本發(fā)明涉及層壓材料，其包括至少一種結(jié)合到粘合劑層的金屬片材。本發(fā)明更具體地涉及層壓材料，其包括通過粘合劑層相互結(jié)合的金屬片材。還更具體地，本發(fā)明涉及纖維-金屬層壓材料，其包括通過纖維增強復(fù)合材料層相互結(jié)合的金屬片材。

本發(fā)明還涉及此類層壓材料的用途，所述用途是用于提供耐疲勞結(jié)構(gòu)，特別地航空航天結(jié)構(gòu)。在其中可以使用層壓材料的航空航天結(jié)構(gòu)包括但不限于機身結(jié)構(gòu)、水平尾翼結(jié)構(gòu)(tail plane structure)或機翼結(jié)構(gòu)。

發(fā)明背景

負(fù)載下的工程結(jié)構(gòu)的行為由許多設(shè)計參數(shù)確定，并且定義用于特定的應(yīng)用的最佳材料通常是繁重的任務(wù)，并且此外必須處理沖突的要求。在通常使用的工程材料中有金屬，如鋼合金、鈦合金、鋁合金；纖維增強復(fù)合材料，如玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料和芳族聚酰胺復(fù)合材料(aramid composite)；以及雜化材料，下文進(jìn)一步定義。

纖維增強復(fù)合材料相對于其它優(yōu)選材料比如金屬，提供相當(dāng)大的重量優(yōu)勢。通常，在犧牲其它重要的材料性質(zhì)比如延展性、韌性、承載強度、導(dǎo)電性和冷成形能力的情況下獲得重量減輕。為了克服這些缺陷，已經(jīng)開發(fā)了被稱為纖維-金屬層壓材料的新的雜化材料，以組合金屬和復(fù)合材料的最佳屬性。

纖維-金屬層壓材料(也被稱為FML)，比如在US4,500,589中所描述的，例如通過堆疊金屬(最優(yōu)選地鋁)和纖維增強的預(yù)浸材料的交替片材并且在熱和壓力下固化該堆疊而獲得。這些材料越來越多地用于比如運輸工業(yè)的工業(yè)中，例如用于船、汽車、火車、航空器和航天器中。它們可以作為片材和/或增強元件和/或加固物被用于這些運輸工具的(主體)結(jié)構(gòu)，如對于航空器，用于機翼、機身和尾板(tail panel)和/或航空器的其它外皮面板(skin panel)和結(jié)構(gòu)元件。

US 2011/246370 A1和US 4,489,123 A公開了使用S2玻璃或芳族聚酰胺纖維復(fù)合材料層和鋁2024-T3合金片材的纖維-金屬層壓材料。這些文獻(xiàn)沒有公開具有金屬片材與纖維復(fù)合材料層厚度的特定組合的層壓材料，該層壓材料與其它層壓材料相比，將產(chǎn)生顯著改進(jìn)的疲勞行為。

盡管纖維-金屬層壓材料可以提供相對于金屬合金、特別地鋁合金的改進(jìn)的耐疲勞性(特別地裂紋擴展)，但是它們在結(jié)構(gòu)中的行為對于改進(jìn)仍然是開放的，特別地在經(jīng)受動態(tài)負(fù)載的結(jié)構(gòu)中。在這方面的重要特性是抗裂紋生長性。鑒于實現(xiàn)相應(yīng)的纖維-金屬層壓材料的最低裂紋生長速率，如果正確的金屬片材和纖維增強復(fù)合材料層可以在它們的性質(zhì)方面被識別，那將是非常合意的。

本發(fā)明的目的是提供通過粘合劑層互相結(jié)合的金屬片材的層壓材料，特別地纖維-金屬層壓材料，其在動態(tài)負(fù)載中具有最佳結(jié)構(gòu)響應(yīng)，特別地具有相對低的裂紋生長速率。

發(fā)明概述

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供包括通過粘合劑層互相結(jié)合的金屬片材的層壓材料，其具有一系列的產(chǎn)生最佳的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的粘合劑層和金屬性質(zhì)。

本發(fā)明提供層壓材料，其包括第一金屬片材和結(jié)合到第一金屬片材的粘合劑層，在層壓材料中以下關(guān)系式適用：

1≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤15 (1)

其中

E_金屬＝第一金屬片材的拉伸楊氏模量

t_金屬＝第一金屬片材的厚度

E_粘合劑＝粘合劑層的拉伸楊氏模量

t_粘合劑＝粘合劑層的厚度。

關(guān)系式(1)在層壓材料的耐疲勞性方面定義粘合劑層的最佳的性質(zhì)以及與所述粘合劑層相鄰的第一金屬片材的性質(zhì)。滿足關(guān)系式(1)的第一金屬片材厚度和剛度以及粘合劑層厚度和剛度的組合在疲勞測試中產(chǎn)生最大數(shù)目的疲勞壽命周期。關(guān)系式(1)的性質(zhì)E*t等于材料的拉伸楊氏模量和厚度的乘積，并且也稱為拉伸剛度(extensional stiffness)(量綱Pa.m或N/m)。

術(shù)語“第一金屬片材”用于表示層壓材料可以包括多于一層金屬片材，并且第一金屬片材是金屬片材中的一層?！暗谝唤饘倨摹辈皇侵附饘倨脑趯訅翰牧现械奶囟ㄎ恢茫绲谝唤饘倨牟灰欢ㄊ亲钔饨饘賹?。特別地，當(dāng)固化時，厚度t_金屬和t_粘合劑在層壓材料中被確定。

除非另外指示，否則特定層或片材的厚度通常指恒定的厚度。第一金屬片材的厚度原則上可以在大范圍內(nèi)選擇。在本發(fā)明的有用實施方案中，提供層壓材料，其中第一金屬片材具有大于0.50mm(0.02”)、更優(yōu)選地大于0.55mm(0.22”)、還更優(yōu)選地大于0.6mm(0.024”)、還更優(yōu)選地大于0.8mm(0.32”)、以及最優(yōu)選地大于1mm(0.04”)的厚度t_金屬。

本發(fā)明的另一實施方案涉及層壓材料，其包括結(jié)合到粘合劑層并且具有≤t_金屬的厚度的第二金屬片材。此類相互結(jié)合到粘合劑層的金屬片材的層壓材料包括具有厚度t_金屬的第一金屬片材、具有厚度≤t_金屬的第二金屬片材、以及在兩者之間并結(jié)合到第一和第二金屬片材的粘合劑層。根據(jù)本發(fā)明，關(guān)系式(1)適用于第一金屬片材和粘合劑層的組合。在本發(fā)明的最寬泛的方面中，第二金屬層的性質(zhì)是不重要的。當(dāng)?shù)诙饘賹拥暮穸鹊扔趖_金屬并且第一和第二金屬片材使用相同的金屬合金時，第一或第二層的性質(zhì)可以在關(guān)系式(1)中使用。當(dāng)?shù)诙饘賹拥暮穸鹊扔趖_金屬并且第一和第二金屬片材使用不同的金屬合金時，第一和第二層的較硬層的性質(zhì)在關(guān)系式(1)中使用。

本發(fā)明的優(yōu)選實施方案涉及層壓材料，其中1.5≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤15、更優(yōu)選地3.5≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤15、還更優(yōu)選地3.5≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤12.5、還更優(yōu)選地4.25≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤13.5、還更優(yōu)選地5.0≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤13.5、還更優(yōu)選地5.5≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤12.5、并且最優(yōu)選地5.5≤(E_金屬*t_金屬)/(E_粘合劑*t_粘合劑)≤10。

在優(yōu)選實施方案中，層壓材料的一層或更多層的粘合劑層提供有增強纖維。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，提供層壓材料，其中粘合劑層包括增強纖維以形成纖維-金屬層壓材料，并且

E_粘合劑＝纖維增強粘合劑層在最大剛度方向上的拉伸楊氏模量

t_粘合劑＝纖維增強粘合劑層的厚度。

取決于層壓材料或包括層壓材料的結(jié)構(gòu)的負(fù)載條件，增強纖維可以在一個方向上或在幾個不同的方向上定向。因此，拉伸楊氏模量E_粘合劑可以與負(fù)載方向不同，并且在關(guān)系式(1)中的E_粘合劑涉及纖維增強粘合劑層在最大剛度方向上的拉伸楊氏模量。

優(yōu)選的增強纖維包括例如由玻璃、芳族聚酰胺(aromatic polyamide)(“芳族聚酰胺(aramid)”)和共聚物、碳、和/或聚合物纖維比如PBO制成的連續(xù)纖維。優(yōu)選的玻璃纖維包括S-2、S-3和/或R-玻璃纖維，以及碳化硅酸鹽玻璃纖維，但是E-玻璃纖維也是合適的。特別優(yōu)選的纖維包括具有至少80GPa、優(yōu)選地至少85GPa、并且最優(yōu)選地至少90GPa的拉伸楊氏模量的高強度玻璃纖維。

增強纖維可以被提供在預(yù)浸材料中，被嵌入部分固化的熱固性樹脂中或被嵌入熱塑性聚合物中的增強纖維的中間產(chǎn)物。通常，纖維體積分?jǐn)?shù)在粘合劑層中的粘合劑和增強纖維的總體積的從15％至75％、更優(yōu)選地從25％至75％、還更優(yōu)選地從20％至65％、并且最優(yōu)選地從30％至65％的范圍內(nèi)變動。在粘合劑層中的有效纖維體積分?jǐn)?shù)可以通過向增強粘合劑層添加普通粘合劑層來降低。

根據(jù)本發(fā)明的實施方案，提供層壓材料，其包括具有至少兩種不同纖維的纖維增強粘合劑層，和/或包括在纖維上不同的纖維增強復(fù)合材料層。在本申請中，纖維增強粘合劑層也被稱為(纖維增強)復(fù)合材料層。

粘合劑層優(yōu)選地包括合成聚合物。熱固性聚合物的合適實例包括環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂和酚醛樹脂。合適的熱塑性聚合物包括聚芳酯類(PAR)、聚砜類(PSO)、聚醚砜類(PES)、聚醚酰亞胺類(PEI)、聚亞苯基醚類(PEE)、聚亞苯基硫化物(polyphenylene sulphide)(PPS)、聚酰胺-4,6、聚酮硫化物(polyketone sulphide)(PKS)、聚醚酮類(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)以及其它。除了存在于粘合劑層中的粘合劑之外，層壓材料可以在某些區(qū)域中被提供有另外的粘合劑。

滿足關(guān)系式(1)的層壓材料示出最佳的性質(zhì)，最佳的性質(zhì)意味著與不滿足關(guān)系式(1)的層壓材料相比，更低的裂紋生長速率大體上被實現(xiàn)。這種教導(dǎo)以前沒有被公開，并且使得根據(jù)本發(fā)明的層壓材料特別地可用于提供耐疲勞結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的另外的方面，提供層壓材料，其包括具有厚度>t_金屬的N層金屬片材和具有厚度≤t_金屬的M層金屬片材，其中N≥2且M≥1。金屬片材通過間斷的粘合劑層來相互結(jié)合，優(yōu)選地利用增強纖維增強的間斷的粘合劑層。具有厚度≤t_金屬的M層金屬片材的數(shù)目可以全部結(jié)合到具有厚度t_金屬的第一金屬片材。然而，在本發(fā)明的另一實施方案中，提供包括P層第二金屬片材(直接結(jié)合到第一金屬片材)的層壓材料，其中P≥1且<M。

優(yōu)選的層壓材料包括一層或兩層金屬外層，或者一層或兩層纖維增強復(fù)合材料外層。特別優(yōu)選的是包括至少一層并且更優(yōu)選地兩層第一金屬片材作為外層的層壓材料。

第一金屬片材和任選地第二金屬片材的厚度可以在大范圍內(nèi)變化，只要滿足關(guān)系式(1)。在本發(fā)明的有用的實施方案中，提供層壓材料，其中第一金屬片材的厚度大于1.5mm(0.06”)。在另一實施方案中，提供層壓材料，其中第二金屬片材的厚度小于0.8mm(0.032”)、優(yōu)選地小于0.6mm(0.024”)、最優(yōu)選地小于0.5mm(0.02”)。這些實施方案的任何組合是特別優(yōu)選的。

盡管在本發(fā)明的(纖維-金屬)層壓材料中的金屬片材的厚度可以全部相同，但是除了第一金屬片材厚度之外，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的層壓材料包括不同厚度的金屬片材。盡管在本發(fā)明的(纖維-金屬)層壓材料中的粘合劑層的厚度也可以相同，但是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的層壓材料也可以包括不同厚度的粘合劑層。

本發(fā)明的有用的實施方案提供層壓材料，其中第一和/或第二金屬片材具有變化的厚度，并且在關(guān)系式(1)中使用的第一金屬片材的厚度t_金屬對應(yīng)于第一金屬片材的最大厚度。應(yīng)當(dāng)理解的是，最大厚度的區(qū)域在層壓材料的區(qū)域的主要部分上，優(yōu)選地在超過層壓材料的區(qū)域的80％上，更優(yōu)選地在超過層壓材料的區(qū)域的85％上，并且最優(yōu)選地在超過層壓材料的區(qū)域的90％上延伸。第一和/或第二金屬片材的厚度可以在某位置上瞬間變化(提供突然的厚度梯度)或者可以連續(xù)變化以獲得厚度的逐漸變化(提供逐漸變小的厚度(tapering thickness))。例如可以通過磨掉某些材料或通過本領(lǐng)域已知的任何其它手段來減小厚度。厚度的變化通常發(fā)生在層壓材料的邊緣。

本發(fā)明的另外的實施方案提供(纖維-金屬)層壓材料，其包括不同金屬合金的金屬片材。然而，根據(jù)另一實施方案，可以提供包括相同金屬合金的金屬片材的纖維-金屬層壓材料。雖然層壓材料中的金屬片材的金屬可以任意選擇，但在本發(fā)明的又一方面，提供層壓材料，其中金屬片材的金屬選自鋼合金、鋁合金和鈦合金，其中鈦合金是特別有用的。鋁合金的金屬片材是特別優(yōu)選的。

除了第一和第二金屬片材之外，根據(jù)本發(fā)明的層壓材料可以在一個實施方案中包括下述的金屬片材：其中所述金屬片材的厚度優(yōu)選地在0.2mm(0.008”)與4mm(0.16”)之間、更優(yōu)選地在0.3mm(0.012”)與2mm(0.079”)之間、并且最優(yōu)選地在0.4mm(0.016”)與1.5mm(0.06”)之間變化。

本發(fā)明的另一方面提供具有邊緣和層壓材料厚度的層壓材料，通過在離層壓材料邊緣的第一距離處結(jié)束第一金屬片材、和/或通過在離層壓材料邊緣的第二距離處結(jié)束第二金屬片材、和/或通過在離邊緣的第三距離處結(jié)束粘合劑層來將該層壓材料厚度在層壓材料的邊緣區(qū)域中朝著邊緣減小。層壓材料厚度被定義為堆疊的第一、第二和其它金屬片材，以及(纖維增強)粘合劑層的所有厚度的總和。在離層壓材料邊緣的第一距離處結(jié)束(或停止)第一金屬片材、和/或在離層壓材料邊緣的第二距離處結(jié)束(或停止)第二金屬片材、和/或在離邊緣的第三距離處結(jié)束(或停止)粘合劑層，其中，在實施方案中，第一、第二和第三距離中的至少兩個彼此不同，產(chǎn)生朝著層壓材料邊緣逐漸(或階梯式)減小的層壓材料厚度。

本發(fā)明的有用的實施方案涉及層壓材料，其中第三距離等于第一和/或第二距離。在該實施方案中，在第一和第二金屬片材之間的粘合劑層隨著第一和/或第二金屬層一起結(jié)束(在離邊緣相同的距離處)。在另一實施方案中，其中第三距離不同于第一和/或第二距離，粘合劑層將比第一和/或第二層延伸得更遠(yuǎn)(超過第一和/或第二層的端部)。

機械行為的改進(jìn)可以在層壓材料的實施方案中獲得，其中第三距離以第一金屬片材的厚度的至少5倍的量不同于第一距離。在其中第三距離小于第一距離的優(yōu)選實施方案中，粘合劑層然后在層壓材料邊緣的方向上以超過第一金屬片材的厚度的至少5倍的量比第一片材延伸得更遠(yuǎn)。

又一實施方案提供層壓材料，其中第一金屬片材的厚度在邊緣區(qū)域中減小，并且該邊緣區(qū)域在第一金屬片材的厚度t_金屬的至少10倍的離邊緣的距離上，優(yōu)選地在第一金屬片材的厚度t_金屬的至少20倍，最優(yōu)選地第一金屬片材的厚度t_金屬的至少50倍，并且最多所述厚度的200倍的離邊緣的距離上延伸，所述厚度t_金屬對應(yīng)于第一金屬片材的未減小的厚度。在邊緣區(qū)域中的第一金屬片材的厚度的減小可以是連續(xù)的，以獲得厚度的逐漸變化(提供逐漸變小的厚度)，或者可以是瞬間的(提供突然的厚度梯度)，并且通過在厚度方向上磨掉第一金屬片材的某些材料來方便地進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明的(纖維-金屬)層壓材料特別地可用于提供耐疲勞結(jié)構(gòu)，比如航空航天結(jié)構(gòu)。

根據(jù)某些實施方案的特別優(yōu)選的(纖維-金屬)層壓材料包括機身結(jié)構(gòu)、水平尾翼結(jié)構(gòu)或機翼結(jié)構(gòu)。在某些實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的(纖維-金屬)層壓材料可以被組合并連接到另外的結(jié)構(gòu)元件，比如航空器結(jié)構(gòu)的加固物、角型材(angle section)、Z-縱梁、帽型縱梁(hat stringer)、C-縱梁、Y-縱梁、翼梁(型材)、肋(型材)、剪切夾板(shear-cleat)和/或框架(型材)。另外的結(jié)構(gòu)元件可以通過包括粘合劑和/或纖維增強粘合劑的結(jié)合層連接到層壓材料，或者可以通過機械緊固手段連接。兩種連接方法的組合也是可能的。

附圖簡述

圖1-是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的纖維-金屬層壓材料的透視圖(view in perspective)；

圖2-是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的纖維-金屬層壓材料的透視圖；

圖3-10-是根據(jù)本發(fā)明的纖維-金屬層壓材料的其它實施方案的透視圖，該纖維-金屬層壓材料在層壓材料的邊緣區(qū)域中具有減小的層壓材料厚度；以及

圖11-13-是根據(jù)本發(fā)明的纖維-金屬層壓材料的其它實施方案的橫截面圖。

發(fā)明詳述

在以下的說明書中將參考附圖，附圖形成說明書的一部分，并且通過圖示的方法示出在其中本發(fā)明可以被實踐的具體實施方案。然而，本發(fā)明可以在沒有本文描述的那些具體細(xì)節(jié)的情況下被實踐或在采用本文描述的那些方法的某些可選擇的等效的方法的情況下被實踐。

本發(fā)明的基礎(chǔ)是至少一種金屬片材和粘附到其上的粘合劑層的獨特布置。粘合劑層在優(yōu)選實施方案中包括增強纖維。根據(jù)某些實施方案，提供包括纖維增強復(fù)合材料層和金屬片材的纖維-金屬層壓材料，其中纖維增強復(fù)合材料層和相鄰的第一金屬片材具有以特定方式的相關(guān)性質(zhì)，如通過關(guān)系式(1)給出的。纖維增強復(fù)合材料層優(yōu)選地包括利用復(fù)合材料基質(zhì)體系預(yù)浸漬的纖維，優(yōu)選地金屬粘合劑(預(yù)浸材料)。復(fù)合材料層和金屬片材的體系優(yōu)選地在熱和壓力下被處理以固化粘合劑并形成實體面板或部件。

本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有金屬片材和根據(jù)等式(1)的粘合劑層性質(zhì)的層壓材料比其相關(guān)性質(zhì)不依照關(guān)系式(1)的纖維-金屬層壓材料具有更好的疲勞結(jié)構(gòu)性質(zhì)，特別地具有更高的對裂紋生長的抗性。在等式(1)中使用的參數(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，并且此人員在確定所提到的性質(zhì)方面將沒有困難。本發(fā)明是基于以下認(rèn)識：金屬片材和相鄰粘合劑層(優(yōu)選地纖維增強復(fù)合材料層)的拉伸剛度在獲得高的抗裂紋生長性方面是相關(guān)的。

在根據(jù)本發(fā)明的纖維-金屬層壓材料中的纖維增強復(fù)合材料層是輕且堅固的，并且包括嵌入聚合物中的增強纖維。聚合物通常充當(dāng)各層之間的結(jié)合手段。適合用于纖維增強復(fù)合材料層中的增強纖維取決于在金屬片材中的金屬的選擇(參見等式(1))，但可以包括玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維、PBO纖維、碳纖維、共聚物纖維、硼纖維和金屬纖維和/或上述纖維的組合。

用于增強纖維的合適基質(zhì)材料的實例包括但不限于熱塑性聚合物，比如聚酰胺類、聚酰亞胺類、聚醚砜類、聚醚醚酮、聚氨酯類、聚亞苯基硫化物類(PPS)、聚酰胺-酰亞胺類、聚碳酸酯、聚苯醚摻合物(polyphenylene oxide blend)(PPO)、以及上述聚合物中的一種或更多種的混合物和共聚物。合適的基質(zhì)材料還包括熱固性聚合物，比如環(huán)氧樹脂類、不飽和聚酯樹脂類、三聚氰胺/甲醛樹脂類、苯酚/甲醛樹脂類、聚氨酯類，其中熱固性聚合物環(huán)氧樹脂類是最優(yōu)選的。

在根據(jù)本發(fā)明的層壓材料中，纖維增強復(fù)合材料層優(yōu)選地包括大體上連續(xù)的纖維，所述纖維在多個方向上(如0°、90°和相對于0°的角度)，并且更優(yōu)選地在兩個幾乎正交的方向上(例如各向同性編織織物或斜交簾布層(cross ply))延伸。然而，還更優(yōu)選的是，纖維增強復(fù)合材料層包括大體上連續(xù)的纖維，所述纖維主要在一個方向上延伸(所謂的UD材料)。有利的是使用以預(yù)浸漬的半成品形式的纖維增強復(fù)合材料層。這種“預(yù)浸材料”在其固化之后通常示出良好的機械性質(zhì)，除了其它原因之外，因為纖維已經(jīng)預(yù)先被基質(zhì)聚合物潤濕。

在本發(fā)明的某些實施方案中，纖維-金屬層壓材料可以通過借助于在壓力下加熱和隨后的冷卻來將多個金屬片材和纖維增強復(fù)合材料層彼此連接而獲得。本發(fā)明的纖維-金屬層壓材料具有良好的比機械性質(zhì)(specific mechanical property)(每單位密度的性質(zhì))。特別適合使用的金屬包括鋼(合金)和輕金屬比如鋁合金，并且特別地鈦合金。合適的鋁合金是基于合金元素，比如銅、鋅、鎂、硅、錳和鋰。也可以添加少量的鉻、鈦、鈧、鋯、鉛、鉍和鎳、以及鐵。合適的鋁合金包括鋁銅合金(2xxx系列)、鋁鎂合金(5xxx系列)、鋁硅鎂合金(6xxx系列)、鋁鋅鎂合金(7xxx系列)、鋁鋰合金(2xxx、8xxx系列)、以及鋁鎂鈧合金。合適的鈦合金包括但不限于包括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的合金。在其它方面，本發(fā)明不限于使用這些金屬的層壓材料，使得如果需要，其它金屬例如鋼或另一合適的結(jié)構(gòu)金屬可以被使用。本發(fā)明的層壓材料還可以包括不同合金的金屬片材。

根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案的纖維-金屬層壓材料可以通過組合多個金屬片材和多個纖維增強復(fù)合材料層來形成，條件是金屬片材和相鄰粘合劑層的拉伸剛度滿足等式(1)。

纖維-金屬層壓材料的外層可以包括金屬片材和/或纖維增強復(fù)合材料層。金屬層的數(shù)目可以在大范圍內(nèi)變化并且是至少一層。在特別優(yōu)選的纖維-金屬層壓材料中，金屬層的數(shù)目為兩層、三層或四層，在其每層之間纖維增強復(fù)合材料層已經(jīng)被優(yōu)選地應(yīng)用。取決于預(yù)期的用途和設(shè)定的要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地確定金屬片材的最佳數(shù)目。金屬片材的總數(shù)通常將不超過50，但是本發(fā)明不限于具有最大數(shù)目的比如此類的金屬層的層壓材料。根據(jù)本發(fā)明，金屬片材的數(shù)目優(yōu)選地在1和40之間，并且更優(yōu)選地在1和25之間。

為了防止層壓材料由于內(nèi)部張力而翹曲，根據(jù)本發(fā)明的層壓材料可以相對于通過層壓材料的厚度的中心的平面來對稱地構(gòu)建。

根據(jù)本發(fā)明的某些實施方案的纖維-金屬層壓材料構(gòu)造通過布置纖維增強復(fù)合材料(優(yōu)選地以預(yù)浸材料的形式)和至少一層金屬片材的(交替的)層來容易地獲得。纖維-金屬層壓材料可以以許多不同的布置來設(shè)計。

參考圖1，根據(jù)一個實施方案的纖維-金屬層壓材料被示出，其中層的總數(shù)為3，并且其中層1和層3包括金屬片材，并且層2包括纖維復(fù)合材料層?？蛇x擇地，層1和層3包括纖維復(fù)合材料層，并且層2是金屬片材。層1和層3可以包括相同的金屬合金或者可以由不同種類的金屬合金制成。纖維復(fù)合材料層可以包含在多個方向上的纖維以及不同種類的纖維。層1和層2、或者層2和層3的組合中的至少一種滿足在等式(1)中設(shè)定的要求。

參考圖2，根據(jù)另一實施方案的纖維-金屬層壓材料被示出，其中層的總數(shù)為n，并且其中層1是金屬片材，且層2是纖維復(fù)合材料層，這將是交替的直到層n-1和層n?？蛇x擇地，層1是纖維復(fù)合材料層，且層2是金屬片材，這將是交替的直到層n-1和層n。交替的金屬片材可以由相同的金屬合金制成或者由不同種類的金屬合金制成，并且可以具有不同的厚度。此外，交替的纖維復(fù)合材料層中的至少一層可以包含在多個方向上的纖維以及不同種類的纖維。根據(jù)本發(fā)明，纖維增強復(fù)合材料層(例如層2)和相鄰的金屬片材(例如層1或?qū)?)的至少一種組合需要滿足關(guān)系式(1)。如果金屬片材(1)和(3)的厚度不同，則選擇最厚的金屬片材作為在組合中的第一金屬片材。如果層壓材料的外層是纖維復(fù)合材料層，則該層優(yōu)選地需要相對于其相鄰的金屬片材滿足在等式(1)中設(shè)定的要求，除非另一金屬片材與其相鄰的纖維復(fù)合材料層已經(jīng)滿足等式(1)的要求。如果外層是金屬片材，則其優(yōu)選地需要相對于其相鄰的纖維復(fù)合材料層滿足在等式(1)中設(shè)定的要求，除非另一金屬片材與其相鄰的纖維復(fù)合材料層已經(jīng)滿足等式(1)的要求。

通過制備按照如在圖1和圖2中例示的順序的纖維復(fù)合材料和金屬片材的堆疊來生產(chǎn)層壓材料，例如在平的或單個的、雙重的或多重的彎曲模具(curved mold)上。在層壓之后，整體結(jié)構(gòu)在適于基質(zhì)樹脂、優(yōu)選地環(huán)氧樹脂的溫度下，例如在高壓釜中，并且優(yōu)選地在真空下被固化，以便從層壓材料中排出截留的空氣。對于大多數(shù)應(yīng)用，具有高玻璃轉(zhuǎn)變溫度的環(huán)氧樹脂將是最合適的。然而，任何的環(huán)氧樹脂都可以被使用。環(huán)氧樹脂通常在室溫或稍高于室溫，在大約125℃的溫度或在大約175℃的溫度下固化。在壓力下固化之后，固結(jié)的層壓材料被獲得。如上文所提及的，也可能使用熱塑性樹脂。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的另一實施方案。層壓材料10總共包括5層。層壓材料10特別地包括具有1.2mm的厚度t_金屬的鋁片材1、結(jié)合到第一鋁片材1的高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層2、具有0.6mm厚度(小于t_金屬)并結(jié)合到復(fù)合材料層2的第二鋁片材3、結(jié)合到第二鋁片材3的另一高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層4、以及結(jié)合到復(fù)合材料層4且具有1.2mm厚度的另一鋁片材5。復(fù)合材料層2具有約45體積％的在層壓材料的長度方向11上傳播的玻璃纖維。纖維具有約85GPa的楊氏模量。層2的厚度為約0.2mm。層1的拉伸剛度E*t為約72GPa*1.2mm，而層2的拉伸剛度為約0.45*85GPa*0.2mm。于是等式(1)產(chǎn)生約11.3的值，其在所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。

層壓材料10還具有邊緣13，并且層壓材料10的總厚度14在層壓材料10的邊緣區(qū)域中朝向邊緣13被減小。厚度減小是通過在離層壓材料邊緣13的第一距離15處結(jié)束第一鋁片材1、任選地在離層壓材料邊緣13的第二距離16處結(jié)束另一鋁片材3、并且在離邊緣13的第三距離17處結(jié)束與第一金屬片材1相鄰的粘合劑層2來實現(xiàn)。在本實施方案中的距離15對應(yīng)于其中邊緣區(qū)域從邊緣13延伸的距離。另一粘合劑層4在離邊緣13的又一距離18處被結(jié)束。距離15至18全部彼此不同，事實上，這些距離從距離15至距離18減小，以在邊緣區(qū)域中實現(xiàn)逐漸變小的層壓材料。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的另一實施方案。層壓材料10包括與圖3的實施方案的那些層相同的5層。然而，第一鋁片材1具有變化的厚度，其在示出的實施方案中以階梯的方式從1.2mm的恒定的厚度變化至0.6mm的恒定的厚度。第一鋁片材的最大厚度(1.2mm)被當(dāng)作在關(guān)系式(1)中的t_金屬。

層壓材料10還具有邊緣13，并且層壓材料10的總厚度14在層壓材料10的邊緣區(qū)域15中朝向邊緣13被減小。厚度減小是通過在離層壓材料邊緣13(其與第一鋁片材1的端部相同)的第一距離15處減小第一鋁片材1的厚度、在離層壓材料邊緣13的距離15a處結(jié)束第一鋁片材1、任選地在離層壓材料邊緣13的第二距離16處結(jié)束另一鋁片材3、并且通過在離邊緣13的第三距離17處結(jié)束與第一金屬片材1相鄰的粘合劑層2而實現(xiàn)。另一粘合劑層4在離邊緣13的另一距離18處被結(jié)束。距離15、15a至18全部彼此不同，事實上，這些距離從距離15減小至距離18。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的又一實施方案。層壓材料10包括與圖3和圖4的實施方案的那些層相同的5層。層壓材料10也具有邊緣13，并且層壓材料10的總厚度14在層壓材料10的邊緣區(qū)域15中朝向邊緣13被減小。厚度減小是通過在離層壓材料邊緣13的距離15處結(jié)束第一鋁片材1、任選地在離層壓材料邊緣13的第二距離16處結(jié)束另一鋁片材3來實現(xiàn)。與第一金屬片材1相鄰的粘合劑層2在離邊緣13的第三距離17處被結(jié)束，在本實施方案中距離17等于第一距離15。另一粘合劑層4在離邊緣13的距離18處被結(jié)束，距離18等于距離16。粘合劑纖維復(fù)合材料層2和4具有在長度方向11上傳播的纖維，但是在最末端(2a，4a)處沒有增強纖維。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的又一實施方案。層壓材料10總共包括5層。層壓材料10特別地包括具有1.0mm的厚度t_金屬的鋁片材1、結(jié)合到第一鋁片材1的高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層2、具有0.5mm厚度(小于t_金屬)并結(jié)合到復(fù)合材料層2的第二鋁片材3、結(jié)合到第二鋁片材3的另一高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層4、以及結(jié)合到復(fù)合材料層4且具有1.5mm厚度的另一鋁片材5。復(fù)合材料層2具有約55體積％的在層壓材料的長度方向11上傳播的玻璃纖維。纖維具有約85GPa的楊氏模量。層2的厚度為約0.25mm。層1的拉伸剛度E*t為約72GPa*1.0mm，而層2的拉伸剛度為約0.55*85GPa*0.25mm。于是等式(1)產(chǎn)生約6的值，其在所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。

在圖7中示出根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的另一實施方案。圖7的層壓材料與圖6的層壓材料的不同之處在于，外部的鋁片材1在朝向鋁片材1的邊緣13的邊緣區(qū)域中在距離15上具有減小的厚度。厚度減小是通過在離層壓材料邊緣13(其與第一鋁片材1的端部相同)的第一距離15處減小第一鋁片材1的厚度、并且在離層壓材料邊緣13的距離15a處結(jié)束第一鋁片材1來實現(xiàn)，距離15a小于厚度15。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的另一實施方案。圖8的層壓材料與圖7的層壓材料大部分相同，除了鋁片材1的厚度減小從離邊緣13的距離15處到離邊緣13的距離15a處是逐漸的(或逐漸變小的)。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的又一實施方案。層壓材料10總共包括9層。層壓材料10特別地包括具有3.0mm的厚度t_金屬的鋁片材9、結(jié)合到第一鋁片材9的高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層8、具有0.4mm厚度(小于t_金屬)并且結(jié)合到復(fù)合材料層8的第二鋁片材7、結(jié)合到鋁片材7的另一高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層6、以及結(jié)合到復(fù)合材料層6且具有0.4mm厚度的另一鋁片材5、結(jié)合到鋁片材5的另一高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層4、以及結(jié)合到復(fù)合材料層4且具有0.4mm厚度的另一鋁片材3、結(jié)合到鋁片材3的另一高強度玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料層2、以及結(jié)合到復(fù)合材料層2且具有0.4mm厚度的另一鋁片材1。外部的鋁片材9可以具有恒定的厚度、逐漸變小的厚度或如在圖9中示出的厚度減小。厚度減小是通過在離邊緣13的距離95處減小金屬片材9的厚度來實現(xiàn)。復(fù)合材料層8在距離85處被結(jié)束，距離85大于距離95。復(fù)合材料層8具有約55體積％的在層壓材料的長度方向11上傳播的玻璃纖維。纖維具有約90GPa的楊氏模量。層8的厚度為約0.4mm。層9的拉伸剛度E*t為約72GPa*3.0mm，而層8的拉伸剛度為約0.55*90GPa*0.40mm。于是等式(1)產(chǎn)生約11的值，其在所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。

圖10示出根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的另一實施方案。層壓材料10總共包括9層。其大部分等于圖9的層壓材料，除了鋁片材1具有2.0mm而不是0.4mm的厚度，并且片材1在距離17上朝向鋁片材1的邊緣16具有減小的厚度。

最后，圖11-13表示根據(jù)本發(fā)明的層壓材料的三個其它實施方案的橫截面。圖11的層壓材料10包括相對厚的金屬片材(1、5、9、23)和相對薄的金屬片材(3、7、21)的交替堆疊。金屬片材(1、3、5、7、9、21、23)通過間斷的纖維復(fù)合材料層(2、4、6、8、20、22)相互結(jié)合。在層壓材料10的邊緣區(qū)域處，金屬片材和纖維復(fù)合材料層在離邊緣13的不同距離處結(jié)束，以便在邊緣區(qū)域處產(chǎn)生層壓材料10的逐漸變小的部分。

圖12的層壓材料10具有兩層相對厚的金屬片材(1、9)作為堆疊中的外層，并且在外部金屬片材(1、9)之間的3層的數(shù)目的相對薄的金屬片材(3、5、7)。金屬片材(1、3、5、7、9)通過間斷的纖維復(fù)合材料層(2、4、6、8)相互結(jié)合，其中的層(4、6)具有小于層(2、8)的厚度。在層壓材料10的邊緣區(qū)域處，金屬片材和纖維復(fù)合材料層在離邊緣13的不同距離處結(jié)束，以便在邊緣區(qū)域處產(chǎn)生層壓材料10的逐漸變小的部分。此外，金屬片材1和9具有朝向其邊緣減小的厚度。

最后，圖13的層壓材料10組合根據(jù)圖12的兩種層壓材料10。層壓材料總共具有9層金屬片材和8層纖維復(fù)合材料層(2、4、6、8、20、22、24、26)。根據(jù)本發(fā)明，金屬片材(1、9和27)比金屬片材(3、5、7、21、23和25)更厚。相對厚的金屬片材(1、9、27)的厚度在其相應(yīng)的邊緣處被再次減小。

實驗

四種不同的層壓材料構(gòu)造在疲勞方面被測試。特別地，在120MPa的最大應(yīng)力水平下和在R＝0.1的比率下測量疲勞裂紋生長；其中R是最小應(yīng)力水平和最大應(yīng)力水平之間的比率。

所有四種測試的構(gòu)造是在3/2鋪層(lay-up)中的所謂的GLARE 2層壓材料。GLARE 2使用以預(yù)浸材料形式的纖維增強粘合劑層，其具有的所有纖維在一個方向上彼此平行延伸。纖維的方向平行于在層壓材料中使用的金屬片材的軋制方向，并且也平行于在疲勞測試中的負(fù)載方向。應(yīng)用在金屬片材中的金屬包括具有拉伸模量E＝72.4GPa的鋁合金2024-T3。應(yīng)用的預(yù)浸材料包括嵌入環(huán)氧基質(zhì)體系中的S2-玻璃纖維。預(yù)浸材料的標(biāo)稱纖維體積含量在構(gòu)造1和構(gòu)造2中為19.8％，并且在構(gòu)造3和構(gòu)造4中為35.0％。固化后的相應(yīng)厚度為0.38mm(構(gòu)造1和構(gòu)造2)和0.65mm(構(gòu)造3和構(gòu)造4)。

構(gòu)造1是由2.0mm厚度的三層金屬層和置于每層金屬層之間的一層預(yù)浸材料層組成的層壓材料。此層壓材料被稱為GLARE 2-3/2-2.0-1pp。構(gòu)造2是由2.0mm厚度的三層金屬層和置于每層金屬層之間的三層預(yù)浸材料層組成的層壓材料。該層壓材料被稱為GLARE 2-3/2-2.0-3pp。構(gòu)造3是由1.3mm厚度的三層金屬層和置于每層金屬層之間的一層預(yù)浸材料層組成的層壓材料。此層壓材料被稱為GLARE 2-3/2-1.3-1pp。最后，構(gòu)造4是由1.3mm厚度的三層金屬層和置于每層金屬層之間的三層預(yù)浸材料層組成的層壓材料。此層壓材料被稱為GLARE 2-3/2-1.3-3pp。

應(yīng)用在預(yù)浸材料中的S2-玻璃纖維具有88GPa的E-模量，并且應(yīng)用的環(huán)氧體系具有2.2GPa的E-模量。根據(jù)權(quán)利要求1的等式(1)的剛度比率可以針對如在表A中示出的不同構(gòu)造來確定。

表A

表A清楚地示出，構(gòu)造1是在等式(1)的范圍之外。另一方面，構(gòu)造3具有12.8的剛度比率，其相對接近等式(1)的上邊界值。

圖B示出在裂紋生長數(shù)據(jù)“da/dn”相對于半裂紋長度(half crack length)“a”方面獲得的結(jié)果，其中“n”表示疲勞周期的數(shù)目。對于構(gòu)造1-4以及對于單片鋁合金2024-T3的片材的結(jié)果被示出。從圖B可以推斷，單片鋁合金的裂紋生長速率是最高的，并且在a＝21mm的半裂紋長度處示出樣本的失效。具有構(gòu)造1的在等式(1)范圍之外的樣本類似鋁樣本已經(jīng)在a＝26mm的半裂紋長度處失效，并且進(jìn)一步看起來具有與鋁合金的裂紋生長速率的斜率相同范圍內(nèi)的裂紋生長速率的斜率。

雖然鋁合金和根據(jù)構(gòu)造1的層壓材料在相對小的裂紋長度下失效，但是根據(jù)本發(fā)明的其它構(gòu)造2-4可以被負(fù)載至高得多的半裂紋長度，而沒有失效。

構(gòu)造2-4進(jìn)一步都示出顯著更小的裂紋生長速率，其中構(gòu)造4示出最佳性能。此構(gòu)造具有最低的剛度比率(等式(1))。