Fasermetalllaminate, hergestellt nach dem VARTM-Verfahren

Langley Research Center, Hampton, Virginia

Fasermetalllaminate (FMLs) sind Mehrkomponentenmaterialien, die Metalle, Fasern und Matrixharze verwenden. Durch die Variation einer oder mehrerer dieser Komponenten lassen sich ihre Eigenschaften leicht anpassen. Es wurden zwei neue Verfahren zur Herstellung von FMLs mithilfe des vakuumunterstützten Harztransferformens (VARTM) entwickelt.

Typische FMLs werden durch abwechselndes Stapeln von Schichten aus Metallfolien und Faser-/Matrixharz-Prepregs und anschließende Konsolidierung in einer Presse oder einem Autoklaven hergestellt. FMLs bestehend aus Aluminiumblechen und Aramidfaser-/Epoxid-Prepregs wurden erstmals in den 1980er Jahren entwickelt und 1991 dann FMLs mit Glasfasern anstelle von Aramidfasern eingeführt.

Derzeit im Handel erhältliche FMLs können teuer in der Herstellung sein und die Teilegröße ist aufgrund des erforderlichen Prepregs und der Verwendung eines Autoklaven oder einer Presskonsolidierung begrenzt. Allerdings hat sich das Einbringen von flüssigem Harz in trockene Stoffschichten allein durch Vakuumdruck zur Herstellung hochwertiger Materialien als kosteneffektiverer Prozess zur Herstellung von Verbundwerkstoffen erwiesen. VARTM nutzt ein Fließverteilungsmedium, um eine schnelle Ausbreitung des Harzes auf der Oberfläche über die gesamte Länge des Teils zu ermöglichen, gefolgt von einer langsameren Infusion durch die Dicke des Teils, wodurch die Infusionszeiten verkürzt werden.

Für FMLs wurde ein VARTM-Prozess entwickelt, der kleine Fließwege in den Metallschichten nutzt, um eine Harzinfusion durch die Dicke zu ermöglichen. Die durch diesen Prozess erzeugten Materialien werden als VARTMFML bezeichnet. Ein zweiter VARTM-Prozess, der für FMLs entwickelt wurde, nutzt poröse, metallbeschichtete Stoffe, um eine Infusion durch die Dicke zu ermöglichen. Diese Laminate werden als VARTMPCL bezeichnet. Für jeden Prozess können viele Kombinationen aus Metall, Fasern und Harz ausgewählt werden, um das Material für bestimmte Anwendungen anzupassen.

Die Verarbeitung von VARTMFML umfasst das Stapeln abwechselnder Schichten der Metallfolien, die Harzflusswege und Verstärkungsgewebe enthalten. Der Metallfolien-/Gewebevorformling wird dann über einen VARTM-Prozess mit einem Harz infundiert. Das VARTMFML bietet gute mechanische Eigenschaften, die durch die richtige Auswahl von Metallfolie, Fasern, Harz sowie Größe und Verteilung der Pfade optimiert werden können.

Die Verarbeitung von VARTMPCL erfordert zunächst die Herstellung der metallbeschichteten Gewebe. Das Gewebe wird mithilfe eines induktiv gekoppelten Plasmaabscheidungsverfahrens mit einer Metallschicht beschichtet. Die erzeugte Metallschicht ist porös, so dass gestapelte metallbeschichtete Gewebeschichten infundiert werden können, um neuartige FMLs herzustellen. Metallpulver werden bei niedrigen Drücken axial in ein inertes Argon/Helium-Plasma injiziert. Wenn die Partikel das Plasma passieren, werden sie zu teilweise geschmolzenen Tröpfchen. Diese Metalltröpfchen treffen mit geringer Geschwindigkeit auf den Stoff im Lieferzustand, kühlen schnell ab und bilden eine Verbindung zwischen Metall und Stoff. Der Vorteil des VARTMPCL liegt höchstwahrscheinlich in einer Verbesserung der funktionellen Eigenschaften, einschließlich der elektrischen Leitfähigkeit (z. B. Blitzschlagschutz) oder der Wärmeleitfähigkeit (z. B. Erwärmung zur Enteisung) im Vergleich zum übergeordneten Polymermatrix-Verbundwerkstoff.

Diese Arbeit wurde von BJ Jensen, RJ Cano, SJ Hales, BW Grimsley und ES Weiser vom Langley Research Center durchgeführt; und JA Alexa von Lockheed Martin Engineering and Sciences. LAR-17165-1/485-1/-2

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2015 des NASA Tech Briefs Magazine.

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