Волокнистый композиционный материал с металлической матрицей и способ его изготовления

Изобретение относится к волокнистому композиционному материалу с металлической матрицей и способу его изготовления. Композиционный материал состоит из волокнистого материала (1), содержащего отдельные волокна, на которые нанесено металлическое покрытие, образующее металлическую матрицу в виде слоя металлизации (2), окружающего волокна (1), и окончательного металлического слоя (4), расположенного поверх слоя (2) металлизации, полученного электродуговым напылением. Металлическое покрытие включает дополнительный металлический адгезионный слой (3), содержащий медь и/или никель, расположенный между слоем (2) металлизации и окончательным металлическим слоем (4). Волокна (1) являются стеклянными, углеродными и/или арамидными волокнами или состоят из непроводящего материала. Композиционный материал характеризуется высокой прочностью, является негорючим и неломким, и получен простым и быстрым, а также щадящим материал волокон способом. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к волокнистому композиционному материалу с металлической матрицей и к способу изготовления такого материала.

Известны волокнистые композиционные материалы из полимерных материалов, в которых в синтетическую смолу, такую как эпоксидная смола, полиэфирная смола или смола сложных виниловых эфиров, либо аналогичная синтетическая смола, внедрены стеклянные, углеродные или арамидные волокна. При этом синтетическая смола образует матрицу, обычно заключающую в себя волокна, расположенные в форме уложенной системы или структуры, ткани или плетеного изделия, и соединяющую их между собой. Проблемой такого рода обычных полимерных композиционных материалов является то обстоятельство, что в случае повреждения, например, в транспортных средствах, таких как наземные, водные транспортные средства или особенно на летательных аппаратах, они являются горючими и подвержены расщеплению с образованием игольчатых фрагментов с острыми кромками.

Кроме того, известны композиционные материалы (также называемые композитами) с металлической матрицей, которые, однако, технологически сложны в производстве, поскольку в них используются исходные или формованные изделия (заготовки), что к тому же сопряжено с тем недостатком, что свобода в придании заготовке или изготавливаемому компоненту геометрической формы сильно ограничена. Кроме того, использовавшиеся до сих пор композиционные материалы с металлической матрицей в большинстве случаев обладают большим весом, что является недостатком, особенно в аэрокосмической промышленности. Кроме того, их недостатком является отсутствие силового замыкания (прочного сцепления) между волокнами и металлом.

При использовании методов парофазного осаждения или химического осаждения из паровой среды (PVD/CVD), например, волокно может быть покрыто целиком, но только с относительно высокими затратами на оборудование при одновременно больших временах нанесения покрытия. Например, для слоя нанесения толщиной 0,1 мм при использовании метода парофазного осаждения или химического осаждения из паровой среды в зависимости от материала требуется от нескольких часов до нескольких дней. Таким образом, хотя методы парофазного осаждения или химического осаждения из паровой среды и позволяют наносить множество различных материалов, длительность этого процесса выше средней. Дополнительно размер части детали, на которую наносится покрытие, ограничен размерами используемого вакуумного резервуара.

Из публикации US 5846288 известен способ получения проводящих материалов, используемый, например, для изготовления прессованных или спеченных проводящих полосок или стержней и предусматривающий нанесение покрытия в растворе солей серебра на гранулированные частицы из оксида цинка.

В основу изобретения положена задача создания волокнистого композиционного материала с металлической матрицей, имеющего высокую прочность, негорючего и неломкого, а также задача разработки способа изготовления такого материала, который был бы простым и быстрым в осуществлении, а также щадящим для материала снабжаемых покрытием волокон.

Решение этой задачи достигается в способе изготовления волокнистого композиционного материала, охарактеризованном в пункте 1 формулы изобретения. Также решение этой задачи достигается в волокнистом композиционном материале, охарактеризованном в пункте 5 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Объектом настоящего изобретения является способ изготовления волокнистого композиционного материала с металлической матрицей, характеризующийся тем, что на волокнистый материал, содержащий отдельные волокна, наносят металлическое покрытие, образующее металлическую матрицу, причем металлическое покрытие формируют из слоя металлизации, окружающего волокна, и окончательного металлического слоя, наносимого поверх слоя металлизации. Отличие предлагаемого в изобретении способа заключается в том, что окончательный металлический слой получают электродуговым напылением.

Преимуществом метода электродугового напыления перед другими методами, в частности перед вакуумным напылением, является меньшая сложность аппаратурного оформления процесса. Напыляемый металл находится в виде проволоки, его расплавление осуществляется посредством электрической дуги, представляющей собой электрическое явление и создаваемой с помощью короткого замыкания. Перенос расплавленного материала проволоки на волокна осуществляется воздухом, используемым в качестве распыляющего газа. Кроме того, электродуговое напыление ввиду меньших рабочих температур процесса и меньших скоростей соударения напыляемых частиц с подложкой является более щадящим для материала снабжаемых покрытием волокон.

Объектом настоящего изобретения является также волокнистый композиционный материал с металлической матрицей, полученный указанным выше способом и включающий в себя волокнистый материал, содержащий отдельные волокна и нанесенное на них металлическое покрытие, образующее металлическую матрицу, причем металлическое покрытие включает в себя слой металлизации, окружающий волокна, и окончательный металлический слой, расположенный поверх слоя металлизации.

Металлическое покрытие может включать в себя дополнительный металлический адгезионный (способствующий адгезии) слой, расположенный между слоем металлизации и окончательным металлическим слоем, который эффективен, в частности для улучшения сцепления в случае формирования окончательных слоев термическим напылением.

Слой металлизации может иметь толщину от 0,5 мкм до 0,5 мм.

Окончательный металлический слой может иметь толщину от 2 мкм до 20 мм или предпочтительно от 20 мкм до 2 мм.

Дополнительный металлический адгезионный слой может иметь толщину от 2 мкм до 1 мм, в частности от 20 до 200 мкм.

Волокна могут быть стеклянными, углеродными и/или арамидными волокнами. Особенно предпочтительно использовать волокна из непроводящих материалов.

Слой металлизации и/или дополнительный металлический адгезионный слой могут содержать медь и/или никель.

Окончательный металлический слой обычно состоит из легкого металла (например, алюминия), что особенно выгодно с точки зрения весовой эффективности. Вместе с тем, использование материалов на основе меди или тяжелых металлов также допустимо.

Волокнистый материал может быть образован системой уложенных определенным образом волокон (например, нетканым материалом), тканью или плетеным изделием из волокон.

В одном из вариантов осуществления изобретения собственно волокна в составе системы уложенных волокон, ткани или плетеного изделия покрыты слоем металлизации или слоем металлизации и дополнительным металлическим адгезионным слоем, а система уложенных волокон, ткань или плетеное изделие в целом покрыта(-о) окончательным слоем. Вместе с тем, также можно использовать заранее изготовленную в виде полуфабриката систему уложенных волокон, ткань или плетеное изделие, которая(-ое) сначала целиком покрывается слоем металлизации, а при необходимости и адгезионным слоем, прежде чем в завершение будет нанесен окончательный слой.

Предлагаемый в изобретении волокнистый композиционный материал с металлической матрицей может использоваться в авиастроении (конструкциях крыла, рулей и т.п.), в строительстве гоночных автомобилей (например, для изготовления спойлеров, обшивки, пола и т.п.), в ракетостроении, для изготовления спортивных снарядов и во многих других областях техники.

Объектом изобретения является также способ изготовления волокнистого композиционного материала с металлической матрицей. В соответствии с изобретением на волокнистый материал, состоящий из отдельных волокон, наносят металлическое покрытие, образующее металлическую матрицу, причем металлическое покрытие формируют из слоя металлизации, окружающего волокна, и окончательного металлического слоя, который, в свою очередь, наносят поверх слоя металлизации.

Дополнительно металлическое покрытие может включать в себя металлический адгезионный слой, наносимый между слоем металлизации и окончательным металлическим слоем, что выгодно, в частности, в случае нанесения окончательного слоя термическим напылением.

Слой металлизации может наноситься химическим/реакционным методом или термическим напылением.

Дополнительный металлический адгезионный слой можно наносить гальваническим методом или термическим напылением. Нанесение термическим напылением является особенно простым, быстрым и экономически выгодным вариантом, а также обеспечивает высокую гибкость в отношении требуемой геометрии изделия.

Волокна, образующие волокнистый материал, представляют собой, например, стеклянные, углеродные и/или арамидные волокна. Особые же преимущества дает применение волокон из непроводящего материала, который делают проводящим за счет слоя металлизации, описанного выше.

Слой металлизации и/или дополнительный металлический адгезионный слой можно получать из меди и/или никеля.

Окончательный металлический слой обычно состоит из легкого металла, (например, алюминия), но также допускается использование сплава на основе меди или тяжелого металла.

Волокнистый материал можно формировать в виде системы уложенных волокон, ткани или плетеного изделия из волокон.

Собственно волокна, т.е. волокна как таковые, в составе системы уложенных волокон, ткани или плетеного изделия могут покрываться слоем металлизации или слоем металлизации и дополнительным металлическим адгезионным слоем, а система уложенных волокон, ткань или плетеное изделие в целом - окончательным слоем. Также возможен вариант, предусматривающий покрытие системы уложенных волокон, ткани или плетеного изделия целиком слоем металлизации, а при необходимости - и дополнительным адгезионным слоем таким образом, чтобы волокна были покрыты по всей своей поверхности, с последующим нанесением окончательного слоя, предпочтительно методом термического напыления.

Изобретение имеет, в частности, то преимущество, что в предложенном волокнистом композиционном материале с металлической матрицей волокна соединены с металлической матрицей, в частности со слоем металлизации, с прочным сцеплением (силовым замыканием). В известных способах и композиционных материалах с металлической матрицей такое силовое замыкание отсутствует.

Ниже со ссылкой на единственный чертеж рассматривается пример осуществления изобретения.

На чертеже схематично в поперечном разрезе и увеличенном масштабе изображен волокнистый композиционный материал с металлической матрицей в варианте осуществления изобретения, рассматриваемом в качестве примера.

Изображенный на чертеже волокнистый композиционный материал, обозначенный в целом позицией 10, включает в себя металлическую матрицу, которая связывает и окружает волокнистый материал. Волокнистый материал состоит из схематично изображенных на чертеже волокон 1, которые могут быть выполнены, например, из электропроводящего стеклянного волокна или же, например, из углеродного или арамидного волокна. На волокнах 1 расположен металлический проводящий слой, который в дальнейшем именуется слоем 2 металлизации, на который, в свою очередь, может быть нанесен металлический адгезионный (способствующий адгезии) слой 3. Слой 2 металлизации и металлический адгезионный слой 3 нанесены на отдельные волокна 1, которые в рассматриваемом варианте осуществления изобретения образуют сетчатую ткань. Окончательный металлический слой 4, в отличие от слоя металлизации, нанесен на ткань в целом. Вместо использования металлического адгезионного слоя 3 окончательный металлический слой 4 также может быть нанесен прямо на слой 2 металлизации; в этом случае на отдельных волокнах 1 находится только слой 2 металлизации, и отдельные волокна впоследствии подвергаются обработке для изготовления, например, ткани, на которую в целом затем наносится окончательный металлический слой 4. Кроме того, в качестве заготовки можно взять готовый волокнистый материал (например, как полуфабрикат в форме системы уложенных волокон или сетчатой ткани), который сначала целиком снабжается слоем 2 металлизации таким образом, чтобы каждое отдельное волокно 1 волокнистого материал было полностью покрыто слоем 2 металлизации, или полностью окружено им. Затем при необходимости на слой 2 металлизации можно нанести адгезионный слой 3, чтобы затем нанести, например, термическим напылением, окончательный слой 4.

Волокна 1 необходимо сначала подвергнуть предварительной обработке, чтобы обеспечить прочное сцепление нанесенного покрытия с поверхностью, особенно если они состоят из непроводящего материала (например, стекловолокна). В рассматриваемом варианте осуществления изобретения нанесение окончательного металлического слоя 4 может осуществляться гальваническим методом или термическим напылением. Однако для гальванического нанесения окончательного слоя 4 поверхность волокон 1 должна быть проводящей сама по себе или ей необходимо придать электропроводность. Поэтому на первой стадии волокна 1 снабжаются вышеупомянутым металлическим проводящим слоем или слоем 2 металлизации. Слой 2 металлизации может наноситься, например, путем восстановительной реакции или химическим методом либо термическим напылением.

В другом варианте окончательный металлический слой 4 может быть нанесен, например, термическим напылением. В этом случае предварительное нанесение слоя металлизации и/или адгезионного слоя также полезно тем, что обеспечивает прочное сцепление окончательного металлического слоя 4 с волокнами 1. Дополнительный металлический адгезионный слой 3 может быть нанесен, например, гальваническим методом или термическим напылением. Слой 2 металлизации или слой 2 металлизации и металлический адгезионный слоем 3, таким образом, образуют основу для термически напыляемого окончательного металлического слоя 4.

В одной модификации этого варианта осуществления изобретения слой 2 металлизации также можно наносить на отдельные волокна 1, а дополнительный металлический адгезионный слой 3 - уже на волокнистый материал из волокон 1, после чего наносится окончательный металлический слой 4.

Как было описано выше, в качестве заготовки также можно использовать предварительно изготовленный (например, предлагаемый на рынке) волокнистый материал, который на первой стадии снабжен слоем 2 металлизации. При этом следует следить за тем, чтобы слоем 2 металлизации было окружено каждое отдельное волокно 1.

Слой 2 металлизации обычно может иметь толщину от 0,5 мкм до 0,5 мм, не ограничиваемую, однако, этим интервалом значений. Дополнительный металлический адгезионный слой 3 может иметь толщину от 2 мкм до 1 мм, в частности от 20 до 200 мкм, не ограничиваемую, однако, этим интервалом значений. Наконец, окончательный металлический слой 4 может иметь толщину, сильно различающуюся в зависимости от области применения материала и находящуюся в пределах интервала от 2 мкм и 20 мм, предпочтительно от 20 мкм до 2 мм.

Металлический проводящий слой или слой 2 металлизации могут содержать любые подходящие для этой цели металлы (например, медь и/или никель) или могут быть образованы ими. Аналогичным образом, окончательный металлический слой 4 может содержать любые подходящие металлы или может быть образованным ими. Окончательный слой 4 обычно состоит из легких металлов (например, алюминия), материалов на основе меди или тяжелых металлов.

Дополнительный адгезионный слой 3, наносимый гальваническим методом или термическим напылением, также может содержать медь, и/или никель, и/или алюминий либо другой подходящий металл, а также может быть образован таким металлом.

Особым преимуществом изобретения является соединение отдельных

волокон с металлом, в частности со слоями металлизации, с прочным сцеплением (силовым замыканием). Вследствие усадки металлов, наносимых в жидком состоянии, между волокном и металлом образуется множество микрозазоров.

Пример:

В одном из вариантов осуществления изобретения металлический волокнистый композиционный материал может быть изготовлен следующим образом:

- образованную стеклянными волокнами 1 сетчатую ткань обезжиривают кипячением в водном растворе щелочи, после чего следует тщательное промывание в дистиллированной воде,

- проводят химическую (без воздействия электричеством извне) металлизацию (например, химическое меднение или химическое никелирование) обезжиренной сетчатой ткани из стекловолокна с получением тонкой проводящей оболочки вокруг прежде непроводящих волокон, после чего снова следует тщательная промывка,

- гальваническим методом наращивают волокна 1, покрытые тонким проводящим слоем или слоем 2 металлизации, доводя их до толщины, например, 150 мкм (например, в ванне для (гальванического) никелирования, плотность тока 2-3 А/дм²), чтобы сформировать дополнительный металлический адгезионный слой 3, после чего сетчатую ткань из стекловолокна вновь промывают и высушивают,

- гальванизированную (никелированную) поверхность с обеих сторон подвергают струйной обработке частицами корунда (размер абразивного зерна, например, от 0 до 100 мкм) в системе струйной обработки, чтобы придать таким образом шероховатость поверхности,

- покрывают шероховатую поверхность с обеих сторон с помощью электродугового напыления легким металлом (например, алюминием). Электродуговое напыление можно выполнять до тех пор, пока не закроются зазоры в исходной стекловолоконной сетке и не образуется компактный сплошной слой (композиционный материал). Этот композиционный материал отличается высокой прочностью и в то же время малым собственным весом. Кроме того, композиционный материал можно обрабатывать методами механической обработки, такими как сверление, фрезерование, шлифование, полирование и т.п.

Описанный волокнистый композиционный материал с металлической матрицей представляет собой в значительной степени прочный, невоспламеняющийся, неломкий и не склонный к расщеплению материал с оптимальным отношением прочности к весу. К материалам, образующим матрицу, относятся не только легкие металлы, такие как алюминий, также могут использоваться любые другие подходящие металлы, которые можно нанести любым подходящим способом в виде слоя на подготовленный волокнистый материал. Собственно матрица по существу как раз образуется нанесением покрытия, а между волокнами и металлической матрицей возникает соединение с силовым замыканием.

Благодаря использованию комбинации гальванического метода (направленный фарадеевский процесс), используемого для формирования слоя металлизации, проводящего или адгезионного слоя, с процессом, характеризующемся высокой скоростью нанесения покрытия, в частности термическим напылением, становится возможным эффективное формирование оболочки вокруг волокнистого материала с высокой скоростью нанесения покрытия. При этом возможности осуществления изобретения не ограничиваются распространенными металлами из ряда электродных потенциалов, как, например, при использовании гальванического метода. Что касается размера изготавливаемых волокнистых композитов, т.е. в конечном итоге размеров изготавливаемых компонентов, то здесь не существует практически никаких ограничений, поскольку термическое напыление может осуществляться в отношении деталей любого размера. Особое преимущество изобретения, например, по сравнению с методом парофазного осаждения или химического осаждения из паровой среды, заключается в более высокой скорости нанесения покрытия, в возможности покрытии волокон со всех сторон, а также в отсутствии ограничений на размеры компонентов, в отличие от вышеупомянутых вакуумных методов, в которых размер компонента ограничивается размером окружающего его вакуумного резервуара.

1. Способ изготовления волокнистого композиционного материала с металлической матрицей, включающий нанесение на волокнистый материал, содержащий отдельные волокна (1), металлического покрытия, образующего металлическую матрицу, причем металлическое покрытие формируют из слоя (2) металлизации, окружающего волокна (1), и окончательного металлического слоя (4), наносимого поверх слоя (2) металлизации, отличающийся тем, что окончательный металлический слой (4) получают электродуговым напылением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между слоем (2) металлизации и окончательным металлическим слоем (4) дополнительно наносят металлический адгезионный слой (3).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой (2) металлизации получают химическим методом или термическим напылением.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что дополнительный металлический адгезионный слой (3) получают гальваническим методом или термическим напылением.

5. Волокнистый композиционный материал с металлической матрицей, полученный способом по одному из пп.1-4, включающий в себя волокнистый материал (1), содержащий отдельные волокна и нанесенное на них металлическое покрытие, образующее металлическую матрицу, причем металлическое покрытие включает в себя слой (2) металлизации, окружающий волокна (1), и окончательный металлический слой (4), расположенный поверх слоя (2) металлизации.

6. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что металлическая матрица имеет прочное сцепление с поверхностью волокон (1).

7. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что металлическое покрытие включает в себя дополнительный металлический адгезионный слой (3), расположенный между слоем (2) металлизации и окончательным металлическим слоем (4).

8. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что слой (2) металлизации имеет толщину от 0,5 мкм до 0,5 мм.

9. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что окончательный металлический слой (4) имеет толщину от 2 мкм до 20 мм, в частности от 20 мкм до 2 мм.

10. Волокнистый композиционный материал по п.7, отличающийся тем, что дополнительный металлический адгезионный слой (3) имеет толщину от 2 мкм до 1 мм, в частности от 20 мкм до 200 мкм.

11. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что волокна (1) являются стеклянными, углеродными и/или арамидными волокнами.

12. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что волокна (1) состоят из непроводящего материала.

13. Волокнистый композиционный материал по одному из пп.5, 7 или 10, отличающийся тем, что слой (2) металлизации и/или дополнительный металлический адгезионный слой (3) содержит медь и/или никель.

14. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что окончательный металлический слой (4) состоит из легкого металла, в частности алюминия.

15. Волокнистый композиционный материал по п.5, отличающийся тем, что волокнистый материал представляет собой систему уложенных волокон, ткань, нетканый материал или плетеное изделие из волокон (1).

16. Волокнистый композиционный материал по п.15, отличающийся тем, что собственно волокна (1) в составе системы уложенных волокон, ткани или плетеного изделия покрыты слоем (2) металлизации или слоем (2) металлизации и дополнительным металлическим адгезионным слоем (3), а система уложенных волокон, ткань или плетеное изделие в целом покрыта(-о) окончательным слоем (4).