Волокнисто-металлический ламинат на основе однонаправленного препрега из стеклянного волокна и полипропилена, биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки и листов алюминиевого сплава с обработанной поверхностью
METAL FIBER LAMINATE BASED ON UNIDIRECTIONAL GLASS FIBER AND POLYPROPYLENE PREPREG, BIAXIALLY ORIENTED POLYPROPYLENE FILM AND SURFACE TREATED ALUMINUM ALLOY SHEETS

Настоящее изобретение относится к слоистым гибридным композиционным материалам, состоящим из чередующихся металлических листов, слоев однонаправленного волокнистого препрега, на основе однонаправленного препрега из стеклянного волокна и полипропилена, биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки и листов алюминиевого сплава с обработанной поверхностью. Изобретение может быть использовано в автомобильной, авиационной, строительной, судостроительной или космической отраслях.
Из существующего уровня техники известны несколько основных типов волокнисто-металлических композиционных материалов.
Известны российские волокнисто-металлические ламинаты (патенты RU 2185964, RU 2565215, RU 2641744), состоящие из слоев высокопрочного алюминиевого сплава Al-Li (до 1,5% Li) и слоев препрега на основе стеклянных волокон и термически отверждаемых эпоксидных смол. Недостатком которых является использование термореактивных полимеров.
Известен волокнисто-металлический ламинат (патент RU 2238850), состоящий из чередующихся листов алюминиевого сплава и слоев стеклопластика на основе термореактивного связующего, дополнительно содержащий эластичные полимерные слои, расположенные между листа алюминиевого сплава и стеклопластика, на основе фенольных смол резольного типа и высокомолекулярного каучука, толщиной 20-100 мкм. Недостатком данного материала является использование термореактивных полимеров.
Известен волокнисто-металлический ламинат (патент DE 102006051989 A1), который содержит по меньшей мере 2 слоя металла, толщиной менее 1,5 мм, и полимерных слоя, как из термопластичного, так и из термореактивного связующего, имеющий в своем составе базальтовые волокна в количестве от 35% до 75%. Недостатком данного патента является использование базальтовых волокон.
Известен ламинат из металла и полимера, на основе полипропилена, наполненного длинными стеклянными волокнами (патент EP 1118451B1). Материал изготавливается из полипропилена, наполненного длинными волокнами, длиной не менее 1 мм и не более 50 мм, и имеющего коэффициент теплового расширения такой же, как используемый с ним, для изготовления композита, металл. Прочность композиционного материала превышает прочность конструкций, изготовленных их чистого металла. Недостатком данного материала является использование длинных волокон, прочность которых ниже, чем у непрерывных.
Наиболее близким из известных аналогов является патент US 20110052910 A1, описывающий высокопрочный волокнисто-металлический ламинат, содержащий армированный волокнами слой и слой из тонких листов металла, с содержанием армирующего слоя от 0% до 47%. В качестве армирующих волокон могут быть использованы такие волокна как: углеродные, стеклянные, металлические и термопластичные полимерные и натуральные волокна. В качестве полимерного материала используется термопластичные полимеры такие как: полиамиды, полиимиды, полиэфирсульфоны, полифениленсульфиды, полиамид-имиды, ABS, термопластичные полиэфиры, предпочтительно имеющие аморфную структуру и температуру стеклования более 140°С. В качестве металлического слоя используются сплавы, такие как: стали, титановые и алюминиевые сплавы. Недостатком данного материала является использование эпоксидных смол в качестве матрицы, что снижает технологичность производства.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка волокнисто-металлического ламината на основе однонаправленного препрега из стеклянного волокна и полипропилена, биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки и листов алюминиевого сплава с обработанной поверхностью.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что поверхность листов из алюминиевого сплава подвергалась электрохимической обработке при заданных режимах.
2
4
2
4
3
2
2
Технический результат заявляемого технического решения заключается в том, что поверхность листов алюминиевого сплава обрабатывается методом сернокислого анодирования в растворе HSO 60 мл/л и Al(SO) 200 г/л при температуре 20°С и плотности тока 1,5 А/дм в течение 20 минут, что обеспечивает для ламината предел прочности при растяжении 320 МПа, при изгибе 475 МПа и ударную вязкость 350 кДж/м.
Техническое решение иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг. 1 - представлена схема волокнисто-металлического ламината, состоящего из листов алюминиевого сплава с обработанной поверхностью (1), биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки (2) и 2-х слоев однонаправленного препрега на основе стеклянного волокна и полипропилена ориентированных под 0° и 90° (3).
Для повышения свойств волокнисто-металлического ламината проводится электрохимическая обработка листов алюминиевого сплава. Перед обработкой поверхности, листы предварительно подвергаются отчистке с помощью промывки в мыльном растворе; промывке в ацетоне; травлению в 10% растворе NaOH в течение 10 секунд. После каждого этапа листы промываются дистиллированной водой. Проводится электрохимическая обработка листов алюминиевого сплава по режимам, указанным в таблице 1. Отклонение от параметров не должно составлять ±3% от указанных в таблице 1.
Таблица 1. Режимы обработки поверхности металла
<b>Тип обработки</b>
<b>Водный раствор</b>
<b>Температура</b>
<b>Время</b>
<b>Плотность тока</b>
Электрохимическая
Al<sub>2</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> 200 г/лH<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 60 мл/л
20°C
20 мин
1,5 А/дм<sup>2</sup>
Перед сборкой слоев, каждый слой протирается смоченной в спирте безворсовой тканью. Волокнисто-металлический ламинат собирается из однотипных пакетов как показано на фиг. 1. Каждый пакет состоит из листов алюминиевого сплава AlMg6 с обработанной поверхностью, толщиной 0,5 мм; к листам алюминиевого сплава прилегают полимерные пленки из полипропилена, толщиной 40 мкм; в середине пакета размещаются 2 слоя препрега, на основе стеклянного волокна и полипропилена, с укладкой 0° /90°. После подготовки и укладки всех компонентов в пресс-форме, волокнисто-металлический ламинат изготовливается методом горячего прессования при следующих параметрах процесса: давление - 2 МПа; температура - 190 °C; время выдержки при заданной температуре - 20 мин.
В таблице 2 приведен пример осуществления. Показаны характеристики материала в сравнении с известным. Полученный материал был испытан на прочность при растяжении и изгибе, на ударную вязкость. Полученные данные иллюстрируют улучшение характеристик относительно материала, полученного без дополнительной обработки.
Таблица 2. Механические свойства получаемых волокнисто-металлических ламинатов
<b>Обработка поверхности</b>
<b>Предел прочности при растяжении, МПа</b>
<b>Предел прочности при изгибе, МПа</b>
<b>Ударная вязкость, кДж/м</b><sup><b>2</b></sup>
Без обработки
280
420
320
Электрохимическая обработка
320
475
350