金屬構件或陶瓷構件及其制造方法和用圖

金屬構件或陶瓷構件及其制造方法和用圖
【專利摘要】本發明涉及包括至少一個多維結構化的連接部的金屬構件或陶瓷構件，其中連接部用于形成粘結纖維增強的聚合物層壓件的粘著接頭，并且其中金屬構件或陶瓷構件具有毫米級結構(特別是由錨固件形成的毫米級結構)和在連接部和錨固件上的微米級結構，在該微米級結構上方形成另外的納米級結構。本發明還涉及用于使金屬構件或陶瓷構件的至少一個連接部多維結構化的方法。這樣，避免了現有技術的缺點，并且改善了纖維復合結構與金屬構件或陶瓷構件的粘著接頭，增大了分層阻力或粘結強度。這也特別適于通過金屬或陶瓷中間層將纖維復合結構粘結至纖維復合結構。此外，通過根據本發明的方法，阻止了對粘結強度有不利影響的金屬構件或陶瓷構件的可能污染。
【專利說明】
金屬構件或陶瓷構件及其制造方法和用途
技術領域
[0001]本發明涉及包括至少一個多維結構化的連接部的金屬構件或陶瓷構件以及用于制造所述連接部的方法，其中所述連接部用于形成粘結纖維增強的聚合物層壓件(laminate)的粘著接頭。
【背景技術】
[0002]目前，纖維復合結構特別是在航空和航天工業中是必不可少的，而且在水運工具和地面車輛的構建以及風力發電廠的轉子和輕型結構的構建中也是必不可少的。在該情況下使用的纖維增強的聚合物層壓件可以包含碳纖維、玻璃纖維、Kevlar、硼纖維或混合纖維或由上述纖維制成的織造織物。在這種情況下，聚合物基體由“濕的”環氧樹脂、聚酯樹脂等形成，或者由含有樹脂的“預浸料”形成，并且使用織造織物纖維。這尤其是因為幾乎無限的設計可能性和與金屬或陶瓷材料相比在重量上的巨大節省。通過對纖維粗紗或纖維墊進行適當對齊或材料選擇，即，例如，對碳纖維與玻璃纖維的混合物或碳纖維與Kevlar的混合物進行適當對齊或材料選擇，其中，在一個方向上使用一種類型的纖維，而在另一個方向上使用另一種類型的纖維，或者，在內部使用一種類型的纖維，而在外部使用另一種類型的纖維，由纖維復合材料構建的構件能夠以預定的方式最佳地吸收力，即，它們以最佳的方式適應于預期的載荷并且能夠單獨促使大量減輕重量。然而，纖維復合結構的一個弱點是它們的分層阻力低或確切地來自這種材料組的接頭的粘結強度低。突然高初始載荷有可能觸發層間裂縫的形成，結果是裂縫的推進需要相對較少的能量。
[0003]使用CFRP縱梁、CFRP框架、金屬框架以及類似的結構構件增強碳纖維增強的塑料材料或CFRP蒙皮外殼以在主殼區域以重量優化的方式承受高載荷特別是在航空器和船舶構建中是已知的，而且在車輛制造中也是已知的。這樣的構件例如可以通過用于將基體(例如環氧樹脂)引入增強纖維并隨后在熔爐或高壓釜中進行固化的預浸處理技術、熱固化工藝或真空灌注工藝來制造。纖維復合材料構件例如是由增強纖維構成的，而不論該增強纖維是粗紗還是織造織物墊。意圖具有特定的損傷容限的結構接頭能夠薄金屬片設在鄰接表面之間，即借助于金屬片的材料厚度加入到纖維復合材料構件中的橫向加強件。為了提高橫向上的性能，已經開發出了各種復合技術，例如Z-釘扎(Z-pinning)、縫合或簇絨(tufting)ο
[0004]此外，已知共粘結方法，在該方法中，第一步:使纖維復合材料結合配合件(joining partner)在真空下固化;第二步:以整合的方式將該經固化的第一結合配合件連接至“新鮮的”結合配合件并進行固化。例如，在航空器構建領域中，這可以是連接至航空器結構的機身下部區域的“濕”蒙皮外殼的經固化的縱向加強件(縱梁)。
[0005]此外，也存在混合構件，其由金屬構件或陶瓷構件與聚合物層壓件的組合構建而成，并且可以設置在航空器或航天器區域的或地面車輛或水運工具區域的不同點處。
[0006]W02011/069899A2涉及一種用于將纖維復合材料構件與航空器或航天器的結構構件連接起來的方法。在這個案件中，提供金屬膜作為纖維復合材料構件與結構構件之間的橫向加強件。該金屬膜被設計成具有至少一個錨固件，該錨固件以90°C角從朝向纖維復合材料構件的表面突出并且被插在纖維復合材料構件和結構構件之間并被整合到其中。此夕卜，根據該方法制造了對應的設置件。這樣，當使用鈦膜作為橫向加強件時已經能夠實現大約為I.5kJ/m2的提高的分層阻力。

【發明內容】

[0007]因此，本發明解決的技術問題在于:避免了現有技術的缺點，并且改善了纖維復合結構與金屬構件或陶瓷構件的粘著接頭，從而增加了分層阻力或粘結強度。這也特別適用于通過金屬或陶瓷中間層將纖維復合結構粘結至纖維復合結構。此外，阻止了對粘結強度有不利影響的金屬構件或陶瓷構件的可能污染。
[0008]該目標通過具有以下特征的方法以及通過具有以下特征的裝置(device)來實現:所述方法為一種用于使金屬構件或陶瓷構件的至少一個連接部多維結構化的方法，其中，所述連接部用于形成粘結纖維增強的聚合物層壓件的粘著接頭，并且其中所述方法包括如下步驟:I)通過在所述連接部上形成錨固件來制造毫米級結構；2)在所述連接部和所述錨固件上制造微米級結構;3)在所述連接部和所述錨固件上的所述微米級結構上方制造納米級結構;所述裝置為包括至少一個多維結構化的連接部的金屬構件或陶瓷構件，其中所述連接部用于形成粘結纖維增強的聚合物層壓件的粘著接頭，并且其中所述金屬構件或陶瓷構件具有:毫米級結構，特別是通過錨固件形成的毫米級結構;和在所述連接部和所述錨固件上的微米級結構，在所述微米級結構上方形成另外的納米級結構。在本中還描述了本發明的有利的實施方式及改進。
[0009]這樣，避免了現有技術的缺點，并且改善了纖維復合結構與金屬構件或陶瓷構件的粘著接頭，從而增加了分層阻力或粘結強度。通過本發明，可以將分層阻力相對于僅僅為毫米級的結構增加超過30%。這也特別適用于借助于金屬或陶瓷中間層將纖維復合結構粘結至纖維復合結構。此外，通過根據本發明所述的方法，阻止了對粘結強度有不利影響的金屬構件或陶瓷構件的可能污染。
[0010]根據本發明所述的用于使金屬構件或陶瓷構件的至少一個連接部多維結構化的方法，其中，所述連接部用于形成粘結纖維增強的聚合物層壓件的粘著接頭，所述方法包括如下步驟:
[0011]I)通過在所述連接部上形成錨固件來制造毫米級結構，即尺寸大于ΙΟΟΟμπι的宏觀結構；
[0012]2)在所述連接部和所述銷固件上制造微米級結構，即尺寸為Ιμπι?ΙΟΟΟμπι的微觀結構；
[0013]3)在所述連接部和所述銷固件上的所述微米級結構上方制造納米級結構，S卩尺寸小于Ιμπι的納米結構。
[0014]在這種情況下，所述方法步驟可以優選以上述順序進行。這樣，在其上方形成納米結構的所述微觀結構是在具有錨固件的毫米級連接部上制造的。在這種情況下，所述至少一個錨固件從連接部以基本垂直的方式或以預定的角度突出。所述錨固件也可以設計成針狀物(pins)、倒刺(barbs)、齒狀物、尖狀物(spikes)或螺旋結構等。有利的是，銷固件與連接部形成一個整體。
[0015]通過根據本發明所述的方法，在金屬構件或陶瓷構件上制造新的表面形貌。這些結構使得能夠顯著提高在周圍聚合物上的機械錨固和/或形成更多共價鍵。因此，以這種方式增強的纖維復合層壓件或復合件(compound)最終具有的分層阻力明顯高于已知的纖維復合材料層壓件，因此導致討論中的纖維復合材料構件的使用壽命增加。
[0016]該方法的另一個有益的改進提供了，在金屬構件的情況下，通過在所述連接部上形成錨固件來制造所述毫米級結構是通過沖壓彎曲處理、高速金屬加工、電子束加工、加層制造方法、堆焊、焊接銷固件(welding on of anchoring element)或其他合適的方法來進行的。對于陶瓷構件，所述毫米級結構例如可以通過模制后燒結來制造。
[0017]該方法的另一個有益的改進提供了，在所述連接部和所述錨固件上的所述微米級結構是通過噴砂處理或電磁輻射，特別是通過激光輻射制造的。該結構中的雜質也可以這樣除去。因此可以實現接觸和粘著表面的改良。
[0018]該方法的另一個有益的改進提供了，所述納米級結構是通過激光輻射或陽極化在所述連接部和所述錨固件上的所述微米級結構上方制造的。特別地，在微米級結構上方形成納米級結構促使復合結構具有最佳的結合表面。
[0019]該方法的另一個有益的改進提供了，所述激光輻射是通過短脈沖激光器進行的，特別是通過相對于所述連接部以規定的進料速率移動的、具有高脈沖重復頻率的飛秒、皮秒或納秒激光器進行的。在這種情況下，進料速率與進料路徑通過處理的類型-微米級或納米級來限定。
[0020]該方法的另一個有益的改進提供了，用于制造所述微米級結構的激光器與用于制造所述納米級結構的激光器以一前一后的方式設置，使得上方形成所述納米結構的微觀結構在一個進料流程中制造。因此，可以優化和加快制造過程。
[0021]根據本發明所述的包括至少一個多維結構化的連接部的金屬構件或陶瓷構件提供了連接部，以形成粘結纖維增強的聚合物層壓件的粘著接頭，該連接部具有:毫米級結構，特別是通過錨固件形成的毫米級結構;和在所述連接部和所述錨固件上的微米級結構，在所述微米級結構上方形成另外的納米級結構。這使得金屬構件或陶瓷構件能夠有效地被增強并機械地錨固到聚合物纖維復合結構上，并且使得能夠形成更多共價鍵。
[0022]使用的金屬可以是鈦合金、鋁合金、不銹鋼合金、鎂等。對于陶瓷構件，可以使用電絕緣和隔熱但能夠被機械加工或熱加工的材料，例如MACOR，氮化硼、碳化硅或氧化鋁。
[0023]根據本發明所述的金屬構件或陶瓷構件的一個有益的實施方式提供了，在所有側面都設有連接部。對于平面的金屬構件或陶瓷構件，連接件如此在Z-方向上突出。
[0024]根據本發明所述的金屬構件或陶瓷構件的一個有益的實施方式提供了，所述構件是由鈦、鋁、鋼(例如不銹鋼)或鎂的合金或另一種金屬合金制造的。
[0025]此外，本發明提供了根據本發明所述的金屬構件或陶瓷構件作為纖維增強的聚合物層壓件的Z-加強件的用途。在這種情況下，所述金屬構件或陶瓷構件可以完全被聚合物層壓件包圍住。
[0026]此外，可以提供根據本發明制造的所述金屬構件或陶瓷構件作為共粘結方法中的連接件。在金屬構件或陶瓷構件與第一結合配合件的粘著接頭粘結在高壓釜中在真空下固化后，在下一個步驟中，進行與待濕法膠合的第二結合配合件的粘著。
【附圖說明】
[0027]下面，將基于實施例和附圖更詳細地描述改進本發明的另外的特征，其中:
[0028]圖1為示出根據本發明所述的方法步驟的流程圖；
[0029]圖2a_2d示出了具有多維結構化的連接部的金屬構件；
[0030]圖3為具有增強板的纖維復合結構的分解圖；
[0031]圖4為處于粘著狀態的來自圖3的纖維復合結構的側視圖。
[0032]圖1示出了按方法的處理順序的方法步驟。在這種情況下，首先提供金屬構件或陶瓷構件，該金屬構件或陶瓷構件可以是薄金屬片或固體金屬或陶瓷體。然后在該構件上制造毫米級結構。這樣，在整個金屬構件或陶瓷構件上或其部分上設置錨固件。在這種情況下，所述至少一個錨固件可以從連接部以基本垂直的方式或以預定的角度突出。所述錨固件也可以設計成針狀物、倒刺、齒狀物、尖狀物或螺旋結構等。有利的是，錨固件與連接部形成一個整體。
[0033]在這種情況下，制造毫米級結構的具體方式受到金屬構件或陶瓷構件的材料厚度和材料類型的顯著影響。對于金屬構件，該連接部是通過沖壓彎曲處理、高速金屬加工、電子束加工、加層制造方法、堆焊、焊接在錨固件上或其他合適的方法制造的。對于陶瓷構件，該步驟例如通過模制后燒結來進行。
[0034]下一個用于在該金屬構件或陶瓷構件上制造微米級結構(包括在該金屬構件或陶瓷構件上形成的毫米級結構)的步驟例如是通過噴砂處理或電磁輻射，特別是通過激光輻射進行的。
[0035]最后，作為進一步的步驟，通過激光輻射或在金屬構件的情況下通過陽極化在所述連接部和所述錨固件上的微米級結構上方制造納米級結構。
[0036]下面，將基于實施方式更詳細地描述根據本發明所述的方法。
【具體實施方式】
[0037]實施例1:
[0038]舉例來說，用于使金屬構件或陶瓷構件的至少一個連接部多維結構化的第一種方法可以如下進行:
[0039]1.對鈦薄板(例如，薄板厚度為t = 0.4mm的Til5V3A13Cr3Sn)進行連續的沖壓而使其變形，以制造毫米級結構；
[0040]2.對鈦薄板噴砂，例如用粒徑為250μπι-500μπι的A1203或Si02在7巴的噴射壓力下對鈦薄板噴砂，以制造微米級結構；
[0041 ] 3.激光輻射，例如在波長為1064nm、脈沖長度小于20ns、速度為800mm/s、電流為43A、頻率為1kHz并且頻繁重復的條件下進行激光輻射，以制造納米級結構。
[0042]實施例2
[0043]舉例來說，用于使金屬構件或陶瓷構件的至少一個連接部多維結構化的第二種方法可以如下進行:
[0044]1.對鈦薄板(例如薄板厚度為t = 0.4mm的Til5V3A13Cr3Sn)進行連續沖壓而使其變形，以制造毫米級結構；
[0045]2.激光微米結構化，例如在波長為1064nm、脈沖長度為小于20ns、速度為800mm/s、電流為20-150A、頻率為1kHz并且重疊超過80%的條件下進行激光微米結構化，以制造微米級結構；
[0046]3.激光輻射，例如在波長為1064nm、速度為800mm/s、電流為43A、頻率為1kHz并且頻繁重復的條件下進行激光輻射，以制造納米級結構。
[0047]在該第二個實施例中，第二步和第三步可以在一個工作循環中進行，S卩，利用至少兩個激光器，所述至少兩個激光器一前一后設置在共同的進料裝置中或設置在兩個獨立的進料裝置中，并且在工件(在這種情況中為鈦薄板)上方同時推進。
[0048]實施例3:
[0049]舉例來說，用于使金屬構件的至少一個連接部多維結構化的第三種方法可以如下進行:
[°°50] 1.對鈦薄板(例如薄板厚度為t = 0.4mm的Til5V3A13Cr3Sn)進行連續噴砂而使其變形，以制造毫米級結構；
[0051 ] 2.激光微米結構化，例如在波長為1064nm、速度為800mm/s、電流為20-150A、頻率為1kHz并且重疊超過80%的條件下進行激光微米結構化，以制造微米級結構；
[0052]3.在電解液中進行陽極化，例如在鈉濃度為100_300g/l的氫氧化鈉、濃度為20-200g/l的酒石酸鈉、絡合劑(例如，濃度為I_200g/1的MGDA)和另外的組分的電解液中進行陽極化，以制造納米級結構。
[0053]圖2a是具有多維結構化的連接部的金屬構件I的有益的實施方式的透視圖。在該情況下，連接部設在上下側。本實施方式為經連續沖壓而變形的鈦薄板，例如薄板厚度為t= 0.4mm的Til5V3A13Cr3Sn，在該薄板上首先制造毫米級結構，即結構化為大于Imm的結構。首先，在鈦薄板的三側沖壓規則分布的矩形，然后向下彎曲(在從薄板平面或x-y平面來看時)下錨固件2，并將上錨固件3向上彎曲并且以與鈦薄板的平面垂直的方式離開沖壓區域，如圖2中的側視圖所示。這樣，在薄板上制造矩形凹口6和在Z-軸方向上向上和向下突出的錨固件。如果薄板只有一側將用作錨，則相應的錨固件2、3例如也可以以在Z-軸方向上分別僅向下或僅向上突出的方式形成。
[0054]此外，通過對鈦薄板的下側或下連接部4和鈦薄板的上側或上連接部5以及位于其上的上下錨固件2、3進行噴砂使金屬構件I微米級化，即大于Ιμπι的結構化。在優選的實施方式中，粒徑為250-500μπι的Α1203以及7巴的噴射壓力用于噴砂。由此制造的微米級表面結構在圖2c中以放大的方式示出。類似的結果可以通過借助于激光輻射進行的微米級化來實現。
[0055 ]在本實施方式中通過電化學方法(例如，利用電解液進行的陽極化)制造的納米級結構已經在金屬構件I的微米級結構的端部上方形成。因此，小于0.Ιμπι的表面結構已經在微米級結構的上方產生。這樣產生的微米級表面結構在圖2d中以放大的方式示出。類似的結果例如可以通過借助于激光輻射進行的微米級化來實現。
[0056]圖3為具有增強板的纖維復合結構的分解圖。圖4為處于粘著狀態的來自圖3的纖維復合結構的側視圖。在這種情況下，上結合配合件7以這樣的方式連接至根據本發明所述的金屬構件，即上錨固件3在ζ軸方向上與上結合配合件7的纖維結構接合，因此使最佳的粘著錨固成為可能。在本實施方式中，上結合配合件7的纖維結構是通過環氧樹脂用濕法粘著方法或通過膜粘著方式與金屬構件I連接的碳纖維結構(用作增強件)。在高壓釜中在真空下進行適當的固化后，發生與下結合配合件9的結合，該結合配合件同樣是通過環氧樹脂用濕法粘著方法或通過膜粘著方式與金屬構件I連接的碳纖維結構(用作增強件)，以形成復合結構9。
[0057]多維結構化的金屬構件I能夠使纖維增強的聚合物層壓件的ζ-加強件遠遠好于常規加強件。這樣，分層阻力被增大至2kJ/m2。
[0058]就本發明的實施而言，本發明并不限于上述優選的實施方式。相反，可以想到利用上述方案的許多變形，即使這些變形的設計是根本不同的。
[0059]附圖標記列表
[0060]1.金屬構件[0061 ] 2.下錨固件
[0062]3.上錨固件
[0063]4.下連接部
[0064]5.上連接部
[0065]6.凹口
[0066]7.上接合配合件
[0067]8.下接合配合件
[0068]9.復合結構
【主權項】
1.一種用于使金屬構件或陶瓷構件的至少一個連接部多維結構化的方法，其中，所述連接部用于形成粘結纖維增強的聚合物層壓件的粘著接頭，并且其中所述方法包括如下步驟: 1)通過在所述連接部上形成錨固件來制造毫米級結構； 2)在所述連接部和所述錨固件上制造微米級結構； 3)在所述連接部和所述錨固件上的所述微米級結構上方制造納米級結構。2.根據權利要求1所述的方法，其中，在金屬構件的情況下，通過在所述連接部上形成錨固件來制造所述毫米級結構是通過沖壓彎曲處理、高速金屬加工、電子束加工、加層制造方法、堆焊、焊接錨固件或其他合適的方法來進行的。3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述微米級結構是通過噴砂處理或電磁輻射，特別是通過激光輻射在所述連接部和所述錨固件上制造的。4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述納米級結構是通過激光輻射或陽極化在所述連接部和所述錨固件上的所述微米級結構上方制造的。5.根據權利要求3或4所述的方法，其中，所述激光輻射是通過短脈沖激光器進行的，特別是通過相對于所述連接部以規定的進料速率移動的、具有高脈沖重復頻率的飛秒、皮秒或納秒激光器進行的。6.根據權利要求3-5中任一項所述的方法，其中，用于制造所述微米級結構的激光器與用于制造所述納米級結構的激光器一前一后設置，使得在其上方形成所述納米結構的所述微米結構在一個進料流程中制造。7.包括至少一個多維結構化的連接部的金屬構件或陶瓷構件，其中，所述連接部用于形成粘結纖維增強的聚合物層壓件的粘著接頭，并且其中所述金屬構件或陶瓷構件具有:毫米級結構，特別是通過錨固件形成的毫米級結構;和在所述連接部和所述錨固件上的微米級結構，在所述微米級結構上方形成另外的納米級結構。8.根據權利要求7所述的金屬構件或陶瓷構件，其中，在所有側面都設有連接部。9.根據權利要求7或8所述的金屬構件或陶瓷構件，其中，所述構件是由鈦、鋁、鋼或鎂的合金或另一種金屬合金制造的。10.根據權利要求7-9中任一項所述的金屬構件或陶瓷構件的用途，其中，所述金屬構件或陶瓷構件用作纖維增強的聚合物層壓件的Z-加強件。11.使用根據權利要求1-6中任一項所述的方法制造的金屬構件或陶瓷構件的用途，其中，所述金屬構件或陶瓷構件用作共粘結方法中的連接件。
【文檔編號】B32B15/00GK106079687SQ201610282118
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月29日 公開號201610282118.7, CN 106079687 A, CN 106079687A, CN 201610282118, CN-A-106079687, CN106079687 A, CN106079687A, CN201610282118, CN201610282118.7
【發明人】米夏埃爾·于爾根, 托拜厄斯·默滕斯
【申請人】空中客車防衛和太空有限責任公司