Faserverstärkter metallischer Verbundwerkstoff

Abstract

 Ein Verbundwerkstoff besteht aus einer metallenen Matrix sowie darin eingebetteten anorganischen Verstärkungsfasern, wobei das Matrixmetall aus einer Gruppe stammt, die von Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, gebildet wird, und wobei die Verstärkungsfasern aus einem mineralischen Werkstoff mit wesentlichen Anteilen an Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃) bestehen. Die Fasern weisen eine Länge von wenigstens etwa 10 mm auf und sind in wenigstens einer Richtung parallel zueinander ausgerichtet angeordnet, sie können aber auch in Form von Geweben miteinander verbunden sein. Ihr Volumenanteil am Verbundwerkstoff liegt zwischen 10 und 70 Prozent. Sie werden durch thermisches Beschichten mit Partikeln, die aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, hergestellt und können in Form von Folien miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung bei Temperaturen von über 200°C und bei einem Preßdruck von über 10 MPa erfolgt. Es können mehrere Folien mit beschichteten Fasern sowie zusätzliche Bleche aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, übereinander gelegt werden und der so erhaltene Verbundwerkstoff kann zu einem Verbundblech ausgewalzt werden, das dann für den Bau von Flugzeugrümpfen verwendbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, bestehend aus einer metallenen Matrix sowie darin eingebetteten anorganischen Verstärkungsfasern, wobei das Matrixmetall aus einer Gruppe stammt, die von Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, gebildet wird, und wobei die Verstärkungsfasern aus einem mineralischen Werkstoff mit wesentlichen Anteilen an Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃) bestehen. Ferner betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwendung eines derartigen Werkstoffs.

[0002] Bei der Auslegung von Leichtbaustrukturen wird ein besonderer Wert auf die Gewichtsreduzierung gelegt, zudem sollen die Leichtbaustrukturen in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich ihrer statischen bzw. Ermüdungsfestigkeit sowie ihrer Schadenstoleranz erfüllen. Insbesondere im Flugzeugbau wird ein besonderes Augenmerk auf die schadenstoleranten Eigenschaften von Leichtbaustrukturen gelegt. Eine Verbesserung dieser schadenstoleranten Eigenschaften kann dabei auf unterschiedliche Weise erreicht werden, so zum Beispiel durch eine Erhöhung der Hautdicke, durch die Verwendung von zusätzlichen lokalen Versteifungen oder durch die lokale Anpassung der Hautdicke an die örtlichen Belastungsanforderungen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Werkstoffen mit inhärent besseren schadenstoleranten Eigenschaften, wie beispielsweise metallische Schichtwerkstoffe oder faserverstärkte Laminate.

[0003] In letzter Zeit haben insbesondere die faserverstärkten Verbundwerkstoffe auf Metallbasis eine zunehmende Bedeutung gewonnen, da es die Verstärkung von metallischem Material mit Fasern erlaubt, die mechanischen und schadenstoleranten Eigenschaften von metallischen Werkstoffen signifikant zu erhöhen. Allerdings ist eine solche Verbesserung der Werkstoffeigenschaften zugleich mit deutlich höheren Kosten für derartige Verbundwerkstoffe verbunden, wobei ein wesentlicher Grund dafür in den höheren Herstellungskosten liegt. Vor allem Herstellungsverfahren, die mit dem Aufschmelzen des Basismetallwerkstoffes verbunden sind, sind sehr zeitund kostenaufwendig. Als geeignetes, relativ preiswertes Herstellungsverfahren hat sich demgegenüber das Zusammenkleben von Metallblechen mit in einer Klebefolie eingebundenen Fasern bewährt.

[0004] So ist aus der EP 0 312 151 ein Laminat bekannt geworden, das aus wenigstens zwei Metallblechen besteht, zwischen denen eine Kunststoffschicht angeordnet ist, die mit den Metallblechen verklebt ist, wobei diese Schicht Glasfilamente enthält. Derartige Metall-Laminate sind insbesondere für Leichtbaustrukturen für Flugzeuganwendungen geeignet, da sie vorteilhafte mechanische Eigenschaften bei einem zugleich niedrigen strukturellen Gewicht aufweisen. Weiterhin ist aus der EP 0 056 288 ein Metall-Laminat bekannt geworden, bei dem die Verwendung von Polymerfasern aus der Gruppe von Aramiden, polyaromatischen Hydraziten und aromatischen Polyestern in einer Kunststoffschicht vorgesehen ist. Schließlich ist aus der EP 0 573 507 ein Laminatmaterial bekannt geworden mit in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Verstärkungsfasern, die aus einer Gruppe stammen, die aus Kohlenstoff-, polyaromatischen Amid-, Aluminiumoxid-, Siliziumcarbidfasern oder deren Mischungen besteht.

[0005] Die Vorteile dieser bekannten laminierten Werkstoffe liegen im Vergleich zu äquivalenten monolithischen Blechen in den deutlich höheren schadenstoleranten Eigenschaften. So sind die Rißwachstumseigenschaften von langfaserverstärkten Metall-Laminaten um den Faktor 10 bis 20 besser als diejenigen von monolithischen Blechen. Andererseits besitzen diese bekannten laminierten Werkstoffe im Vergleich zu monolithischen Werkstoffen häufig schlechtere statische Eigenschaften. Beispielsweise kann die Elastizitätsgrenze bei einer Zug-, Druck- oder Schubbeanspruchung bei solchen bekannten laminierten Werkstoffen in Abhängigkeit von den verwendeten Klebesystemen und Fasertypen um 5 bis 20% niedriger liegen als bei äquivalenten monolithischen Werkstoffen.

[0006] Eine Verbesserung der statischen Eigenschaften bekannter Verbundwerkstoffe ist mit höheren Kosten verbunden. Die bekannten Herstellungsmethoden, wie Pulvermetallurgie oder Einbettung von Fasern in einem geschmolzenem Matrixmaterial, sind sehr kostenaufwendig und die Größen der damit herstellbaren Erzeugnissen sind sehr begrenzt.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff der eingangs genannten Art mit wesentlich verbesserten statischen Eigenschaften bereitzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwendung eines derartigen Werkstoffs anzugeben.

[0008] Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem derartigen Werkstoff die Fasern eine Länge von wenigstens etwa 10 mm aufweisen und in wenigstens einer Richtung parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind. Vorteilhafte Weiterbildungen des Werkstoff nach der Erfindung sowie die Lösung der weiteren Aufgaben sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

[0009] Die Vorteile des Werkstoffs nach der Erfindung liegen neben den wesentlich verbesserten mechanischen und schadenstoleranten Eigenschaften in einer erheblichen Kostenreduzierung gegenüber den bislang für den gleichen Anwendungszweck eingesetzten Werkstoffen. Die Herstellung der in dem erfindungsgemäßen Werkstoff verwendeten Basaltfasern erfolgt dabei auf der Basis von natürlichen Gesteinen, wobei die Rohstoffkosten deutlich niedriger als beispielsweise diejenigen von Glasfasern sind.

[0010] Für die Herstellung von Basaltfasern kann ein natürliche Gestein in Form von Basalt, Granit, Diabas, Amphibolite, Diorit, Trachyt, Basalt, Porphyr oder Obsidian verwendet werden. Die Vorteile dieser Basaltfasern liegen in ihrem höherem Elastizitätsmodul von 90 bis120 GPa, im größeren Temperaturarbeitsbereich vom -260 bis +650°C, in den guten Eigenschaften bei wechselnden Temperaturen, guten Korrosionseigenschaften sowie in ihrer sehr guten Vibrationsbeständigkeit. Bisher war eine Verwendung derartiger langer Basaltfasern überwiegend aus der Bauindustrie als Thermoisolierungs-Werkstoff oder zur Armierung von Betonerzeugnissen sowie in der Elektronikindustrie für die Herstellung von Platinen bekannt. Daneben ist aus der EP 0 181 996 A2, der US 4 615 733 sowie der RU 2 182 605 C1 die Verwendung von Verbundwerkstoffen mit metallener Matrix bekannt geworden, die jeweils ein Verstärkung aus kurzen, ungerichtet verteilten Fasern aufweisen, wobei diese Fasern ebenfalls überwiegend aus einem mineralischen Werkstoff mit wesentlichen Anteilen an Siliziumoxid (SiO₂) , Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃) bestehen. Diese bekannten kurzfaserverstärkten Verbundwerkstoffe sind jedoch für den vorgesehenen Einsatzzweck nicht geeignet, da sie nicht über die geforderten mechanischen Eigenschaften bezüglich der Schadenstoleranz, insbesondere der Rißzähigkeit und dem Widerstand gegen Ermüdungsrißausbreitung, verfügen.

[0011] Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1

eine Darstellung einer Faserfolie mit Deckblechen in Verbundwerkstoff

Fig. 2

einen ersten Herstellungsschnitt

Fig. 3

Faseranordnung in einer Folie

Fig. 4

eine weitere Ausführungsform mit zwei Faserfolien mit Deckblechen in Verbundwerkstoffen

Fig. 5

Anordnung von Faserfolien ohne Deckbleche mit mehreren unidirektional eingerichteten Faserfolien in Verbundwerkstoff

Fig. 6

Anordnung von Faserfolien ohne Deck- und Zwischenblechen in Verbundwerkstoff

Fig. 7

Anordnung von Faserfolien mit Deck- und Zwischenblechen in Verbundwerkstoff.

[0012] Der dargestellte Verbundwerkstoff besteht aus einer oberen und unteren Decklage 1, 2 aus metallenem Werkstoff, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels aus einer Aluminiumlegierung der Serie 5XXX, hier der Aluminiumlegierung AlMg2, der die metallene Matrix bildet. In gleicher Weise können als Matrixwerkstoff auch Metalle aus der Gruppe der Aluminium-Kupfer-Legierungen, wie solche vom Typ AA2024, der Aluminium-Zink-Legierungen, wie solche vom Typ AA7075, Aluminium-Lithiumlegierungen mit einem Lithiumgehalt von 0.5 bis 3 Prozent, Titanlegierungen, Kupfer bzw. Kupferlegierungen sowie Magnesiumlegierungen verwendet werden.

[0013] Zwischen diesen Decklagen sind Langfasern 3 aus einem Basaltwerkstoff angeordnet, wobei diese Fasern 3 die in der nachfolgenden Tabelle angegebene chemische zusammensetzung aufweisen:

Komponente	Gew. %	bevorzugter Bereich Gew. %
SiO2	35-55	47-50
TiO2	0-5	1-2
Al2O3	10-25	15-18
Fe2O3, FeO	7-20	11-14
MgO	3-10	5-7
CaO	5-20	6-12
N2O	0-5	2-3
K2O	0-10	2-7

[0014] Bei ihrer Positionierung liegen die Basaltfasern 3 in der Aluminiummatrix wenigstens in einer Richtung parallel zueinander. Sie können aber auch in Form von Geweben miteinander verbunden sein. In beiden Fällen liegt der Volumenanteil der Fasern 3 am Verbundwerkstoff in einem Bereich zwischen etwa 10 und etwa 70 Prozent.

[0015] Die Fasern 3 werden mit einer thermisch erzeugten Beschichtung 4 aus Partikeln, die aus Aluminium, Magnesium, Titan oder Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, versehen, ihre Bruchdehnung beträgt etwa 2 bis 5 Prozent. Die so beschichteten Fasern können in Form von Folien 5 miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung der beschichteten Fasern 3 zur Bildung von Folien 5 bei Temperaturen von über 200°C und bei einem Preßdruck von über 10 MPa erfolgt.

[0016] In dem Verbundwerkstoff können insbesondere auch mehrere Folien 5 mit beschichteten Fasern 3 sowie andere zusätzliche Bleche, die aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, verwendet werden, wobei diese bei der Herstellung entweder gleichzeitig oder aber sukzessive miteinander verbunden werden können, beispielsweise durch Walzen. Die Verbindung von einzelnen Folien 5 mit beschichteten Fasern 3, sei es mit oder ohne Zwischenlagen aus zusätzlichen Blechen, kann aber auch in einer Vakuumkammer oder in einem Autoklaven unter Schutzgas erfolgen.

[0017] Die in dem Verbundwerkstoff verwendeten Bleche weisen eine Blechdicke von 0.01 bis 3 mm auf, die Folien 5 aus den beschichteten Fasern 3 können entweder einheitlich orientiert sein oder aber in aufeinanderfolgenden Lagen unterschiedliche Orientierungen aufweisen.

[0018] Der so erhaltene Verbundwerkstoff kann nach der erfolgten Verbindung der einzelnen Schichten miteinander zu einem Verbundblech ausgewalzt werden und dann insbesondere beim Bau von Flugzeugrümpfen verwendet werden, wobei zumindest in einem Teil des Rumpfes die Haut und/oder eine etwaige Hautverstärkung aus einem derartigen Verbundwerkstoff besteht.

Ansprüche

1. Verbundwerkstoff, bestehend aus einer metallenen Matrix sowie darin eingebetteten anorganischen Verstärkungsfasern, wobei das Matrixmetall aus einer Gruppe stammt, die von Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, gebildet wird, und wobei die Verstärkungsfasern aus einem mineralischen Werkstoff mit wesentlichen Anteilen an Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3) eine Länge von wenigstens etwa 10 mm aufweisen und in wenigstens einer Richtung parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Fasern (3) an Siliziumoxid (SiO₂) zwischen 35 und 55, vorzugsweise zwischen 47 und 50 Prozent liegt.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Fasern (3) an Aluminiumoxid (Al₂O₃) zwischen 10 und 25, vorzugsweise zwischen 15 und 18 Prozent liegt

4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Fasern (3) an Eisenoxid (Fe₂O₃) zwischen 7 und 20, vorzugsweise zwischen 11 und 14 Prozent liegt.

5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3) zusätzlich ein Anteil von 3 bis 10, vorzugsweise 5 bis 7 Prozent Magnesiumoxid (MgO) enthalten.

6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3) zusätzlich ein Anteil von 5 bis 20, vorzugsweise 6 bis 12 Prozent Kalziumoxid (CaO) enthalten.

7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der Fasern (3) zwischen etwa 10 und etwa 70 Prozent liegt.

8. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3) durch thermisches Beschichten mit Partikeln aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, miteinander verbunden sind.

9. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3) in Form eines Gewebes miteinander verbunden sind.

10. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (3) in Form von Folie (5) durch Partikel miteinander verbunden sind.

11. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Folien (5) aus beschichteten Fasern (3) zusammen mit Zwischenlagen aus zusätzlichen Blechen aus Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen, die diese Metalle als Hauptbestandteile enthalten, miteinander verbunden sind.

12. Verbundwerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (1,2) eine Stärke von 0.01 bis 3 mm aufweisen.

13. Verbundwerkstoff nach der einem Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (5) aus beschichteten Fasern (3) in unterschiedlichen Orientierungen angeordnet sind.

14. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebetteten Fasern (3) bzw. Folien mit eingebetteten Fasern (3) bei Temperaturen oberhalb von 200°C zu Folien (1,2) verbunden werden.

15. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der eingebetteten Fasern (3) zu Folien (1,2) bei einem Preßdruck von wenigstens 10 MPa erfolgt.

16. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung in einer Vakuumkammer erfolgt.

17. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung unter Schutzgas in einem Autoklaven oder Schutzgasatmosphäre.

18. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach der einem Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Verbindung der einzelnen Schichten hergestellte Verbund zu einem Verbundblech gewalzt wird.

19. Verwendung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Herstellung eines Flugzeugrumpfes, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Teil des Rumpfes die Haut und/oder eine Hautverstärkung aus Verbundwerkstoff besteht.

Zeichnung