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Title:
PLASTIC FIBER COMPOSITE MATERIAL/ALUMINUM LAMINATE, PRODUCTION AND USE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/034211
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a plastic fiber composite material/aluminum laminate having: at least one flat element made of aluminum and/or an aluminum alloy and a plastic fiber composite material comprising a matrix material which has a temporarily flowable and then hardened state initially or at least under a temperature effect, wherein the flat element and the plastic fiber composite material have at least one common composite surface and are connected together via said common composite surface, the at least one flat element has etched anchoring structures at least on all of the composite surfaces with the plastic fiber composite material, the anchoring structures have steps and undercuts, and the anchoring structures are filled and/or enclosed by the matrix material of the plastic fiber composite material. The invention further relates to the use of the plastic fiber composite material/aluminum laminate according to the invention and to a method for producing the plastic fiber composite material/aluminum laminate.

Inventors:
BOSBACH BJÖRN (DE)
FIEDLER BODO (DE)
BAYTEKIN-GERNGROSS MELIKE (DE)
GERNGROSS MARK-DANIEL (DE)
CARSTENSEN JÜRGEN (DE)
ADELUNG RAINER (DE)
Application Number:
PCT/DE2018/100717
Publication Date:
February 21, 2019
Filing Date:
August 16, 2018
Export Citation:
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Assignee:
UNIV KIEL CHRISTIAN ALBRECHTS (DE)
TECHNISCHE UNIV HAMBURG HARBURG (DE)
International Classes:
B32B15/14; B32B3/06; B32B3/30; B32B15/20
Foreign References:
EP2298525A12011-03-23
EP1559542A12005-08-03
EP3023244A12016-05-25
EP2993023A12016-03-09
GB2253185A1992-09-02
EP1767343A12007-03-28
DE102016102379B32016-11-03
DE102016113641A12018-01-25
US20160333227A12016-11-17
US20100098910A12010-04-22
Other References:
CEPEDA-JIMENEZ ET AL.: "Influence of the alumina thickness at the interfaces on the fracture mechanisms of aluminium multilayer composites", MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING A, vol. 496, 2008, pages 133 - 142, XP025432761, DOI: doi:10.1016/j.msea.2008.05.015
VON MORINIERE ET AL.: "Damage evolution in GLARE fibre-metal laminate under repeated low velocity impact tests", CENT. EUR. J. ENG., vol. 2, no. 4, 2012, pages 603 - 611
VON JAKUBCZAK ET AL.: "The impact behavior of aluminium hybrid laminates", AIRCRAFT ENGINEERING AND AEROSPACE TECHNOLOGY: AN INTERNATIONAL JOURNAL, vol. 86, no. 4, 2014, pages 287 - 294
GERNGROSS ET AL.: "Making metal surfaces strong, resistant, and multifunctional by nanoscale-sculpturing", NANOSCALE HORIZ, vol. 1, 2016, pages 467
Attorney, Agent or Firm:
HANSEN UND HEESCHEN (DE)
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Claims:
A N S P R Ü C H E

1. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminiurn-Larninat aufweisend:

- wenigstens einen Flachkörper aus Aluminium und/oder einer

Aluminiumlegierung

sowie

- einen Kunststofffaserverbundwerkstoff mit einem Matrixmaterial, das

einen zunächst oder wenigstens unter Temperatureinwirkung zeitweise fließfähigen und hiernach ausgehärteten Zustand besitzt,

wobei der Flachkörper und der Kunststofffaserverbundwerkstoff wenigstens eine gemeinsame Verbundfläche aufweisen und über diese gemeinsame Verbundfläche miteinander verbunden sind,

wobei der wenigstens eine Flachkörper chemisch und/oder elektrochemisch geätzte Verankerungsstrukturen wenigstens an allen Verbundflächen zu dem

Kunststofffaserverbundwerkstoff aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verankerungsstrukturen Stufen und Hinterschneidungen aufweisen, wobei die Verankerungsstrukturen vom Matrixmaterial des Kunststofffaserverbundwerkstoffs ausgefüllt und/oder umschlossen sind.

2. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verankerungsstrukturen mittels sculpturing-Verfahren ausgebildet sind.

3. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verankerungsstrukturen sich zur Oberfläche verjüngende Gestalt aufweisen und/oder aus kubischen Elementabschnitten unterschiedlicher Größe bestehen und/oder Bereiche mit freiem Volumen aufweisen, die vielfach durch kubische Aluminiumstrukturen überdeckt sind.

4. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass

der Flachkörper auf der Außenseite und/oder Innenseite des Laminats angeordnet ist.

5. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminiurn-Larninat nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens ein Flachkörper innerhalb des Kunststofffaserverbundwerkstoffes angeordnet ist.

6. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

der oder die Flachkörper zwischen Lagen des aus einem Lagenaufbau hergestellten Kunststofffaserverbundwerkstoffes angeordnet sind.

7. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei Krafteinleitung in das Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat zunächst das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs oder die Faser-Matrix- Bindung unter mechanischer Last versagt bevor eine Ablösung des

Faserverbundwerkstoffs von dem wenigstens einen Flachkörper stattfindet .

8. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Flachkörper aus Aluminium oder Aluminium-Legierung ein Volumen größer als 1 Kubikzentimeter und eine Dicke von wenigstens 30 Mikrometer oder wenigsten 100 Mikrometer oder wenigstens 500 Mikrometer aufweisen.

9. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Kunststofffaserverbundwerkstoff ein glasfaserverstärktes und/oder

kohlenstofffaserverstärktes Epoxidharz ist.

10. Verwendung des Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminats nach einem der vorangehenden Ansprüche als mechanisch belastbarer Leichtbauwerkstoff.

11. Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat-Herstellungsverfahren

aufweisend die Schritte: a) Bereitstellen eines Flachkörpers aus Aluminium und/oder einer

Aluminiumlegierung;

b) Bearbeiten wenigstens einer Oberfläche des Flachkörpers als Verbundfläche durch Ätzen mittels sculpturing-Verfahren zur Herstellung geätzter

Verankerungsstrukturen in der wenigstens einen Verbundfläche des

Flachkörpers;

c1) Aufbringen eines zunächst oder wenigstens unter Temperatureinwirkung

zeitweise fließfähigen und hiernach aushärtenden Matrixmaterials eines Kunststofffaserverbundwerkstoffes zur Herstellung des Laminats auf die wenigstens eine Verbundfläche, wobei das Matrixmaterial des

Kunststofffaserverbundwerkstoffs die Verankerungsstrukturen ausfüllt und/oder umschließt

oder

c2) Aufbringen eines zunächst fließfähigen und hiernach aushärtenden Klebers auf die wenigstens eine Verbundfläche und vor Aushärtung des Klebers anschließendes Aufbringen eines vorgefertigten ausgehärteten Laminats.

Description:
Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat sowie Herstellung und

Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat aufweisend wenigstens einen Flachkörper aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung sowie einen Kunststofffaserverbundwerkstoff mit einem Matrixmaterial, das einen zunächst oder wenigstens unter Temperatureinwirkung zeitweise fließfähigen und hiernach ausgehärteten Zustand besitzt. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium- Laminates als mechanisch belastbaren Leichtbauwerkstoff.

Vor allem im Flugzeugbau kommen Leichtbauwerkstoffe zur Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Verbesserung der mechanischen Steifigkeit und Festigkeit im Vergleich zum Leichtmetall Aluminium zum Einsatz. Faserverbundwerkstoffe aus einem Polymer als

Matrixmaterial mit darin eingebetteten, üblich ausgerichteten Fasern aus Glas oder Kohlenstoff sind hierfür entsprechend geeignet. Die Polymere können dabei Duroplaste, Thermoplaste oder Elastomere sein, wobei Epoxidharze besonders verbreitet sind. Gleichwohl wird darauf hingewiesen, dass der Anwendungsbereich dieser Erfindung auch in weiteren Bereichen, wie der Automobilbranche, der Windenergieerzeugung oder der

Konstruktion im Allgemeinen liegen kann.

Nachteilig an Faserverbundwerkstoffen ist jedoch ihr sprödes Verhalten gegenüber

Stoßschäden („impact damage"). Die durch einen Stoß eingetragene Energie kann durch den Faserverbundwerkstoff allein nicht im Wege einer lokalen Deformation dissipiert werden, sondern erzeugt oft weitreichende Risse und Ablösungen der Fasern von der Matrix entlang der gesamten Struktur. Derartige Schäden sind ohne aufwendige Untersuchung häufig kaum erkennbar, so dass schon bei einer kleinen Stoßbeschädigung an der Oberfläche einer Struktur, die mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sein muss, mit dem Totalversagen der Struktur unter erneuter mechanischer Belastung gerechnet werden muss. Dabei ist Druckbelastung generell wesentlich kritischer als Zugbelastung.

Metalle sind auf Grund ihrer elastischen und plastischen mechanischen Eigenschaften deutlich weniger anfällig gegenüber Stoßschädigung, und Kräfte können deutlich einfacher eingeleitet werden. Doch selbst Leichtmetalle werden wegen ihres höheren Gewichtes im Vergleich zu Kunststoffen z.B. im Flugzeugbau immer weniger eingesetzt. Zu den bekanntesten Versuchen, die guten mechanischen Eigenschaften von Metallen in einer leichtgewichtigeren Variante zu nutzen, zählt Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy (GLARE), das sich jedoch auf Grund des bisher nicht lösbaren Problems der schlechten Adhäsion zwischen den Metall- und

Kunststofflagen im Flugzeugbau nicht durchgesetzt hat. Laminate aus GFRP („glass fiber reinforced polymer", GFRP) und Aluminium werden beispielsweise in den Druckschriften GB 2253185 A und EP 1767343 A1 beschrieben. Solche Laminate wurden in den letzten Jahren auch ausgiebig auf ihr Verhalten unter„mechanical impact" hin untersucht, beispielsweise von Cepeda-Jimenez et al.„Influence of the alumina thickness at the interfaces on the fracture mechanisms of aluminium multilayer composites", Material Science and Engineering A 496 (2008), S. 133-142 oder von Moriniere et al. , "Damage evolution in GLARE fibre-metal laminate under repeated low velocity impact tests", Cent. Eur. J. Eng. 2 (4), 2012, S. 603-61 1 oder von Jakubczak et al. , "The impact behavior of aluminium hybrid laminates", Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal, Vol. 86 (4), 2014, S. 287-294.

In allen bislang bekannten Untersuchungen stellte sich heraus, dass die relativ geringe

Adhäsion der Metall-Lagen an den Faserverbundwerkstoff-Lagen die Delamination an den Grenzflächen zwischen den Lagen ermöglicht. Auch alle Maßnahmen, die chemische Bindung zwischen Metall und Faserverbundwerkstoff z.B. durch Anodisieren von Aluminium und zusätzliche Haftvermittler zu verbessern, haben das Problem nicht fundamental gelöst.

Entweder wird die Schwächung des Laminats durch die geringe Matrix-Metall-Adhäsion akzeptiert, oder es werden so dünne Metallfolien einlaminiert, dass die Folien schon selbst reißen, bevor die Adhäsion zwischen Metall und Faserverbundwerkstoff versagt.

Zum Entstehen eines Risses mit einer inneren Fläche A benötigt man die Energie 2 γ A, wobei γ die spezifische Bindungsenergie beschreibt. Die sehr niedrige spezifische Bindungsenergie YMK zwischen Metall und Faserverbundwerkstoff im Vergleich zu den Metallbindungen YMM wird also bei sehr dünnen Folien dadurch kompensiert, dass die Querschnittsfläche A in der Metallfolie sehr klein gehalten wird und diese deshalb bei entsprechendem Energieeintrag eher bricht. Das Problem der Ablösung des Metalls vom Faserverbundwerkstoff gilt bislang als eine der Hauptursachen des strukturellen Versagens von Faserverbundwerkstoff-Metall-Laminaten. Häufig führen schon typische Bearbeitungsschritte wie Bohren und Fräsen zu der oben beschriebenen Delamination, weshalb der Ausschuss während der Produktion entsprechender Bauteile sehr hoch ist und eine teure und aufwendige Endkontrolle unumgänglich macht. Für eine optimale Krafteinleitung in einen Faserverbundwerkstoff sind relativ dicke

(typischerweise mehr als 100 μηι) Metallfolien mit relativ großer (typischerweise mehrere cm 2 ) Fläche notwendig, die bisher jedoch auf Grund der leichten Delamination nicht geeignet in Laminat eingebettet werden konnten. Als bisher nicht veröffentlichte - nur mäßig erfolgreiche - Abhilfe zur Kraftentlastung der Metall- Faserverbundwerkstoff-Grenzflächen wurde erwogen, die Metall-Lagen perforiert

auszugestalten. Fig. 1 a) zeigt beispielsweise ein Drahtnetz aus Metall, durch dessen Maschen hindurch das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs zu beiden Seiten des Netzes im Laminat Brückenverbindungen ausbilden kann. Demselben Zweck dient die mit Löchern versehene Metallfolie in Fig. 1 b). Die Permeabilität der Metall-Lagen kann als das Verhältnis der aufsummierten Querschnittsflächen der Löcher zur Metall-Lagen-Fläche angegeben werden. Sie beträgt 28 % in Fig. 1 a) und 23 % in Fig. 1 b). Wie Fig. 4 zeigt, ist tatsächlich eine höhere interlaminare Scherfestigkeit experimentell nachweisbar für perforierte Metall-Lagen, wobei eine höhere Permeabilität auch eine höhere Scherfestigkeit zeigt. Mit Einsetzen des adhäsiven Versagens von Metall und Faserverbundwerkstoff jedoch wirken die Metall-Lagen im Bereich der Ablösung unter mechanischer Last wie lokale Messer, die die

Matrixmaterialbrücken dann durchtrennen.

„Sculpturing" - Verfahren Nachfolgend wird das im Stand der Technik bekannte sculpturing- Verfahren mittels

elektrochemischen Ätzens erläutert, wobei die Offenbarung gemäß der nachfolgenden

Druckschrift mit einbezogen wird.

In dem Patent DE 10 2016 102 379 B3 sollen kleine Fragmente aus Aluminium oder Aluminium- Legierung, die keine Nanopartikel und üblich auch größer als Mikropartikel sind, in eine

Polymermatrix eingebettet werden, um ein Komposit mit u. a. verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Die Fragmente, bezeichnet als Aluminium-Kleinkörper, werden dazu mit einem chemischen Ätzangriff in einem Ätzbad auf ihrer gesamten Oberfläche strukturiert unter fortwährendem Umwälzen der Ätzlösung derart, dass die Kleinkörper von der Bewegung der Ätzlösung mitgerissen werden. Die Strukturierung selbst erfolgt durch einen Ätzangriff mit einer nicht lagerbeständigen Ätzlösung, die durch einen vorangehenden

Impfschritt bereitgestellt wird. Dies ist zur Formwahrung der Kleinkörper notwendig, da sie ansonsten aufgrund ihrer geringen Abmessungen bei nicht gleichzeitiger Ätzung der gesamten Oberfläche deformiert oder gar zerstört würden.

Die erzielten Strukturen auf den Oberflächen der Kleinkörper zeigen eine stark hierarchische, sich nach oben verjüngende Gestalt bestehend aus kubischen Elementen unterschiedlicher Größe sowie Bereichen mit freiem Volumen, die vielfach durch die kubischen

Aluminiumstrukturen überdeckt sind. Die dort gezeigte Fig. 1 stellt einen schematischen Querschnitt der durch Ätzung erzielbaren Verankerungsstrukturen senkrecht zur geätzten Aluminiumfläche dar. Da die verbleibenden Aluminiumstrukturen mitunter an aufeinander gestapelte Kuben mit verschieden stark ausgeprägten Überständen erinnern, die so eine verwirrende Skulptur bilden, haben die Forscher und Erfinder der DE 10 2016 102 379 B3 das Herstellen von derartigen Verankerungsstrukturen aus einem Metallblock mit dem Begriff „sculpturing" belegt. Die Druckschrift DE 10 2016 102 379 B3 lehrt, dass das Vermengen von mit

Verankerungsstrukturen überzogenen Aluminium-Kleinkörpern mit einem zunächst fließfähigen und hiernach aushärtenden Material nach der Aushärtung zu einem Komposit führt, das jedenfalls nicht durch ein Versagen der chemischen Adhäsion des Aluminiums an dem Material zerstört oder zerlegt werden kann. Diese Aluminium-Kleinkörper sind jedoch in der Regel nicht dazu geeignet, Kräfte effizient über größere Distanzen - z.B. mehrere Millimeter weit - in das Werkstück einzuleiten.

In der - zum Anmelde- bzw. Prioritätszeitpunkt noch unveröffentlichten - Druckschrift

DE 10 2016 1 13 641.7 wird auch ein elektrochemisches Verfahren zum Erzeugen von

Verankerungsstrukturen auf Aluminium vorgestellt. Dabei wird für das elektrochemische Ätzen von Stufen und Hinterschneidungen eine Salzwasserlösung als Ätzelektrolyt verwendet, die Kochsalz (NaCI) mit einer Konzentrationen aus dem Intervall von 200 mmol/l bis 800 mmol/l und Natriumsulfat (Na2S04) mit einer Konzentration von 5 mmol/l bis 100 mmol/l enthält. Durch Einrichten einer Ätzstromdichte im Bereich zwischen 10 mA/cm 2 und 100 mA/cm 2 und einer Ätzbadtemperatur zwischen 10°C und 40°C kann mit dem Ätzelektrolyten eine vorteilhafte Reaktionskinetik erreicht werden, die zum„sculpturing" des Aluminiums führt.

Die Arbeitsgruppe der Erfinder, von der die Druckschriften DE 10 2016 102 379 B3 und die DE 10 2016 1 13 641.7 stammen, hat zudem den Artikel Baytekin-Gerngroß et al.,„Making metal surfaces strong, resistant, and multifunctional by nanoscale-sculpturing", Nanoscale Horiz., 2016, 1 , 467 publiziert. Der„Supplementary Information" ist zu entnehmen, dass beispielsweise die Aluminium-Legierungen AA1050, AA5754 und AA6060 nach dem Entfetten in Aceton mit einer wässrigen Ätzlösung enthaltend 7,25 wt. % HCl in einem Bad geätzt werden können, um Verankerungsstrukturen auf den Oberflächen zu bilden.

Weiter sind aus dem Stand der Technik bekannt, Oberflächenstrukturen in

Aluminiumlegierungen zu ätzen, wobei bewusst, wie beispielsweise in der US 2016/0333227 A1 ausgeführt, einfache nach oben offene Strukturen ausgebildet werden, um eine bessere Anbindung zu realisieren.

Weiter ist aus der Druckschrift US 2010/0098910 A1 ein aus einer Aluminiumlegierung und Kunststofffaserverbundwerkstoff hergestelltes Laminat bekannt, bei dem schon eine sehr feste Verbindung zwischen einer mittels eines Ätzverfahrens bearbeiteten Oberfläche der Aluminiumlegierung und dem Kunststofffaserverbundwerkstoff hergestellt ist, wobei in die Oberfläche der Aluminiumlegierung Verankerungsstrukturen geätzt werden, wobei diese Verankerungsstrukturen einfache Vertiefungen oder Vorsprünge sind.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Kunststofffaserverbundwerkstoff- Aluminium-Laminat sowie ein Herstellungsverfahren vorzuschlagen, das die Probleme der bekannten Laminate nicht aufweist und verbesserte Leistungsmerkmale besitzt als die im Stand der Technik bekannten Laminate, wobei insbesondere noch leistungsfähigere Laminate erzeugt werden sollen..

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat gemäß Hauptanspruch sowie ein Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat- Herstellungsverfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch sowie einer Verwendung des erfindungsgemäßen Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminats.

Das Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat weist auf:

- wenigstens einen Flachkörper aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung

sowie

- einen Kunststofffaserverbundwerkstoff mit einem Matrixmaterial, das einen zunächst oder wenigstens unter Temperatureinwirkung zeitweise fließfähigen und hiernach

ausgehärteten Zustand besitzt,

wobei der Flachkörper und der Kunststofffaserverbundwerkstoff wenigstens eine gemeinsame Verbundfläche aufweisen und über diese gemeinsame Verbundfläche miteinander verbunden sind, wobei der wenigstens eine Flachkörper chemisch und/oder elektrochemisch geätzte Verankerungsstrukturen wenigstens an allen Verbundflächen zu dem

Kunststofffaserverbundwerkstoff aufweist,

und wobei die Verankerungsstrukturen Stufen und Hinterschneidungen aufweisen, wobei die Verankerungsstrukturen vom Matrixmaterial des Kunststofffaserverbundwerkstoffs ausgefüllt und/oder umschlossen sind.

Insbesondere können die Verankerungsstrukturen mittels sculpturing-Verfahren ausgebildet worden sein, wobei hierzu auf die in der Einleitung genannten Ausführungen zum sculpturing verwiesen wird. Weiter können die Verankerungsstrukturen insbesondere derart ausgebildet sein, dass diese sich zur Oberfläche verjüngende Gestalt aufweisen und/oder aus kubischen

Elementabschnitten unterschiedlicher Größe bestehen und/oder Bereiche mit freiem Volumen aufweisen, die vielfach durch kubische Aluminiumstrukturen überdeckt sind, wobei diese Strukturen insbesondere durch das sculpturing herstellbar sind bzw. hergestellt werden können. Verfahrensgemäß weist das Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat- Herstellungsverfahren die nachfolgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen eines Flachkörpers aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung;

b) Bearbeiten wenigstens einer Oberfläche des Flachkörpers als Verbundfläche durch Ätzen mittels sculpturing-Verfahren zur Herstellung geätzter Verankerungsstrukturen in der wenigstens einen Verbundfläche des Flachkörpers;

c1) Aufbringen eines zunächst oder wenigstens unter Temperatureinwirkung zeitweise

fließfähigen und hiernach aushärtenden Matrixmaterials eines

Kunststofffaserverbundwerkstoffes zur Herstellung des Laminats auf die wenigstens eine Verbundfläche, wobei das Matrixmaterial des Kunststofffaserverbundwerkstoffs die

Verankerungsstrukturen ausfüllt und/oder umschließt

oder

c2) Aufbringen eines zunächst fließfähigen und hiernach aushärtenden Klebers auf die

wenigstens eine Verbundfläche und vor Aushärtung des Klebers anschließendes

Aufbringen eines vorgefertigten ausgehärteten Laminats.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen:

Der Flachkörper kann auf der Außenseite und/oder Innenseite des Laminats angeordnet sein.

Wenigstens ein Flachkörper kann innerhalb des Kunststofffaserverbundwerkstoffes angeordnet sein. Der oder die Flachkörper können zwischen Lagen des aus einem Lagenaufbau hergestellten Kunststofffaserverbundwerkstoffes angeordnet sein.

Bei Krafteinleitung in das Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat kann zunächst ein Versagen des Matrixmaterials oder der Faser-Matrix-Bindung des Faserverbundwerkstoffs unter mechanischer Last beobachtet werden bevor eine Ablösung des Faserverbundwerkstoffs von dem wenigstens einen Flachkörper stattfindet. Die Adhäsion an der Grenzfläche des erfindungsgemäßen Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminats ist immer höher als die Scherfestigkeit / Zugfestigkeit des Kunststoffes bzw. die Scherfestigkeit / Zugfestigkeit des Aluminiums bzw. Aluminiumlegierung.

Die Flachkörper aus Aluminium oder Aluminium-Legierung können insbesondere ein Volumen größer als 1 Kubikzentimeter und eine Dicke von wenigstens 30 Mikrometer, bevorzugt wenigsten 100 Mikrometer, besonders bevorzugt wenigstens 500 Mikrometer aufweisen. Ferner kann das Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat aufweisen: - wenigstens einen Flachkörper aus Aluminium und/oder einer

Aluminiumlegierung

sowie

- einen Kunststofffaserverbundwerkstoff, wobei das Matrixmaterial bei

Herstellung des Faserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat zumindest

zeitweise einen fließfähigen Zustand erreicht und nach Herstellung

einen ausgehärteten Zustand aufweist,

wobei der Flachkörper und der Kunststofffaserverbundwerkstoff wenigstens eine gemeinsame Verbundfläche aufweisen,

dadurch gekennzeichnet sein, dass

der Flachkörper geätzte Verankerungsstrukturen wenigstens an allen Grenzflächen zu dem Kunststofffaserverbundwerkstoff aufweist, wobei die Verankerungsstrukturen vom

Matrixmaterial des Kunststofffaserverbundwerkstoffs umschlossen sind. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des vorbekannten Aluminium-Kleinkörper- Kunststoff-Komposits beruht auf der Unterdrückung wesentlicher Versagensmechanismen im Kunststoff wie das Stoppen von sich im Kunststoff ausbreitenden Rissen an den Aluminium- Kleinkörpern. Um diese Vorteile auf ein Laminat nach dem Oberbegriff zu übertragen, sieht die Erfindung nun vor, Aluminium-Flachkörper mit Verankerungsstrukturen der vorbeschriebenen Art zu versehen und hiernach als separate Metall-Lagen („plies") zur Erzeugung des Laminats zu verwenden.

Als Aluminium-Flachkörper sollen hier flächige Objekte aus Aluminium oder einer Aluminium- Legierung mit zwei ausgedehnten Flachseiten bezeichnet sein, beispielsweise eine Folie oder ein Vollblech oder ein Drahtnetz oder eine Lochfolie oder ein Lochblech. Ein solcher

Flachkörper soll bevorzugt ein Volumen größer als 1 Kubikzentimeter und eine Mindestdicke von 30 Mikrometer aufweisen, damit er mindestens über eine laterale Ausdehnung von etlichen Millimetern bis einigen Zentimetern verfügt. Auch ein sehr viel größeres Volumen als 1

Kubikzentimeter kommt in Frage, beispielsweise kann es sich bei dem Flachkörper um ein Blech der Dicke 1 Millimeter mit Länge und Breite im Meterbereich handeln. Ein

erfindungsgemäßer Flachkörper trägt wenigstens auf seinen beiden Flachseiten - vorzugsweise lückenlos - geätzte Verankerungsstrukturen der vorbeschrieben Art. Die Flachkörper sind per Definition freitragende Objekte, die sich separat bearbeiten lassen.

Die Verankerungsstrukturen lassen sich auf Oberflächen aus Aluminium und Aluminium- Legierungen mit den im Stand der Technik benannten Verfahren herstellen. Für die

Verwendung in Laminaten sind relativ große, flächig ausgedehnte Flachkörper von Vorteil, so dass man bevorzugt das elektrochemische Ätzen in Betracht ziehen wird. Weiter ist auch das rein chemische Ätzen der Strukturen möglich.

Erfindungsgemäße Laminate können insbesondere solche sein, die lediglich einen Aluminium- Flachkörper umfassen. Dabei ist es auch möglich, das Laminat so auszugestalten, dass der Aluminium-Flachkörper eine der Außenseiten des Laminats bildet. Ebenso können Ober- und Unterseite eines erfindungsgemäßen Laminats aus je einem Aluminium-Flachkörper gebildet sein, wobei das Laminat weitere zwischen Ober- und Unterseite angeordnete Lagen aus Faserverbundwerkstoff aufweist.

Ferner können die auf der Außen- und/oder Innenseite vorgesehenen Aluminiumflachkörper auf deren Kunststofffaserverbundwerkstoff-fernen Seite ebenfalls eine entsprechende Struktur aufweisen, so dass etwaig aufzubringende Lacke und dgl. eine perfekte Haftung erfahren.

Ein erfindungsgemäßes Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat oder auch Faserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat wird beispiels- und vorzugsweise dadurch gebildet, dass wenigstens ein beidseitig mit Verankerungsstrukturen ausgestatteter Aluminium- Flachkörper mit einer Mehrzahl von den Flachkörper umgebenden Lagen aus einem

Faserverbundwerkstoff laminiert wird. Die einzelnen Lagen aus Faserverbundwerkstoff können beispielsweise vorgefertigte Matten aus nebeneinander angeordneten Fasern in einer

Polymermatrix sein, die in dieser Form kommerziell erhältlich sind. Vorzugsweise ist der Faserverbundwerkstoff ein glasfaserverstärktes und/oder ein kohlenstofffaserverstärktes Epoxidharz. Die Matten mit Fasern weisen eine vorbestimmte Faserausrichtung auf. Sie können in Bezug auf eine vorbestimmte Richtung der Krafteinleitung in das Laminat ausgerichtet werden, beispielsweise entlang der Krafteinleitungsrichtung -„0°-Ausrichtung",„+45° oder -45°- Ausrichtung" - oder senkrecht dazu -„90°-Ausrichtung".

Hinsichtlich der Herstellung des Matrixverbundes des Kunststofffaserverbundwerkstoff- Aluminium-Laminats können insbesondere das Prepreg-Tape-Legeverfahren als auch das bekannte RTM, Resin Transfer Moulding, Verfahren zur Anwendung kommen, wobei bei dem RTM-Verfahren flüssiger Kunststoff verwendet wird und beim Prepreg Verfahren Harzsysteme Verwendung finden, die zunächst zäh sind und während des Herstellungsprozesses in die flüssige Phase übergehen, bevor diese dann aushärten. Entsprechend den Ansprüchen und der textlichen Beschreibung wird zur Herstellung entsprechend erfindugsgemäßer Laminate das Prepreg-Verfahren bzw. das RTM-Verfahren explizit mit eingeschlossen, also unter eines zunächst fließfähigen und hiernach aushärtenden Matrixmaterials ist also auch ein Preprag Tape zu verstehen, das mittels eines Tapelegers entsprechend positioniert wurde und erst im tatsächlichen Back- / Herstellungsstep quasi fließfähig wird und durch entsprechende Hinzugabe thermischer Energie letztendlich gezielt aushärtet. Das Aufbringen eines zunächst oder wenigstens unter Temperatureinwirkung zeitweise fließfähigen und hiernach aushärtenden Matrixmaterials bedeutet also, dass das Matrixmaterial während des Herstellungsprozesses wenigstens zu einem Zeitpunkt fließfähig sein muss, jedoch nicht die gesamte Zeit.

Die Laminate werden wie im Stand der Technik durch das Aufeinanderlegen von Matten und Flachkörpern gebildet. Beispielsweise wird das Matrixmaterial der Matten in fließfähiger Form als Binder zwischen die einzelnen Lagen gebracht, z.B. injiziert, und hiernach chemisch oder auch thermisch ausgehärtet. Ebenso können die Matten auch an ihren Flachseiten chemisch oder thermisch aufgeweicht werden, woraufhin das Gelege unter Druckbeaufschlagung zum Laminat verpresst werden kann. Die Methoden zur Erzeugung eines Laminats mit irgendeiner vorbestimmten Stapelfolge von Lagen aus einem Faserverbundwerkstoff, die zudem auch parallel oder unterschiedlich ausgerichtet sein können, mit dazwischen eingebetteten Metall- Lagen, z.B. Folien, sind an sich bekannt. Ein erfindungsgemäßes Laminat entsteht genau dann, wenn beim Vorgang des Laminierens Flachkörper aus Aluminium oder Aluminium-Legierung mit Verankerungsstrukturen auf ihrer Oberfläche als Metall-Lagen verwendet werden.

Die Adhäsion zwischen Metall und Faserverbundwerkstoff erweist sich dann als extrem gut. Die Flachkörper sind dabei hinsichtlich ihrer Dicke vorteilhafterweise nicht nach oben limitiert, sondern sie können auch mechanisch besonders stark ausgelegt werden, um eine

weitreichende Krafteinleitung zu ermöglichen. Vorzugsweise weisen die Aluminium-Flachkörper eine Dicke größer als 100 Mikrometer, besonders bevorzugt größer als 500 Mikrometer auf.

Ein besonderer Spezialfall der Erfindung kann weiterhin darin gesehen werden, wenn das Kunststofffaserverbundwerkstoff-Aluminium-Laminat ohne Verstärkungsfasern ausgeführt wird, also ein Kunststoff-Aluminium-Laminat. Hierbei bildet sich eine sehr feste und durable

Verbindung aus Aluminium und einem entsprechenden Kunststoff aus, wobei hinsichtlich des Kunststoffes und des Aluminiums auf die vorherigen bzw. weiteren Ausführungen als auch die Ansprüche verwiesen wird.

Nachfolgend wird die Erfindung noch näher erläutert anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele.

Darin zeigen: Fig. 1 a) ein Drahtnetz aus AIMg5 mit einer Permeabilität von 28 % und b) ein

Lochblech aus AIMg3 mit einer Permeabilität von 23 %;

Fig. 2 die Skizze eines Probelaminats vorgesehen zur Krafteinleitung (Kompression) entlang der x-Achse mit Einkerbungen A und innerer Scherfläche B, deren Haltbarkeit überprüft wird;

Fig. 3 die Skizze des Probenhalter für das Laminat auf Fig. 2 zur Verwendung im

Standard-Test ASTM D-3846-08;

Fig. 4 Messkurven eines ASTM D-3846-08 Tests für (1) GFRP, (2) ein Laminat aus

GFRP und einem Drahtnetz aus AIMg5 wie Fig. 1 a) und (3) ein Laminat aus GFRP und einem Lochblech aus AIMg3 wie Fig. 1 b), Fasern ausgerichtet entlang Krafteinleitung (0°-Ausrichtung);

Fig. 5 Messkurven eines ASTM D-3846-08 Tests für (1) GFRP, (2) ein Laminat aus

GFRP und einem Drahtnetz aus AIMg5 wie Fig. 1 a) und (3) ein Laminat aus

GFRP und einem Lochblech aus AIMg3 wie Fig. 1 b), Fasern ausgerichtet senkrecht zur Krafteinleitung (90°-Ausrichtung);

Fig. 6 Messkurven eines ASTM D-3846-08 Tests für (1) GFRP, (2) ein Laminat aus

GFRP und einem Drahtnetz aus AIMg5 wie Fig. 1 a) und (3) ein Laminat aus

GFRP und einem Lochblech aus AIMg3 wie Fig. 1 b) und (4) ein Laminat aus

GFRP und einem Vollblech aus AIMg3, Fasern ausgerichtet entlang Krafteinleitung (0°-Ausrichtung), alle Metallkörper mit Verankerungsstrukturen versehen

und

Fig. 7 Messkurven eines ASTM D-3846-08 Tests für (1) GFRP, (2) ein Laminat aus

GFRP und einem Drahtnetz aus AIMg5 wie Fig. 1 a) und (3) ein Laminat aus GFRP und einem Lochblech aus AIMg3 wie Fig. 1 b) und (4) ein Laminat aus

GFRP und einem Vollblech aus AIMg3, Fasern ausgerichtet senkrecht zur Krafteinleitung (90°-Ausrichtung), alle Metallkörper mit Verankerungsstrukturen versehen.

Zur Überprüfung und Demonstration der mechanischen Eigenschaften eines

erfindungsgemäßen Laminats werden eine Probe aus einem kommerziell erhältlichen GF-(E- glass fiber non-crimp fabrics) Gelege und mehrere Laminat-Proben aus eben diesem GFRP und einer Metall-Lage gefertigt. Die Metall-Lage wird dabei variiert, konkret kommen ein 0.65 Millimeter starkes Vollblech aus AIMg3 (AA5754), ein 0.65 Millimeter starkes perforiertes Blech (Lochblech) wie in Fig. 1 b) aus demselben Material und ein Drahtnetz (AI fabric) aus AIMg5 (AA5019) wie gezeigt in Fig. 1 a) zur Anwendung. Das Drahtnetz weist einen Drahtdurchmesser von 100 Mikrometer und eine Maschenweite von ebenfalls etwa 100 Mikrometer auf. Das Lochblech kann aus dem Vollblech hergestellt werden durch Ausstanzen von Löchern mit 1 ,5 mm Durchmesser bei einem Lochabstand von 3 mm.

Die Laminat-Proben werden mittels des Resin Transfer Moulding (RTM) Prozesses hergestellt. Dazu werden in einer Form die Glasfaser-Gelege zusammen mit einer der oben beschriebenen Metall-Lagen mittels eines Epoxidharzes (RIMR 135/ RIMH 137) als Matrixpolymer bei 30°C für 48h zu einem Laminat verarbeitet. Die Laminate bestehen bzgl. der Glasfasern aus einem Gelege mit 90%-Faseranteil in 0°-Richtung und 10%-Faseranteil in 90°-Richtung. Mit (0 90% , 90 0% ) im "Lay-up" ist immer eine zusammenhängende Glasfaser-Matte gemeint, aus der das Laminat durch Aufeinanderlegen einer vorbestimmten Folge von solchen Matten aufgebaut wird. Zur Mitte des Laminats hin wird das Gelege umgedreht, (90 0% , 0 90% ), so dass die 0°-

Faserrichtung in der Mittelebene liegt. Typische Lay-Ups der hier erzeugten Proben sind [(0 90% , 90 0% ) 2 , (90 0% , 0 90% ) m , AI, AI, (0 90% , 90 0% ) m , (90 0% , 0 90% ) 2 ] s mit m=3, wenn AI das Drahtnetz ist, sonst m=2, und s als Symmetrieebene.

Die fertigen Laminate werden gemäß ASTM Standard D3846-02 zu rechteckigen Teststreifen vereinzelt und eingekerbt.

Die Längenachsen der Teststreifen sind entweder so orientiert, dass sie mit der vorbestimmten Faserausrichtung übereinstimmen - 0°-Proben - oder zur Faserausrichtung senkrecht verlaufen - 90°-Proben. Fig. 2 zeigt die Teststreifen schematisch. Die Längenachse ist stets die x-Achse, in die die Krafteinleitung stattfindet. Nach der Vereinzelung der Laminate in

Teststreifen werden die Schnittflächen mittels Siliziumkarbid- (SiC)-Schleifpapier poliert.

Anschließend werden die vereinzelten Streifen für 15h bei 80°C nachgehärtet. Um die

Wiederaufnahme von Feuchtigkeit nach dem Trocknen zu verhindern, werden die Teststreifen in einem Dessikator für zwei Wochen gelagert, bevor die mechanischen Tests durchgeführt werden. Zur Ermittlung der interlaminaren Scherfestigkeit („inter-laminar shear strength") der verschiedenen Proben wird ein Double-Notch-Shear (DNS) Test nach dem Standardverfahren ASTM D-3846-08 durchgeführt. Dazu werden alle Teststreifen mittels einer Hochpräzisions- Trennmaschine mit beidseitigen Einkerbungen (vgl. A in Fig. 2) versehen, die senkrecht zur Krafteinleitung verlaufen. Die in der Mittelebene eines Teststreifens angeordnete Metall-Lage - oder GFRP bzw. GFK-Lage für eine reine GFRP bzw. GFK-Probe - muss durch die

Einkerbungen jeweils komplett durchtrennt werden. Unter Wrkung einer Kompression entlang der x-Achse werden die Teststreifen dann nur im Bereich der schraffierten Fläche (B in Fig. 2) belastet, was Delamination als Versagensursache bevorzugt. Fig. 3 zeigt den Probenhalter für den Belastungsversuch nach ASTM Standard D-3846-08. Die Teststreifen sind dabei durch Ober- und Unterteil des Halters daran gehindert, der Belastung durch eine Verbiegung senkrecht zur Kraftrichtung auszuweichen. Der Pfeil zeigt auf einen mit Einkerbungen versehenen, eingespannten Teststreifen. Die Teststreifen werden nach dem Einspannen in den Halter maschinell entlang der

Längenachse komprimiert mit einer Geschwindigkeit von 1 ,3 mm/min. Die für die

Längenänderung ΔΙ erforderliche Kraft pro Querschnittsfläche des Laminats ist als

Scherfestigkeit σ in Einheiten N/mm 2 = MPa in den folgenden Figuren dargestellt. In allen Figuren sind die Messkurven an ihren Abrisspunkten - bei Zerstörung der Probe - mit Ziffern gekennzeichnet. Jede Ziffer bezeichnet das beprobte Material, und zwar durchgehend wie folgt:

1 = GFRP

2 = GFRP + AIMg5-Drahtnetz ("mesh")

3 = GFRP + AIMg3-Lochblech ("perforated sheet")

4 = GFRP + AIMg3-Vollblech („füll sheet") In Fig. 4 sind die Messergebnisse für die 0°-Proben und in Fig. 5 die Messergebnisse für die 90°-Proben zu sehen, bei denen die Aluminium-Flachkörper nicht bearbeitet worden sind, d.h. keine Verankerungsstrukturen tragen. Aus diesem Grund fehlt auch die Probe mit dem

Vollblech (4), da diese Testreifen bereits beim Zuschneiden delaminieren. In beiden Figuren zeigt sich jedoch eine deutlich bessere Belastbarkeit der Teststreifen mit dem Lochblech (3), in denen die durch die Löcher hindurch gebildeten Brücken aus Matrixmaterial die Delamination für eine Weile verhindern. Das Laminat mit Drahtnetz (2) weist eine noch höhere Anzahl von solchen Brücken auf, wobei diese Brücken einzeln sehr viel dünner als beim Laminat mit Lochblech sind. Das Laminat mit Drahtnetz (2) kommt in seiner Scherfestigkeit einem reinen GFRP-Laminat (1) einigermaßen nahe, bleibt aber noch klar dahinter zurück. Versieht man die Aluminium-Flachkörper mit Verankerungsstrukturen wenigstens auf ihren Flachseiten, dann kehren sich die Verhältnisse für den Fachmann unerwartet völlig um.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die Messkurven für erfindungsgemäße Laminat-Teststreifen (2-4) im Vergleich zu den Daten für GFRP-Laminat (1) (dieselben wie in Fig. 4 und 5). Fig. 6 zeigt Messdaten für die 0°-Proben, und in Fig. 7 sind die Messdaten der 90°-Proben dargestellt. Alle Laminate, die die geätzten Aluminium-Flachkörper enthalten, lassen sich nun weiter

komprimieren und halten bis zum Versagen höheren Scherkräften stand als das reine GFRP- Laminat (1). Dabei zeigt bereits das Laminat mit Drahtnetz (2) eine leichte Verbesserung gegenüber (1), doch die Effekte werden sehr deutlich bei den Laminaten mit dem Lochblech (3) und dem Vollblech (4). Ausgerechnet das Laminat mit Vollblech (4), dessen Pendant ohne Verankerungsstrukturen nicht einmal testtauglich war, zeigt nun eine Scherfestigkeit bis zu über 70 MPa, was eine Steigerung um etwa 40 % gegenüber reinem GFRP bedeutet. Tatsächlich löst sich das Matrixmaterial RIMR 135/ RIMH 137 selbst dann noch nicht vom Metall, sondern es wird selbst zerrissen. Dem Datenblatt des Materials ist eine entsprechende Zugfestigkeit („tensile strength") von 60-75 MPa zu entnehmen.

Zudem sei an dieser Stelle angemerkt, dass Faser-Matrix-Ablösungen entstehen können, die auf Grund der„geringen" Faser-Matrix-Adhäsion erfolgen können.

Die nachträgliche Inspektion aller zerstörten Teststreifen bestätigt, dass die Anhaftung am Metall nirgends versagt hat. Vielmehr verlaufen alle Risse im Faserverbundwerkstoff. Das bedeutet, es ist nun einfacher, einzelne Fasern aus ihrer Einbettung herauszulösen, als die Anhaftung des Metalls am Faserverbundwerkstoff zu beenden.

Anders gesagt ist die bislang gültige Dickenlimitierung für Metall-Lagen in Laminaten, die dafür sorgen sollte, dass Kräfte aus dem Faserverbundwerkstoff ohne Delamination in das Metall übergehen, nunmehr obsolet. Delamination kann nun nur noch auftreten, wenn das

Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs unter mechanischer Last versagt, wobei es oftmals zerrissen wird, d.h. das Matrixmaterial bzw. die Faser-Matrix-Anbindung ist jetzt das

schwächste Glied der Kette, und nicht mehr die Matrix-Metall-Adhäsion.