[发明专利]基于钢和聚氨酯的纤维复合材料部件的制备

说明书

技术领域

本发明涉及基于钢和聚氨酯的纤维复合材料部件的制备。

本文中所述的纤维复合材料部件指的是机器、陆地车辆、飞机、航天器或者船舶、设备、装置或者仪器的部件，其由相互不可拆开连接的不同材料构成，其中至少一种材料作为纤维存在，并且至少一种材料作为基体包围纤维。所述纤维复合材料部件在此的形状基本上由其预定的用途而确定。这意味着纤维复合材料部件实际上可以即装或即用的，并且(除了较小的修整之外)在安装或使用之前不必经历其它明显的形状改变。

本发明所述的纤维复合材料部件包括材料：钢、聚氨酯以及纤维材料。

所谓钢指的是其中铁的质量含量大于任何其它所含元素的质量含量的一类铁材料。其中碳含量为2重量％以下。

所谓聚氨酯指的是通过二异氰酸酯与多元醇的反应获得的一类聚合物。经常将其简称为PU或PUR。

背景技术

与均质材料制成的部件相比，纤维复合材料部件的生产具有以下特性：即均质材料通常在生产部件之前就已存在；而纤维复合材料只有在生产真正的纤维复合部件的时候才会形成。因此纤维复合材料部件的生产始终与相应纤维复合材料的生产直接相关。

在“构造”纤维复合材料的时候，始终也要注意以此构成的纤维复合材料部件随后的负荷，从而按预期通过基体将载荷传导入到纤维之中并且由纤维传递载荷。

因此与由均质材料生产部件时相比，生产纤维复合材料部件时的材料科学问题更加显著得多。

当纤维复合材料部件要由更可能是异质材料构成的时候尤其如此，例如当无机碳纤维应包埋入有机聚合物基体之中并且其还应当额外被金属覆盖层包围的时候。

此类纤维复合材料部件有望结合相应单一材料的优点，从而总体上在最低重量下获得机械强度最高，隔热、减振和耐腐蚀性良好的部件。

但是此类部件的生产在技术上要求特别高，因为必须将有机和无机化学、金属加工和部件的结构性应用的特定的专业知识相结合。

尤其要注意聚合物的工业生产刚好在经营组织方面明显有别于金属生产和加工。因此只有开发一种不仅能适应化工生产、而且也能适应金属加工的操作流程的方法，才能在工业实践中成功生产基于钢和聚氨酯的纤维复合材料部件。

当然现有技术中已有金属有机纤维复合材料部件的很多例子：

例如，DE10158491A1公开了一种金属-聚氨酯层压体，所述层压体由两层电镀镀锌钢板构成，将一层可具有填充和增强材料的聚氨酯布置在所述钢板之间。使得聚氨酯在所述两个金属板之间固化，从而产生具有高机械强度的板状复合材料部件。这种制备方法的缺点在于，其始终导致平坦的层压体，其可用性由于其扁平的形状而受到限制。虽然描述了将层压体弯曲90°并且重新往回弯的剥离试验。但是该成型过程必须伴随提高的用力，因为聚氨酯在此刻已经热固性固化，由此复合材料部件已经达到其最大强度。DE10158491A1中没有报道任何关于成型后的层压体是否尺寸稳定并且不会重新变回其原来的扁平形状的内容。该方法另外也有异氰酸酯/多元醇组分快速反应生成聚氨酯的缺点，由此必须抓紧时间生产所述复合材料部件。这里涉及的也不是纤维复合材料部件，而是由金属板和聚合物构成的夹芯体。

DE19914420A1公开了一种类似结构的钢/PU复合材料部件。但是金属的层厚为相当大的2～20mm，以致于这里涉及不可以如薄的金属板(厚度＜3mm)那样卷绕的厚板。因此不可使用例如汽车制造行业所用的传统金属板压机加工此类层压体。鉴于这个原因，其预定用途更确切地说是船舶制造或者桥梁建造。

同样对于船舶制造确定的是由WO98/21029A1已知的复合材料结构。该结构包括两个彼此相隔一定距离的外侧钢板，所述钢板形成填充了弹性体聚氨酯的空腔。弹性体消减金属结构中的振动。但是这里并不涉及纤维复合材料部件。同样地，只有在完成钢结构之后，才将弹性体引入空腔之中。

WO2009/009207A2公开了一种生产基于金属和热塑性聚氨酯的纤维复合材料部件的方法。为此，将已经含有纤维的热塑性聚氨酯原料熔融，并且在热作用下将其在金属板之间压制成形。该方法的优点是纤维复合材料部件也能采用并非扁平的形状，并且所需的操作步骤少。缺点是纤维作为短纤维形式已经存在于聚氨酯原料中，因此不可能使纤维以随后的力线通量方向按目标定向。所生产的更确切地说是具有无序的纤维定向的纤维复合材料部件。