Волокнисто-металлический ламинат на основе однонаправленного препрега из стеклянного волокна и полипропилена, биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки и листов алюминиевого сплава с обработанной поверхностью Российский патент 2022 года по МПК B32B15/08 C25D11/04 C25D11/08 

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.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в том, что поверхность листов алюминиевого сплава обрабатывается методом сернокислого анодирования в растворе H₂SO₄ 60 мл/л и Al₂(SO₄)₃ 200 г/л при температуре 20°С и плотности тока 1,5 А/дм² в течение 20 минут, что обеспечивает для ламината предел прочности при растяжении 320 МПа, при изгибе 475 МПа и ударную вязкость 350 кДж/м².

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

Тип обработки Водный раствор Температура Время Плотность тока Электрохимическая Al₂(SO₄)₃ 200 г/л
H₂SO₄ 60 мл/л 20°C 20 мин 1,5 А/дм²

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

Обработка поверхности Предел прочности при растяжении, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Ударная вязкость, кДж/м² Без обработки 280 420 320 Электрохимическая обработка 320 475 350

Изобретение относится к области слоистых гибридных композиционных материалов и касается волокнисто-металлического ламината. Ламинат получают методом горячего прессования, который состоит из чередующихся слоев однонаправленного волокнистого препрега на основе стеклянных волокон и полипропилена, биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки и листов алюминиевого сплава с обработанной поверхностью методом сернокислого анодирования в растворе H₂SO₄ 60 мл/л и Al₂(SO₄)₃ 200 г/л при температуре 20°С и плотности тока 1,5 А/дм² в течение 20 минут. Изобретение обеспечивает для ламината предел прочности при растяжении 320 МПа, при изгибе 475 МПа и ударную вязкость 350 кДж/м². 1 ил., 2 табл.

Волокнисто-металлический ламинат, изготавливаемый методом горячего прессования, состоящий из чередующихся слоев однонаправленного препрега на основе стеклянных волокон и полипропилена, биаксиально ориентированной полипропиленовой пленки и листов алюминиевого сплава, отличающийся тем, что поверхность листов алюминиевого сплава обрабатывается методом сернокислого анодирования в растворе H₂SO₄ 60 мл/л и Al₂(SO₄)₃ 200 г/л при температуре 20°С и плотности тока 1,5 А/дм² в течение 20 минут.