿(mǎn)足上述關(guān)系式(I)至(3)的相應(yīng)纖維體積分?jǐn)?shù)或金屬片厚度。根據(jù)本發(fā)明的層壓板使用滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)的纖維復(fù)合物與金屬組合，并且這些配置可以通過(guò)首先選擇金屬和纖維增強(qiáng)復(fù)合物并且在室溫下確定兩者的彈性楊氏模量、考慮到關(guān)系式(2)為纖維增強(qiáng)復(fù)合物的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf假定開(kāi)始值來(lái)獲得。隨后針對(duì)方程式(I)和(3)選擇用于金屬片的厚度1|_的開(kāi)始值或用于纖維體積分?jǐn)?shù)Vf的開(kāi)始值并且進(jìn)行檢查。請(qǐng)注意，需要金屬片的厚度^和復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf兩者來(lái)計(jì)算纖維金屬層壓板的彈性楊氏模量E對(duì)于〖^^和Vf的開(kāi)始值的選擇通過(guò)異性概念來(lái)輔助，即，隨著金屬片厚度增加^通常應(yīng)減小且反之亦然，以便同時(shí)滿(mǎn)足方程式(I)至(3)。
[0033]所附權(quán)利要求中給出該方法的優(yōu)選實(shí)施例。
[0034]滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)的纖維金屬層壓板展現(xiàn)出最佳性質(zhì)，這意味著其比不滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)的纖維增強(qiáng)層壓板具有更加良好的接合性能以及較低裂紋生長(zhǎng)速度。此教示在之前并未公開(kāi)并且現(xiàn)在可以確定提供最低裂紋生長(zhǎng)速度的金屬片厚度與復(fù)合物纖維體積分?jǐn)?shù)的組合。
[0035]為了獲得根據(jù)本發(fā)明的特別穩(wěn)健的纖維金屬層壓板，根據(jù)所附權(quán)利要求2的纖維金屬層壓板是優(yōu)選的。根據(jù)此實(shí)施例的纖維金屬層壓板不僅展現(xiàn)出高的抗裂紋生長(zhǎng)性與良好的接合性能，而且還能實(shí)現(xiàn)較高剛度，這例如對(duì)于壓縮方面的性能和對(duì)于氣動(dòng)彈性性能是重要的。
[0036]與工程復(fù)合物相比，根據(jù)本發(fā)明的層壓板在沖擊降級(jí)之后對(duì)壓縮幾乎不敏感(通常比其金屬成分甚至更好)，且因此可以被設(shè)計(jì)成比纖維復(fù)合物結(jié)構(gòu)對(duì)失效具有高得多的應(yīng)變。此外，組合具有滿(mǎn)足方程式(I)至(3)的性質(zhì)的纖維復(fù)合層與金屬片通常產(chǎn)生與具有在其比例極限以上的相應(yīng)金屬片相比具有較高剛度的纖維金屬層壓板，并且因此將具有增加的屈服強(qiáng)度。
[0037]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種纖維金屬層壓板，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足Vf〈0.50。這與纖維復(fù)合物性質(zhì)隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而改進(jìn)且因此Vf應(yīng)盡可能高的一般教示截然不同。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.10〈Vf〈0.54并且特別是0.15〈Vf〈0.50的纖維金屬層壓板的實(shí)施例是優(yōu)選的。甚至更優(yōu)選的是其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.20 ^ Vf ^ 0.45的纖維金屬層壓板，并且最優(yōu)選的是纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)于具有良好接合性能以及高剛度同時(shí)滿(mǎn)足滿(mǎn)足疲勞要求的最佳層壓板而言滿(mǎn)足0.20 ≤ Vf ≤ 0.40。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種纖維金屬層壓板，其包括η個(gè)相互粘合且交替的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片。優(yōu)選的層壓板包括一個(gè)或兩個(gè)金屬外層，或者一個(gè)或兩個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合物外層。尤其優(yōu)選的是包括兩個(gè)金屬片和一個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合層或替代地包括一個(gè)金屬片和兩個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合層的三層纖維金屬層壓板。
[0040]盡管本發(fā)明的纖維金屬層壓板中的金屬片的厚度可以都相同，但是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供包括不同厚度的金屬片的纖維金屬層壓板，由此金屬片中的一個(gè)或多個(gè)滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施提供包括不同金屬合金的金屬片的纖維金屬層壓板。然而，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，可以提供包括相同金屬合金的金屬片的纖維金屬層壓板。
[0041]在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供包括不同厚度的纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維金屬層壓板，由此纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的一個(gè)或多個(gè)滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)。優(yōu)選實(shí)施例是其中與最厚金屬層相鄰的纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的至少一個(gè)與所述最厚金屬層一起滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)的要求的實(shí)施例。在金屬層之間包括不同厚度的纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維金屬層壓板提供另一個(gè)有用實(shí)施例。
[0042]只要滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)，就可以在大范圍內(nèi)選擇一個(gè)或多個(gè)金屬片的厚度。根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板的優(yōu)選實(shí)施例包括具有厚度0.4mm的金屬片，因?yàn)楸景l(fā)明的效果在此范圍內(nèi)最明顯。甚至更優(yōu)選的是其中金屬片的厚度在0.2mm的范圍內(nèi)的纖維金屬層壓板的實(shí)施例。
[0043]在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種纖維金屬層壓板，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的纖維在至少一個(gè)方向上延伸(稱(chēng)為UD)并且金屬片的厚度低于1.5mm。
[0044]在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種纖維金屬層壓板，其中金屬片的厚度在0.5_與4mm之間的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在0.5mm與2mm之間并且最優(yōu)選地在0.6mm與1.5mm之間。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供一種纖維金屬層壓板，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.20 ( Vf<0.50，并且金屬片的厚度等于或低于2mm。
[0046]甚至更優(yōu)選的是其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.30 ( Vf〈0.50并且金屬片的厚度等于或低于1.2mm的纖維金屬層壓板。
[0047]盡管可用任意選擇纖維金屬層壓板中的金屬片的金屬，但是在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種纖維金屬層壓板，其中金屬片的金屬選自鋼合金、鋁合金、鎂合金以及鈦合金，由此招合金、鎂合金以及鈦合金尤其有用。
[0048]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供一種纖維金屬層壓板，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層包括玻璃、芳族聚酰胺、ΡΒ0、共聚物或碳纖維或者其組合。纖維增強(qiáng)復(fù)合層可以包括主要在一個(gè)方向上延伸的基本上連續(xù)的纖維，且/或可以包括主要在兩個(gè)垂直方向上延伸的基本上連續(xù)的纖維，諸如以0° /90°的交叉鋪層和/或在相對(duì)于0°的角度(例如，+45° /-45°形式)下，或者在與0°方向偏離的方向上的氣動(dòng)彈性修整。最優(yōu)選的是其中復(fù)合層中的纖維定向在一個(gè)方向上(即，單向)的層壓板。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中排除織物。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的尤其優(yōu)選的纖維金屬層壓板包括平坦或曲線(xiàn)的加倍裝置和用于機(jī)身、機(jī)翼或橫尾翼的鋁鋰蒙皮。
[0050]在本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)的纖維金屬層壓板與另一個(gè)元件的組裝件，該另一個(gè)元件由包括黏性和/或纖維增強(qiáng)復(fù)合物的粘合層連接到纖維金屬層壓板或者通過(guò)機(jī)械緊固裝置來(lái)連接。該另一個(gè)元件優(yōu)選地包括選自諸如角形截面的剛性構(gòu)件、Z形桁條、帽形桁條、C形桁條、Y形桁條、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固著楔和/或飛機(jī)結(jié)構(gòu)的框架(截面)的結(jié)構(gòu)元件和/或結(jié)構(gòu)元件的組合。
[0051]在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，另一個(gè)元件包括由諸如鋁合金、鎂合金、鈦合金和/或鋼合金的金屬和/或金屬片與復(fù)合層的組合制成的平板或錐形板。
[0052]在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，提供纖維金屬層壓板與連接到其的另一個(gè)元件的組裝件，其中該另一個(gè)元件包括選自諸如角形截面的剛性構(gòu)件、Z形桁條、帽形桁條、C形桁條、Y形桁條、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固著楔和/或飛機(jī)結(jié)構(gòu)的框架(截面)的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)元件。
[0053]本發(fā)明的又一個(gè)方面提供這種組裝件在提供耐疲勞結(jié)構(gòu)中的使用。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0054]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的纖維金屬層壓板的透視圖；
[0055]圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的纖維金屬層壓板的透視圖；
[0056]圖3至7示出根據(jù)本發(fā)明的纖維增強(qiáng)壓板的幾個(gè)實(shí)施例中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層的疲勞壽命與纖維體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系；
[0057]圖8示出權(quán)利要求1的參數(shù)與用于根據(jù)本發(fā)明的纖維增強(qiáng)層壓板的幾個(gè)實(shí)施例的纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系；
[0058]圖9示出權(quán)利要求2的參數(shù)與用于根據(jù)本發(fā)明的纖維增強(qiáng)層壓板的幾個(gè)其他實(shí)施例的纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系；以及[0059]圖10示出如在用于不同裂紋長(zhǎng)度的循環(huán)加載下通過(guò)裂紋生長(zhǎng)測(cè)量出的具有不同纖維體積分?jǐn)?shù)的纖維增強(qiáng)層壓板的疲勞行為。
【具體實(shí)施方式】
[0060]在以下描述中，參照形成其一部分并且通過(guò)圖示來(lái)展示其中可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例的附圖。然而，本發(fā)明可以在沒(méi)有具體細(xì)節(jié)的情況下或通過(guò)本文描述的那些方法的某些替代等效方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0061 ] 本發(fā)明的基礎(chǔ)是纖維增強(qiáng)復(fù)合層和至少一個(gè)金屬片的唯一布置。根據(jù)本發(fā)明，提供包括纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板，其中纖維性質(zhì)以如方程式(I)至(3)所提供的特定方式與金屬片性質(zhì)有關(guān)。纖維增強(qiáng)復(fù)合層優(yōu)選地包括預(yù)先浸有復(fù)合基質(zhì)系統(tǒng)、優(yōu)選地金屬黏合劑(半固化片)的纖維。復(fù)合層和金屬片的系統(tǒng)優(yōu)選地在熱和壓力下進(jìn)行處理，以固化黏合劑并且形成固體板或部件。
[0062]發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有根據(jù)方程式(I)至(3)的纖維性質(zhì)的纖維金屬層壓板與相關(guān)性質(zhì)不根據(jù)關(guān)系式(I)至(3)的纖維金屬層壓板相比，在接合強(qiáng)度以及在疲勞方面具有更好的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，尤其是具有更高的抗裂紋生長(zhǎng)性。方程式(I)至(3)中所用的參數(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，并且此人員將不難確定所提及的性質(zhì)。本發(fā)明是基于金屬片厚度和纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)在獲得高的抗裂紋生長(zhǎng)性方面相關(guān)的觀點(diǎn)。
[0063]圖8中用圖表展示根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板的纖維體積分?jǐn)?shù)與金屬片的剛度和厚度之間的關(guān)系(方程式(I))。根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例的纖維金屬層壓板使用具有的纖維體積分?jǐn)?shù)低于0.54(8卩，低于線(xiàn)19并且在線(xiàn)51與50之間)的纖維增強(qiáng)層。線(xiàn)50表示由 a = 1200kN/mm4、b = 0.88 且 c = O 提供的上限。線(xiàn) 51 表示由 a = 1200kN/mm4、b =
0.36且c = 0.3提供的下限。線(xiàn)20表示對(duì)于Vf〈0.3的下限且線(xiàn)54表示如由400*Vf kN/mm4提供的用于接合性能的上限。
[0064]圖9用圖表展示根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的纖維金屬層壓板的纖維體積分?jǐn)?shù)與金屬片的剛度和厚度之間的關(guān)系(方程式(I))，其中線(xiàn)52表示由a = 1200kN/mm\b = 0.85且c=0.02提供的上限，而線(xiàn)53表示由a = 1200kN/mm4、b = 0.41且c = 0.26提供的下限。根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例的纖維金屬層壓板使用具有的纖維體積分?jǐn)?shù)低于0.54(即，低于線(xiàn)19并且在線(xiàn)53與52之間)的纖維增強(qiáng)層。線(xiàn)20表示對(duì)于Vf〈0.26的下限且線(xiàn)54表示如由400*Vf kN/mm4提供的用于接合性能的上限。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板中的纖維增強(qiáng)復(fù)合層輕且牢固，并且包括嵌入到聚合物中的增強(qiáng)纖維。聚合物可以用作各個(gè)層之間的粘合裝置。適用于纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的增強(qiáng)纖維取決于金屬片中的金屬的選擇(參見(jiàn)方程式(I)至(3))但是可以包括玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維、PBO纖維、碳纖維共聚物纖維和金屬纖維和/或以上纖維的組合。優(yōu)選的纖維包括具有相對(duì)高拉伸強(qiáng)度和/或剛度的增強(qiáng)纖維，該類(lèi)中諸如碳纖維的高模量纖維是特別優(yōu)選的。優(yōu)選的增強(qiáng)纖維包括共聚物纖維，諸如稱(chēng)為CopoN纖維并且可從Teijin購(gòu)得的那些纖維。其他優(yōu)選的纖維將具有至少E_ft= 80GPa、或者更優(yōu)選地至少E纟Bft= 85GPa并且最優(yōu)選地至少E纖維= 90GPa的纖維剛度。
[0066]用于增強(qiáng)纖維的適合的基質(zhì)材料的實(shí)例包括但不限于熱塑性聚合物，諸如聚酰胺、聚酰亞胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚氨酯、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺酰亞胺、聚碳酸酯、聚苯醚摻合物(PPO)以及以上聚合物中的一個(gè)或多個(gè)的混合物和共聚物。適合的基質(zhì)材料還包括熱固性聚合物，諸如環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、三聚氰胺/甲醛樹(shù)脂、苯酚/甲醛樹(shù)脂、聚亞安酯，在這些熱固性聚合物中，環(huán)氧樹(shù)脂是最優(yōu)選的。根據(jù)本發(fā)明，纖維復(fù)合物包括少于54體積百分比的纖維。
[0067]在根據(jù)本發(fā)明的層壓板中，纖維增強(qiáng)復(fù)合層優(yōu)選地包括在多個(gè)方向上(如0°、90°和相對(duì)于0°成角度)并且可能在兩個(gè)幾乎垂直的方向上(例如，交叉鋪層)延伸的基本上連續(xù)的纖維。然而，甚至更優(yōu)選的是纖維增強(qiáng)復(fù)合層包括主要在一個(gè)方向上延伸的基本上連續(xù)的纖維(所謂的UD材料)。有利的是，使用預(yù)浸半成品形式的纖維增強(qiáng)復(fù)合層。此“預(yù)浸料坯”通常在其固化之后展現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，原因特別在于因?yàn)槔w維已經(jīng)通過(guò)基質(zhì)聚合物提前濕化。
[0068]纖維金屬層壓板可以通過(guò)借助于在壓力下加熱和隨后冷卻將若干金屬片和纖維增強(qiáng)復(fù)合層彼此連接來(lái)獲得。本發(fā)明的纖維金屬層壓板具有良好的特定機(jī)械性質(zhì)(每單位密度的性質(zhì))。特別適于使用的金屬包括鋼(合金)和輕金屬，諸如鋁合金、鎂合金并且特別是鈦合金。適合的鋁合金是基于諸如銅、鋅、鎂、硅、錳以及鋰的合金元素。也可以添加少量的鉻、鈦、鈧、鋯、鉛、鉍和鎳、以及鐵。適合的鋁合金包括鋁銅合金(2XXX系列)、鋁鎂合金(5xxx系列)、招娃鎂合金(6xxx系列)、招鋅鎂合金(7xxx系列)、招鋰合金(8xxx系列)以及鋁鎂鈧合金。適合的鈦合金包括但不限于包括T1-15V-3Cr-3Al-3Sn、T1-15Mo-3Al-3Nb、T 1-3A1-8 V-6Cr-4Zr-4Mo, T 1-13 V-11 Cr-3A I, Ti_6Al_4Y 以及 T1-6Al-4V_2Sn 的合金。在其他方面中，本發(fā)明并不限于使用這些金屬的層壓板，因此如果需要其他金屬，則可以使用例如銅和另一個(gè)適合的結(jié)構(gòu)金屬。本發(fā)明的層壓板還可以包括不同合金的金屬片。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板通常將由若干金屬片和若干纖維增強(qiáng)復(fù)合層形成，條件是纖維增強(qiáng)復(fù)合層的性質(zhì)和金屬片的性質(zhì)滿(mǎn)足方程式(I)至(3)。
[0070]纖維金屬層壓板的外層可以包括金屬片和/或纖維增強(qiáng)復(fù)合層。金屬層的數(shù)量可以在大范圍內(nèi)變化并且至少為一個(gè)。在一個(gè)特別優(yōu)選的纖維金屬層壓板中，金屬層的數(shù)量可以為兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)，在每一個(gè)金屬層之間優(yōu)選地涂布纖維增強(qiáng)復(fù)合層。取決于預(yù)期使用和要求設(shè)置，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地確定金屬片的最佳數(shù)量。金屬片的總數(shù)量通常將不超過(guò)40，然而本發(fā)明并不限于具有諸如此類(lèi)的最大數(shù)量的金屬層的層壓板。根據(jù)本發(fā)明，金屬片的數(shù)量?jī)?yōu)選地在I與30之間，并且更優(yōu)選地在I與10之間，其中金屬片優(yōu)選地具有至少0.25GPa的拉伸極限強(qiáng)度。
[0071]為了防止層壓板由于內(nèi)部拉力而扭曲，根據(jù)本發(fā)明的層壓板可以相對(duì)于穿過(guò)層壓板的厚度中心的平面對(duì)稱(chēng)地構(gòu)造。
[0072]根據(jù)本發(fā)明的纖維金屬層壓板通過(guò)布置(交替)纖維增強(qiáng)復(fù)合層，優(yōu)選地為半固化片形式的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和至少一個(gè)金屬片的層來(lái)容易地獲得。纖維金屬層壓板可以用許多不同的布置來(lái)設(shè)計(jì)。
[0073]參照?qǐng)D1，展示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的纖維金屬層壓板，其中層的總數(shù)量是3，并且其中層I和層3包括金屬層和層2 (纖維復(fù)合層)?；蛘?，層I和層3包括纖維復(fù)合層和層2(金屬層)。層I和層3可以包括相同的金屬或者可以是不同種類(lèi)的金屬。纖維復(fù)合層可以含有在多個(gè)方向上的纖維以及不同種類(lèi)的纖維，對(duì)于這些纖維來(lái)說(shuō)，至少一個(gè)纖維復(fù)合層中的至少一種纖維類(lèi)型滿(mǎn)足方程式(I)至(3)中設(shè)置的要求。[0074]參照?qǐng)D2，展示根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的纖維金屬層壓板，其中層的總數(shù)量是n，并且其中層I是金屬層并且層2是纖維復(fù)合層，這將是交替的直至層n-Ι和層η。
[0075]或者，層I是纖維復(fù)合層并且層2是金屬層，這將是交替的直至層n-Ι和層η。交替的金屬層可以是相同的金屬或者是不同種類(lèi)的金屬，并且可以具有不同的厚度。另外，交替的纖維復(fù)合層中的至少一個(gè)可以含有在多個(gè)方向上的纖維以及不同種類(lèi)的纖維，對(duì)于這些纖維來(lái)說(shuō)，至少一個(gè)纖維復(fù)合層中的至少一種纖維類(lèi)型相對(duì)于相鄰金屬層(優(yōu)選地具有最大金屬厚度)滿(mǎn)足方程式(I)至(3)中設(shè)置的要求。根據(jù)本發(fā)明，纖維增強(qiáng)復(fù)合層(例如，層2)和相鄰金屬片(例如，層I或3)的至少一個(gè)組合需要滿(mǎn)足關(guān)系式(I)至(3)，其中Ejgffift對(duì)應(yīng)于包括所有層1、2……、η-1、η的總纖維金屬層壓板的彈性楊氏模量(以kN/mm2為單位)。在金屬層(I)和(3)厚度不同的情況下，在該組合中優(yōu)選地選擇最厚的金屬層。在層壓板的外層是纖維復(fù)合層的情況下，此層優(yōu)選地需要相對(duì)于其相鄰金屬層滿(mǎn)足方程式(I)至(3)中設(shè)置的要求，除非另一個(gè)金屬層與其相鄰纖維復(fù)合層已經(jīng)滿(mǎn)足要求。如果外層是金屬，則其優(yōu)選地需要相對(duì)于其相鄰纖維復(fù)合層滿(mǎn)足方程式(I)至(3)中設(shè)置的要求，除非另一個(gè)金屬層與其相鄰纖維復(fù)合層已經(jīng)滿(mǎn)足要求。[0076]層壓板通過(guò)例如在平坦或單個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)彎曲模具上以圖1和2中例示的順序準(zhǔn)備纖維復(fù)合物和金屬片的堆疊來(lái)制造。在層壓之后，在適于基質(zhì)樹(shù)脂(優(yōu)選地環(huán)氧樹(shù)脂)的溫度下，例如，在高壓處理器中，并且優(yōu)選地在真空下來(lái)固化整個(gè)結(jié)構(gòu)以便將滯留空氣從層壓板排出來(lái)固化總結(jié)構(gòu)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有高玻璃轉(zhuǎn)換溫度的環(huán)氧樹(shù)脂將是最適宜的。然而，可以使用任何環(huán)氧樹(shù)脂。通常在室溫下或稍高于室溫、在約125°C的溫度下或者在約175°C的溫度下固化環(huán)氧樹(shù)脂。在壓力下固化之后獲得加固的層壓板。如上所述，也有可能使用熱塑性樹(shù)脂。
[0077]根據(jù)本發(fā)明的層壓板的另一個(gè)優(yōu)選制造方法包括多于一個(gè)固化周期。參照?qǐng)D2，層壓板可以例如通過(guò)以下步驟來(lái)產(chǎn)生:首先在專(zhuān)用固化周期中制造含有層3至n-2的層壓板，并且隨后在第二調(diào)整的固化周期中借助于每側(cè)上具有符合方程式(I)至(3)的要求的適當(dāng)纖維體積含量的纖維增強(qiáng)復(fù)合層(2和n-Ι)將兩個(gè)金屬層I和層η連接到此層壓板。
[0078]實(shí)例和比較實(shí)例
[0079]將通過(guò)幾個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。將這些實(shí)例與一些已知層壓板進(jìn)行比較，即，在由根據(jù)本發(fā)明的層壓板的線(xiàn)19、50、51、54和20所限定的區(qū)域之外的層壓板和用于根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的層壓板的線(xiàn)19、52、53、54和20所界定的區(qū)域之外的層壓板，參見(jiàn)圖8和圖9。
[0080]實(shí)例
[0081]所調(diào)查的層壓板稱(chēng)為:
[0082]FML-G-A-UD-4/3:S2玻璃纖維增強(qiáng)FML，其具有在纖維增強(qiáng)復(fù)合層中定向在負(fù)載方向上的單向纖維和在金屬片中作為金屬的鋁2024-T3合金；
[0083]FML-C-A-UD-4/3:高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)FML，其具有在纖維增強(qiáng)復(fù)合層中定向在負(fù)載方向上的單向纖維和在金屬片中作為金屬的鋁2024-T3合金；
[0084]FML-C-T-UD-4/3:高強(qiáng)度(HS)碳纖維增強(qiáng)FML，其具有在纖維增強(qiáng)復(fù)合層中定向在負(fù)載方向上的單向纖維和在金屬片中作為金屬的鈦T1-6A1-4V合金；
[0085]FML-1-T-UD-4/3:中間模量(IM)纖維(具有的剛度在高性能玻璃纖維與高模量碳纖維之間)增強(qiáng)FML，其具有在纖維增強(qiáng)復(fù)合層中定向在負(fù)載方向上的單向纖維和在金屬片中作為金屬的鈦T1-6A1-4V合金；以及
[0086]FML-G-A-CP-4/3:S2玻璃纖維增強(qiáng)FML，其具有在纖維增強(qiáng)復(fù)合層中主要定向在金屬卷繞方向上的交叉鋪層和在金屬片中作為金屬的鋁2024-T3合金。
[0087]所有分析的層壓板包括4個(gè)金屬片和與金屬片穿插的3個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合層。為了能夠正確地比較，具有相同金屬厚度的每級(jí)層壓板(即，具有相同的金屬和纖維)具有大約相同的重量和與在Vf = 0.57獲得的IOOMPa應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載。
[0088]基于對(duì)具有5mm的啟動(dòng)器缺口的樣本進(jìn)行的多個(gè)疲勞試驗(yàn)開(kāi)發(fā)出分析方法，由此疲勞壽命被定義為獲得20mm的金屬裂紋長(zhǎng)度所需的周期數(shù)量。
[0089]圖3至7中提供關(guān)于在不同的金屬片厚度和纖維增強(qiáng)層中的纖維體積分?jǐn)?shù)下的所有層壓板的結(jié)果。
[0090]圖3示出就動(dòng)態(tài)加載周期的數(shù)量而言的缺口疲勞壽命10對(duì)用于具有不同金屬片厚度的FML-G-A-UD-4/3FML的纖維體積分?jǐn)?shù)20。曲線(xiàn)11、12、13、14、15、16和17是分別用于金屬片厚度0.5臟、0.6臟、0.8臟、1.Ctam、1.2臟、1.5臟和3.0臟。線(xiàn)19對(duì)應(yīng)于Vf = 0.54。
[0091]圖4示出就動(dòng)態(tài)加載周期的數(shù)量而言的缺口疲勞壽命10對(duì)用于具有不同金屬片厚度的FML-C-A-UD-4/3FML的纖維體積分?jǐn)?shù)20。曲線(xiàn)21、22、23、24、25和26是分別用于金屬片厚度 0.7mm、0. 8mm、1.0mm> 1.5mm、2.0mm 和 4.0mm。線(xiàn) 19 對(duì)應(yīng)于 Vf = 0.54。
[0092]圖5示出就動(dòng)態(tài)加載周期的數(shù)量而言的缺口疲勞壽命10對(duì)用于具有不同金屬片厚度的FML-C-T-UD-4/3FML的纖維體積分?jǐn)?shù)20。曲線(xiàn)31、32、33、34和35是分別用于金屬片厚度 0.9mm> 1.0mm> 1.5mm、2.0mm、和 3.0mm。線(xiàn) 19 對(duì)應(yīng)于 Vf = 0.54。
[0093]圖6示出就動(dòng)態(tài)加載周期的數(shù)量而言的缺口疲勞壽命10對(duì)用于具有不同金屬片厚度的FML-1-T-UD-4/3FML的纖維體積分?jǐn)?shù)20。曲線(xiàn)41、42、43、44和45是分別用于金屬片厚度 0.7mm、0.8mm、1.0mm> 1.5mm 和 2.0mm。線(xiàn) 19 對(duì)應(yīng)于 Vf = 0.54。
[0094]圖7最終示出就動(dòng)態(tài)加載周期的數(shù)量而言的缺口疲勞壽命10對(duì)用于具有不同金屬片厚度的FML-G-A-CP-4/3FML的纖維體積分?jǐn)?shù)20。曲線(xiàn)51、52、53、54、55和56是分別用于金屬片厚度0.4謹(jǐn)、0.5謹(jǐn)、0.6謹(jǐn)、0.8謹(jǐn)、1.0mm和1.5謹(jǐn)。線(xiàn)19對(duì)應(yīng)于Vf = 0.54。
[0095]所有結(jié)果展示出用于每一個(gè)金屬片厚度的最佳Vf，由此展示最佳偏移以降低用于具有較厚金屬片的FML的Vf。最佳值對(duì)應(yīng)于疲勞壽命(周期)10的數(shù)量的最大值。另外，展示了太低Vf產(chǎn)生比較不佳的疲勞性能。因此，Vf的最小值是本發(fā)明的一部分。
[0096]圖8和9中選擇和組合展示疲勞壽命的最大值(圖3至7中的最大值)的FML。最大值遵循線(xiàn)59，如圖8和9中所示。最佳線(xiàn)與b = 0.58且c = 0.15并且其中對(duì)于Vf〈0.15來(lái)說(shuō)為0(零)相對(duì)應(yīng)。這些圖展示針對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)20的參數(shù)60 = ESJa&*ESl^/(E|^襯.2)(以kN/mm2為單位)。這些圖還用圖表表示關(guān)系式⑴至(3)，由此圖8中的虛線(xiàn)50和51分別表示對(duì)應(yīng)于層壓板的最大疲勞性能的90%的關(guān)系式(I)的上限和下限。虛線(xiàn)50和51以及線(xiàn)54表示權(quán)利要求1所限定的邊界。對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的層壓板位于由線(xiàn)50、
19、51、54和20(對(duì)于Vf≤0.3)所界定的區(qū)域內(nèi)。圖9表示對(duì)應(yīng)于層壓板的最大疲勞性能的95%的關(guān)系式(I)的上限和下限(即，分別是虛線(xiàn)52和53)。虛線(xiàn)52、53和線(xiàn)54表示權(quán)利要求2所限定的邊界。根據(jù)此優(yōu)選實(shí)施例的層壓板位于由線(xiàn)54、52、19、53和20 (對(duì)于Vf ^ 0.26)所界定的區(qū)域內(nèi)。
[0097]最佳纖維金屬層壓板(即，在動(dòng)態(tài)加載下具有最高抗裂紋性的FML)都位于由表示關(guān)系式(2)的虛線(xiàn)50、51和線(xiàn)19以及表示關(guān)系式(3)的線(xiàn)54所限定的邊界內(nèi)。如權(quán)利要求2中所限定的優(yōu)選實(shí)施例都位于由虛線(xiàn)52、53、線(xiàn)54以及線(xiàn)19所界定的邊界內(nèi)。在本發(fā)明范圍之外的非最佳纖維金屬層壓板不在由虛線(xiàn)50、51 (或52、53)、線(xiàn)54以及線(xiàn)19所界定的區(qū)域內(nèi)。
[0098]比較實(shí)例
[0099]比較實(shí)例I
[0100]在EP0322947B1中，充分詳細(xì)地描述兩個(gè)層壓板以允許根據(jù)本發(fā)明計(jì)算方程式
(I)至⑶的結(jié)果。
[0101]層壓板1(由ARALLl定義)包括各自具有t^M= 0.3mm的14個(gè)鋁合金7075-T6片。在各金屬層之間涂覆有厚度0.2mm并且Vf = 50%的芳族聚酰胺半固化片。[0102]層壓板2由夾在含有厚度t= 0.3mm的3個(gè)鋁合金7075-T6片的兩個(gè)ARALLl片之間的厚度t= 4mm的鋁合金2024-T3片構(gòu)成。在每個(gè)ARALLl金屬片之間并且在ARALLl與較薄2024-T3合金片之間涂覆有厚度0.2mm并且Vf = 50%的芳族聚酰胺半固化片。
[0103]盡管所涂覆的鋁合金的楊氏模量在EP0322947B1中并未公開(kāi)，但是此楊氏模量已經(jīng)從 MMPDS(D0T/FAA/AR-MMPDS-01)獲得，其為 2024-T3 鋁合金提供 E4ijs = 72.4GPa，為7075-T6鋁合金提供E4ijs= 71.0GPa0芳族聚酰胺纖維的彈性模量或楊氏模量在EP0322947B1中也并未明確公開(kāi)。因此，將假定，所涂覆的芳族聚酰胺纖維具有模量E纟=125GPa。為了計(jì)算復(fù)合層的剛度Es^jg，需要知道在EP0322947中未明確公開(kāi)的所涂覆的基質(zhì)系統(tǒng)的剛度。將假定基質(zhì)系統(tǒng)的剛度是4GPa。
[0104]盡管在EP0322947B1中公開(kāi)了芳族聚酰胺半固化片的厚度(0.2mm)，但是并不清楚這是在高壓處理器固化過(guò)程之前還是之后的厚度。因此，假定所提及的厚度對(duì)應(yīng)于固化后的半固化片厚度。
[0105]在方程式(I)中應(yīng)用EP0322947B1的所有明確公開(kāi)和合理假定的性質(zhì)數(shù)據(jù)得到層壓板I的695N/mm4的值和層壓板2的4N/mm4的值.因此，層壓板I在所請(qǐng)求的最佳區(qū)域之上，而層壓板2在權(quán)利要求的區(qū)域之下。在圖8和圖9中將后一個(gè)值將顯示為數(shù)據(jù)點(diǎn)CE1。
[0106]比較實(shí)例2
[0107]在W02007/145512A1中第16頁(yè)，描述夾在厚鋁層之間的GLARE內(nèi)層壓板的三個(gè)組合層壓板。
[0108]層壓板I由GLARE1-5/4-0.4內(nèi)層壓板構(gòu)成，厚度4mm的鋁2024-T3片通過(guò)黏性膜(非纖維)粘合到其兩側(cè)上。
[0109]層壓板2類(lèi)似于層壓板1，但是區(qū)別僅在于涂覆于GLARE和4mm鋁外片之間的膠黏劑。替代黏性膜，涂覆標(biāo)準(zhǔn)硅玻璃半固化片。
[0110]層壓板3類(lèi)似于以上層壓板，區(qū)別僅在于替代GLARE與外4mm厚金屬之間的標(biāo)準(zhǔn)半固化片，標(biāo)準(zhǔn)半固化片連同黏性膜一起涂覆。標(biāo)準(zhǔn)S2玻璃半固化片的纖維體積含量是Vf= 60% (第16頁(yè))，這在本發(fā)明所請(qǐng)求的區(qū)域之外。因此，層壓板I和層壓板2將落在本發(fā)明權(quán)利要求的區(qū)域之外。
[0111]除此以外要提及，未公開(kāi)所涂覆的S2玻璃半固化片的厚度或其剛度，也未公開(kāi)所涂覆的黏性膜的厚度和其剛度、GLARE層壓板與4mm厚外鋁層之間的復(fù)合層的厚度、纖維體積含量Vf或剛度。[0112]因此，不能建立W02007/145512A1的層壓板3是否滿(mǎn)足根據(jù)本發(fā)明的方程式(I)至⑶。
[0113]比較實(shí)例3
[0114]W02009/095381A1在第11頁(yè)公開(kāi)具有放0.2mm厚度的兩個(gè)鋁2024-T3片的層壓板，其之間設(shè)置8個(gè)纖維增強(qiáng)層。纖維增強(qiáng)層包括具有Vf = 60%的UD S2玻璃纖維并且每個(gè)層具有0.25mm的厚度。
[0115]為了能夠計(jì)算根據(jù)方程式(I)至(3)的值，需要在W02009/095381A1中未明確公開(kāi)的性質(zhì)數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，缺乏纖維增強(qiáng)層的剛度和金屬的剛度。對(duì)于玻璃纖維使用E纟.=88.5GPa，并且與以上提及的值相同的值用于纖維增強(qiáng)復(fù)合基質(zhì)材料和鋁剛度，即，
=4GPa并且E4ijs= 72.3GPa，以及關(guān)于復(fù)合層厚度做出與先前實(shí)例相同的假定，計(jì)算方程式(I)的值得到345N/W。圖8和圖9中將此值展示為數(shù)據(jù)點(diǎn)CE3。W02009/095381A1的層壓板未展示最佳疲勞性質(zhì)并且清楚的是該層壓板在權(quán)利要求的區(qū)域之外。
[0116]圖10示出如在用于不同裂紋長(zhǎng)度的循環(huán)加載下通過(guò)裂紋生長(zhǎng)測(cè)量出的具有不同纖維體積分?jǐn)?shù)的纖維增強(qiáng)層壓板的疲勞行為。已知的纖維增強(qiáng)層壓板是所謂的GLARE3-4/3-0.5，其具有厚度為0.5mm的鋁層。因此，應(yīng)將這些層壓板的結(jié)果與圖7的線(xiàn)52(相同金屬厚度)進(jìn)行比較。圖10清楚地示出使用標(biāo)準(zhǔn)半固化片(G3S)的已知GLARE3-4/3-0.5層壓板在20mm的裂紋長(zhǎng)度下具有185，000周期數(shù)的疲勞壽命。標(biāo)準(zhǔn)半固化片具有約58%的標(biāo)稱(chēng)纖維體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)半固化片(G3S)的已知GLARE3-4/3-0.5層壓板來(lái)說(shuō)，參數(shù)6O的值=E層壓板*E復(fù)合物/ (E金屬*t金屬)，等于l62kN/mm。
[0117]根據(jù)本發(fā)明的層壓板(G3S0)具有與G3S相同的配置，但是區(qū)別在于將額外的黏性層添加到半固化片層。圖10中也示出此層壓板(具有約42.5%的體積分?jǐn)?shù))的疲勞結(jié)果，并且展示約330，000周期數(shù)的疲勞壽命，這幾乎比已知層壓板高過(guò)兩倍。在圖7中，層壓板G3S0的數(shù)據(jù)點(diǎn)將位于靠近線(xiàn)52的頂部。對(duì)于使用G3S0半固化片的層壓板來(lái)說(shuō)，參數(shù)60的值=E層壓板*E復(fù)合物/ (E金屬金屬2)，等于I lOkN/mm4。根據(jù)本發(fā)明，存在疲勞行為中的最佳值，因?yàn)橥ㄟ^(guò)進(jìn)一步減少纖維體積分?jǐn)?shù)，疲勞性能將再次減少。的確，層壓板G3SL具有與先前層壓板G3S和G3S0相同的鋪疊，但是纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步減少了約20%。對(duì)于使用G3SL+固化片的層壓板而曰，參數(shù)6O的值=E層壓板*E復(fù)合物/ (E金屬*t金屬)等于40kN/mm。G3SL層壓板展示減少的約230，000周期數(shù)的疲勞壽命(圖10)。圖8中也示出對(duì)于這些層壓板獲得的結(jié)果。此圖清楚地示出線(xiàn)50、51和54之間的所要求保護(hù)的區(qū)域顯示出最佳疲勞性能，因?yàn)槭褂肎3S0半固化片的層壓板以及圖3至圖7中示出的缺口疲勞壽命的最大值都屬于此區(qū)域之內(nèi)。使用諸如G3SL和G3S半固化片的半固化片的已知層壓板在本發(fā)明的區(qū)域之外，即，在用于使用G3S半固化片的層壓板的下限(線(xiàn)51)之下和在用于使用G3SL半固化片的層壓板的上限(線(xiàn)50)之上。
【權(quán)利要求】
1.一種相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板，所述層壓板包括纖維增強(qiáng)復(fù)合層與相鄰金屬片的組合，所述組合的性質(zhì)滿(mǎn)足以下關(guān)系: E層壓板*E復(fù)合物/(E金屬*t金屬2)具有a*(Vf-c) (b/(Vf-c))(其中b = 0.36且c = 0.3) (Ia)并且當(dāng)Vf≤0.3時(shí)為零(Ib)所提供的下限值與a*(Vf-c) (b/(Vf-c))(其中b = 0.88且c = O)(Ic)所提供的上限值之間的值.0.10 ( Vf<0.54(2) ?〈E層壓板*E復(fù)合物/ (E金屬*t金屬2) <400*Vf kN/mm4 (3) 其中 a = 1200kN/mm4 ;以及
=所述組合中的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層在所述復(fù)合層的最高剛度方向上獲得的彈性楊氏模量，以kN/_2為單位 Esffi* =在與相同的方向上獲得的所述總纖維金屬層壓板的彈性楊氏模量，以kN/mm2為單位 E.=所述組合中的所述金屬片的彈性楊氏模量，以kN/mm2為單位 tUa =所述組.合中的所述金屬片的厚度，以_為單位 Vf =所述組合中的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維金屬層壓板，其中a= 1200kN/mm4 ;所述下限參數(shù)b =.0.41且c = 0.26,并且當(dāng)Vf ( 0.26時(shí)所述下限為零；并且所述上限參數(shù)b = 0.85且c =.0.02。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的纖維金屬層壓板，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層與相鄰金屬片的任意組合的性質(zhì)滿(mǎn)足所述關(guān)系式(I)至(3)。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中纖維增強(qiáng)復(fù)合層與兩個(gè)相鄰金屬片中的較厚者的組合的性質(zhì)滿(mǎn)足所述關(guān)系式(I)至(3)。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中E層壓板噸復(fù)合物/伍金屬襯金屬2) <300*Vf kN/mm4，并且更優(yōu)選地 <200*Vf kN/mm4。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的所述纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.15 ( Vf<0.50、更優(yōu)選地0.20 ^ Vf ^ 0.45，并且最優(yōu)選地.0.20 ≤ Vf ≤ 0.40。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其包括不同厚度的金屬片。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其包括不同金屬合金的金屬片。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其包括相同金屬合金的金屬片。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其包括不同厚度的纖維增強(qiáng)復(fù)合層，和/或包括具有至少兩種不同纖維的纖維增強(qiáng)復(fù)合層，和/或包括纖維不同的纖維增強(qiáng)復(fù)合層。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述金屬片的所述厚度是 0.4mm η
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的纖維金屬層壓板，其中所述金屬片的所述厚度是.0.5mm≤ t金屬< 2mm，并且優(yōu)選地在0.6mm< t金屬< 1.5mm之間。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的所述纖維在多個(gè)不同的方向上延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的所述纖維在至少兩個(gè)相互不同的方向上延伸。
15.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層包括主要在一個(gè)方向上延伸的基本上連續(xù)的纖維。
16.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的所述纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.20 ( Vf〈0.50并且所述金屬片的所述厚度是0.2mm。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的所述纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.30 ( Vf〈0.50并且所述金屬片的所述厚度滿(mǎn)足0.1.2mm。
18.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述金屬選自鋼合金、鋁合金、鎂合金以及鈦合金。
19.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層包括玻璃、芳族聚酰胺、PBO、共聚物或碳纖維或者其組合。
20.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層包括纖維，其中纖維剛度≥80GPa、更優(yōu)選地E≥85GPa并且最優(yōu)選地E≥90GPa。
21.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，所述層壓板包括平坦或彎曲的加倍裝置。
22.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板，其中所述層壓板包括用于機(jī)身、機(jī)翼或橫尾翼的鋁鋰蒙皮。
23.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的纖維金屬層壓板與另一個(gè)元件的組裝件，所述另一個(gè)元件由包括粘合劑和/或纖維增強(qiáng)復(fù)合物的粘合層連接到所述纖維金屬層壓板或者通過(guò)機(jī)械緊固裝置來(lái)連接。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的組裝件，其中所述另一個(gè)元件包括選自諸如角形截面的剛性構(gòu)件、Z形桁條、帽形桁條、C形桁條、Y形桁條、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固著楔和/或飛機(jī)結(jié)構(gòu)的框架(截面)的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)元件或其組合。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的組裝件，其中所述另一個(gè)元件包括由諸如鋁合金、鎂合金、鈦合金和/或鋼合金的金屬和/或金屬片與纖維復(fù)合層的組合制成的平板或錐形板。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的組裝件，其中所述平金屬板或錐形金屬板連接到另一個(gè)元件，所述另一個(gè)元件包括選自諸如角形截面的剛性構(gòu)件、Z形桁條、帽形桁條、C形桁條、Y形桁條、翼梁(截面)、肋(截面)、剪力固著楔和/或飛機(jī)結(jié)構(gòu)的框架(截面)的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)元件或其組合。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至25中任一項(xiàng)所述的組裝件在提供耐疲勞結(jié)構(gòu)中的使用。
28.用于獲得包括相互粘合的纖維增強(qiáng)復(fù)合層和金屬片的纖維金屬層壓板中的金屬片厚度和所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)以獲得所述纖維金屬層壓板的最佳疲勞性質(zhì)的方法，所述方法包括:選擇纖維增強(qiáng)復(fù)合層和相鄰金屬片的組合、選擇所述金屬片厚度或纖維體積分?jǐn)?shù)中的一個(gè)以及計(jì)算滿(mǎn)足以下關(guān)系的相應(yīng)纖維體積分?jǐn)?shù)或金屬片厚度:
E層壓板*E復(fù)合物/(E金屬*t金屬2)具有a* (Vf-c) (b/(Vf-c))(其中b = 0.36且c = 0.3) (Ia)并且當(dāng)Vf≥0.3時(shí)為零(Ib)所提供的下限值與a*(Vf-c) (b/(Vf-c))(其中b = 0.88且c = O)(1c)所提供的上限值之間的值 0.10 ≤Vf<0.54(2) E層壓板復(fù)合物
/(E^M*t^M2)<400*Vf kN/mm4 ⑶ 其中 a = 1200kN/mm4 ;以及
=所述組合中的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層在所述復(fù)合層的最高剛度方向上獲得的彈性楊氏模量，以kN/mm2為單位 Esffi* =在與相同的方向上獲得的所述總纖維金屬層壓板的彈性楊氏模量，以kN/mm2為單位 E.=所述組合中的所述金屬片的彈性楊氏模量，以kN/mm2為單位 tUa =所述組.合中的所述金屬片的厚度，以_為單位 Vf =所述組合中的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的纖維體積分?jǐn)?shù)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中a= 1200kN/mm4 ;所述下限參數(shù)b = 0.41且c=0.26，并且當(dāng)Vf ( 0.26時(shí)所述下限為零；并且所述上限參數(shù)b = 0.85且c = 0.02。
30.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的方法，其中EJlω?*Es合物/(E金a*t金a2)〈300*VfkN/mm4并且更優(yōu)選地<200*Vf kN/mm4。
31.根據(jù)權(quán)利要求27至29中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的所述纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.15 < Vf〈0.50。
32.根據(jù)權(quán)利要求27至30中任一項(xiàng)所述的方法，其包括不同厚度的金屬片。
33.根據(jù)權(quán)利要求27至31中任一項(xiàng)所述的方法，其包括不同金屬合金的金屬片。
34.根據(jù)權(quán)利要求27至31中任一項(xiàng)所述的方法，其包括相同金屬合金的金屬片。
35.根據(jù)權(quán)利要求27至33中任一項(xiàng)所述的方法，其在金屬層之間包括不同厚度的纖維增強(qiáng)復(fù)合層。
36.根據(jù)權(quán)利要求27至34中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述金屬片的所述厚度低于4mm η
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述金屬片的所述厚度低于2mm。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的所述纖維在至少兩個(gè)相互不同的方向上延伸，并且所述金屬片的所述厚度低于1.5mm且優(yōu)選地在0.6與1.5mm之間。
39.根據(jù)權(quán)利要求27至37中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的所述纖維在多個(gè)不同的方向上延伸。
40.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層中的所述纖維在至少兩個(gè)相互不同的方向上延伸。
41.根據(jù)權(quán)利要求27至37中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層包括主要在一個(gè)方向上延伸的基本上連續(xù)的纖維。
42.根據(jù)權(quán)利要求27至40中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的所述纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.20 ≤ Vf〈0.50并且所述金屬片的所述厚度是0.4mmt＜金屬≤0.2mm。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層的所述纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足0.30 ( Vf〈0.50并且所述金屬片的所述厚度是0.5mm＜t金屬≤1.2mm。
44.根據(jù)權(quán)利要求27至42中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述金屬選自鋼合金、鋁合金以及鈦合金。
45.根據(jù)權(quán)利要求27至43中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合層包括玻璃、芳族聚酰胺、PBO、共聚物或碳纖維或者其組合。
【文檔編號(hào)】B32B15/08GK103930266SQ201280052826
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月31日
【發(fā)明者】G·威爾遜, R·阿爾德里斯坦, J·W·岡尼克 申請(qǐng)人:Gtm先進(jìn)產(chǎn)品有限公司