DE3390383T1

DE3390383T1 - Mehrschichtiges Verbundmaterial mit variabler Dichte

Info

Publication number: DE3390383T1
Application number: DE19833390383
Authority: DE
Inventors: Raymond Castries Klein; Jean-André Paris Loupere
Original assignee: Industrielle Plastique Mécanique, Saint-Mathieu-de-Treviers
Priority date: 1982-12-13
Filing date: 1983-12-12
Publication date: 1985-01-24
Also published as: FR2537502B1; JPS60500364A; GB2141379A; WO1984002306A1; GB2141379B; GB8420409D0; AU2332284A; FR2537502A1

Description

MEHRSCHICHTIGES VERBUNDMATERIAL MIT VARIABLER DICHTE

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft ein neues mehrschichtiges Verbundmaterial, das insbesondere ein Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Dichte und ein Verhältnis von Reißwiderstand zu Dichte aufweist, die über den entsprechenden Werten von Metallen liegen, insbesondere von Stahl und Titan, sowie seine Anwendungen beispielsweise zur Herstellung von kugelsicheren Westen, Panzer- und Schutzwänden, Trägern, Tennisschlägern, Ski , Segelbrettern, Wasserfahrzeugen, Behältern und dergleichen.

Zugrundeliegender Stand der Technik:

Man hat bereits versucht, in Anwendungsfällen der vorstehend genannten Art die herkömmlichen Materialien wie Metalle und metallische Legierungen durch Verbundmaterialien zu ersetzen, die sehr viel leichter und leichter formbar sind, beispielsweise durch Formpressen.

Man kennt insbesondere Schichtstoffe, die aus mit einem Kunstharz umhüllten oder getränkten Borfasern bestehen und die durchaus befriedigende mechanische Eigenschaften besitzen, deren sehr hoher Herstellungspreis jedoch die Anwendungsfälle begrenzt. Man weiß ferner,daß ein Mate-

rial wie beispielsweise gesintertes Borkarbid einen hohen Widerstand für Stöße oder Schläge besitzt, jedoch ein als "zerbrechlich" zu bezeichnendes Verhalten gegenüber Schockwellen besitzt, wobei sein Brechen sich in einem plötzlichen und vollständigen Zusammenbrechen ausdrückt. Darüberhinaus muß dieses Material bei einer Temperatur von mehr als 1500° C geformt werden und sein Herstellungspreis ist äußerst hoch.

Man kennt ferner Schichtstoffe die mit Kunstharz oder Kunststoffmaterial umhüllte Kohlenstoffasern des oberen Wertebereichs umfassen und deren Verhältnis von Elastizitätsmodul zu Dichte und Bruchwiderstand zu Dichte sehr hoch sind. Jedoch ist der Widerstand dieser Materialien gegenüber Stoßen oder heftigen Schlägen mittelmäßig und ihr Bruchverhalten ist von der als "zerbrechlich" zu bezeichnenden Art. Ferner weisen sie einen sehr hohen Herstellungspreis auf.

Man findet ferner auf dem Markt seit einiger Zeit Schichtstoffe, die aus unter dem Warenzeichen "KEVLAR" in den Handel gebrachten Aramidfasern bestehen, die jedoch einen sehr hohen Herstellungspreis besitzen und einen ungenügenden Widerstand gegenüber Kompression und Scherwirkung aufweisen. Diese Verbindungen aus Aramidfasern und Kunststoff oder Kunstharz werden derzeit in der Form von weichen Bahnen oder Matten für die Herstellung von kugelsicheren Westen verwendet. Diese weichen Matten verhindern jedoch für sich allein noch nicht das Hindurchtreten von perforierenden Geschossen und altern relativ rasch, wenn sie ultravioletter Strahlung ausgesetzt sind.

Ferner kennt man Verbundmaterialien, die aus zwei Plat-

ten eines duktilen Materials (Metall oder Metallegierung) bestehen und die auf eine Seele eines Kunststoffmaterials geklebt sind. Diese Verklebung jedoch gewährleistet nicht immer die Homogenität der gesamten Anordnung, wenn das Verbundmaterial mechanischen Belastungen oder starken Temperaturerhöhungen ausgesetzt ist und zwar aufgrund der erheblichen Unterschiede der mechanischen Eigenschaften und der Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Platten des duktilen Materials und der Kunststoffseele.

Offenbarung der Erfindung:

Die Erfindung hat zum Ziel ein leichtes Verbundmaterial, das mechanische Eigenschaften aufweist, die zumindest mit jenen konkurrierender Verbundmaterialien (beispielsweise auf der Basis von Aramidfasern) vergleichbar sind, dessen Herstellungspreis aber erheblich unter jenem der konkurrierenden Verbundmaterialien liegt und das nicht die oben genannten Nachteile aufweist.

Das erfindungsgemäße mehrschichtige Verbundmaterial umfaßt eine Mittelschicht, die aus miteinander verwebten metallischen oder synthetischen Fäden oder Fasern besteht und mit einem Kunststoffmaterial getränkt ist, sowie mindestens eine äußere Deckschicht und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Mittelschicht über deren Dicke hin variiert und von deren Mittelebene zu deren Außenseiten hin zunimmt, wobei das Verhältnis der Dichte der äußeren Fasern zu der Dichte der Fasern in der Mittelebene des Materials einen Wert zwischen 3 und 13 aufweist.

Diese Struktur mit variabler Dichte des Materials erlaubt

einerseits das Materialgewicht herabzusetzen, und andererseits, einen Elastizitätsmodul bezüglich Biegung und ein Trägheitsmoment bezüglich Biegung und Torsion zu erhalten, die besonders günstig sind.

Je nach Art der Anwendungsfälle, für welche das Verbundmaterial bestimmt ist, kann das die Mittelschicht tränkende Kunststoffmaterial starr, halbstarr oder weich sein, wobei die äußere Deckschicht aus einem Material bestehen kann, das eine große Oberflächenhärte aufweist (beispielsweise Aluminiumoxyd oder Keramik). Die äußere Deckschicht kann aber auch aus Fasern bestehen, die in ein Kunststoffmaterial eingetaucht sind, das identisch oder kompatibel mit dem die gewebte Matte tränkenden Kunststoffmaterial ist, wobei die Fasern dieser äußeren Deckschicht beispielsweise solche aus Bor, Kohlenstoff, Glas oder Aramid sein können.

Ganz allgemein verhindert das erfindungsgemäße Verbundmaterial den Durchtritt von Stoßwellen, die beispielsweise von dem Aufschlag eines Geschosses herrühren, wobei es gleichzeitig in bestimmten Anwendungsfällen den Durchtritt des Projektils verhindert. Dieses erfindungsgemäße Verbundmaterial weist ferner den Vorteil auf, daß es nicht ein Bruchverhalten nach Art eines Zerbrechens aufweist, wenn es Schockwellen oder Einschlagen ausgesetzt ist und daß es eine relativ sehr hohe Dehnungsfähigkeit bis zum Reissen aufweist.

Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung umfaßt das Material übereinander gelegte gewebte Schichten der vorstehend genannten Art, die miteinander verbunden sind und zwischen denen Platten aus einem starren und harten Ma-

terial wie beispielsweise Borkarbid, Aluminiumoxyd, Keramik, Titan usw. angeordnet sind, wobei diese zwischen zwei gewebten Schichten angeordneten starren Platten durch mit Kunststoff gefüllte Zwischenräume voneinander getrennt sind und die beiderseits einer gewebten Schicht angeordneten Platten relativ zueinander derart versetzt sind, daß sie sich beiderseits dieser Schicht gegenseitig überlappen.

So erhält man in Abhängigkeit der Plattenabmessungen eine mehr oder weniger weiche Struktur, die sich zur Herstellung von kugelsicheren Westen oder Kleidungsstücken eignet.

Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung wird das Verbundmaterial in Form eines Hohlprofiles mit kreisförmigem, länglichem oder polygonalem Querschnitt hergestellt, dessen Außenfläche eine Kunststoffschicht hoher Oberflächenhärte umfaßt. Diese Eigenschaften weisen insbesondere auf die Herstellung von Trägern, Stäben, Stangen, Rahmen usw. hin.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung,das insbesondere auf die Herstellung von Ski abzielt, umfaßt das Material eine Mittelschicht aus einem Kunststoff wie beispielsweise einem Epoxidharz, die zwischen zwei gewebten Schichten der vorstehend genannten Art angeordnet ist, deren Außenflächen jeweils mit einer Schicht aus kunststoffumhüllten Fasern bedeckt sind.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung:

In der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen

wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigen:

die Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundmaterials ;

die Fig. 2 einen schematischen Schnitt, welcher die Anwendung der Erfindung zur Herstellung einer kugelsicheren Weste zeigt;

die Fig. 3 einen schematischen Schnitt, welcher eine

weitere Anwendung der Erfindung zur Herstellung eines

Verstarkungselementes einer kugelsicheren Weste bekannter Art zeigt;

- die Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer Panzer- oder Schutzwand;

- die Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung für kugelsichere Westen;

- die Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines zelligen Trägers unter Verwendung des erfindungsgemäßgen Verbundmaterials;

die Fig. 7, 8 und 9 Querschnittsansichten von Strukturen mit kreisförmigem, rechteckigem bzw. länglichem Querschnitt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Materials;

die Fig. 10 eine Schnittansicht durch eine Laufsohle eines Skis unter Verwendung des erfindungsgemäßen

Materials.

Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, die einen schematischen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundmaterials zeigt.

Dieses Verbundmaterial umfaßt eine Mittelschicht 10, die aus miteinander verwobenen metallischen oder synthetischen Fäden oder Fasern 12 besteht und die über ihre gesamte Dicke und ihre gesamte Fläche mit einem Kunststoffmaterial 14 getränkt ist, das je nach den vorgesehenen Anwendungsfällen des Materials starr, halbstarr oder weich sein kann.

Eine Seite der Schicht 10 ist mit mindestens einer Schicht 16 eines Materials bedeckt, das aus Fasern 19 besteht, die mit einem Kunststoffmaterial umhüllt sind, das identisch oder kompatibel mit dem Kunststoffmaterial 14 ist, mit dem die Schicht 10 getränkt ist. Die andere Seite der Schicht 10 ist ebenfalls mit einer Schicht 18 eines Materials bedeckt, das aus Fasern besteht, die mit einem Kunststoffmaterial umhüllt sind, das wie im Falle der Schicht 16 identisch oder kompatibel mit dem

die Schicht 10 tränkenden Kunststoffmaterial ist. Nach Art der Anwendungsfälle kann das Material der Schicht identisch mit jenem der Schicht 16 sein oder aus Fasern bestehen, die von jenen der Schicht 16 verschieden sind. Die Dicke der Schicht 18 kann ebenfalls mit jener der Schicht 16 gleich oder von dieser verschieden sein. Die Dichten dieser beiden Schichten können gleich oder voneinander verschieden sein.

Dank des Kunststoffmaterials, mit dem sie getränkt sind, sind die Mittelschicht 10 und die äußeren Schichten 16 und 18 eng miteinander verbunden und hängen auf diese Weise zusammen, ohne daß die Gefahr eines Abreißens oder Ablösens besteht, wenn das Verbundmaterial sehr harten mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt wird.

Die Dichte der Mittelschicht ist über ihre Dicke hin veränderlich und nimmt von ihrer (parallel zu den Außenschichten 16 und 18 gerichteten) Mittelebene zu ihren Außenseiten hin zu. Die Außenschichten 16 und 18 können jeweils eine im wesentlichen konstante oder auch eine variable Dichte aufweisen, die nach außen hin ansteigt derart, daß bei dem erfindungsgemäßen mehrlagigen Verbundmaterial -das Verhältnis der Dichte der äußeren Fasern zu der Faserdichte in der Mittelebene einen Wert von 3 bis 13 hat.

Das Verbundmaterial kann durch Warmguß oder Kaltguß unter Druck oder auch durch Einspritzen des Kunststoffmaterials in eine Form gebilder werden, welche eine oder mehrere zur Bildung der Schicht 10 bestimmte Matten aus metallischem oder synthetischem Gewebe sowie aus Fasern gewebte Platten oder Matten enthält, die zur Bildung der Schicht 16 und der Schicht 18 bestimmt sind.

Die Mittelschicht 10 kann aus mehreren Matten eines metalischen oder synthetischen Gewebes oder aus einem Gewebe aus metallischen oder synthetischen Fäden oder Fasern mit dreifacher Webrichtung bestehen. Diese Fäden oder Fasern können solche aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von weniger als oder gleich 0,2 nun oder auch Fäden aus einer Leichtmetallegierung mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften sein oder auch aus einer Mischung oder einer Zusammenfassung von metallischen Fäden oder Fasern und synthetischen Fäden oder Fasern bestehen.

Die zur Bildung der Schichten 16 und 18 verwendeten Fasern können Borfasern, Kohlenstoffasern, Glasfasern, Aramidfasern usw. sein. Die zum Tränken der Mittelschicht

und der Schichten 16 und 18 verwendeten Materialien können warm oder kalt unter Druck polymerisierbare Kunstharze, ein Silikonelastomer, Polyurethan usw. sein.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial hat folgende wesentliche Eigenschaften: Seine Werte der Verhältnisse von Elastizitätsmodul zu Dichte und Reißwiderstand zu Dichte liegen erheblich über den entsprechenden Werten von Metallen und insbesondere von Stahl und Titan, insbesondere wenn die Schicht 10 aus einem Stahlfadengewebe besteht. Das Verbundmaterial besitzt einen sehr guten Dämpfungskoeffizient für mechanische und akkustische Vibrationen. Das Verbundmaterial besitzt einen sehr hohen Reckgrad bis zur Reißgrenze, wobei das Reißen progressiv und partiell erfolgt.

Im folgenden wird nun Bezug auf Fig. 2 genommen, welche eine Anwendung der Erfindung für die Herstellung einer kugelsicheren Weste zeigt.

Die in der Fig. 2 dargestellte Struktur umfaßt eine bestimmte Anzahl von Matten 20 mit variabler Dichte, im vorliegenden Fall fünf, die jeweils eine Lage oder eine Matte aus miteinander verwebten metallischen Fäden oder Fasern umfassen, die mit einem weichen Kunststoffmaterial getränkt ist und gegebenenfalls auf einer Seite oder beiden Seiten eine Faserschicht trägt, die mit demselben weichen Kunststoffmaterial getränkt ist. Zwischen den Matten 20 sind Plättchen 22 eines sehr harten Materials wie beispielsweise Borkarbid oder Titan angeordnet, die zwischen zwei Matten 20 in einem Abstand voneinander angeordnet und beiderseits einer Matte 20 relativ zueinander versetzt sind derart, daß sich die auf jeder Seite einer Matte liegenden Plättchen teilweise überlappen.

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Die Plättchen 22 haben beispielsweise eine Länge oder eine vertikale Abmessung, die zwischen 10 und 20 cm liegt, während ihre Breite oder horizontale Dimension zwischen 4 cm und 8 cm beträgt. Die Zwischenräume 24, welche die zwischen zwei Matten 20 liegenden Plättchen 22 trennen, werden mit demselben weichen Kunststoffmaterial während der Formung der gesamten Struktur ausgefüllt. Die Dicke der in der Fig. 2 dargestellten Struktur beträgt beispielsweise ungefähr 4 mm. Das weiche Kunststoffmaterial, mit welchem die Lagen 20 getränkt sind und das die Zwischenräume 24 ausfüllt, gewährleistet die Verbindung zwischen den verschiedenen Bestandteilen dieser Struktur. Die gesamte so erhaltene Struktur kann zwischen zwei textlien Stoffen angeordnet werden, welche die Innen- und Außenseiten der Weste bilden.

Die in der Fig. 2 dargestellte Struktur ist halbstarr und geeignet, sich den Krümmungsradien der Brust und des Rückens einer Person anzupassen. Diese Halbstarre erlaubt es im übrigen, einen Teil der kinetischen Energie eines Projektils durch Verformung und Verrückung der Weste in dem Aufschlagbereich zu absorbieren. Darüberhinaus kann der aus den Lagen 20 bestehende Aufbau des Verbundmaterials eine Ausbreitung einer von dem Aufschlag herrührenden transversalen Schockwelle verhindern, wodurch die empfindlichen Partien oder Organe des Körpers gegenüber dieser Schockwelle geschützt werden und die Zerstörung eines Plättchens oder mehrerer Plättchen 22 vermieden wird, die nicht direkt dieser Schockwelle ausgesetzt sind.

In der Fig. 3 wurde eine Struktur dargestellt, die zur Verstärkung von bekannten kugelsicheren Westen bestimmt ist. Diese Struktur zeigt sich in Form einer gewellten

Platte 26 aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial, die man beispielsweise in einer Tasche anordnet, die auf der Außenseite oder Aufschlagseite durch eine gewisse Anzahl von übereinander gelegten Bahnen 28 aus Aramidfasern und auf der Körperseite durch einen Stützstoff 30 begrenzt ist. Die gewellte Platte 26 umfaßt eine Mittelschicht aus Metallfaden, die mit einem halbstarren Kunststoffmaterial getränkt sind, und eine die Mittelschicht bedeckende Außenschicht 32 aus einem sehr harten Material wie beispielsweise Keramik oder Aluminiumoxyd, die auf diese Außenseite durch geeignete Mittel aufgebracht werden kann, wie beispielsweise mittels eines Plasmabrenners oder durch Metallisierung. Vorzugsweise kann die gewellte Platte 26 aus übereinander gelegten Schichten des erfindungsgemäßen Verbundmaterials gebildet werden, die eine unterschiedliche Dichte aufweisen, wobei die Wellen dieser Platte, die an dem Stützstoff 30 anliegen,verbreiterte Anlageflächen 34 aufweisen.

Diese Struktur kann die Stahlplatten ersetzen, die üblicherweise in Taschen herkömmlicher aus Aramidfasern bestehender kugelsicherer Westen angeordnet sind. Nachteilig an diesen Stahlplatten ist insbesondere, daß sie ein zu hohes Gewicht aufweisen und die Ausbreitung von Stoßwellen zulassen, die sehr gefährlich für empfindliche Organe des Körpers sind.

Es wird nun Bezug auf Fig. 4 genommen, die einen schematischen Teilschnitt durch eine Panzerwand oder Schutzwand, beispielsweise für ein Fahrzeug oder einen Annäherungsschild und dergleichen zeigt. Diese Wand umfaßt eine Außenplatte 36 aus Titan oder einem anderen Material mit sehr hochwertigen mechanischen Eigenschaften, eine Innenplatte 38 aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial und

eine gewellte Zwischenplatte 40, die ebenfalls aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial besteht. Die Innenplatte 38 besteht aus einer ein Metallgewebe umfassenden Lage, das mit einem starren Kunststoff getränkt ist und das auf mindestens einer seiner Flächen eine Schicht aus einem Material auf der Basis von Fasern trägt, die mit demselben starren Kunststoffmaterial getränkt sind. Die gewellte Zwischenplatte 40 besteht aus einer Schicht eines Metallgewebes, das mit einem halbstarren Kunst-Stoffmaterial getränkt ist.

Unter der Einwirkung eines Stoßes auf die Außenplatte 36 neigt die gewellte Platte 40 dazu,sich abzuflachen, indem sie eine Schicht der kinetischen Energie des Stoßes oder Schocks absorbiert und die Stoßwelle dämpft, wobei sie gleichzeitig die Übertragung dieser Stoßwelle auf die Innenplatte 38 verhindert oder begrenzt, die ihrerseits wiederum die Tendenz hat, eine eventuell übertragene Stoßwelle zu absorbieren.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Teilschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen kugelsicheren Weste. Die dargestelltE Struktur umfaßt eine Mittelschicht 42 aus miteinander verwobenen Metal1-fäden oder -fasern, die mit einem weichen Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Silikonelastomer oder einem Polyurethanschaum hoher Dichte getränkt ist. Die beiden Oberflächen der Mittelschicht 42 sind mit einer Reihe von weichen Bahnen 44 bedeckt, die aus Fasern, wie beispielsweise Glasfasern oder Aramidfasern bestehen, die ihrerseits mit einem weichen Kunststoff, wie beispielsweise demselben Silikonelastomer wie bei der Mittelebene 42 getränkt sind. Die Dichte der die Mittelschicht 42 bildenden Metallfäden oder Fasern nimmt von

der Mittelebene dieser Schicht bis zu ihren Außenflächen hin zu, wobei die Dichte in der Mittelebene beispielsweise einen Wert in der Größenordnung von 0,6 und an den Außenflächen einen Wert von 3 aufweist bei einem mittleren Dichtewert zwischen 1 und 2. Die Anzahl der Bahnen 44, die jede Seite der Schicht 42 bedecken, beträgt vorzugsweise zwischen 7 und 10, wobei die Dicke jeder Bahn etwa 0,2 mm bis 0,4 mm beträgt. Die Bahnen 44 können aus unterschiedlichen Fasern hergestellt sein, wobei beispielsweise die Bahnen auf der Innenseite der Schicht aus Glasfasern hergestellt sind, während die Bahnen auf der Außenfläche der Schicht 42 aus Kohlenstoffasern, Ararnidf asern oder auch aus Metallfasern bestehen.

Als Beispiel sei angegeben, daß die Bahnen 44 aus Aramidfasern auf der Außenseite der Weste jeweils eine Dicke von ungefähr 0,3 mm und ein Flächengewicht von

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ungefähr 285 g pro m aufweisen können. Die Bahnen 44 aus Glasfasern in herkömmlicher Webung, die auf der Innenseite der Weste vorgesehen sind, weisen jeweils eine Dicke von ungefähr 0,2 mm und ein Flächengewicht

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von ungefähr 200 g pro m auf, wobei diese verschiedei Bahnen nicht mit Kunststoffmaterial getränkt sind.

Die in der Fig. 5 dargestellte Struktur besitzt einen Elastizitätsmodul bei Biegebeanspruchung und ein Trägheitsmoment bei Biegung und Torsion, deren Werte mindestens gleich jenen Werten dieser Größen von gleichartigen Strukturen sind, die ausschließlich aus Aramidfasern oder Kohlenstoffasern hergestellt sind, wobei die Gesamtdichte oder Masse der Struktur in den verschiedenen Fällen dieselbe ist. Die in der Fig. 5 dargestellt^c erfindungsgemäße Struktur hat einen sehr viel geringeren Herstellungspreis als die gleichwertigen

Strukturen aus Kohlenstoffasern oder Aramidfasern.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann auch zur Herstellung von Segelbrettern oder Wasserfahrzeugen dienen, wobei in diesem Falle das Verhältnis der Dichten der äußeren Fasern zu den Fasern in der Mittelebene des Materials vorzugsweise einen Wert zwischen 3 und 5 aufweist, die mittlere Ebene eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm besitzt und vorzugsweise mit einem Polyurethanschaum oder einem Kunstharz getränkt ist, das durch hohle Kugeln aus Glas oder einem Elastomer mit einem Durchmesser von einigen zehntel Millimetern leichter gemacht wurde. Die Außenschichten bestehen in diesem Falle aus Lagen eines dreidirectionellen Gewebes aus Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstoffasern oder synthetischen Fasern.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann ferner zur Herstellung' von mehrschaligen Behältern oder Wasserfahrzeugen verwendet werden, wobei das Verhältnis der Dichte der äußeren Fasern zu den Fasern in der Mittelebene in diesem Falle vorzugsweise einen Wert zwischen 4 und 7 besitzt. Die äußeren Schichten bestehen aus Lagen aus gestrickten Metallfäden oder Metallfasern und aus Lagen, die aus Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstoffasern gewebt sind.

Wenn das erfindungsgemäße Verbundmaterial zur Bildung einer Panzerung bestimmt ist, beträgt das Dichteverhältnis zwischen äußeren Fasern und Fasern in der Mittelebene vorzugsweise zwischen 6 und 13 und man kann eine Schicht aus einem elastomeren Kunstharz zwischen der oben genannten Mittelschicht und den äußeren Schichten vorsehen. Diese äußeren Schichten können in diesem Fall

gebildet sein aus einer Lage bestehend aus miteinander verwobenen Bändern aus amorphem Guß und/oder einer Platte aus einer Metallegierung auf der Basis von Nickel oder Kobalt und/oder einer Keramik- oder Aluminiumoxydschicht, die vorzugsweise mit Hilfe eines Plasmabrenners aufgebracht wird, wobei Matten aus metallischen oder synthetischen Fasern gegebenenfalls zwischen diesen äußeren Schichten und der elastomeren Kunststoffschicht angeordnet sein können.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann auch zur Herstellung von Rohren, Trägern, Rahmen und dergleichen verwendet werden. Beispielsweise kann das in der Fig. 1 dargestellte Material als Profil mit einem quadratischen, rechteckigen, polygonalen, kreisförmigen oder länglichen Querschnitt geformt werden und umfaßt in diesem Falle mindestens auf seiner Außenfläche eine Verkleidung aus einem vorzugsweise starren Kunststoffmaterial wie beispielsweise Polyurethan hoher Dichte, das eine Art Haut bildet, das heißt eine relativ hohe Oberflächenhärte aufweist. Ein derartiges Profil kann hohl oder mit einem leichten Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Polyurethanschaum hoher Dichte gefüllt sein.

Die Fig. 6 zeigt als Beispiel einen schematischen Querschnitt durch einen zelligen Träger, der aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial besteht.

Dieser Träger wird von zwei nebeneinander liegenden Profilen aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial gebildet, deren rechteckiger Querschnitt teilweise in der Fig. 6 dargestellt ist und die jeweils eine aus einem metallischen Gewebe bestehende Matte umfassen, die mit einem starren Kunststoffmaterial wie beispielsweise

Polyurethan hoher Dichte getränkt ist, wobei die beiden Flächen dieser Matte mit einer Schicht dieses Kunststoffmaterials bedeckt sind, die gegebenenfalls (für die Außenfläche der Matten 50) Glasfasern und/oder Kohlenstoffasern enthalten, die beispielsweise mittels einer Pistole aufgetragen werden.

Die beiden Profile 50 sind längs einer ihrer vertikalen Längsseiten nebeneinander gelegt, wobei ihre horizontalen oberen und unteren Flächen mit einer metallischen gewebten Matte 52 bedeckt sind, die mit demselben starren Kunststoffmaterial getränkt ist und sich, über die gesamte Ausdehnung des Trägers erstreckt. Im Bereich der Verbindung zwischen den beiden Profilen ist jede der metallischen gewebten Matten 52 mit einem metallischen gewebten Band 54 bedeckt, das ebenfalls mit dem genannten Kunststoffmaterial getränkt ist,das eine äußere Oberflächenschicht 56 relativ hoher Härte bildet. Die den Träger bildenden Profile können hohl oder mit einem Polyurethanschaum oder Phenolschaum gefüllt sein, wenn man die thermische und akkustische Isolierung verbessern will.

Ein erfindungsgemäßer Träger kann auch eine wabenartige Struktur aufweisen und in diesem Falle aus einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Profilen bestehen, die untereinander in der anhand der Fig. 6 beschriebenen Weise verbunden sind.

Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen rohrförmige Strukturen aus einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial, die jeweils eine Gerippe 60 umfassen, das aus einer aus metallischen oder synthetischen Fäden oder Fasern gewebten Matte besteht, die mit einem starren Kunststoffmaterial wie bei-

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spielsweise Polyurethan getränkt ist und deren beide Flächen mit einer Schicht 62, 64 desselben Kunststoffmaterials bedeckt sind, wobei die äußere Schicht 62 nach Art einer Haut ausgebildet ist, das heißt eine relativ hohe Oberflächenhärte aufweist. Eventuell kann eine mit Kunststoffmaterial getränkte Fasermatte 66 zwischen der Außenfläche der gewebten Matte 60 und der äußeren Kunststoffschicht 62 vorgesehen sein, wobei diese Matte 66 aus einem Schlauch oder aus zwei Bändern gebildet sein kann, die auf die gewebte Matte 60 so aufgewickelt sind, daß sie sich unter einem Winkel zwischen 10° und 45° kreuzen.

In der Fig. 8 weist die innere Kunststoffschicht 64 Versteifungsrippen 68 auf, die gleichzeitig die Wirkung haben, die Führung des Kunststoffmaterials beim Einspritzen zu erleichtern. In der gleichen Weise weist die in der Fig. 9 dargestellte Struktur im Bereich der kleinen Achse des ovalen Querschnitts dieser Struktur eine Versteifung 70 aus Kunststoff auf.

Die in Fig. 7 dargestellte Struktur ist beispielsweise verwendbar für Skistöcke, Masten von Segelbooten sowie Rohrleitungen. Die Struktur gemäß Fig. 8 ist beispielsweise verwendbar für Tennisschlägerrahmen sowie für Ski, wenn sie ein geeignetes Verhältnis von Höhe zu Breite aufweist. Die Struktur der Fig. 9 ist beispielsweise für Schaufeln von Wasserturbinen sowie die Flügelblätter von Windrädern. Bei diesen Strukturen kann der Innenraum leer oder mit einem leichten Material gefüllt sein, das eine Dichte der Größenordnung von 0,2 aufweist.

Fig. 10 zeigt einen Teilschnitt durch eine Struktur eines erfindungsgemäßen Verbundmaterials, das eine Mittelschicht 72 aus einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise einem Epoxyharz aufweist, die zwischen zwei gewebte Matten 7 4 aus metallischen Fasern oder Fäden eingelegt ist, die mit einem Kunststoffmaterial getränkt sind und deren Außenseiten jeweils mit einer Schicht 76 eines Kunststoffmaterials, beispielsweise eines Epoxyharzes bedeckt sind, die ihrerseits jeweils von einer Schicht 78 bedeckt sind, das aus harzgetränkten Fasern besteht, wobei die Fasern Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern oder dergleichen sein können.

Diese Struktur ist verwendbar zur Herstellung von Wänden, insbesondere Karosserien von Kraftfahrzeugen, sowie zur Herstellung der oberen und unteren Deckflächen eines Skis. In diesem Falle hat die Struktur gemäß Fig. 10 eine Dicke von 2 mm bis 3 mm und erstreckt sich über die gesamte Länge des Skis. Solche die Lauffläche und die Deckfläche des Skis bildende Strukturen erlauben eine sehr gute Dämpfung der durch Biegung und Torsion hervorgerufenen Vibrationen sowie eine sehr große Torsionssteif igkeit, die sich beim Kurvenfahren günstig auswirkt.

Claims

Patentansprüche

1. Mehrschichtiges Verbundmaterial, umfassend eine Mittelschicht, die aus metallischen oder synthetischen verwebten Fäden oder Fasern besteht und mit einem Kunststoffmaterial getränkt ist, und mindestens eine äußere Deck schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Mittelschicht (10, 20, 26, 38, 40, 42) über deren Dicke hin veränderlich ist und von deren Mittelebene zu deren Außenflächen hin zunimmt, wobei das Verhältnis der Dichte der äußeren Fasern zu der Dichte der Fasern in der Mittelebene des Materials einen Wert zwischen 3 und 13 besitzt.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mittelschicht (10, 20, 26, 38, 40, 42) durch Übereinanderlegen zweier aus Fäden oder Fasern gewebter Matten gebildet ist, wobei diese Matten unterschiedliche Dichten aufweisen.

3. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die genannte Mittelschicht (10, 20, 26, 38, 40, 42) eine aus metallischen oder synthetischen Fäden oder Fasern gewebte Matte aufweist, deren Dichte über ihre Dicke hin veränderlich ist.

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4. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mittelschicht (10, 20, 26, 38, 40, 42) mit einem Polyurethanschaum oder einem Harz getränkt ist, das durch hohle Kugeln leichter gemacht ist.

5. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Deckschicht (16, 18) aus Fasern (19) besteht, die in ein Kunststoffmaterial eingebettet sind, das mit jenem identisch oder kompatibel ist, mit dem die Mittelschicht (10) getränkt ist.

6. Verbundmaterial nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Fasern (19) Borfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern sind.

7. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

, dadurch gekennzeichnet, daß das die genannte Mittelschicht tränkende Kunststoffmaterial (14) ein starres, halbstarres oder weiches Material ist.

8. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e kennzeichnet durch eine äußere Deckschicht (32), die aus einer Materialschicht großer Härte wie beispielsweise Keramik oder Aluminiumoxyd besteht.

9. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mittelschicht (26, 40) eine gewellte Platte bildet.

10. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß sie eine Überlagerung von Schichten oder Matten (20) der vorstehend genannten Art aufweist, die miteinander verbunden sind,und daß Platten (22) aus starrem und hartem Material wie beispielsweise Borkarbid zwischen die beiden Schichten oder gewebten Matten eingelegt sind.

11. Verbundmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens drei übereinander gelegte Matten (20) umfaßt, zwischen die starre Platten (22) eingelegt sind, wobei die zwischen zwei Matten (20) angeordneten Platten durch mit Kunststoff ausgefüllte Zwischenräume (24) voneinander getrennt sind und die Platten beiderseits einer Matte (20) derart gegeneinander versetzt sind, daß die auf der einen Seite der Matte angeordneten Platten zumindest teilweise die auf der anderen Seite der Matte liegenden Platten überlappen,

12. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die genannte Mittelschicht (42)

an ihren Außenflächen mit einer Reihe von Matten (44) verbunden ist, die aus Fasern wie Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern gewebt und gegebenenfalls mit einem weichen Kunststoffmaterial getränkt sind. 25

13. Verbundmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mittelschicht (10) eine Dicke von ungefähr 1 mm bis 5 mm aufweist und daß die äußere Deckschicht (16, 18) aus in drei Richtungen gewebten Fasermatten besteht, wobei das Verhältnis der Dichte der äußeren Fasern zu der Dichte der Fasern in der Mittelebene einen Wert zwischen 3 und 5 hat.

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14. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Deckschicht aus metallischen Fäden oder Fasern geflochtene Matten und Matten umfaßt, die aus Fäden oder Fasern aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid bestehen und mit einem Kunststoffmaterial getränkt sind, wobei das Verhältnis der Dichte der äußeren Fasern zu der Dichte der Fasern in der Mittelebene des Materials einen Wert zwischen 4 und 7 besitzt.

15. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e kennzeichnet durch eine Lage eines elastomeren Harzes, die zwischen der Mittelschicht und der äußeren Deckschicht angeordnet ist, wobei diese aus miteinander verwebten Bändern aus amorphem Guß und/oder einer Platte einer metallischen Legierung oder einer Schicht aus Keramik oder Aluminiumoxyd besteht und wobei das Verhältnis der Dichte der äußeren Fasern zu der Dichte der Fasern in der Mittelebene einen Wert zwischen 6 und 13 besitzt.

16. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer mit einem starren Kunststoffmaterial getränkten Mittelschicht (50, 60) in Form eines Hohlprofiles mit kreisförmigem, länglichem oder polygonalem Querschnitt hergestellt ist.

17. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Lage

(72) aus einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise einem Epoxyharz umfaßt, die zwischen zwei Mittelschichten (74) der vorstehend genannten Art angeordnet ist,

die mit einem starren Kunststoffmaterial getränkt sind und deren Außenseiten jeweils mit einer Faserschicht (78) bedeckt sind, die mit einem starren Kunststoffmaterial getränkt ist.