CN101417524A - 碳纤维金属复合层合板的制造方法 - Google Patents

Abstract

碳纤维金属复合层合板的制造方法，它涉及一种纤维金属复合层合板的制造方法。针对国内没有用于制造高比刚度和比强度，并且具有韧性和可加工性的飞行器结构材料制造方法问题。本发明的方法是：对三块金属板表面处理；在其中一块金属板上缠绕浸过胶液的碳纤维复合材料层，胶液由环氧树脂、间苯二胺固化剂及无水乙醇溶剂按照质量比为1∶0.1～0.18∶0.15～0.2的比例混配制成的；将另外两块金属板固装在碳纤维复合材料层的上、下表面上并一同放入模具中，合模、烘干、采用梯度升温法固化、脱模。本发明的制造方法简单、容易操作，用本发明的制造方法制成的碳纤维金属复合层合板具有高比刚度和比强度，还具有金属材料的韧性和可加工性，疲劳性能和损伤容限性能优良。

Description

碳纤维金属复合层合板的制造方法

技术领域

本发明涉及一种纤维金属复合层合板的制造方法。

背景技术

随着航天航空技术的发展，对可减少维护费用和减少飞行器结构重量，且具有更长的耐久性和更好的损伤容限的结构材料的需求越来越强烈。

当前飞行器的结构材料主要包括两类：一类为金属材料，它具有一定的刚度和强度，韧性和可加工性较好，可靠性高。常用的金属材料包括：铝及其合金作为航天航空工业中应用最高的金属材料，具有较高的强度、较高的断裂韧性、较强的阻止纤维断裂处的裂纹扩展能力及较强的抗腐蚀性，且成本低廉。铝合金通常用来制造导弹的蒙皮、弹翼和一些受力构件，如翼梁、桁条、翼肋等。美国铝制品公司为波音公司生产的6.4m长的空射巡航导弹AGM286B，其弹体的五分之四由薄壁铝合金铸件构成。F22战机采用了高性能铝合金705和2124，用作机体内部结构如框架、加强肋、腹板、接头件以及某些蒙皮等，其用量分别占前机身重量的50％、中机身重量的35％、后机身重量的22％、中央翼重量的23％。F-35战机上采用了两种可用于损伤容限设计的2524和71500铝合金，其总用量在30％至50％之间，占机体材料的主体地位。钛及其合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点，在航空、航天、石化、船舶等领域中用量越来越大，以航空应用为例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B2787型、A2380型)中钛合金用量已由第三代的不到4％上升到9％以上。第三代歼击机中钛合金结构件用量由F16型的约3％增加到了F18、苏27型的15％以上，而第四代歼击机F22型的钛合金结构件用量已占机身结构总质量的41％。但金属材料的缺点是质量较大，这无疑增加了飞行器的飞行成本，并且金属的疲劳性能也不尽如人意。

另一类为复合材料，它具有很高的比刚度和比强度，疲劳性能好，耐腐蚀，阻燃。“科曼奇”直升机的机身有70％是由复合材料制成的。由国内三家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减少质量30％。北京航空制造工程研究所研制并生产的双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的热塑性树脂(PEEK)单向碳纤维预浸料及其复合材料，具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能，适合制造飞机主承力构件，可在120℃下长期工作，已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。尽管上述所述复合材料具有高比强度、高比模量的优点，但复合材料是各向异性材料，其高比强度、高比模量的性能是基于其单向层压板的测试数据而言的，即沿纤维铺层方向的纵向性能很高，而垂直于纤维方向的横向性能很低。实际应用时，必须根据构件的承载情况进行铺层设计，将纤维按一定的比例分配到0°、士45°、90°等方向上，以同时满足构件的强度、刚度与抗扭、抗失稳的要求。但这样一来，材料的强度和模量大幅度下降。如T300增强环氧648复合材料经正交铺层设计后，其模量值将降低到接近铝合金的相应值。并且复合材料的抗冲击性能，高温性能较差。可见，常规的复合材料很难满足飞行器结构材料的要求。为了不断提高实用复合材料的力学性能，国外相继开发应用了高强度、高模量的碳纤维，Sic纤维及金属基复合材料。但这些材料由于价格昂贵，也很难在我国推广应用。截至目前为止，国内还没有用于制造高比刚度和比强度，并且具有韧性和可加工性的飞行器结构材料的制造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维金属复合层合板的制造方法，以解决目前为止，国内还没有用于制造高比刚度和比强度，并且具有韧性和可加工性的飞行器结构材料的制造方法。

本发明的碳纤维金属复合层合板的制造方法是这样完成的：一、表面处理：取三块尺寸和材质均相同的金属板，并对每块金属板依次进行脱脂处理和酸洗处理，最后将其水洗至中性，然后放入烘干箱中烘干备用，所述三块金属板均为铝板或铝合金板；二、缠绕碳纤维复合材料层：所述碳纤维复合材料层是在经步骤一处理后的三块金属板中的任意一块金属板上环向缠绕浸过胶液的碳纤维制成的，所述胶液由环氧树脂、间苯二胺固化剂及无水乙醇溶剂按照质量比为1：0.1～0.18：0.15～0.2的比例混配制成；三、层合板的层压成型；所述层合板的层压成型由以下四个步骤完成：a、模具处理；对模具表面涂刷脱模剂处理；b、模压；将经步骤一处理过的另外两块金属板分别固装在碳纤维复合材料层的上表面和下表面上并一同放入模具中，合模，之后再放入烘干箱内；c、固化、脱模；将放入烘干箱内的模具采用梯度升温法固化，即从室温加热至50℃，恒温3h～4h；再加热至80℃，恒温2h～3h；最后再加热至120℃，恒温2h～3h，再在烘干箱内冷却至室温，之后，将模具取出脱模制成碳纤维金属复合层合板。

本发明具有以下有益效果：一、本发明所制成的碳纤维金属复合层合板(FMLs)是一种由金属板和碳纤维复合材料层交替铺设后，在一定温度和压力下形成的一种层间混杂复合材料。FMLs综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，弥补了单一复合材料和金属材料的不足，不但具有高比刚度和比强度，还具有金属材料的韧性和可加工性，并且优良的疲劳性能和损伤容限性能是FMLs最主要的特点。同时，FMLs还具有质量轻、耐腐蚀、阻燃、耐冲击、抗疲劳性能好等优点，这使其成为航空航天结构材料的理想选择。二、铝作为航空航天工业中应用最高的金属材料，具有较高的强度、较高的断裂韧性、较强的阻止纤维断裂处的裂纹扩展能力和较强的抗腐蚀性。三、目前已商品化的纤维金属复合层合板主要采用玻璃纤维和芳纶纤维。但玻璃纤维存在模量低、耐热性不理想的缺陷；芳纶纤维抗压、抗扭性能很低，这都难以满足航空航天工业对受力结构材料越来越高的应用需求。本发明的增强纤维选用碳纤维；碳纤维具有极高的比强度和高比模量的特性。碳纤维复合材料具有质轻、高强、高模、耐高温、抗氧化等特性，这些特性使其在各个领域被广泛地应用。由于航空航天方面要求材料重量轻，比模量、比强度高，耐高温、耐磨擦等特点，故碳纤维复合材料被大量地用于飞机、人造卫星、火箭等航天器的结构部件上。四、由于环氧树脂具有优良的力学性能、尺寸稳定性、化学稳定性、且粘结力强，固化方便，介电性能优良，耐化学腐蚀性好，因此是航空航天领域重要的聚合物基体材料。本发明所采用的环氧树脂，其型号为TDE85。它是脂环族缩水甘油酯型的，其分子结构上带有三个环氧基，有较高的环氧值(0.85左右)。TDE85环氧树脂粘度低、工艺性能良好、操作简便、无挥发味、固化收缩率小，反应活性要比一般的脂环族环氧树脂大。五、本发明的碳纤维金属复合层合板可用于航空航天中飞行器的结构材料，如大型民用客机的蒙皮材料，还可用于汽车的金属覆盖件的替代材料、磁悬浮列车、轻型防弹装甲、舰船、容器、管道等。六、本发明的制造方法简单、容易操作，采用本发明的制造方法制成的碳纤维金属复合层合板能满足航空航天中飞行器的结构材料的要求。

附图说明

图1是采用本发明的制造方法制成的碳纤维金属复合层合板的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的碳纤维金属复合层合板由三块金属板和碳纤维复合材料层1组成；所述三块金属板均为铝板或铝合金板，所述三块金属板中的其中一块金属板2-1上缠绕碳纤维复合材料层1，所述三块金属板中的另外两块金属板2-2分别固装在碳纤维复合材料层1的上表面和下表面上，所述金属板的厚度为0.2mm～0.4mm。

本实施方式中，用具有高比强度、比刚度且耐腐蚀的碳纤维增强复合材料和综合性能优良且抗疲劳、抗冲击性能好的铝或者铝合金制造出力学性能优异的碳纤维金属复合层合板。

具体实施方式二：本实施方式的碳纤维金属复合层合板的制造方法是这样完成的：一、表面处理：取三块尺寸和材质均相同的金属板，并对每块金属板依次进行脱脂处理和酸洗处理，最后将其水洗至中性，采用冷水喷淋清洗金属板表面，然后放入烘干箱中烘干备用，所述三块金属板均为铝板或铝合金板，金属板的厚度为0.2mm～0.4mm；二、缠绕碳纤维复合材料层1：所述碳纤维复合材料层1是在经步骤一处理后的三块金属板中的其中一块金属板2-1上环向缠绕浸过胶液的碳纤维制成的，所述胶液由环氧树脂、间苯二胺固化剂及无水乙醇溶剂按照质量比为1：0.1～0.18：0.15～0.2的比例混配制成；三、层合板的层压成型；所述层合板的层压成型由以下四个步骤完成：a、模具处理；对模具表面涂刷脱模剂处理；b、模压；将经步骤一处理过的另外两块金属板2-2分别固装在碳纤维复合材料层1的上表面和下表面上并一同放入模具中，合模，之后再放入烘干箱内；c、固化、脱模；将放入烘干箱内的模具采用梯度升温法固化，即从室温加热至50℃，恒温3h～4h；再加热至80℃，恒温2h～3h；最后再加热至120℃，恒温2h～3h，再在烘干箱内冷却至室温，之后，将模具取出脱模得到平整无翘曲的碳纤维金属复合层合板。缠绕成型的特点是：纤维能保持连续完整，可按性能要求配置增强材料，并具有效率高、强度高、可连续化、机械化生产及生产周期短的优点。经缠绕成型得到的碳纤维复合材料层具有耐疲劳、高强度、低密度等特点，是制备轻质量、高强度、尺寸稳定、耐疲劳的碳纤维金属复合层合板的基础。

此外，胶液的浓度是碳纤维金属复合层合板质量的重要影响因素。浓度过低，则含胶量低，达不到要求；浓度过高，导致胶液粘度过高，不利于碳纤维的浸渍。因此，采用本实施方式所述的胶液配比可保证制成的碳纤维金属复合层合板的质量。

由本实施方式制成的碳纤维金属复合层合板具有良好的基本力学性能，具体数据见表一：

表一  碳纤维金属复合层合板、铝合金及钛的力学性能

注：金属没有弯曲和层间剪切的性能指标。

优良的疲劳性能是碳纤维金属复合层合板最主要的特点之一，疲劳性能试验是在MTS810系列疲劳测试系统上进行，根据静载下的极限拉伸强度分别取样在8KN、10KN的载荷下做疲劳极限测试(频率f＝10Hz，疲劳比R＝0.1)，疲劳寿命分别达到了近18万次和6万次。由实验过程可观察到，复合层合板都是金属首先出现裂纹，裂纹扩展速率基本呈线性，直到出现贯穿性裂纹后一段时间，也就是在金属失去承载能力后纤维才会断裂，这说明在金属的夹层中加入纤维增强复合材料对增强整体碳纤维金属复合层合板的疲劳极限有显著提高。从上面的各种力学性能的结果可以看出，碳纤维金属复合层合板的纵向横向拉伸强度良好，超过了金属铝合金和钛的相应值。同时，碳纤维金属复合层合板还具有较高的弯曲强度及模量和较强的层间剪切强度。在定载荷条件下的疲劳极限测试也体现出该碳纤维金属复合层合板优良的耐疲劳性能。

具体实施方式三：本实施方式的步骤一中的脱脂处理是这样完成的：用脱脂棉沾湿丙酮对每块金属板表面进行擦拭，除去油污后，再用棉布擦拭干净即可。其它处理步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式的步骤一中的酸洗处理是这样完成的：将金属板浸泡于酸蚀液中10min～15min，用镊子辅助使金属板在酸蚀液中左右移动，避免腐蚀不均匀，保证表面处理效果，所述酸蚀液由高锰酸钾、质量分数为98％的硫酸和蒸馏水按照质量比为1：2.5～3：8～10的比例配制而成。其它处理步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：本实施方式的步骤二中的胶液由环氧树脂、间苯二胺固化剂及无水乙醇溶剂按照质量比为1：0.13：0.18的比例混配制成，采用上述所述配比的胶液可保证碳纤维金属复合层合板的质量。其它处理步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式六：本实施方式的步骤二中的环氧树脂是脂环族缩水甘油酯型环氧树脂，可满足碳纤维复合材料层的性能要求。其它处理步骤与具体实施方式二或五相同。

具体实施方式七：本实施方式是本发明的碳纤维金属复合层合板的制造方法的一个具体实施例，所述制造方法是这样完成的：

1、表面处理

1.1脱脂处理：用脱脂棉沾湿丙酮对三块尺寸和材质相同的三块金属板进行擦拭，除去油污后，再以清洁的棉布擦拭几次即可，所述金属板的厚度为0.2mm～0.4mm，金属板为铝板或铝合金板；

1.2酸洗：采用高锰酸钾、质量分数为98％的硫酸和蒸馏水按质量比为1∶2.5～3：8～10的比例配成酸蚀液，将所述三块金属板浸泡于酸蚀液中10min～15min，用镊子辅助使金属板在酸蚀液中左右移动，避免腐蚀不均匀，保证表面处理效果，所述三块金属板均为铝板或铝合金板；

1.3水洗至中性：酸洗完毕后采用冷水喷淋清洗金属板表面，然后放入烘干箱中烘干备用；

2、缠绕碳纤维复合材料层

2.1碳纤维的处理和烘干：缠绕前碳纤维需要进行热处理，以除去碳纤维表面游离的水分，因为过量的游离水分不仅影响树脂基体与碳纤维的粘合，同时将引起应力腐蚀，并使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而使制成的强度和耐老化性能下降，具体做法是将碳纤维在60～80℃温度下烘干20h～25h；

2.2胶液配制：将环氧树脂、间苯二胺固化剂和无水乙醇溶剂按照重量配比为1：0.1～0.18：0.15～0.2的比例混合配成胶液，胶液浓度是制品质量的重要影响因素，浓度过低，则含胶量低，达不到要求；浓度过高，导致胶液粘度过高，不利于纤维的浸渍，也会使含胶量较低；

2.3缠绕

(1)缠绕张力：在碳纤维缠绕过程中，缠绕张力是缠绕工艺的重要参数，如果张力过低，制品强度就会偏低；反之，张力过大，碳纤维就会磨损，强度就会下降，预浸带的孔隙率也会随缠绕张力的变化而变化。另外，缠绕张力对预浸带的含胶量也会造成一定的影响，控制不好会出现胶液含量沿壁厚不均匀的内低外高现象。因此，缠绕时应尽量保持束间、束内纤维张力均匀。且由于碳纤维的浸渍能力很差，在有张力的情况下，其浸渍能力相当差，为使其充分浸渍，缠绕时，在碳纤维束浸胶之前不对其施加张力，以保证碳纤维束稍分散开，使胶液充分浸渍。在经过胶槽后，碳纤维束通过胶辊及导丝嘴时会产生张力。通过观察，此张力比较合适，能使胶液均匀不流淌且保证碳纤维束铺放均匀。

(2)缠绕速度：采用湿法缠绕，纱线速度受碳纤维浸胶过程的限制。缠绕速度既不能太快也不能太慢，太快会使碳纤维浸渍不完全且会将预浸带表面上的树脂甩出去，太慢则会使胶液在预浸带表面流动不均匀，且会从预浸带上“掉”下来，影响了预浸带的质量。经过试验，碳纤维缠绕的线速度为100转/min～120转/min比较合适。

(3)环向缠绕：环向缠绕是沿金属板周向进行的缠绕。缠绕时，金属板绕自己的轴线做匀速转动，单向平行张紧的碳纤维通过喂丝架输送到树脂槽内浸渍溶液状树脂，然后经压辊系统，使碳纤维充分浸渍树脂。为了不增加张力，碳纤维经过导丝头后直接在金属板上缠绕。金属板每转一周，碳纤维沿金属板长度方向移动一个碳纤维宽度。如此循环下去，直至碳纤维均匀地布满金属板表面为止。

(4)烘干：碳纤维复合材料层缠好以后，并不立即取下，保持原速度空转，继续用烤灯烘烤，温度保持在40℃～50℃，持续2h～3h，待树脂中的溶剂挥发充分，冷却至室温后取下。

3、层压成型

FMLs的铺层方式有多种，其中以3/2、5/4为主要铺层形式。本实施方式制备的碳纤维金属复合层合板是3/2型，也就是三层金属板夹两层复合材料。碳纤维复合材料层是单向的连续碳纤维增强环氧树脂复合材料层，其碳纤维体积含量在50％～60％之间，具体层压成型工艺如下：

(1)模具处理与涂刷脱模剂：先将模具的表面用粗砂纸打磨，除去模具表面残留的树脂和灰尘等杂物，然后再用细砂纸打磨，使模具表面光滑平整，以便于脱模且保证碳纤维金属复合层合板的表面质量，清理好模具后，均匀地涂上脱模剂。本实施方式中采用的是外脱模剂，即硅油，即在装模前直接涂刷在模具的成型表面上。因为材料的成型温度比较高，如果选用脱模纸，当树脂粘流后容易造成粘结不易脱模。

(2)模压：将切去多余的尺寸的碳纤维复合材料层和金属板压叠，使碳纤维方向与金属板的轧制方向相同。在压叠时要沿碳纤维方向从中央到边缘施压以驱赶空气，对滞留于界面内的气泡，用薄刀片沿碳纤维方向挑破(不损坏碳纤维)使气泡逸出、压平。然后再将另两块金属板固装在碳纤维复合材料层的上表面和下表面上后，放入模具内，合模，放入烘干箱中。对于层合板成型而言，加压时机的控制是一个重要的方面。如加压过早，此时树脂流动性大，加压导致树脂流失较多，制成的碳纤维金属复合层合板贫胶，孔隙率大，且压力会导致可挥发物沸点升高不易排走。加压过晚，此时树脂已凝胶，无流动性，压力排不走气泡，导致复合材料不严实，层间粘结力低，空隙率大，厚度差。一般希望在树脂凝胶前但尚未凝胶时加压，利用少量的流胶带走气泡，压实材料。

(3)固化：在树脂基复合材料中，树脂起到连接纤维、传递应力的作用，因此树脂性能的好坏直接影响到复合材料的整体性能。树脂性能本身受很多因素的影响，如原材料、配比、工艺成型、固化条件等，其中固化是成型工艺中重要的环节。树脂固化就是高分子材料的交联反应，即树脂由线形分子结构变成网状大分子结构。同样的树脂体系在加热固化时，因固化时间、固化温度的不同可以形成物理力学性能不同的、甚至是差异很大的分子结构。时间短或温度低树脂无法完全固化，而时间过长或温度过高则造成不必要的能源浪费，甚至会损伤其性能。另外，树脂的选定准则一般是以其延伸率略高于纤维的延伸率而达到最佳匹配，以牺牲其他条件为代价而获得远高于使用要求的延伸率实际上是一种性能浪费。因此根据具体使用要求寻求最佳的固化升温制度显得极为必要。

本实施方式中的碳纤维金属复合层合板的固化制度为：在烘干箱中采用梯度升温法固化，从室温加热至50℃，恒温3h～4h；加热至80℃，恒温2h～3h；加热至120℃，恒温2h～3h；再在炉内冷却至室温。

(4)脱模：脱模得到平整无翘曲的碳纤维金属复合层合板。

Claims (6)

1、一种碳纤维金属复合层合板的制造方法，其特征在于：所述制造方法是这样完成的：一、表面处理：取三块尺寸和材质均相同的金属板，并对每块金属板依次进行脱脂处理和酸洗处理，最后将其水洗至中性，然后放入烘干箱中烘干备用，所述三块金属板均为铝板或铝合金板；二、缠绕碳纤维复合材料层(1)：所述碳纤维复合材料层(1)是在经步骤一处理后的三块金属板中的其中一块金属板(2-1)上环向缠绕浸过胶液的碳纤维制成，所述胶液由环氧树脂、间苯二胺固化剂及无水乙醇溶剂按照质量比为1：0.1～0.18：0.15～0.2的比例混配制成的；三、层合板的层压成型；所述层合板的层压成型由以下四个步骤完成：a、模具处理；对模具表面涂刷脱模剂处理；b、模压；将经步骤一处理过的另外两块金属板(2-2)分别固装在碳纤维复合材料层(1)的上表面和下表面上并一同放入模具中，合模，之后再放入烘干箱内；c、固化、脱模；将放入烘干箱内的模具采用梯度升温法固化，即从室温加热至50℃，恒温3h～4h；再加热至80℃，恒温2h～3h；最后再加热至120℃，恒温2h～3h，再在烘干箱内冷却至室温，之后，将模具取出脱模制成碳纤维金属复合层合板。

2、根据权利要求1所述的碳纤维金属复合层合板的制造方法，其特征在于：所述步骤一中的金属板的厚度为0.2mm～0.4mm。

3、根据权利要求1所述的碳纤维金属复合层合板的制造方法，其特征在于：所述步骤一中的脱脂处理是这样完成的：用脱脂棉沾湿丙酮对每块金属板表面进行擦拭，除去油污后，再用棉布擦拭干净即可。

4、根据权利要求1所述的碳纤维金属复合层合板的制造方法，其特征在于：所述步骤一中的酸洗处理是这样完成的：将金属板浸泡于酸蚀液中10min～15min，所述酸蚀液由高锰酸钾、质量分数为98％的硫酸和蒸馏水按照质量比为1：2.5～3：8～10的比例配制而成。

5、根据权利要求1所述的碳纤维金属复合层合板的制造方法，其特征在于：所述步骤二中的胶液由环氧树脂、间苯二胺固化剂及无水乙醇溶剂按照质量比为1：0.13：0.18的比例混配制成。

6、根据权利要求1或5所述的碳纤维金属复合层合板的制造方法，其特征在于：所述环氧树脂是脂环族缩水甘油酯型环氧树脂。

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