CN103338925B - 改进的纤维金属层压板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板的纤维金属层压板，其中纤维和金属特性同时满足以下关系：（1）ε纤维拉伸>Ksf*σtu/(1.5*Et金属)，(2)E纤维拉伸>K刚度*Et金属，(3)ε纤维压缩>Ksf*σtu/(1.5*Klf*Et金属)，其中应变集中因子Ksf、刚度因子K刚度和载荷因子Klf满足（4）2.75≤Ksf<5.7，(5)K刚度≥1.28，(6)1.5≤Klf≤3.5，并且σtu=金属的极限拉伸强度，Et金属=金属的拉伸杨氏模量，ε纤维拉 伸=纤维的弹性拉伸应变，E纤维拉伸=纤维的拉伸弹性模量，ε纤维压缩=纤维的弹性压缩应变。根据本发明的纤维金属层压板表现出韧性与拉伸强度的前所未有的组合。本发明进一步涉及一种由纤维金属层压板和进一步的元件组成的组件，所述进一步的元件通过黏合层被黏合到纤维金属层压板上，所述黏合层包括胶黏剂和/或纤维增强复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维金属层压板，其包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板。更具体而言，本发明涉及一种具有最佳配置的纤维金属层压板，其包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板。
背景技术
负载状况下的工程结构的性能是由很多设计参数决定的，而为某种具体应用限定最佳材料通常是繁琐的工作而且必须处理一些相冲突的要求。常用的工程材料有金属，如钢合金、钛合金、铝合金；纤维增强复合材料，如玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料和芳纶复合材料；以及以下将进一步限定的杂化材料。
纤维增强复合材料提供与诸如金属的其他优选材料相比相当大的重量优势。一般而言，重量减轻是以牺牲其他重要特性，例如延展性、韧性、承压强度、传导性和冷成型能力为代价而获得的。为了克服这些缺陷，人们已开发了被称为纤维金属层压板的新杂化材料以结合金属和复合材料的最佳属性。
纤维金属层压板，例如在US 4,500,589和US 5,039,571中描述的纤维金属层压板，是通过交替堆叠金属(最优选地为铝)薄层和纤维增强预浸料坯并在加热和压力下固化该堆叠物而获得的。这些材料在越来越多地用于诸如运输行业的诸多行业中，例如用于舰船、汽车、火车、飞机和航天器中。这些材料可用作板材和/或加强元件和/或用作这些运输工具的(本体)结构的加固件，如对于飞机而言，机翼、机身和尾板和/或飞机的其他蒙皮壁板和结构元件。
结构需要满足从静载荷到疲劳、冲击、腐蚀、结构响应/阻尼、重量、成本等的许多设计要求。虽然纤维金属层压板可以提供比铝合金之类的金属合金改进的抗疲劳(特别是裂纹扩展)性，但它们在结构中的性能仍有待改进。若能根据其特性区分适合的金属和纤维以基于这些组成部分实现纤维金属层压板(又称作FML)的适当整体性能，这将是特别地非常希望的。
本发明的目的是提供一种包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板的具有最佳结构响应的纤维金属层压板。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板的具有产生最佳结构响应的具备一纤维和金属特性范围的纤维金属层压板。
根据本发明，提供了一种包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板的纤维金属层压板，其中纤维增强复合层和相邻金属板的至少一个组合中的纤维和金属特性同时满足以下关系：
ε纤维拉伸>Ksf*σtu/(1.5*Et金属) (1)
E纤维拉伸>K刚度*Et金属 (2)
ε纤维压缩>Ksf*σtu/(1.5*Klf*Et金属) (3)
其中应变集中因子Ksf、刚度因子K刚度和载荷因子Klf满足
2.75≤Ksf<5.7 (4)
K刚度≥1.28 (5)
1.5≤Klf≤3.5 (6)
并且其中
σtu＝金属的极限拉伸强度
Et金属＝金属的拉伸杨氏模量
ε纤维拉伸＝纤维的弹性拉伸应变
E纤维拉伸＝纤维的拉伸弹性模量
ε纤维压缩＝纤维的弹性压缩应变
根据本发明的层压板使用满足以上关系式(1)至(6)的纤维金属组合。这种配置通过首先选择金属，确定其在室温下的极限拉伸强度和拉伸杨氏模量，并利用如关系式(4)至(6)所限定的应变集中因子Ksf、刚度因子K刚度的最小值和载荷因子Klf的最大值，借助于关系式(1)至(3)计算最小所需弹性纤维应变(拉伸和压缩)和弹性纤维模量而容易地获得。具有超过计算的应变值(式1和3)的弹性应变和超过计算的模量(式2)的弹性模量的任何纤维都将在被设计为用于复杂载荷情况(可以是在压缩和/或拉伸和/或疲劳下负载)的结构中为层压板提供所希望的性能。
最佳的纤维金属层压板的意思是指当在结构中使用时具有刚度、静强度和抗疲劳性的恰当组合的纤维金属层压板。本发明基于这样的理解：在结构中，一个重要的设计参数涉及应变集中，而不是像习惯作法那样涉及应力集中。基于应变集中因子Ksf选择材料特性是独特的，而且是重要的进步。
为了获得根据本发明的强韧的纤维金属层压板，重要的是适当地选择刚度因子K刚度。已证明刚度因子K刚度≥1.28产生最佳结构性能。在这方面，两个主要驱动因素是重要的，即，结构疲劳性能和总体刚度(主要针对压缩屈曲和气动弹性性能)。由于产品制造及较高的施加载荷，金属层的裂纹萌生可能过早地开始。通过选择K刚度≥1.28，保证了纤维具有足够的刚度以支撑金属层并且适当地匹配应用于纤维金属层压板中的金属的刚度。优选的是这样的纤维金属层压板，其中刚度因子K刚度被选择为使得满足K刚度≥1.34，更优选使得满足K刚度≥1.42。
拉伸和疲劳载荷主导的纤维增强复合结构的应变集中因子典型地在2.75≤Ksf<5.7之间变化，因为复合结构典型地具有0.4％<ε<0.5％的极限拉伸设计应变值，应用于这样的结构中的碳纤维具有约εf＝1.5％的断裂应变，并且一般而言复合纤维或多或少弹性地处于拉伸状态直到断裂。已发现，通过采用根据本发明(式(4))的应变集中因子范围，获得了抗拉伸和疲劳结构载荷且抗压缩载荷的纤维金属层压板。高性能结构经历大量不同的载荷工况，如拉伸、压缩、交替载荷工况(疲劳载荷工况)等。这些结构的极限正载荷至负载荷工况是在1.5≤Klf≤3.5之间的范围内，因此将载荷因子Klf(式6)考虑在内，纤维的弹性压缩应变需要满足式3。然而，还必须意识到纤维可具有像金属一样的应力应变性能，即，弹性和(半)塑性性能。研究表明该现象尤其可发生在压缩状态下的纤维上。极限弹性应变是纤维刚度非常显著地下降之处的应变。在这方面，它类似于金属的屈服应变或者甚至更好的比例极限。由于本发明涉及用于最佳结构的纤维金属层压板，因此被接收的是用于复合结构的普通压缩试验将给出适当的弹性压缩应变。优选的纤维金属层压板是其中载荷因子Klf被选择为使得1.5≤Klf≤2.5，更优选地使得1.5≤Klf≤2.0的纤维金属层压板。
根据本发明的层压板对冲击降低后的压缩几乎不敏感(常常甚至优于其金属成分)，因此可设计为对于纤维组合结构而言具有相当高的断裂应变。另外，将具有满足式(1)至式(6)的特性的纤维复合层和金属板相组合产生了其比例极限以上的具有高于金属板的刚度的纤维金属层压板，因此会使屈服强度提高。因此最小化了塑性范围内金属的降低刚度的影响。
在本发明的另一个实施例中，所有纤维增强复合层和金属层的纤维和金属特性都满足关系式(1)至(6)。
在一个优选的实施例中，提供了一种纤维金属层压板，其中应变集中因子Ksf被选择为使得满足3.0<Ksf<5.0。这样的层压板有利地用在拉伸和疲劳主导的结构中，换言之，用在压缩非关键或压缩不太关键的结构中。在另一个优选的实施例中，提供了一种纤维金属层压板，其中刚度因子K刚度被选择为使得满足K刚度≥1.34。这样的层压板更有利地用在对压缩屈曲敏感的结构中，换言之，用在拉伸和疲劳载荷不太关键的结构中。在另一个优选的实施例中，提供了一种纤维金属层压板，其中刚度因子K刚度被选择为使得满足K刚度≥1.42。这样的层压板更有利地用在压缩屈曲高度地主导的结构中，换言之，用在仍承受拉伸和疲劳载荷但对其几乎不敏感，即，几乎不受这些载荷支配的结构中。
根据本发明的另一个方面，提供了一种纤维金属层压板，其中满足关系式(1)至(6)的纤维部分按体积计占纤维增强复合层的总体积的至少25％，更优选地按体积计占至少30％，并且最优选地按体积计占至少35％。
根据本发明的特别优选的纤维金属层压板的特征在于满足关系式(1)至(6)的纤维的体积部分为0.35<Vf<0.6，更优选为0.40<Vf<0.54。
根据本发明的另一个方面，提供了一种纤维金属层压板，其中金属体积部分MVF>48％，更优选地MVF>52％，最优选地MVF>58％。
根据本发明的另一个方面，提供了一种纤维金属层压板，包括若干n个相互黏合且交替的纤维增强复合层和金属板。本发明的纤维金属层压板中的层数n可以在优选地从3至100，更优选地从3至50在很宽的限制之间变化。
根据本发明，纤维金属层压板优选地包括由不同金属制成的金属板。优选的层压板包括厚度范围在0.08mm与25.0mm之间，更优选地在0.2mm与12.5mm之间，最优选地在0.4与4.0mm之间的金属板，不包括所指示范围的端点。
在优选的实施例中，金属选自钢合金、铝合金和特别是钛合金。在另一个优选的实施例中，提供了一种纤维金属层压板，其中至少一个所述金属层包括具有刚度Et金属>70GPa，更优选地>75GPa的铝合金。
在本发明一个进一步优选的实施例中，提供了一种纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层包括具有拉伸弹性模量>92.5GPa，更优选地>100GPa的高刚度玻璃纤维、Copol纤维(由Tejin开发)或碳纤维。特别优选地碳纤维是T1000和/或IM10碳纤维。然而，由于潜在的电化作用，如果这些材料彼此相邻，大多数铝合金与碳纤维的组合不是优选的。该组合只有在铝合金和碳通过玻璃层之类的绝缘层或利用涂层碳纤维彼此屏蔽的情况下才是优选的。这些铝合金与碳的组合进一步地只有在非潮湿和/或非腐蚀性和/或惰性环境中才是优选的，这会防止或大大减小电化腐蚀的可能性。这样的应用例如用于太空应用中。然而，应注意的是新等级的铝合金(特别是铝锂合金)可具有电中性外表面，因此不腐蚀或几乎不腐蚀碳纤维。这些合金，如来自Constellium的AirwareTM合金，结合刚性碳纤维，因此是本发明的一部分。另外，应意识到的是，在碳纤维与钢合金和钛合金之间将(几乎)不发生潜在的电化作用。
本发明还涉及甚至当金属和纤维相对于彼此不是电中性时，根据本发明(即，满足关系式(1)至(6))的纤维金属层压板在非腐蚀性、非潮湿的或惰性环境中的使用。
纤维增强复合层可包括主要在一个方向上延伸的基本上连续的纤维和/或可包括主要在两个垂直方向上(例如在机织织物或交叉帘布层中)延伸的基本上连续的纤维。对于具有复杂载荷和刚度要求的高级结构来说，纤维增强复合层可包括主要在金属的轧制方向上、垂直于轧制方向和与轧制方向成角度的方向上延伸的基本上连续的纤维，从而角度方向会与轧制方向对称。
根据本发明的另一个方面，提供了一种纤维金属层压板，其中纤维增强复合层和/或金属板的数量在截面之间变化，因此纤维金属层压板的厚度也变化。这样的层压板还可具有逐渐减小的厚度并提供另外的设计自由。
在本发明的另一个方面中，提供了一种由根据本发明的纤维金属层压板和进一步的元件组成的组件，所述进一步的元件通过包括胶黏剂和/或纤维增强复合材料的黏合层或通过铆接和/或螺栓连接之类的机械方式连接到所述纤维金属层压板上。所述进一步的元件优选地包括选自下述的结构元件：飞机结构的平坦的或弯曲的加强板；加固件，例如角型材、Z形纵梁、帽形纵梁、C形纵梁、Y形纵梁；翼梁(型材)、翼肋(型材)、剪力固着楔和/或框架(型材)。所述进一步的元件优选地是由金属，例如铝合金、钛合金和/或钢合金；纤维增强复合材料，例如基于碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、PBO纤维、共聚物纤维的纤维增强复合材料；杂化材料，例如根据本发明的纤维金属层压板，及其组合制成的。
本发明进一步涉及一种飞机结构主部件，例如机身、机翼和/或尾板，其在至少一个位置处包括根据本发明的纤维金属层压板。特别优选的是包括至少一个铝锂板的这种部件。
本发明还涉及一种用于选择包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板的纤维金属层压板中的金属板特性和纤维特性，以便获得所述纤维金属层压板的最佳疲劳特性的方法。所述方法包括选择纤维增强复合层和相邻金属板的组合中的金属合金和纤维，使得所述纤维和金属特性同时满足以下关系式：
ε纤维拉伸>Ksf*σtu/(1.5*Et金属) (1)
E纤维拉伸>K刚度*Et金属 (2)
ε纤维压缩>Ksf*σtu/(1.5*Klf*Et金属) (3)
其中应变集中因子Ksf、刚度因子K刚度和载荷因子Klf满足
2.75≤Ksf<5.7 (4)
K刚度≥1.28 (5)
1.5≤Klf≤3.5 (6)
并且
σtu＝金属的极限拉伸强度
Et金属＝金属的拉伸杨氏模量
ε纤维拉伸＝纤维的弹性拉伸应变
E纤维拉伸＝纤维的拉伸弹性模量
ε纤维压缩＝纤维的弹性压缩应变
所述方法的进一步的实施例参照纤维金属层压板的实施例，如以上和以下根据本发明的纤维金属层压板的上下文中所述。所述方法的一个优选实施例，例如，是层压板中所有纤维增强复合层和金属板的纤维和金属特性满足关系式(1)至(6)的实施例。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图2为根据本发明的另一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图3为根据本发明的另一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图4为根据本发明的另一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图5为根据本发明的另一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图6为根据本发明的另一个实施例的纤维金属层压板的透视图；
图7说明了如本发明的纤维金属层压板中所使用的金属板的拉伸应力与应变的关系；
图8说明了如本发明的纤维金属层压板中所使用的纤维增强复合材料层的拉伸应力与应变的关系；
图9说明了最小所需弹性纤维应变和如根据本发明的纤维金属层压板中所使用的金属的拉伸强度与拉伸模量的比率之间的关系；
图10说明了最小纤维压缩应变和如根据本发明的纤维金属层压板中所使用的金属的拉伸强度与拉伸模量的比率之间的关系；
图11说明了最小纤维拉伸模量和如根据本发明的纤维金属层压板中所使用的金属的拉伸模量之间的关系；
具体实施方式
在以下说明中，参照附图，这些附图形成了其中的一部分并且以图解的方式示出了可实施本发明的具体实施例。然而，本发明可在没有这些具体细节的情况下实施，或者以这里所述方法的某种替代等效方法实施。
本发明的基础是一种纤维增强复合层与至少一个金属板的独特排布。根据本发明，提供了一种纤维金属层压板，其包括纤维增强复合层与金属板，其中纤维特性与金属特性以特定方式相关，如式(1)至式(6)所给出。纤维增强复合层优选地包括以胶黏剂预浸的纤维(预浸料坯)。预浸料坯层与金属板组成的***优选地在加热与压力下进行处理以使胶粘剂固化并形成坚固的板或组件。
发明人已发现具有根据式(1)至式(6)的纤维特性的纤维金属层压板比现有技术已知的纤维金属层压板具有更好的结构特性，即，改进的强度、刚度、抗疲劳性和损伤容限。在式(1)至式(3)中所使用的参数在图7和图8中进行了限定。可以观察到在纤维金属层压板的金属板中所使用的金属与纤维复合材料之间存在行为上的显著差异。金属表现出如图7所示的弹塑性行为，从而金属能够在超过屈服应力时发生塑性变形，直到以相对较大的断裂应变达到金属的极限拉伸强度σtu。在多数情况下，该断裂应变大于4％，可达18％，其中最大的部分位于金属的塑性区域。金属的拉伸杨氏模量Et金属在塑性区域大大减小。相比之下，多数纤维复合材料主要由于纤维的原因而典型地几乎表现出直到断裂的弹性行为。然而，纤维能够表现出如图8针对纤维所示的与金属类似的应力应变行为。该现象通常更多发生在纤维的压缩范围内。在纤维具有弹塑性行为的情况下，极限弹性应变(ε极限弹性拉伸和ε极限弹性压缩)在图8中示出。
式(1)至式(3)的纤维特性是根据ASTM规范而确定的。
更确切地说，拉伸状态下的极限弹性应变以及拉伸状态下的纤维的杨氏模量是根据ASTM D2101对纤维样品确定的。
压缩状态下的极限弹性应变是根据ASTM D-695对单向复合材料确定的。极限弹性应变将由通过在如ASTM方法所述的偏置所确定的屈服强度时的应变来确定。相关联的应变在图8中分别被称作ε屈服拉伸和ε屈服压缩。极限弹性应变ε极 限弹性拉伸和ε极限弹性压缩将为：
ε极限弹性拉伸＝ε屈服拉伸-ε偏置
ε极限弹性压缩＝ε屈服压缩-ε偏置
对于金属，偏置通常取值为ε偏置＝0.2％。由于复合材料通常具有非常低的断裂应变，特别是在压缩状态下，因此偏置应取值为小于0.2％，最优选地等于或小于0.1％。金属和复合加强纤维之间的机械行为的巨大差异对现实生活结构中的应力集中具有显著影响。本发明基于这样的理解：考虑到容许的应变集中而非应力集中，重要的是使组成材料的特性相匹配。
本发明的纤维金属层压板中的所需最小弹性拉伸应变与所使用的金属的特性之间因而产生的关系(式(1))在图9中针对应变集中因子Ksf的不同值以图表描绘。根据本发明的纤维金属层压板使用极限弹性拉伸应力处于线Ksf＝2.75和Ksf＝5.0上以及在二者之间的纤维。虽然最佳关系原则上适于任何金属特性，但由于实际原因，优选地设定金属特性的下限。参数σtu/Et的优选下限为0.003。在值0.003以下，纤维金属层压板中的金属和纤维的特性会太低。对于该非优选的区域，在图9中使用了阴影线。
本发明的纤维金属层压板中的纤维所需最小弹性压缩应变与所使用的金属的特性之间因而产生的关系(式(3))在图10中针对应变集中因子Ksf和载荷因子Klf的不同值以图表描绘。根据本发明的纤维金属层压板使用极限弹性压缩应力处于线Ksf＝2.75且Klf＝3.5和Ksf＝5.0且Klf＝1.5上以及在二者之间的纤维。虽然最佳关系原则上适于任何金属特性，但由于实际原因，优选地设定金属特性的下限。参数σtu/Et的优选下限为0.002。在值0.002以下，纤维金属层压板中的金属和纤维的特性会太低。对于该非优选的区域，在图10中使用了阴影线。
本发明的纤维金属层压板中的纤维所需最小模量与所使用的金属的模量之间因而产生的关系(式(2))在图11中针对刚度集中因子的值K刚度＝1.28以图表描绘。根据本发明的纤维金属层压板使用拉伸弹性模量处于该线上及其右侧的纤维。非优选的区域具有低于50GPa的金属模量，如图11中以阴影线所示。
根据本发明的纤维金属层压板中的纤维增强复合层轻而坚固，并且包括嵌入聚合物中的增强纤维。聚合物还可以起到各层之间的黏合装置的作用。适合用在纤维增强复合层中的增强纤维取决于金属板中的金属选择(参见式(1)至式(3))，但可以包括玻璃纤维、碳纤维、共聚物纤维和金属纤维和/或以上纤维的组合优选的纤维包括具有相对较高拉伸强度和/或刚度的增强纤维，在该类型中诸如超高刚度玻璃纤维、共聚物纤维和碳纤维的高模数纤维是特别优选的。优选的增强纤维包括碳纤维。特别优选的纤维金属层压板包括含有T1000和/或IM10碳纤维的纤维增强复合层。
增强纤维的适合基质材料实施例包括但不限于热塑性聚合物，例如聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮，聚氨酯，聚苯硫醚(PPS)，聚酰胺-酰亚胺，聚碳酸酯，聚苯醚(PPO)共混物以及一种或多种上述聚合物的混合物和共聚物。适当的基质材料还包括热固性聚合物，例如环氧树脂、不饱和聚酯树脂、蜜胺/甲醛树脂、苯酚/甲醛树脂、聚氨基甲酸乙酯，其中热固性聚合物环氧树脂是最优选的。纤维复合材料典型地包括按体积计从25％至60％的纤维。
在根据本发明的层压板中，纤维增强复合层优选地包括在多个方向上(如0°,90°)以相对于金属的轧制方向对称的角度，更优选地在两个几乎正交的方向上(例如交叉帘布层或各向同性机织织物)延伸的基本上连续的纤维。然而，更优选地是纤维增强复合层包括主要在一个方向上延伸的基本上连续的纤维(所谓的UD材料)。有利的是使用预浸半成品形式的纤维增强复合层。这种“预浸料坯”在固化后表现出总体上良好的机械特性，除其他原因之外，这是因为纤维已被基质聚合物预先浸湿。
纤维金属层压板可通过在压力下加热并随后冷却的方式将若干金属板和纤维增强复合层相互连接而获得。本发明的纤维金属层压板具有良好的特定机械特性(每单位密度的特性)。特别适合使用的金属包括钢(合金)和轻金属，例如铝合金以及特别是钛合金。适合的铝合金基于诸如铜、锌、镁、硅、锰和锂的合金元素。还可添加少量的铬、钛、钪、锆、铅、铋和镍以及铁。适合的铝合金包括铝铜合金(2xxx系列)、铝镁合金(5xxx系列)、铝硅镁合金(6xxx系列)、铝锌镁合金(7xxx系列)，铝锂合金(2xxx、8xxx系列)以及铝镁钪合金，适当的钛合金包括但不限于以下合金，包括Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-15Mo-3Al-3Nb、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4V-2Sn。在其他方面，本发明不限于使用这些金属的层压板，从而如果希望的话，可以使用其他金属，例如钢或另一种适当的结构金属。本发明的层压板还包括不同合金的金属板。
虽然应用较薄金属板本身导致较高成本因此并非自然地显而易见，但证明了将它们应用于层压板中会引起层压板特性的改进。根据本发明的层压板另外有利的是只需在层压板中应用几个金属板就足以实现这些改进的特性。如果层压板中的纤维增强复合层中的预浸料坯的厚度小于0.8mm，优选地包含在0.1和0.6mm之间，就实现了相同的优点。
根据本发明的纤维金属层压板通常会是由若干金属板和若干纤维增强复合层形成的，其条件是纤维增强复合层中使用的纤维的特性满足式(1)至式(6)。
纤维金属层压板的外层包括金属板和/或纤维增强复合层。金属层的数量可在一个大范围内变化，至少为一。在特别优选的纤维金属层压板中，金属层的数量为二、三或四，纤维增强复合层优选地应用于每个金属层之间。取决于设定的预期用途和要求，金属板的最佳数量可由本领域的技术人员容易地确定。金属板的总数一般不超过40，虽然本发明不限于具有像这样最大数量的金属层的层压板。根据本发明，金属板的数量优选地是在1与30之间，更优选地在1与10之间，金属板优选地具有至少0.25GPa的拉伸极限强度。
为了防止层压板由于内在张力而翘曲，根据本发明的层压板相对于穿过层压板厚度的中心的平面对称地构造。
根据本发明的纤维金属层压板配制通过排布(交替)纤维增强复合材料层，优选地使用预浸料坯以及至少一个金属板而容易地获得。纤维金属层压板可按照很多不同排布方式进行设计。
参照图1，示出了根据一个实施例的纤维金属层压板，其中总层数为3，层1和层3包括金属层,并且层2包括纤维复合层。可替代地，层1和层3包括纤维复合层，并且层2为金属层。层1和层3可包括相同的金属或者可以是不同种类的金属。纤维复合层可包含多个方向上的纤维以及不同种类的纤维，其中至少一个所述纤维复合层中的至少一个纤维类型相对于至少一个金属层而言满足式(1)至式(6)中设定的要求。应注意的是，层1至层3的外部尺寸不一定是相同的。例如，层3和层2可以具有相同的尺寸，而层1的尺寸较大。对于例如局部增强(层2为复合层，层3为金属层)的较大金属板是这种情况。
参照图2，示出了根据另一个实施例的纤维金属层压板，其中总层数为n，并且其中层1为金属层，层2为纤维复合层，这些层会交替至层n-1和层n。可替代地，层1为纤维复合层，层2为金属层，这些层会交替至层n-1和层n。交替的金属层可以是由相同的金属或不同种类的金属制成。同样，至少一个所述交替的纤维复合层可包含多个方向上的纤维以及不同种类的纤维，其中至少一个所述纤维复合层中的至少一种纤维类型相对于距离层压板的中心线最远的相邻金属层而言满足式(1)至式(6)中设定的要求。在层压板的外层为纤维复合层的情况下，该层优选地需要相对于其相邻金属层满足式(1)至式(6)中设定的要求。应注意的是，层1至层n的外部尺寸不一定是相同的。
参照图3，示出了根据本发明的纤维金属层压板的另一个实施例。在所示实施例中，层1和层3为金属层，层2为纤维复合层，或者可替代地，层1和层3为纤维复合层，层2为金属层。层1和层3可以是相同的金属或不同种类的金属。纤维复合层可包含多个方向上的纤维以及不同种类的纤维，其中至少一个所述纤维复合层中的至少一个纤维类型满足式(1)至式(6)中设定的要求。同样，层1、层2和/或层3可以是相对于至少一个所述金属层而言的根据图1或图2的层压板。应注意的是，层1至层3的外部尺寸不一定是相同的。
参照图4，示出了根据本发明的纤维金属层压板的另一个实施例。在该实施例中，层1为金属层且层2为复合层，这些层会交替至层n-1和层n，或者可替代地，层1为复合层且层2为金属层，这些层会交替至层n-1和层n。这些交替的金属层可以是由相同金属或不同种类的金属制成的，并且至少一个所述交替复合层可包含多个方向的纤维以及不同种类的纤维，其中所述复合层之一中的至少一种纤维类型相对于距离层压板的中心线最远的相邻金属层而言满足设定的要求。在层压板的外层为纤维复合层的情况下，该层需要相对于其相邻金属层满足式(1)至式(6)中设定的要求。如图4所示，纤维增强复合层和/或金属板的数量在截面之间变化。假定金属板为白色层，并且纤维复合层为较暗层，纤维复合层的数量从图中左侧截面中的(n-1)/2层变化至图中右侧截面中的零(纤维复合层被中断)，其结果是具有变化(即逐渐变小的)厚度的纤维金属层压板。同样，层1、层2和/或层3可以是根据图1或图2的层压板。应注意的是，层1至层n的外部尺寸不一定是相同的。
参照图5，示出了根据本发明的纤维金属层压板的又一个实施例，其中层1和层3为金属层，并且层2为纤维复合层，或者可替代地，层1和层3为纤维复合层，并且层2为金属层l，其中层1和层3可为相同金属或不同类型的金属，并且其中纤维复合层可包含多个方向的纤维以及不同种类的纤维，其中所述纤维复合层之一中的至少一种纤维类型满足式(1)至式(6)中设定的要求同样，层1、层2和/或层3可以是根据图1或图2的层压板。
参照图6，示出了根据本发明的纤维金属层压板的再一个实施例，其中层1为金属层，层2为纤维复合层，这些层会交替至层n-1和层n。可替代地，层1为复合层，层2为金属层，这些层会交替至层n-1和层n。这些交替的金属层可以是由相同金属或不同种类的金属制成的，并且至少一个所述交替复合层可包含多个方向的纤维以及不同种类的纤维，其中所述复合层之一中的至少一种纤维类型相对于距离层压板的中心线最远的相邻金属层而言满足式(1)至式(6)中设定的要求。在层压板的外层为纤维复合层的情况下，该层需要相对于其相邻金属层满足式(1)至式(6)中设定的要求。同样，层1、层2和/或层3可以是根据图1或图2的层压板。
这些层压板是通过例如在平坦的或弯曲的模上制备如图1至图6所例示的以此顺序的一堆纤维复合材料和金属板来生产的。在层压之后，整体结构例如在高压釜中，优选地在真空下以适合基质树脂、优选地环氧或热塑性树脂的温度被固化，以便从层压板排出截留的气体。对于多数应用来说，具有高玻璃化温度的环氧或热塑性树脂将是最适合的。然而任何环氧树脂都可以使用。环氧树脂通常在室温或略高于室温下、在约125℃的温度下或约175℃的温度下固化。在压力下固化后，获得巩固的层压板。如上所述，还有可能使用热塑性树脂。
实例与对比例
将通过几个实例来说明本发明，据此使用了表1和表2的特性。这些实例在表3中示出，据此应用了Ksf＝2.75,K刚度＝1.28并且Klf＝3.5。
表3清楚地示出已知层压板，如GLARE(带有S2-玻璃纤维的铝2024-T3或7475-T761)、ARALL(带有最初的Kevlar纤维的铝2024-T3或7475-T761)和Ti-Gr(Ti-6Al-4V和T300碳纤维)，不满足本发明所列出的要求。该表还清楚地表明与铝合金相关的带有Copol纤维之类新纤维的纤维金属层压板是根据本发明的。
表1、表2、表3如下如示。
表1
表2
表3
本发明强调尤其是对于具有玻璃纤维的层压板而言纤维刚度的重要性。而且，本发明强调对于几乎所有其他纤维而言弹性压缩应变的重要性。
根据本发明的纤维金属层压板有利地用于构造承重结构，例如飞机结构。该层压板还有利地用于带有进一步的元件的组件中，该进一步的元件通过包括胶黏剂和/或纤维增强复合材料的黏合层黏合到纤维金属层压板上。该进一步的元件可以包括飞机(子)结构，例如平坦的或弯曲的加强板；加固件，例如角型材、Z形纵梁、帽形纵梁、C形纵梁、Y形纵梁；翼梁(型材)、翼肋(型材)、剪力固着楔和/或框架(型材)。
Claims (31)
1.一种包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板的纤维金属层压板，其中纤维增强复合层和相邻金属板的至少一个组合中的纤维和金属的特性同时满足以下关系：
ε纤维拉伸>Ksf*σtu/(1.5*Et金属) (1)
E纤维拉伸>K刚度*Et金属 (2)
ε纤维压缩>Ksf*σtu/(1.5*Klf*Et金属) (3)
其中应变集中因子Ksf、刚度因子K刚度和载荷因子Klf满足
2.75≤Ksf<5.7 (4)
K刚度≥1.28 (5)
1.5≤Klf≤3.5 (6)
并且
σtu＝金属的极限拉伸强度
Et金属＝金属的拉伸杨氏模量
ε纤维拉伸＝纤维的弹性拉伸应变
E纤维拉伸＝纤维的拉伸弹性模量
ε纤维压缩＝纤维的弹性压缩应变。
2.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述载荷因子Klf被选择为使得1.5≤Klf≤2.5。
3.根据权利要求2所述的纤维金属层压板，其中所述载荷因子Klf被选择为使得1.5≤Klf≤2.0。
4.根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板，其中所述应变集中因子Ksf被选择为使得满足3.0<Ksf<5.0。
5.根据权利要求1纤维金属层压板，其中所述刚度因子K刚度被选择为使得满足K刚度≥1.34。
6.根据以上权利要求5所述的纤维金属层压板，其中所述刚度因子K刚度被选择为使得满足K 刚度≥1.42。
7.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中满足关系式(1)至(6)的纤维部分按体积计占所述纤维增强复合层的总体积的至少25％。
8.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中满足关系式的金属部分MVF>48％。
9.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中一个或两个外层包括金属板。
10.根据1权利要求1所述纤维金属层压板，其中一个或两个外层包括纤维增强复合材料。
11.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述金属板包括一种不同的金属。
12.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，包括不同的纤维。
13.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所有纤维增强复合层和金属层的纤维和金属特性满足所述关系式(1)至(6)。
14.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述金属板的厚度范围在0.08mm与25.0mm之间，不包括所述指示范围的端点。
15.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述金属选自钢合金、铝合金和钛合金。
16.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中至少一个所述金属层包括具有Et金属>70GPa。
17.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述金属表面和所述纤维相对于彼此为电中性。
18.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层包括T1000和/或IM10的碳纤维。
19.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层包括共聚物纤维。
20.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层包括具有拉伸弹性模量Et纤维>92.5GPa的超高刚度玻璃纤维。
21.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中至少一个所述纤维增强复合层包括主要在 一个方向上延伸的连续的纤维。
22.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中至少一个所述纤维增强复合层包括在多个方向上延伸的连续的纤维。
23.根据权利要求1所述的纤维金属层压板，其中所述纤维增强复合层和/或金属板的数量在截面之间变化，因此所述纤维金属层压板的厚度也变化。
24.一种由根据以上权利要求中任一项所述的纤维金属层压板和进一步的元件组成的组件，所述进一步的元件通过黏合层黏合到所述纤维金属层压板上或通过机械紧固方式进行连接，所述黏合层包括胶黏剂和/或纤维增强复合材料。
25.根据权利要求24所述的组件，其中所述进一步的元件可以包括选自下述的至少一个结构元件：飞机结构的平坦的或弯曲的加强板、加固件、翼梁型材、翼肋型材、剪力固着楔和/或框架型材，或它们的组合。
26.根据权利要求24所述的组件，其中所述进一步的元件包括由金属和/或金属板和纤维复合层的组合制成的平板或锥形板。
27.根据权利要求24，25或26所述的组件，其中所述进一步的元件是由金属、纤维增强复合材料、杂化材料，或它们的组合制成。
28.一种飞机结构主部件，所述飞机结构主部件在至少一个位置处包括根据权利要求1至23之一所述的纤维金属层压板。
29.根据权利要求28所述的部件，包括至少一个铝锂板。
30.一种用于选择包括相互黏合的纤维增强复合层和金属板的纤维金属层压板中的金属板特性和纤维特性，以便获得所述纤维金属层压板的最佳疲劳特性的方法，所述方法包括选择纤维增强复合层和相邻金属板的组合中的金属合金和纤维，使得所述纤维和金属的特性同时满足以下关系式：
ε纤维拉伸>Ksf*σtu/(1.5*Et金属) (1)
E纤维拉伸>K刚度*Et金属 (2)
ε纤维压缩>Ksf*σtu/(1.5*Klf*Et金属) (3)
其中应变集中因子Ksf、刚度因子K刚度和载荷因子Klf满足
2.75≤Ksf<5.7 (4)
K刚度≥1.28(5)
1.5≤Klf≤3.5 (6)
并且
σtu＝金属的极限拉伸强度
Et金属＝金属的拉伸杨氏模量
ε纤维拉伸＝纤维的弹性拉伸应变
E纤维拉伸＝纤维的拉伸弹性模量
ε纤维压缩＝纤维的弹性压缩应变。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述纤维金属层压板是根据权利要求1至23中任一项所述的纤维金属层压板。
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