Слоистый материал с местным армированием

Изобретение может быть использовано для получения панелей, используемых в авиационной и космической промышленностях, а также в судо- и автомобилестроении, при производстве контейнеров. Материал состоит из металлических слоев 1-3, 9 и пластмассовых связывающих слоев 4-6, расположенных между металлическими слоями, из которых два по существу сплошных металлических слоя 1, 3 являются внешними и по меньшей мере один металлический слой 2,9 - внутренним. По меньшей мере один из внутренних металлических слоев 9 имеет по меньшей мере одно отверстие 10. В месте отверстия 10 другие металлические слои 1-3 и пластмассовые связывающие слои 4-6 связаны вместе с образованием пакета уменьшенной толщины. Общая площадь отверстий 10 металлического слоя 9 имеет величину того же порядка, что и площадь остальной части металлического слоя 9, или превышает ее. По меньшей мере один из пластмассовых связывающих слоев 5, 6 армирован волокном. Металлический слой имеет толщину менее 1,5 мм, предпочтительно 0,1-0,8 мм и выполнен из алюминия, меди, магния, титана, скандия или из сплавов этих металлов. Металлический слой с отверстиями образует местные утолщения в слоистом материале для соединения с другими конструкциями без существенного ущерба преимуществам панели, таким как небольшой вес и хорошие механические свойства. 16 з.п. ф-лы, 21 ил.

 

Изобретение относится к слоистому материалу, состоящему из металлических слоев и пластмассовых связывающих слоев, расположенных между металлическими слоями, и содержащему два внешних по существу сплошных металлических слоя и по меньшей мере один внутренний металлический слой. Этот слоистый материал известен и используется в панелях для различного применения. В частности, они могут быть легковесными панелями большой жесткости и прочности, применяемыми в авиационной и космической промышленности. Эти панели также можно использовать и в таких других областях, например судо- и автомобилестроение, в контейнерах и т.п.

Благодаря выгодным свойствам слоистого материала эти панели могут иметь довольно небольшую толщину и при этом соответствовать требованиям в отношении жесткости и прочности. Это - основное преимущество, особенно для авиакосмической промышленности. Тем не менее эти панели имеют недостатки именно по причине малой толщины. Эти недостатки проявляются особенно в тех случаях, когда панели прикрепляются к таким другим частям конструкции, как рама, элементы жесткости и т.п. Передача усилий происходит в местах, где выполнено это прикрепление, и это обстоятельство может обусловить концентрации напряжения, особенно если для прикрепления используются заклепки или болты.

Тонкий слоистый материал способен поглощать такие концентрации напряжения только до ограниченной степени. Поэтому задача настоящего изобретения заключается в предоставлении слоистого материала описываемого выше типа, с улучшенными характеристиками, в месте его соединения с рамой и т.п., без существенного ущерба таким другим преимуществам, как относительно небольшой вес и хорошие механические свойства. Эта задача решается за счет того, что по меньшей мере один из внутренних металлических слоев имеет по меньшей мере одно отверстие, и в месте отверстия остальные металлические слои и пластмассовые связывающие слои связаны вместе для формирования пакета уменьшенной толщины.

Металлический слой с отверстиями образует местные утолщения в слоистом материале, предпочтительно, именно в местах, в которых нужно будет сделать соединение в предполагаемой конструкции. Этим может быть, например, место, в котором рама или элемент жесткости должен крепиться к панели, согласно вышеизложенному. Местное увеличение толщины слоистого материала приводит к более высоким концентрациям напряжения в нем и также к постепенной передаче усилий от ряда заклепок и т.п.в другие, более тонкие части слоистого материала. В частности, указанные утолщения образуют каркас панели.

Отверстия в металлическом слое могут быть весьма разных типов, в зависимости от конечной конструкции. В частности, отверстия могут быть закрыты в периферическом направлении.

Общая площадь отверстий, выполненных в металлическом слое, может иметь величину того же порядка, что и площадь поверхности остальной части металлического слоя; более того, общая площадь отверстий, выполненных в металлическом слое, может превышать площадь поверхности остальной части металлического слоя.

Слоистый материал согласно настоящему изобретению можно выполнить несколькими способами; при этом имеющий отверстия металлический слой предпочтительно располагать между связывающими слоями, армированными волокном или без указанного армирования. Согласно первому варианту: слой с отверстиями можно связать на обеих его сторонах с армированными волокном пластмассовыми связывающими слоями; при этом армированные волокном пластмассовые связывающие слои проходят без прерывания в месте отверстия и связаны друг с другом в этом месте.

Согласно другому варианту осуществления: слой с отверстиями можно связать на одной стороне с армированным волокном пластмассовым связывающим слоем; и на другой стороне его можно связать при помощи не армированного волокном связывающего слоя с другим металлическим слоем. В месте отверстия армированный волокном пластмассовый связывающий слой, связанный с имеющим отверстия металлическим слоем, связан с другим металлическим слоем.

В другом варианте выполнения по меньшей мере один из металлических слоев по меньшей мере с одним отверстием включает в себя части, соединяющиеся друг с другом.

Толщина металлического слоя предпочтительно менее 1,5 мм, и предпочтительно в пределах 0,1 мм - 0,8 мм. Пластмассовые связывающие слои могут содержать углеродные, арамидные волокна или стекловолокно. Металлические слои могут быть выполнены из Al, Cu, Mg, Ti, Sc и/или сплавов этих металлов.

Далее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на приводимые в качестве примера варианты осуществления, иллюстрируемые на чертежах, где

Фиг.1 - поперечное сечение первого варианта осуществления слоистого материала.

Фиг.2 - поперечное сечение второго варианта осуществления.

Фиг.3 - вид в перспективе панели, выполненной из слоистого материала согласно настоящему изобретению.

Фиг.4-12 - другие варианты осуществления слоистого материала.

Фиг.13-16 варианты структуры с углубленными и утолщенными (приподнятыми) участками в слоистом материале.

Показываемый на Фиг.1 слоистый материал состоит из нескольких сплошных металлических слоев 1, 2 и 3, и также из нескольких сплошных армированных волокном пластмассовых связывающих слоев 4, 5 и 6. В приводимом в качестве примера варианте осуществления показаны армированные волокном пластмассовые связывающие слои 4, 5 и 6, каждый из которых состоит из двух волоконных слоев 7, 8 с нужной ориентацией волокон.

Согласно настоящему изобретению: еще один металлический слой 9 с отверстиями 10 расположен между металлическими слоями 2 и 3. В месте упомянутых отверстий 10 армированные волокном пластмассовые связывающие слои 5 и 6 связаны друг с другом. Остальные открытые участки заполнены клеем 11.

В поперечном сечении согласно Фиг.1 и на виде в перспективе согласно Фиг.3 в месте отверстий 10 в металлическом слое 9 - углубленные части 12 сформированы в панели и окружены более толстыми участками 13. Эти утолщенные участки 13 пригодны для функционирования в качестве прикрепляющих участков, например - к рамам, элементам жесткости и т.п. Болты или заклепки, посредством которых эти рамы, элементы жесткости и т.п.крепятся к слоистому материалу, опираются на относительно толстые участки 13, в результате чего концентрации напряжения остаются ограниченными приемлемым уровнем. Углубленные участки 12 образуют остальную часть панели слоистого материала и выполнены с возможностью восприятия нормальных неразрушающих напряжений при сдвиге, растяжении и изгибе такого типа, которые встречаются в данной конструкции.

Тем самым, с одной стороны, обеспечивается преимущество панели с относительно небольшим весом благодаря углубленным частям 12; а, с другой стороны, панель по-прежнему пригодна для прикрепления к другим частям конструкции в местах утолщенных участков 13 - согласно Фиг.3.

Согласно варианту на Фиг.2, слоистый материал аналогичным образом состоит из трех сплошных металлических слоев 1, 2 и 3. При этом присутствуют два сплошных армированных волокном пластмассовых связывающих слоя 4, 6. Металлический слой 9 с отверстиями 10 в этом случае связан с металлическим слоем 2 прерывистым клеевым слоем 14 без волоконного армирования. Армированный волокном пластмассовый связывающий слой 6 связан в местах отверстий 10 с металлическим слоем 2, расположенным под ним.

Согласно варианту на Фиг.4, который почти идентичен варианту согласно Фиг.3, металлический слой 9 с отверстиями 10 связан с металлическим слоем 2 с помощью сплошного клеевого слоя без волоконного армирования. Армированный волокном пластмассовый связывающий слой 15 в этом случае прерывается в местах отверстий 10.

Тот факт, что это изобретение не ограничивается упоминаемыми выше вариантами, должно быть понятно из следующих неисчерпывающих возможностей, представленных на Фиг.5-12. Согласно этим фигурам: слои, соответствующие слоям в вариантах осуществления в соответствии с Фиг.1 и 2, указаны теми же ссылочными позициями. Фиг.5 показывает не только прерывистый металлический слой 9, но и дополнительный прерывистый металлический слой 9'. Отверстия последнего слоя ступенчато выравнены относительно друг друга в месте углубленной части 12. Кроме дополнительного металлического слоя 9' и прерывистого армированного волокном связывающего слоя 15 этот вариант аналогичен варианту согласно Фиг.2.

Вариант согласно Фиг.6 имеет дополнительный прерывистый металлический слой 9' и два прерывистых армированных волокнами связывающих слоя 15, 15'.

В варианте согласно Фиг.7 волоконные слои 15, 15' не продолжаются до волоконных слоев 6 и соответственно 15, расположенных ниже - в противоположность варианту согласно Фиг.6.

В соответствии с вариантом согласно Фиг.8 внешний металлический слой 3 связан на уровне углубления 12 с армированным волокном пластмассовым слоем 6, и, вдоль небольшой части, с армированным волокном связывающим слоем 15. Соединение между внешним слоем 3 и вторым прерывистым металлическим слоем 9' является клеевым слоем 14 без волоконного армирования.

В варианте согласно Фиг.9 клеевой слой 14 без волоконного армирования также присутствует, а именно между двумя прерывистыми металлическими слоями 9, 9'.

В варианте согласно Фиг.10 сплошной металлический слой 2, прерывистый металлический слой 9 и прерывистый металлический слой 9' прикреплены друг к другу с помощью клеевых слоев 14, 14', без волоконного армирования.

Согласно Фиг.11 сплошной металлический слой 2 представляет собой перегородку между прерывистыми металлическими слоями 9, 9'.

Вариант согласно Фиг.12 в основном аналогичен варианту согласно Фиг.2, в том отношении, что армированный волокном пластмассовый клеевой слой 15 присутствует между сплошным металлическим слоем и прерывистым металлическим слоем 9.

Варианты на виде сверху согласно Фиг.13а-13f показывают разные структуры утолщенных (приподнятых) участков 13 и углубленных участков 12.

Фиг.14 показывает вид сверху слоистого материала, в котором каркас 13' заключает в себе прямоугольные углубленные участки 12.

Вариант согласно Фиг.15 показывает слоистый материал, в котором каркас 13' заключает в себе параллельные углубленные участки 12, например - в месте рамы фюзеляжа и в месте нервюр в крыле.

Вариант согласно Фиг.16 показывает, что каркас 13' может состоять из нескольких частей, а именно из двух наружных частей 21, 22 каркаса, которые прилегают друг к другу в стыке 23, и полос 24, прилегающих к частям 21, 22 каркаса, соответственно, в стыках 25, 26.

1. Слоистый материал, состоящий из металлических слоев (1-3, 9) и пластмассовых связывающих слоев (4-6), расположенных между металлическими слоями (1-3, 9), и содержащий два внешних по существу непрерывных металлических слоя (1, 3) и по меньшей мере один внутренний металлический слой (2, 9), отличающийся тем, что по меньшей мере один из внутренних металлических слоев (9) имеет по меньшей мере одно отверстие (10), и тем, что в месте отверстия (10) остальные металлические слои (1-3) и пластмассовые связывающие слои (4-6) связаны вместе для формирования пакета уменьшенной толщины.

2. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что в нем по меньшей мере одно из отверстий (10) закрыто в периферическом направлении.

3. Слоистый материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что общая площадь отверстий (10), выполненных в металлическом слое (9), имеет величину того же порядка, что и площадь остальной части металлического слоя (9).

4. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что общая площадь отверстий (10), выполненных в металлическом слое (9), превышает площадь остальной части металлического слоя (9).

5. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что металлический слой (9) с отверстиями (10) расположен между пластмассовыми связывающими слоями.

6. Слоистый материал по п.5, отличающийся тем, что металлический слой (9) с отверстиями (10) обеими сторонами связан с пластмассовыми связывающими слоями (5, 6), при этом упомянутые пластмассовые связывающие слои (5, 6) продолжаются без прерывания в месте отверстия (10) и связаны друг с другом в этом месте.

7. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из пластмассовых связывающих слоев (5, 6) армирован волокном.

8. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что металлический слой (9) с отверстиями (10) связан одной стороной с армированным волокном пластмассовым связывающим слоем, а другой стороной связан при помощи связывающего слоя (14) без волоконного армирования с другим металлическим слоем (2).

9. Слоистый материал по п.8, отличающийся тем, что в месте отверстия (10) армированный волокном пластмассовый связывающий слой (6), который связан с металлическим слоем (9) с отверстием, связан с другим металлическим слоем (2).

10. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что имеет несколько внутренних металлических слоев, по меньшей мере один из которых имеет по меньшей мере одно отверстие, и при этом отверстия разных металлических слоев по меньшей мере частично перекрываются друг с другом.

11. Слоистый материал по п.10, отличающийся тем, что отверстия выравнены относительно друг друга и совместно образуют ступенчатое сужение.

12. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что имеющий отверстия металлический слой (9) образует каркас (13').

13. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из металлических слоев по меньшей мере с одним отверстием включает в себя части, соединяющиеся друг с другом.

14. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что толщина металлического слоя меньше 1,5 мм.

15. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что толщина металлического слоя имеет значения в пределах 0,1-0,8 мм.

16. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что пластмассовый связывающий слой содержит углеродные, арамидные волокна или стекловолокно.

17. Слоистый материал по п.1, отличающийся тем, что металлические слои выполнены из Al, Cu, Mg, Ti, Sc и/или сплавов из этих металлов.