СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ И ПОЛИМЕРА
LAMINAR MATERIAL FROM METAL SHEETS AND POLYMER

Изобретение относится к слоистому материалу из металлических листов и соединенных с ними армированных волокнами полимерных слоев. Изобретение включает также применение такого слоистого материала в качестве армирующего листа для компонентов самолета или космического корабля.
Формованные детали, выполненные из слоистого материала, содержащего по меньшей мере один металлический лист и один соединенный с ним армированный волокнами полимерный слой (называемый далее металло-ламинатом, волоконно-металлическим слоистым материалом или для краткости слоистым материалом), все больше и больше используются в промышленности, например, в транспортной промышленности, например, в автомобилях, поездах, самолетах и космических кораблях. Такие слоистые материалы могут применяться, например, для крыльев, фюзеляжа и хвостовых панелей и/или других панелей для обшивки самолета, и обычно обеспечивают улучшенную усталостную прочность компонентам самолета.
Известные волоконно-металлические слоистые материалы были разработаны в период между 1978 и 1990 и продавались на рынке под торговыми марками Arall и Glare. Известный волоконно-металлический слоистый материал образован из большого числа относительно тонких (типично толщиной от 0,2 до 0,4 мм) алюминиевых листов, разделенных полимерными адгезивными слоями, усиленными арамидными волокнами (Arall) или высокопрочными стекловолокнами (Glare). Это означает, что объемное содержание волокон в адгезивных слоях является относительно высоким, при типичных значениях около 50 об.% для Arall и 60 об.% для Glare. Волоконно-металлические слоистые материалы обычно проявляют хорошее сопротивление росту трещин. Таким образом, усталостные трещины, появляющиеся в металлическом листе, подвергающемся переменной нагрузке, не будут продолжать быстрый рост, а наоборот, рост трещины будет тормозиться. Согласно современным знаниям это происходит благодаря армированным волокнами полимерным слоям, в частности, их волокнам, перекрывающим трещину и по меньшей мере частично поглощающим силы, ответственные за рост трещин.
Хотя известный слоистый наполненный волокнами материал демонстрирует хорошие усталостные свойства для обшивки фюзеляжа и крыльев, например в самолете, оказалось, что стоимость его производства относительно высока. Это объясняется рядом факторов. Типичные формованные детали, в частности обшивка крыла самолета, могут иметь полную толщину, доходящую до нескольких сантиметров. Это означает, что для того чтобы сделать формованную деталь из слоистого наполненного волокнами материала, обычно требуются десятки или даже сотня разных слоев. Кроме того, тонкие металлические листы, используемые в слоистом наполненном волокнами материале, должны прокатываться до очень высокой степени, чтобы получить малую толщину, требующуюся для хороших усталостных свойств. Металлические листы и армированные волокнами полимерные слои должны также соответствовать узким допускам в отношении их состава и толщины. Кроме того, в известном слоистом наполненном волокнами материале все металлические листы должны обрабатываться, чтобы они эффективно связывались с армированными волокнами полимерными слоями. Таким образом, каждый металлический лист должен быть, например, aнодирован и загрунтован. Наконец, чтобы получить формованную деталь из известного слоистого наполненного волокнами материала, все слои помещают в формовочную матрицу. Чем больше слоев требует структура, тем больше требуется времени и, следовательно, тем дороже производить формованную деталь.
Целый ряд вышеназванных проблем можно было решить, используя более толстые металлические листы в известном волоконно-металлическом слоистом материале. Однако, если в таких металлических листах возникает трещина, более высокая нагрузка неизбежно будет переноситься на армированные волокнами полимерные слои, перекрывающие трещины. Хотя известные армированные волокнами полимерные слои эффективно осуществляют свою функцию перекрытия трещин в известном слоистом наполненном волокнами материале, но если металлические листы значительно более толстые, они будут создавать слишком большие зоны расслоения между треснутым металлическим листом и соседним армированным волокнами полимерным слоем.
Целью изобретения является разработать слоистый материал указанного во введении типа, который можно применять, чтобы более эффективно удовлетворить высоким требованиям, предъявляемым авиационно-космической промышленностью, и который также можно производить с меньшими затратами. Для этой цели слоистый материал по изобретению отличается признаками, указанными в пункте 1 формулы изобретения. Неожиданно было обнаружено, что сопротивление расслаиванию значительно повышается, если слоистый материал содержит по меньшей мере один толстый металлический лист толщиной по меньшей мере 1 мм, и если этот толстый металлический лист соединен с остальной частью слоистого материала посредством по меньшей мере одного армированного волокнами полимерного слоя, объемное содержание волокон в котором не превышает 45 об.%. Таким образом, слоистому материалу придается более чем достаточная усталостная прочность и, более того, его можно производить проще и дешевле, чем известный слоистый материал. Благодаря мерам, описанным в независимом пункте формулы изобретения, в волоконно-металлических слоистых материалах можно использовать более толстые металлические листы, чем это было возможным до настоящего времени. При использовании более толстых металлических листов в слоистом материале по изобретению существует повышенная вероятность неоднородности в пропитке волокон. Это обусловлено высокой изгибной жесткостью таких листов, заставляющей эти листы создавать перепад давления в армированных волокнами полимерных слоях слоистого материала, когда слоистый материал отверждается, например, в автоклаве, что в свою очередь затрудняет пропитку содержащихся в нем волокон. Дальнейшим преимуществом использования по меньшей мере одного армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон, является то, что снижается риск недостаточной пропитки волокон в армированных волокнами полимерных слоях. Несмотря на то, что слоистый материал по изобретению содержит один или более армированных волокнами полимерных слоев, имеющих пониженное объемное содержание волокон, слоистый материал обладает хорошими механическими свойствами.
Один вариант реализации слоистого материала согласно изобретению отличается тем, что объемное содержание волокон определенного армированного волокнами полимерного слоя составляет самое большее 39 об.%, самое большее 34 об.%, самое большее 30 об.%. Такое объемное содержание волокон ниже, чем содержания, обычно используемые в армированных волокнами полимерах. Когда в данной заявке упоминается армированный волокнами полимерный слой с пониженным объемным содержанием волокон, понимается, что это слой, имеющий объемное содержание волокон не более 45 об.%, не более 39 об.%, не более 34 об.%, не более 30 об.%. Армированный волокнами полимерный слой с пониженным объемным содержанием волокон можно получить, например, используя полуфабрикат, в котором волокна в заданном объемном содержании пропитывают подходящим полимером в частично отвержденном состоянии (далее называется препрегом). Можно также комбинировать препрег, имеющий, например, объемное содержание волокон 60 об.%, с одним или более полимерными адгезивными слоями, чтобы получить в среднем пониженное объемное содержание волокон. В таком случае используется адгезивный слой, снабженный носителем, например, в форме сетки полимерных волокон, например, полиамидных волокон. Носитель гарантирует, что адгезивный слой сохранит конкретную, заранее установленную толщину даже после адгезии и отверждения. Это также выгодно для сопротивления расслаиванию. Согласно изобретению можно также комбинировать сухие, т.е. непропитанные, волокна с полимерным адгезивным слоем в подходящих объемных отношениях.
В следующем варианте реализации слоистый материал по изобретению включает по меньшей мере один толстый металлический лист толщиной по меньшей мере 1,5 мм. Оказывается, что особенно хорошие усталостные характеристики достигаются, если толщина толстого металлического листа составляет от 1,5 до 2,5 мм включительно. Согласно изобретению, можно также использовать более одного толстого металлического листа. Например, в волокнистом слоистом материале по изобретению может соединяться более одного металлического листа толщиной по меньшей мере 1 мм с образованием составного (более толстого) металлического листа. В одном варианте реализации слоистый материал по изобретению содержит по меньшей мере два толстых металлических листа, которые соединены друг с другом с помощью армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон.
Остальная часть слоистого материала может в принципе быть выполнена из любого материала, известного специалисту в данной области. Так, можно, чтобы остальная часть слоистого материала содержала металлический лист или более одного металлического листа, склеенных друг с другом адгезивными слоями, которые могут быть армированы волокнами. В этой связи, толщину металлических листов в остальной части слоистого материала можно выбирать в широком диапазоне. Остальная часть слоистого материала может также содержать армированный волокнами полимер. В одном варианте реализации остальная часть слоистого материала содержит металлические листы и соединенные с ними армированные волокнами полимерные слои, объемное содержание волокон в которых составляет по меньшей мере 50 об.%. В таком варианте осуществления остальная часть слоистого материала по существу соответствует слоистому материалу, уже известному в уровне техники. Использование такого слоистого материала еще больше улучшает механические свойства, в частности, усталостную прочность.
Еще один вариант реализации слоистого материала по изобретению отличается тем, что когда слоистый материал находится в ненагруженном состоянии, в металлических листах остальной части слоистого материала в среднем превалирует сжимающее напряжение, а в армированных волокнами полимерных слоях - в среднем растягивающее напряжение. Следует отметить, что наличие растягивающего напряжения в армированных волокнами полимерных слоях не означает, что эти слои демонстрируют только растягивающие напряжения. Напротив, растягивающее напряжение преобладает в среднем в определенном направлении. Армированные волокнами полимерные слои могут подвергаться растягивающему напряжению путем вытягивания слоистого материала в определенном направлении, в соответствии с чем металлические листы пластически деформируются. В этом направлении в полимерных слоях преобладают в среднем растягивающие напряжения, что дает в результате средние сжимающие напряжения в том же направлении в металлических листах слоистого материала. Усталостные характеристики еще больше улучшаются предварительным напряжением остальной части слоистого материала и затем скреплением его с по меньшей мере одним толстым металлическим листом посредством армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон.
Слоистый материал по изобретению выгодно отличается тем, что металлические листы и/или армированные волокнами полимерные слои в остальной части слоистого материала содержат материал, который отличается от толстых металлических листов и/или армированных волокнами полимерных слоев, имеющих пониженное объемное содержание волокон. Таким путем можно устанавливать свойства металлических слоев и/или армированных волокнами полимерных слоев так, чтобы они были оптимальными для функций, требующихся в слоистом материале для рассматриваемого слоя. Таким образом, оказывается, например, что усталостная прочность еще больше улучшается, если слоистый материал по изобретению отличается тем, что металлические листы в остальной части слоистого материала имеют более высокий предел текучести, чем толстые металлические листы. Также оказывается выгодным, если армированный волокнами полимерный слой в остальной части слоистого материала, находящийся ближе всех к толстому металлическому листу, имеет пониженное объемное содержание волокон.
В другом варианте реализации слоистый материал по изобретению имеет толщину металлических листов в остальной части слоистого материала меньше 0,8 мм, составляет от 0,2 до 0,8 мм включительно, от 0,3 до 0,6 мм. Хотя использование более тонких металлических листов само по себе ведет к более высоким расходам и поэтому не является заранее очевидным, оказывается, что их использование в остальной части слоистого материала приводит к существенному улучшению свойств всего слоистого материала. Слоистый материал по изобретению дополнительно выгоден тем, что для достижения этих улучшенных свойств более тонкие металлические листы достаточно использовать только в части слоистого материала. Эти же преимущества достигаются, если толщина армированных волокнами полимерных слоев в остальной части слоистого материала составляет менее 0,8 мм и предпочтительно от 0,2 до 0,6 мм включительно.
g
m
Армированные волокнами полимеры, используемые в волоконно-металлическом слоистом материале, являются легкими и прочными и содержат упрочняющие волокна, уложенные в полимере. Полимер также действует как связующее средство между различными слоями. Упрочняющие волокна, подходящие для применения в армированном волокнами полимере, включают, например, стекловолокна, углеродные волокна и металлические волокна, и при необходимости могут также включать тянутые термопластичные полимерные волокна, такие как арамидные волокна, волокна PBO (Zylon), волокна M5 и волокна ультравысокомолекулярного полиэтилена или полипропилена, а также натуральные волокна, такие как льняные, древесные и пеньковые волокна и/или комбинации вышеназванных волокон. Можно также использовать смешанные и/или переплетенные ровницы. Такие ровницы содержат упрочняющее волокно и термопластичный полимер в форме волокон. Примерами подходящих матричных материалов для упрочняющих волокон являются термопластичные полимеры, такие как полиамиды, полиимиды, полиэфирсульфоны, полиэфирэфиркетоны, полиуретаны, полиэтилен, полипропилен, полифениленсульфиды (PPS), полиамидимиды, сополимеры акрилонитрил/бутадиен/стирол (ABS), стирол/малеиновый ангидрид (SMA), поликарбонат, полифениленоксидная смесь (PPO), сложные термопластичные полиэфиры, такие как полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, а также смеси и сополимеры одно или более из вышеназванных полимеров. Кроме того, предпочтительные термопластичные полимеры содержат почти аморфный термопластичный полимер, имеющий температуру стеклования T выше 140°C, предпочтительно выше 160°C, такие как полиарилат (PAR), полисульфон (PSO), полиэфирсульфон (PES), полиэфиримид (PEI) или полифениленовый эфир (PPE), в частности, поли-2,6-диметилфениленовый эфир. Согласно изобретению можно также использовать полукристаллический или паракристаллический термопластичный полимер, имеющий температуру плавления кристаллов T выше 170°C, предпочтительно выше 270°C, такой как полифениленсульфид (PPS), полиэфиркетоны, в частности, полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетон (PEK) и полиэфиркетонкетон (PEKK), "жидкокристаллические полимеры", такие как XYDAR от Dartco, производное от мономерного бифенола, терефталевой кислоты и гидробензойной кислоты. Подходящие матричные материалы содержат также термореактивные полимеры, такие как эпоксиды, ненасыщенные полиэфирные смолы, меламинформальдегидные смолы, фенолформальдегидные смолы, полиуретаны и т.д.
В слоистом материале по изобретению армированный волокнами полимер одного или более слоев может содержать по существу непрерывные волокна, которые идут в основном в одном направлении (так называемый UD-материал). Выгодно использовать армированный волокнами полимер в форме заранее пропитанного полуфабриката. Такой "препрег" обнаруживает обычно хорошие механические свойства после своего отверждения, наряду с прочим и потому, что волокна уже были смочены заранее полимерной матрицей. В одном варианте реализации слоистого материала по изобретению по меньшей мере часть армированных волокнами полимерных слоев содержит преимущественно две группы непрерывных волокон, идущих параллельно, причем каждая группа составляет один и тот же угол с промежуточным направлением. Такая укладка препрегов специалистом в данной области называется также "укладкой слоев под углом". В частности, выгоден слоистый материал, имеющий армированные волокнами полимерные слои в остальной части слоистого материала, которые содержат в основном две группы непрерывных волокон, идущих параллельно и образующих одинаковый угол с промежуточным направлением, особенно если слоистый материал применяется в обшивке, например, для крыла самолета.
Волоконно-металлический слоистый материал по изобретению может быть получен соединением ряда металлических листов и промежуточных армированных волокнами полимерных слоев друг с другом путем нагрева их под давлением и затем охлаждения. При желании волоконно-металлический слоистый материал, полученный таким способом, можно предварительно вытягивать, чтобы получить благоприятное напряженное состояние. Затем этот слоистый материал склеивают с по меньшей мере одним толстым металлическим листом посредством среды из по меньшей мере одного армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон. Согласно изобретению слои соединяют известным способом, нанося на них подходящий клей и затем по меньшей мере частично отверждая этот клей при подходящей температуре. При этом клей может наноситься отдельно. Однако возможно также, чтобы матричный материал армированного волокнами полимера действовал как клей между слоями. Волоконно-металлические слоистые материалы по изобретению имеют хорошие удельные механические свойства (свойства на единицу плотности), в частности, что касается металлов, таких как алюминий.
В реализации слоистого материала по изобретению слоистый материал по изобретению получен склеиванием по меньшей мере одного первого толстого металлического листа с по меньшей мере одним вторым толстым металлическим листом средой из по меньшей мере одного армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон. Согласно предшествующему уровню техники не принято склеивать толстые металлические листы друг с другом, например, в случаях, когда один из металлических листов для соединения не является сплошным. В случае толстых металлических листов, обнаруживающих нарушение сплошности, значительная нагрузка неизбежно будет передаваться от несплошного металлического листа на соседний металлический лист. Несплошной металлический лист относительно большой толщины передает значительную концентрацию напряжений на соседний металлический лист по относительно широкой площади. В ситуации статической нагрузки, когда, например, требуется высокая прочность, это может привести к расслоению на границе раздела между двумя металлическими листами и/или к пластической деформации, ведущей, в свою очередь, к потере прочности в сплошном металлическом листе. Если толщина склеенных несплошных металлических листов превысит определенное значение, в соседних металлических листах может также легко возникнуть трещина, что сильно повлияет на прочность структуры в целом. Вышеназванная проблема может также возникнуть, хотя и в меньшей степени, с металлическими листами, которые продолжаются по всему размеру структуры, такой, например, как крыло. Слоистый материал по изобретению решает вышеуказанную проблему по меньшей мере частично. Это достигается тем, что при использовании армированного волокнами полимера по изобретению в качестве границы раздела между двумя толстыми металлическими листами снижается концентрация напряжений в соседнем металлическом листе, и между металлическими листами будет также происходить медленное усиление расслоения, что еще больше уменьшит концентрацию напряжений в соседних слоях. Выгодно предотвращаются резкие изменения толщины в структуре склеенных металлических листов, причем указанные изменения толщины вызваны неожиданной потерей сплошности одного из металлических листов на большой ширине. На краю металлического листа толщина рассматриваемого слоя предпочтительно снижается до относительно малой величины. Этого можно легко достичь, например, фрезеровкой материала.
Особенно подходящие для применения металлы включают легкие металлы, в частности, алюминиевые сплавы, такие как сплавы алюминия с медью и/или алюминия с цинком, или титановые сплавы. Металлические листы, предпочтительно состоящие из алюминиевого сплава, согласно изобретению могут быть выбраны из следующей группы алюминиевых сплавов, таких как сплавы типа AA(USA) N 2024, AA(USA) N 7075, AA(USA) N 7085, AA(USA) N 7475 и/или AA(USA) N 6013. В других отношениях изобретение не ограничено слоистыми материалами, использующими эти металлы, так что при желании могут применяться другие алюминиевые сплавы и/или, например, сталь или другие подходящие конструкционные металлы.
В одном варианте осуществления слоистый материал по изобретению содержит металлические листы, по меньшей мере часть которых содержит литийалюминиевый сплав. Такие сплавы повышают жесткость при сдвиге слоистого материала и используются, в частности, в толстых металлических листах. Еще один предпочтительный вариант реализации содержит слоистый материал с металлическими листами, по меньшей мере часть которых содержит сплав алюминий/магний/скандий. Такие сплавы еще больше повышают сопротивление коррозии и используются, в частности, в толстых металлических листах.
В зависимости от предполагаемого применения и совокупности требований, специалист в данной области может легко определить оптимальное число металлических листов. Так как благодаря изобретению в слоистом материале можно использовать толстые металлические листы, полное число металлических листов для формованных деталей обычной толщины, как правило, не превысит тридцати, хотя изобретение не ограничено слоистыми материалами с таким максимальным числом металлических листов. Согласно изобретению число металлических листов составляет от 2 до 20, например, от 2 до 10. Так как в слоистом материале по изобретению могут использоваться более толстые металлические листы, чем известно в настоящее время, число слоев в формованных деталях значительно меньше, чем известно для предшествующего уровня техники, и производить такую формованную деталь проще, быстрее и поэтому дешевле, чем формованную деталь на основе известного слоистого материала.
В одном варианте осуществления слоистого материала по изобретению слоистый материал выполнен снаружи внутрь из по меньшей мере одного толстого металлического листа, по меньшей мере одного армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон, и остальной части слоистого материала. Остальная часть слоистого материала более предпочтительно содержит металлические листы и соединенные с ними армированные волокнами полимерные слои, объемное содержание волокон в которых составляет по меньшей мере 50 об.%. В одном варианте осуществления дается слоистый материал, который выполнен симметричным снаружи внутрь. Такой симметричный вариант осуществления содержит по меньшей мере два толстых металлических листа снаружи, между которыми уложен центральный слоистый материал в виде ряда металлических листов и соединенных с ними армированных волокнами полимерных слоев, объемное содержание волокон в которых составляет по меньшей мере 50 об.%. Два толстых металлических листа соединены с центральным слоистым материалом посредством по меньшей мере одного армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон. Благодаря выполнению структуры слоистого материала по изобретению симметричной относительно плоскости, проходящей через центр толщины слоистого материала, предотвращается по меньшей мере частичное коробление слоистого материала в результате внутренних напряжений. Этот вариант осуществления слоистого материала по изобретению выгоден также тем, что для этого материала может также использоваться по существу неизменной большая часть инфраструктуры, применяющейся в настоящее время в авиапромышленности для скрепления панелей самолета. Кроме того, профиль толщины в таком материале можно просто реализовать способом, который применяется в настоящее время для массивных алюминиевых обшивок, а именно, снятием фрезерованием толстых внешних металлических (алюминиевых) слоев. Кроме того, усталостные свойства в настоящем варианте реализации отвечают требованиям, устанавливаемым авиационной промышленностью к "не требующим забот" материалам, при одновременном снижении числа армированных волокнами слоев и числа металлических листов для обработки и транспортировки. Когда в данной заявке говорится о материале, "не требующем забот", под этим понимается материал, в котором усталостные трещины, подвергнутые усталостной нагрузке, остаются настолько малыми, что прочность структуры остается больше, чем прочность, требуемая для применения. Однако в материале, который не чувствителен к усталости, трещины остаются настолько малыми, что их нельзя будет обнаружить при использовании обычных методов для обследования конструкций самолета. Хотя это не является ограничением для изобретения, трещина в материале, не требующем хлопот, в течение срока службы самолета (от 20000 до 60000 полетов) обычно будет вырастать не более чем до приблизительно 100 мм, от начальной (сделанной искусственно) трещины. Однако эта максимальная длина трещины может меняться и, кроме прочего, связана с остаточной прочностью поврежденной конструкции.
Слоистые материалы по изобретению особенно подходят для образования обшивочных листов для фюзеляжа и/или крыла самолета или космического корабля. Изобретение относится также к самолету или космическому кораблю, фюзеляж и/или крыло которых полностью или частично выполнено из обшивочных листов из слоистых материалов по изобретению. В одном варианте осуществления изобретения обшивка, например, для крыла самолета, образована из слоистого материала, который выполнен симметрично из, снаружи внутрь, по меньшей мере одного толстого металлического листа, затем по меньшей мере одного армированного волокнами полимерного слоя, имеющего пониженное объемное содержание волокон, и остальной части слоистого материала, содержащей в этом иллюстративном варианте осуществления от 5 до 10 металлических листов и от 4 до 9 соединенных с ними армированных волокнами полимерных слоев, объемное содержание волокон в которых составляет по меньшей мере 50 об.%. Однако возможно также, чтобы остальная часть слоистого материала содержала меньше слоев, например, только два металлических листа с промежуточным армированным волокнами полимерным слоем. Кроме того, можно, чтобы остальная часть слоистого материала содержала только один толстый металлический лист. При желании такой слоистый материал может содержать толстые металлические листы разной и при желании постепенно сужающейся толщины, например, чтобы можно было обработать на нем профиль толщины. Крыло самолета согласно изобретению предпочтительно снабжено такими обшивочными листами так, чтобы волокна армированных волокнами полимерных слоев в остальной части слоистого материала содержали в основном две группы непрерывных волокон, идущих параллельно, причем каждая группа составляет одинаковый угол с промежуточным направлением, которое соответствует продольному направлению крыла. Таким образом, предпочтительно, например, позволить по меньшей мере некоторым из этих упрочняющих волокон идти в направлении, образующем угол примерно 45 градусов с продольным направлением крыла. Когда в данной заявке упоминается продольное направление крыла, подразумевается, что это направление от фюзеляжа к верху крыла. Продольное направление идет к направлению носовой части под углом, который может меняться в зависимости от положения крыльев, причем указанное направление носовой части соответствует направлению воздушного потока от переднего края к заднему краю крыла. В критических в отношении усталости зонах крыла, таких как корневая часть крыла, крыло может при желании быть упрочнено согласно изобретению одним или более известными слоистыми материалами (в этом случае называемыми обычно "дублерами"), такими, например, как Glare, и/или слоистыми материалами по изобретению. Уменьшение среднего напряжения достигается с помощью локального структурирования толщины.
Обшивочный лист согласно изобретению, который также является особенно подходящим, кроме того, усилен локально посредством по меньшей мере одного продольного элемента жесткости, соединенного с ним адгезивным слоем, специалистом в данной области называемым также "стрингером". Продольный элемент жесткости может включать металло-ламинат, возможно армированный волокнами, и более предпочтительно слоистый материал по изобретению. В одном варианте осуществления продольный элемент жесткости содержит слоистый материал по изобретению, который содержит по существу только толстые металлические листы, сделанные из плоского листового материала или полученные экструдированием отдельных тонкостенных профилей, которые склеены друг с другом армированными волокнами полимерными слоями, имеющими пониженное объемное содержание волокон. Типичный подходящий вариант осуществления содержит, например, толстые алюминиевые листы толщиной приблизительно 1,5 мм.
В следующем варианте реализации обшивочного листа по изобретению продольный элемент жесткости соединен с обшивочным листом посредством адгезивного слоя, содержащего армированный волокнами полимер. Обшивочный лист, который также является особенно подходящим, выполнен из слоистого материала, содержащего, снаружи внутрь, по меньшей мере один толстый металлический лист, по меньшей мере один армированный волокнами полимерный слой, имеющий пониженное объемное содержание волокон, и остальную часть слоистого материала, причем самый внешний толстый металлический лист содержит лист, который весь снабжен ребрами жесткости. Такой обшивочный лист обычно не делается симметричным. Лист, снабженный ребрами жесткости, может содержать прессованный алюминиевый лист, называемый специалистами в данной области "прессовкой". Такие прессовки содержат плоскую листовую часть, снабженную на существенной части элементами жесткости, причем указанная листовая часть получена выдавливанием трубчатой формы и затем ее рассечением, выпрямлением и фрезерованием и, при желании, ее предварительной обработкой для склеивания.
Согласно изобретению получают слоистый материал, который демонстрирует, в частности, высокие допуски и который может быть произведен просто и с низкими затратами.
Дальнейшие отличительные признаки изобретения выявятся из следующих схематических фигур, но не ограничиваются ими.
Фигура 1 показывает часть слоистого материала (называемую в настоящей заявке "остальной частью слоистого материала") по изобретению с девятью слоями,
фигура 2 показывает слоистый материал по изобретению, включающий остальную часть слоистого материала с фигуры 1,
фигура 3 показывает сечение другого варианта осуществления слоистого материала по изобретению,
фигура 4 показывает распространение трещины при приложении переменной нагрузки к алюминиевому листу 2024-T3 толщиной 4 мм и три варианта осуществления слоистого материала по изобретению,
фигура 5 показывает структуру обшивочного листа для крыла самолета, в которой используется слоистый материал по изобретению, и наконец,
фигура 6 показывает ряд структурных вариантов осуществления обшивочного листа для крыла самолета, использующих слоистый материал по изобретению.
Фигура 2 показывает слоистый материал 1 по изобретению, содержащий в сумме 11 слоев. Следует отметить, что толщины слоев, показанные на фигурах, не обязательно соответствуют реальному соотношению толщин. Слоистый материал 1 на обеих наружных сторонах содержит два толстых металлических слоя 2 и 3, сделанных из подходящего алюминиевого сплава. Середина слоистого материала 1 образована остальным слоистым материалом 10, который соединен на обеих сторонах с толстыми металлическими листами 2 и 3 с помощью одного армированного волокнами полимерного слоя (4, 5) на каждой стороне, имеющего пониженное объемное содержание волокон. Хотя это на фигуре 2 не показано, при желании можно установить более одного толстого металлического листа (2, 3) друг на друга, как показано на фигуре 3 для двух пар толстых металлических листов (2а, 2b) и (3а, 3b), чтобы получить требуемую толщину. Можно также, чтобы толстые металлические листы (2, 3) шли поперек друг друга, причем перекрывающиеся листы скошены на краях сторон и расположены так, чтобы они по меньшей мере частично перекрывались вдоль скоса" кромки (метод, называемый "соединением внахлест"). Более одного толстого металлического листа (2а, 2b) и (3а, 3b) соединяются предпочтительно посредством армированных волокнами полимерных слоев (4а, 5а), имеющих пониженное объемное содержание волокон, как показано на фигуре 3. Соединение между толстыми металлическими листами (2b, 3b) и остальной частью 10 слоистого материала образовано армированными волокнами полимерными слоями (4b, 5b), имеющими пониженное объемное содержание волокон. Можно, чтобы слои (4а, 5а) и (4b, 5b) были образованы по-разному.
Фигура 1 показывает вариант осуществления остальной части 10 слоистого материала по изобретению в форме плоского прямоугольного листа. В показанном иллюстративном варианте осуществления остальной слоистый материал 10 содержит часть слоистого материала 1, не включающего толстых металлических листов (2, 3) и соединительных слоев (4, 5). Остальной слоистый материал 10 выполнен из пяти металлических листов 12, имеющих толщину, например, 0,2 мм, содержащих алюминиевый сплав, например 2024-Т3. Металлические листы 12 прочно скреплены четырьмя армированными волокнами полимерными слоями 11 на основе эпоксидной смолы, которая является также хорошим клеем для металла. Армированный волокнами соединительный слой 11 содержит и образован из стекловолокон, пропитанных определенным полимером, и имеет объемное содержание волокон приблизительно 60 об.%. Эти предварительно пропитанные препреги 11 толщиной приблизительно 0,25 мм образованы из (однонаправленных) стекловолокон, идущих параллельно друг другу в направлении 13. Остальной слоистый материал 10 получен наложением, например, на плоской форме, заданных слоев 11 и 12 друг на друга в последовательности, показанной на фигуре 1. После наслоения всю структуру отверждают при температуре, подходящей для эпоксидной смолы. Для большинства приложений наиболее подходящей будет эпоксидная смола с высокой температурой стеклования. Такие эпоксидные смолы обычно отверждаются при температуре приблизительно 175°С. Хотя это не существенно для изобретения, предпочтительно после отверждения структуры, показанной на фигуре 1, осуществить вытягивание в продольном направлении структуры, которое больше упругого удлинения металлических листов 12 и меньше относительного удлинения при разрыве армированных волокнами полимерных слоев 11. Такое предварительное напряжение остального слоистого материала 10 может быть достигнуто, например, создавая удлинение ε от 0,1 до 2 процентов остального слоистого материала 10 в его продольном направлении. В зависимости от волокон, использующихся в армированных волокнами полимерных слоях, диапазон этого удлинения может быть другим. Остальной слоистый материал 10 может быть предварительно напряжен путем проведения его через прокатный стан под давлением. Таким образом, обеспечивается способ, который может применяться в промышленном масштабе. Устанавливая прикладываемые сжимающие усилия на достаточно высокий уровень, получают деформации в плоскости остального слоистого материала 10 такой величины, что созданное в продольном направлении удлинение ε превысит предел пластичности металла у металлических листов 12, что заставит металлические листы 12 постоянно деформироваться, не приводя к дефектам армированных волокнами полимерных слоев 11. Вытягиванием остального слоистого материала 10 в продольном направлении создается особенно благоприятное состояние напряжения, при котором в каждом металлическом листе 12 в ненагруженном состоянии в среднем имеется сжимающее напряжение, а в каждом армированном волокнами полимерном слое 11 имеется в среднем растягивающее напряжение. Таким образом, возможно, чтобы слоистая субструктура и/или полученный слоистый материал демонстрировали, например, повышенный предел текучести. Это также выгодно для усталостных характеристик. Повышенный предел текучести выгоден дополнительно, если в слоистом материале использует алюминий тех типов, которым внутренне присущ повышенный предел текучести по сравнению с известными алюминиевыми сплавами на основе меди и цинка, такими, например, как сплавы серии 2000.
Фигуры 5(а), 5(b) и 5(с) показывают три варианта осуществления обшивочного листа 30 для крыла самолета. Обшивочный лист 30 образован из слоистого материала 1 по изобретению, содержащего добавленный в центр остальной слоистый материал 10, выполненный из металлических листов, которые прочно скреплены армированными волокнами полимерными слоями на основе эпоксидной смолы, имеющими объемное содержание волокон по меньшей мере 50 об.%. Три показанных обшивочных листа 30 имеют на верхней стороне (согласно фигуре), толстый металлический лист в форме листа 32, который целиком снабжен ребрами жесткости 35, предпочтительно прессованного, содержащего алюминий листа. В варианте осуществления, показанном на фигуре 5(а), нижняя сторона образована из толстого металлического листа 33. Оба толстых листа 32 и 33 соединены с расположенным по центру остальным слоистым материалом 10 с помощью двух армированных волокнами полимерных слоев 36, имеющих пониженное объемное содержание волокон. В варианте осуществления, показанном на фигуре 5(b), нижняя сторона обшивочного листа 30 (которая, очевидно, соответствует стороне крыла, обращенной наружу) образована из ряда толстых металлических слоев 34, соединенных друг с другом, а также с центральным остальным слоистым материалом 10 посредством армированных волокнами полимерных слоев 36, имеющих пониженное объемное содержание волокон. В варианте осуществления, показанном на фигуре 5(с), нижняя сторона обшивочного листа 30 образована из нескольких толстых металлических слоев 34, которые прерываются и соединяются поперек друг друга (частично перекрываясь) посредством армированных волокнами полимерных слоев 36, имеющих пониженное объемное содержание волокон. Однако предпочтительно также располагать края толстых металлических листов по существу напротив друг друга ("состыкованные края"), так что можно будет устанавливать менее строгие требования к точности расположения.
Фигуры с 6(а) по 6(i) включительно показывают девять вариантов осуществления обшивочного листа 30 для крыла самолета. На этих фигурах позиции для ссылок указаны только один раз. В этих вариантах осуществления обшивочный лист 30 упрочнен несколькими продольными элементами жесткости 40, соединенными с ним адгезивным слоем 41. Продольные элементы жесткости 40 могут содержать алюминиевые профили, но предпочтительно они содержат слоистый материал по изобретению, в соответствии с чем адгезивный слой 41 предпочтительно содержит армированный волокнами полимер. В таком иллюстративном варианте осуществления продольного элемента жесткости 40, указанный элемент жесткости содержит, таким образом, по меньшей мере один толстый металлический лист, предпочтительно алюминиевый лист, и по меньшей мере один армированный волокнами полимерный слой, имеющий пониженное объемное содержание волокон и применяющийся для склеивания толстого металлический листа с остальной частью продольного элемента жесткости 40. В таком случае остальная часть указанного элемента жесткости может быть выполнена более чем из одного толстого металлического листа, склеенных друг с другом посредством армированного волокнами полимерного слоя, при желании имеющего низкое объемное содержание волокон; или из известного слоистого материала, например Glare; или из комбинации толстых металлических листов и известного слоистого материала, например, Glare. Можно также делать продольный элемент жесткости в основном из толстых металлических листов, образованных из плоского листового материала, или полученных прессованием отдельных тонкостенных профилей, которые склеивают друг с другом армированными волокнами полимерными слоями, имеющими пониженное объемное содержание волокон. Далее, обшивочный лист 30 образован из слоистого материала 1 по изобретению, содержащего размещенный в середине остальной слоистый материал 10, выполненный из металлических листов, которые прочно скреплены посредством армированных волокнами полимерных слоев на основе эпоксидной смолы, имеющих объемное содержание волокон по меньшей мере 50 об.%. Обшивочный лист 30, показанный на фигуре 6(а), содержит толстый металлический лист (42, 43) по обеим сторонам помещенного в середину остального слоистого материала 10. Оба толстых листа (42, 43) соединены с расположенным в центре остальным слоистым материалом 10 посредством двух армированных волокнами полимерных слоев 46, имеющих пониженное объемное содержание волокон.
В вариантах осуществления, показанных на фигурах 6(b), 6(с) и 6(d), нижняя и/или верхняя сторона обшивочного листа 30 образована несколькими толстыми металлическими слоями 44, которые соединены друг с другом, а также с центральным остальным слоистым материалом 10 посредством армированных волокнами полимерных слоев 46, имеющих пониженное объемное содержание волокон. В вариантах осуществления, показанных на фигурах с 6(е) по 6(i) включительно, нижняя и/или верхняя сторона обшивочного листа 30 образована из нескольких толстых металлических слоев 44, которые прерываются и соединяются поперек друг друга (возможно, частично перекрываясь) посредством армированных волокнами полимерных слоев 46, имеющих пониженное объемное содержание волокон. Обшивочные листы крыльев обычно имеют толщину, меняющуюся от 3 мм у конца крыла и до максимум примерно 30 мм у корневой части крыла. С известным слоистым материалом такой толщины можно достичь только, получая структуру из примерно 50 алюминиевых листов и 49 слоев армированных волокнами полимера, предполагая толщину 3 мм в конструкции 5/4 (5 слоев алюминиевых листов и 4 слоя армированного волокнами полимера между ними). Следует отметить, что укладка такого числа листов, в частности, металлических листов, представляет собой почти неосуществимый производственный процесс, с точки зрения манипуляций с множеством тонких листов и их предварительной обработки. Эта проблема решена слоистым материалом по изобретению.
Ряд слоистых материалов 1 по изобретению подвергали испытанию на усталость при нагрузке, прикладываемой в направлении 13. На фигуре 4 показаны усталостные характеристики слоистых материалов 1 по изобретению, которые сравниваются с усталостными характеристиками алюминиевого листа типа 2024-Т3 толщиной 4 мм. Для этого испытательные образцы слоистых материалов размером 200x500 мм подвергали растягивающему напряжению с синусоидально меняющейся средней нагрузкой 100 МПа и частотой 10 Гц. На образцах для испытаний заранее делали тонкую начальную трещину поперек направления растяжения, имеющую длину 2а=10 мм. На фигуре 4, половинная длина трещины «а» отложена по вертикальной оси. По горизонтальной оси отложено полное число полетов 50 при моделированной нагрузке на крыло.
Линия I соответствует росту трещины алюминиевого листа типа 2024-ТЗ толщиной 4 мм.
Линия II соответствует росту трещины слоистого материала, содержащего в центре остальной слоистый материал, сделанный из волоконно-металлического слоистого материала Glare, проклеенного во втором автоклавном цикле между двумя алюминиевыми листами 2024-Т3 толщиной 4 мм, с использованием клейкой пленки FM 94 (без волокон). Клейкая пленка снабжена носителем, который сохраняет толщину адгезивного слоя в течение автоклавного цикла. Центральный остальной слоистый материал содержит слоистый материал Glare 1-5/4-0.4 (на основе пяти алюминиевых слоев толщиной 0,4 мм), который был предварительно вытянут до удлинения 0,5%. В этом волоконно-металлическом слоистом материале Glare использовался стандартный стеклянный препрег S2 на основе клея FМ 94. Объемное содержание волокон в препреге составляло 60 об.%.
Линия III соответствует росту трещины слоистого материала 1, выполненного так же, как и слоистый материал, отвечающий линии II, при условии, что центральный остальной слоистый материал был наклеен на самые крайние алюминиевые слои 2024-Т3 толщиной 4 мм, используя тот же самый стеклянный препрег S2, какой использовался в центральном слоистом материале.
Наконец, линия IV соответствует слоистому материалу по изобретению. Этот слоистый материал образован так же, как слоистый материал, соответствующий линии III, при условии, что препрег на основе стекловолокна S2 и эпоксидной смолы FM 94, соединенный с клейкой пленкой FM 94, использовали во втором автоклавном цикле для скрепления алюминиевых листов толщиной 4 мм с центральным волоконно-металлическим слоистым материалом. Таким образом, в итоге этот адгезивный слой имеет пониженный объем волокон.
Как можно видеть на фигуре 4, слоистый материал 1 по изобретению (линия IV) четко показывает пониженный рост трещины в условиях заданной нагрузки по сравнению с алюминиевым слоистым материалом (линия I) или другими слоистыми материалами (линии II и III) согласно предшествующему уровню.
Во всех случаях, когда в описании и формуле говорится о модуле упругости, пределе прочности на разрыв и относительном удлинении при разрыве волокон, понимается, что они относятся к значениям при растягивающей нагрузке в продольном направлении волокон и определены измерениями на готовом слоистом материале.
В рамках изобретения могут быть введены различные изменения. Хотя в слоистых материалах по изобретению используются металлические листы главным образом одинаковой толщины, в принципе возможно также применять металлические листы, имеющие две или более разных толщин в одном и том же слоистом материале в возможно симметричной укладке. Вообще говоря, толщина полимерного слоя между двумя последовательными металлическими листами в остальном слоистом материале будет приблизительно того же размера, что и толщина каждого из металлических листов. При желании слоистые материалы могут, кроме того, иметь уменьшающуюся толщину, а также уменьшающуюся глубину.