專利名稱：帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料及該材料的制備方法。
背景技術(shù)：
塑料纖維復(fù)合材料是公知的，其中，例如玻璃、碳或芳香族聚醐安(aramide)纖維^A在合成樹脂中，該合成樹脂如環(huán)氧、聚酯或乙烯基酯樹脂或類似合成樹脂。在這種情況下，合成樹脂形成了一個(gè)基體，該基體通常涂覆纖維并將他們連接在一起，其中纖維以稀松布(scrim)、機(jī)織織物或編織物的形式分布。這種傳統(tǒng)的塑料纖維復(fù)合材料的一個(gè)問題是，在發(fā)生損害時(shí)它們是易燃的，并且容易分裂成鋒利的、尖的碎片，該損害可能發(fā)生在如陸地上、水中的交通工具或特別是航空器上。
另外，帶有金屬基體的復(fù)合材料也是公知的(也稱為金屬基復(fù)合材料)。但是它的生產(chǎn)在技術(shù)上很復(fù)雜，因?yàn)樾枰褂迷位蚰褐破?，這就另外地帶來了缺點(diǎn)，即所被生產(chǎn)的半成品產(chǎn)品或部件的幾何結(jié)構(gòu)自由被嚴(yán)重制約。此外，迄今所i吏用的金屬基復(fù)合材料大部分l^沉重，這在ft空技術(shù)上是牛寺別不利的。另夕卜，它們還具有在纖維和金屬之間沒有非剛性連接(positive connection)的缺點(diǎn)。
4頓PVD/CVD方法，例如，纖維可以進(jìn)行完^^圍的涂覆(coated),但是設(shè)備費(fèi)用較高，同時(shí)涂覆時(shí)間長。例如對于0.1mm的層厚，在PVD/CVD方法中，依據(jù)材料的不同，需要幾個(gè)小時(shí)至幾天的時(shí)間。因此，多數(shù)不同的材料確實(shí)可以ffi51 PVD/CVD方法沉積，但需要高于平均水平的長期的處理時(shí)間。另外，被涂覆組件的尺寸勢萬需真空容器的尺寸柳艮制。
US5846288公開了一種用于生產(chǎn)導(dǎo)電^"料的方法，例如，它可用于生產(chǎn)擠壓 結(jié)的導(dǎo)電片或條，其中，錫氧化物的銀鹽溶液中的粒鄉(xiāng)粒被涂覆。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高強(qiáng)度的金屬基體纖維復(fù)合材料，該材料不易燃且不易于破碎，同時(shí)提供了一種用于生產(chǎn)該種材料的方法，該生產(chǎn)方法可簡單快速的實(shí)施。
該目的通過一種具有t又利要求1的特征的纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)。此外，該目
Mil—種具有權(quán)利要求14的特征的制備纖維復(fù)合材料的方法而實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)
利要求提供了本發(fā)明主題的，實(shí)施方式和進(jìn)一步改進(jìn)。
本發(fā)明發(fā)明了金屬基體纖維復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明，其特征在于纖維豐才料
由單獨(dú)的纖維和涂覆于其上的金屬涂層構(gòu)成，其形成了金屬基體，其中金屬涂
層包括包圍纖維的金屬化層和金屬最終層(metal final layer),該:^屬最終層部
分涂覆于金屬化層上。
金屬涂層可以包括附加的金屬粘結(jié)層，該附加的金屬粘結(jié)層位于金屬化層
和金屬最終層之間，在熱噴涂最終層的情況下，其對于改善粘結(jié)特別有利。金屬化層可具有0.5拜至0.5醒的厚度。金屬最終層可具有2Mm至20mm的厚度，或優(yōu)選20Mm至2mm。附加的金屬粘結(jié)層可具有2nm至lmm或20拜至200拜的厚度。纖維可以為玻璃、碳和/或芳香族聚醐安纖維，特別優(yōu)選使用非導(dǎo)電材料的纖維。
金屬化層和/或附加的金屬粘結(jié)層可含有銅和/或鎳。
金屬最終層通常由輕金屬(例如鋁)構(gòu)成，湖于重量因素特別有利。但是，銅基豐才料或重^屬也可以使用。
纖維材料可由纖維的稀松布(scrim)(例如纖維非織造織物(fibernonwoven))、微只織物(wovenfabric)、非鵬(nonwoven)或編織物((braidedfabric)形成。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
，稀松布、機(jī)織織物或編織織物等的纖維被金屬化層涂覆或被金屬化層和附加的金屬粘結(jié)層涂覆，且稀松布、機(jī)織織物或編織織物整體被最終層涂覆。但是同樣地，可以從已預(yù)制備的纖維稀松布、機(jī)織織物或編織物開始，其是另外地與金屬化層和任選地粘結(jié)層在隨后涂覆最終層之前整體提供的。
根據(jù)本發(fā)明的金屬基體纖維復(fù)合材料可用于航空構(gòu)件(例如機(jī)翼、方向舵等)、汽車賽車(例如阻流板(spoilers)、車內(nèi)裝飾(trim)、底層結(jié)構(gòu)(substructure)
等)、發(fā)射物、運(yùn)動(dòng)設(shè)備和許多其他領(lǐng)域。
本發(fā)明還提供一種制備帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料的方法。根據(jù)本發(fā)明，形成金屬基體的金屬涂層被涂覆到包括單獨(dú)纖維的纖維材料上，其中金屬涂層由包圍纖維的金屬化層和涂覆于金屬化層的金屬最終層形成。
另外，金屬涂層可含有金屬粘結(jié)層，其涂覆于金屬化層和金屬最終層之間，
在M31熱噴凃施涂最終層時(shí)是特別有利的。
金屬化層可以以化學(xué)方'淑反應(yīng)方法或由熱噴^^凃覆。
金屬最終層可以以電鍍方法或由熱噴涂涂覆。fflM熱噴涂施涂特別簡單、快速和具有成本效益，并且對于所需的幾何皿允許很高的靈活性。
附加的金屬粘結(jié)層也可以電鍍方法或由熱噴涂凃覆。
形成纖維材料的纖維例如是玻璃、碳和/或芳香族聚醐安纖維。但是如果使用非導(dǎo)電材料的纖維，具有特別的優(yōu)點(diǎn)，非導(dǎo)電材料的纖維通過，的金屬化層成為導(dǎo)電的。
金屬化層和/或附加的金屬粘結(jié)層可由銅和/或鎳形成。
金屬最終層通常由輕金屬(例如鋁)構(gòu)成，但是也可以由銅基材料或重金屬形成。
纖維材料可由纖維的稀松布、初i只織物或編織物形成。
稀松布、機(jī)織織物或編織物等的纖維可以被金屬化層涂覆或被金屬化層和附加的金屬粘結(jié)層涂覆，且稀松布、機(jī)織織物或編織物可以整體被最終層涂覆。同樣，纖維稀松布、機(jī)織織物或編織物可以整體被金屬化層和可任選的粘結(jié)層
以下述方式涂覆即纖維被全部包圍地涂覆和然后涂覆最終層，優(yōu)選以熱噴涂
的方式涂覆。
本發(fā)明的一個(gè)待別的優(yōu)點(diǎn)是，提供的帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料中的纖維與金屬基體，特別是與金屬化層為非剛性連接。這與之前的方法和金屬基底復(fù)合材料的情況不同。


以下，參照附圖將對本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施方式進(jìn)纟，釋。
該(單幅)附圖以示意性放大截面圖的方式展示了本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施
方式的帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料的截面。
具體實(shí)施例方式
如圖所示的纖維復(fù)合材料，其整體以附圖標(biāo)記10^;，包括與纖維材料結(jié)合并圍繞纖維材料的金屬基體。該纖維材料包括如圖中示意性示出的纖維l，該纖維例如可由導(dǎo)電性的玻璃纖維形成，或也可由碳或芳香族聚,安纖維形成。
位于纖維1之上的是金屬導(dǎo)電層，其隨后也由金屬化層2表示，金屬粘結(jié)層3可隨后沉積在其上。金屬化層2和金屬粘結(jié)層3都涂覆在單獨(dú)纖維1上，該纖維被加工形成如典型實(shí)M^式所示的編織網(wǎng)格。另一方面，金屬最終層4整體涂覆在纖維的機(jī)織織物上。代替提供金屬粘結(jié)層3，金屬最終層4也可直接涂覆在金屬化層2上；在這種情況下，僅有金屬化層2位于單獨(dú)纖維1上，該纖維然后被處理，例如以形成纖維的機(jī)織織物，然后金屬最終層4整，覆于其上。同樣，最終的纖維材料(例如以纖維稀松布半成品或編織網(wǎng)格的形式)可以被用于作起始點(diǎn)，其在最初與金屬化層以如下方式整體提供即纖維材料的單獨(dú)纖維1每根都被金屬化層2所包圍或完全包圍地包覆。為了隨后例如通過熱噴^^凃覆最終層4，任選的將粘結(jié)層3涂覆于金屬化層2上。
為了能高粘合強(qiáng)度的涂覆，纖維1必須首先進(jìn)1fll處理，特別是在纖維由非導(dǎo)電材料構(gòu)成的情況(例如玻璃纖維)下。根據(jù)此處所述的典型實(shí)施方式，可采用電鍍方法或熱噴涂進(jìn)行金屬最終層4的涂覆。但是對于金屬最終層4的
電鍍涂覆，纖維l的表面必須為或必須被制成導(dǎo)電的。因此在第一步中，纖維l與所述的金屬導(dǎo)電層或金屬化層2 —起提供。金屬化層2例如可以以還原方銜化學(xué)方法或由熱噴、凃來^^覆。
可替換地，金屬最終層4可由例如熱噴凃涂覆。在這種情況下，先前的金屬化和/織占結(jié)層的涂覆也是有用的，這將確保金屬最終層4與纖維1的緊密粘合。附加的金屬粘結(jié)層3可由例如電鍍方法或禾,熱嚼余涂覆。金屬化層2或金屬化層2和金屬粘結(jié)層3因此形成了用于熱噴涂金屬最終層4的基礎(chǔ)。
根據(jù)一個(gè)艦，該金屬化層2也可涂覆在單獨(dú)纖維1上，同時(shí)附加的金屬粘結(jié)層3涂覆在由纖維1形成的纖維材料上，然后再在其上涂覆金屬最終層4。
同樣的，如之前所述，預(yù)制備(例如商用的)的纖維材料也可被作為起始點(diǎn)，其在第一步中與金屬化層2 —起提供。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)注意單獨(dú)的纖維1每根都被金屬化層2所包覆。
金屬化層2典型地可具有0.5nm至0.5mm的厚度，但是厚度并不局限于該范圍。附加的金屬粘結(jié)層3可具有2Mm至l腿的厚度，特別是20叫至200叫，但是并不局限于該范圍。金屬最終層4最終可具有非常不同的厚度，依據(jù)涂覆的面積，該厚度為2nm至20mm， ，20Mm至2mm。金屬導(dǎo)電層或金屬化層2可含有適合于該目的任何金屬或由這些金屬形成(例如銅和/或鎳)。金屬最終層4同樣可含有任何適合的金屬或由這些金屬形成。最終層4通常由輕金屬(例如鋁)、銅基材料或重金屬構(gòu)成。
由電鍍或M31熱噴涂凃覆的附加粘結(jié)層3也可含有銅和/或鎳和/或鋁或其他適合的金屬，或者由上述金屬形成。
如果產(chǎn)生^^蟲纖維與金屬特別是與金屬化層的非連剛性接，是特別有利的。由于以液態(tài)形式涂覆的金屬的收縮，在纖維和金屬間形做艮多微隙。
實(shí)施例
金屬纖維復(fù)合材料的一個(gè)典型實(shí)施方式可按如下制備
- 對由玻璃纖維1形成的編織網(wǎng)格脫脂，以堿性水沸騰脫脂的方式進(jìn)行，隨后在軟化水中徹底清洗；
- 脫脂玻璃纖維編織網(wǎng)格的化學(xué)方法(無電鍍的)金屬化(如化學(xué)鍍銅或者化學(xué)I度H)，以生產(chǎn)得到迄今不導(dǎo)電的纖維l的薄導(dǎo)電覆層，以及徹底清洗；
- 將薄薄地涂有導(dǎo)電層或金屬化層2的纖維1電鍍增強(qiáng)至層厚度為例如150拜(例如鎳電解槽，電流密度2-3A/dm2)，從而形成一個(gè)附加的金屬粘結(jié)層3，以及再次徹底清洗并烘干玻璃纖維編織網(wǎng)格；
- 在噴射器噴丸系統(tǒng)中使用金剛砂(corundum)(粒徑尺寸例如為0-100Mm)對電鍍(電鍍鎳的)表面的兩面均進(jìn)行輕噴吹，因此粗化了該表面；
- 采用輕金屬(例如鋁)通過電弧噴涂將粗糙表面的兩面涂覆。實(shí)施該電弧噴涂直至原始玻璃纖維網(wǎng)格中的間隙被封閉并形成一個(gè)緊密的連續(xù)層(復(fù)合材料)。該復(fù)合材料由于同時(shí)具有高強(qiáng)度和低自身重量而卓越。此外，還可以進(jìn)行這種復(fù)合材料的機(jī)械加工方法，例如鉆孔(drilling)、銑削(milling)、磨削(grinding)、拋光(polishing) ^^似方法。
所述的帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料形成了一種高強(qiáng)度、不易燃、不易碎的材料，該材料因?yàn)榫哂凶顑?yōu)的強(qiáng)度重量比而不具有破碎行為?；w材料不僅限于諸如鋁的輕金屬，任何其他合適的金屬都可使用，該金屬能以合適的形式涂覆到制備的纖維材料上形成層。實(shí)際上的基體基本上僅通^種涂覆方法形成，并且在纖維與金屬基體之間產(chǎn)生非剛性連接。
通過將用來制備金屬化、導(dǎo)電或粘結(jié)層的電鍍方法(定向法拉第工藝)與具有高涂覆速度特別是熱噴涂的方法結(jié)合使用，從而可以以高涂^I度對纖維 材料進(jìn)行有效包覆。同時(shí)，在本發(fā)明的情況下，例如在電鍍方法中，并不限于
電化學(xué)勢序列(electrochemical potential series)中的普通金屬。至于生產(chǎn)得到的 纖維復(fù)合材料的尺寸，也就是可被制備的最終部件，事實(shí)上沒有限制，因?yàn)闊?(^凃可實(shí)施于幾乎任何尺寸的部件。與PVD/CVD方法相比的一個(gè)時(shí)別的優(yōu)點(diǎn)， 例如，是一方面涂覆 基本上更高，可從所有的面對纖維進(jìn)行涂覆并且對部 件的尺寸沒有限制，如在所述的真空方法中存在的部件，其中該尺寸僅受到周 圍真空容器的尺寸的限制。1
2
3
4 10
參考清單
纖維
金屬化層，金屬導(dǎo)電層
復(fù)合材料
權(quán)利要求
1、帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料，其特征在于纖維材料(1)包含單獨(dú)的纖維和涂覆于其上的金屬涂層，該金屬涂層形成了金屬基體，其中金屬涂層包括包圍纖維(1)的金屬化層(2)和位于金屬化層(4)上的金屬最終層(2)。
2、 帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料，其特征在于纖維(1)和金屬基體間存 在非剛性連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于金屬涂層包括附 加的金屬粘結(jié)層(3)，該金屬粘結(jié)層(3)位于金屬化層(2)和金屬最終層(4) 之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于金屬化層(2) 的厚度為0.5]jin至0.5mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于金屬最 終層(4)的厚度為2Mm至20mm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求14中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于金屬最 終層(4)的厚度為20inm至2mm。
7、 根據(jù)權(quán)禾腰求3-6中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于附加的 金屬粘結(jié)層(3)的厚度為2拜至1腿。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3-6中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于附加的 金屬粘結(jié)層(3)的厚度為20Mm至200nm。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于纖維(l) 是玻璃、碳和/或芳香族聚醐安纖維。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于纖維(1)由非導(dǎo)電材料構(gòu)成。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于金屬 化層(2)和/或附加的金屬粘結(jié)層(3)含有銅和/或鎳。
12、 根據(jù)權(quán)禾腰求l-ll中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于金屬 最終層(4)由輕金屬構(gòu)成，特別是鋁。
13、 根據(jù)權(quán)禾腰求1-12中任意一項(xiàng)所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于纖維 材料由纖維(1)的稀松布、機(jī)織織物、非織造或編織物形成。
14、 根據(jù)^i利要求13所述的纖維復(fù)合材料，其特征在于稀松布、機(jī)織織物或編織物等的纖維0)被金屬化層(2)涂覆或被金屬化層(2)和附加的金屬粘結(jié)層(3)涂覆，且稀松布、機(jī)織織物或編織物整體被最終層(4)涂覆。
15、 一種制備帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料的方法，其特征在于形成金屬基體的金屬涂層被涂覆于包含單獨(dú)纖維(1)的纖維材料，其中該金屬涂層由包圍纖維(1)的金屬化層(2)和涂覆于金屬化層(2)的金屬最終層(4)形成。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于金屬粘結(jié)層(3)涂覆于金屬化層(2)和金屬最終層(4)之間。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于金屬化層(2)由化學(xué)方法或由熱噴涂制備。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15、 16或17所述的方法，其特征在于金屬最終層(4)以電鍍方法或由熱噴涂制備。
19、 根據(jù)t又利要求15-18中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于附加的金屬粘結(jié)層(3)以電鍍方法或由熱噴涂制備。
20、 根據(jù)權(quán)利要求15-19中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于玻璃、碳和/或芳香族聚翻安纖維被用作纖維(1)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求15-19中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于使用了非導(dǎo)電材料的纖維(1)。
22、 根據(jù)權(quán)利要求15-21中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于金屬化層(2)禾口域附加的金屬粘結(jié)層(3)由銅和/或鎳制備。
23、 根據(jù)^l利要求15-22中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于金屬最終層(4)由輕金屬制備，特別是鋁。
24、 根據(jù)權(quán)利要求15-23中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于纖維材料由纖維(1)的稀松布、機(jī)織織物或編織物形成。
25、 根據(jù)禾又利要求15-24中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于稀松布、機(jī)織織物或編織物等的纖維(1)被金屬化層(2)涂覆或被金屬化層(2)和附加的金屬粘結(jié)層(3)涂覆，且稀松布、機(jī)織織物或編織物整體被最終層(4)涂
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有金屬基體的纖維復(fù)合材料和該種材料的制備方法。由單獨(dú)纖維構(gòu)成的纖維材料(1)封裝到在金屬基體中，該金屬基體由包圍纖維(1)的金屬化層(2)和就其本身而言涂覆于金屬化層上的金屬最終層(4)形成。另外在金屬化層(2)和金屬最終層(4)之間可提供金屬粘結(jié)層(3)。金屬最終層(4)可由一個(gè)或多個(gè)涂覆形成，并可由任何機(jī)械加工方法形成。
文檔編號C22C47/00GK101636516SQ200880003001
公開日2010年1月27日 申請日期2008年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月24日
發(fā)明者D·瓊克, H·克魯格, H·皮林杰, M·恩格爾哈特 申請人:空中巴士公司