CN103009682A - 一种金属与复合材料共复合的型材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属与复合材料共复合的型材及其制备方法。所述型材包括金属型材外套(1)，弹性体保护层(2)，复合材料型材骨架(3)。其中，复合材料型材骨架(3)粘贴弹性体保护层后(2)，一同插入金属型材外套(1)，金属型材外套(1)两端还具有封端部分(11)。本发明的复合型材整体上既能保持复合材料质量轻强度大的优点，又可以像金属型材一样抗冲击，耐磨，可焊接；并且制备方法简单易行，在交通工具制造领域具有很广阔的应用前景。

Description

一种金属与复合材料共复合的型材及其制备方法

技术领域

本发明属于复合型材领域，尤其涉及一种金属与复合材料共复合的型材，以及它的制备方法。

背景技术

复合材料作为一种新型材料，具有质量轻，强度大，耐腐蚀，结构可设计性强等优点，广泛应用于汽车，航空航天，建筑，体育用品等领域，复合材料型材也在多个领域替代了金属型材。但是与金属型材相比，复合材料型材也有其弱点，如抗冲击性差，不耐磨损，连接困难，不能焊接等。

关于复合型材，目前有对金属型材做改进，制成复合金属材料，如将两种不同材质的铝系合金，择其一作为芯材；然后择其与芯材为不同材质的铝系合金加工成形为中空的外覆体，且结合于该芯材外侧，制成铝合金锭；再对铝合金锭施以加热至可塑性，然后将该铝合金锭挤制成内外层包含二种不同材质的铝系合金的复层式长条挤制型材产品。

同时也有对复合材料所做的改进发明，如可以将木塑复合材料或木塑发泡材料制成内芯和加强层，加强层全包或半包覆于内芯外表面。其中，所述木塑复合材料内芯为中空或实芯芯材；所述加强层为高性能树脂材料或改性复合材料。

但上述改进还是具有金属材料和复合型材各自应用的弊端，为了综合金属型材与复合材料型材的优点，本发明提出了一种新型金属与复合材料共复合的型材。

发明内容

本发明提供了一种金属与复合材料共复合的型材，该型材是一种新型的复合型材，既能保持复合材料质量轻强度大的优点，又可以像金属型材一样抗冲击，耐磨，可焊接。

为了达到以上目的，本发明采用了以下方案：

一种金属与复合材料共复合的型材，包括金属型材外套，弹性体保护层，复合材料型材骨架；所述金属型材外套内嵌有复合材料型材骨架，两者中间设置有所述弹性体保护层。

其中，金属型材外套两端还具有封端部分。

上述金属型材外套的封闭部分是为了实现复合材料型材骨架的定位，也可以采用金属型材外套两端塑性挤压进行缩径的方法完成定位；其中使用封闭部分效果更优，不会随着使用时间的延长发生位置偏移。并且需要两端封闭，否则内部型材会向未封闭的一端滑移。

其中，所述金属与复合材料共复合的型材可以根据使用需要，制造成空心或者实心的均可。

其中，所述金属型材外套选自金属薄壁方管，圆管或矩管。

其中，所述金属型材外套材质可以为钢铁，钢铁合金，铝，铝合金，铜或者铜合金等。优选钢铁，铝合金；更优选钢铁。其中，所述金属型材外套可以根据使用工况中冲击力的不同，制备的厚度也不同，范围比较宽，为0.1-100mm。

其中，所述弹性体保护层可以是热固性弹性体或热塑性弹性体。

其中，所述热固性弹性体选自天然橡胶，异戊橡胶，聚丁二烯橡胶，丁苯橡胶，丁晴橡胶，卤化丁晴橡胶，氯丁橡胶，丁基橡胶，卤化丁基橡胶，氯化丁基橡胶，溴化丁基橡胶，二元乙丙橡胶和三元乙丙橡胶，氯醚橡胶，聚丙烯酸酯橡胶，硅橡胶，氟硅橡胶，氟橡胶和氯磺化聚乙烯中的一种或多种(一种为佳)。优选硅橡胶，氟硅橡胶，氟橡胶。

其中，所述热塑性弹性体选自热塑性聚烯烃弹性体，热塑性苯乙烯类弹性体，聚氨酯类热塑性弹性体，聚酯类热塑性弹性体，聚酰胺热塑性弹性体，含卤素热塑性弹性体，离子型热塑性弹性体，乙烯共聚物热塑性弹性体，1，2聚丁二烯热塑性弹性体，反式聚异戊二烯热塑性弹性体，熔融加工型热塑性弹性体和热塑性硫化胶中的一种或多种(一种为佳)。优选热塑性聚烯烃弹性体，热塑性苯乙烯类弹性体或聚氨酯类热塑性弹性体。更优选聚氨酯类热塑性弹性体。

上述弹性体保护层耐老化，耐高低温并且可以用以封装。

其中，所述弹性体保护层根据使用工况中冲击力的不同，制备的厚度也不同，范围为0.1-10mm，该厚度可以满足冲击要求。

其中，所述弹性体保护层全包覆在复合材料型材骨架上。

其中，所述复合材料型材骨架可以是复合材料方管，圆管，矩管，槽钢或工字钢等。

其中，所述复合材料型材骨架的材质为以纤维为增强体，热塑性树脂或热固性树脂为基体的复合材料。复合材料可以是一种或多种，一种为佳。

其中，所述复合材料型材骨架中纤维体积含量在60-75％之间。

其中，所述复合材料型材骨架中的纤维为碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维，玄武岩纤维或混杂纤维。

其中，所述混杂纤维为碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维或玄武岩纤维的任意组合。

其中，所述复合材料型材骨架中的热塑性树脂为聚乙烯，聚丙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，聚醚醚酮，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，聚甲基丙烯酸甲酯，过氧化二碳酸二环乙酯(DCPD)，聚四氟乙烯，聚氨酯或聚丙乙烯等。

其中，所述复合材料型材骨架中的热固性树脂为环氧树脂，不饱和聚酯，乙烯基树脂或酚醛树脂等。

也就是，所述复合材料型材骨架的材质为碳纤维增强热塑性复合材料，碳纤维增强热固性复合材料，玻璃纤维增强热塑性复合材料，玻璃纤维增强热固性复合材料，芳纶纤维增强热塑性复合材料，芳纶纤维增强热固性复合材料，玄武岩纤维增强热塑性复合材料或玄武岩纤维增强热固性复合材料等。

所述碳纤维增强热塑性复合材料选自碳纤维增强聚乙烯复合材料，碳纤维增强聚丙烯复合材料，碳纤维增强ABS复合材料，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，碳纤维增强聚氯乙烯复合材料，碳纤维增强PET复合材料，碳纤维增强PC复合材料，碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，碳纤维增强DCPD复合材料，碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料，碳纤维增强聚氨酯复合材料或碳纤维增强聚丙乙烯复合材料等。可以是一种或多种，一种为佳。

所述碳纤维增强热固性复合材料选自碳纤维增强环氧树脂复合材料，碳纤维增强不饱和聚酯复合材料，碳纤维增强乙烯基复合材料或者碳纤维增强酚醛树脂复合材料。可以是一种或多种，一种为佳。

所述玻璃纤维增强热塑性复合材料选自玻璃纤维增强聚乙烯复合材料，玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，玻璃纤维增强ABS复合材料，玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料，玻璃纤维增强聚氯乙烯复合材料，玻璃纤维增强PET复合材料，玻璃纤维增强PC复合材料，玻璃纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，玻璃纤维增强DCPD复合材料，玻璃纤维增强聚四氟乙烯复合材料，玻璃纤维增强聚氨酯复合材料或者玻璃纤维增强聚丙乙烯复合材料等。可以是一种或多种，一种为佳。

所述玻璃纤维增强热固性复合材料选自玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料，玻璃纤维增强乙烯基复合材料或者玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料。可以是一种或多种，一种为佳。

所述芳纶纤维增强热塑性复合材料选自芳纶纤维增强聚乙烯复合材料，芳纶纤维增强聚丙烯复合材料，芳纶纤维增强ABS复合材料，芳纶纤维增强聚醚醚酮复合材料，芳纶纤维增强聚氯乙烯复合材料，芳纶纤维增强PET复合材料，芳纶纤维增强PC复合材料，芳纶纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，芳纶纤维增强DCPD复合材料，芳纶纤维增强聚四氟乙烯复合材料，芳纶纤维增强聚氨酯复合材料或者芳纶纤维增强聚丙乙烯复合材料等。可以是一种或多种，一种为佳。

所述芳纶纤维增强热固性复合材料选自玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，芳纶纤维增强强不饱和聚酯复合材料，芳纶纤维增强强乙烯基复合材料或者芳纶纤维增强强酚醛树脂复合材料。可以是一种或多种，一种为佳。

所述玄武岩纤维增强热塑性复合材料选自玄武岩纤维增强聚乙烯复合材料，玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，玄武岩纤维增强ABS复合材料，玄武岩纤维增强聚醚醚酮复合材料，玄武岩纤维增强聚氯乙烯复合材料，玄武岩纤维增强PET复合材料，玄武岩纤维增强PC复合材料，玄武岩纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，玄武岩纤维增强DCPD复合材料，玄武岩纤维增强聚四氟乙烯复合材料，玄武岩纤维增强聚氨酯复合材料或者玄武岩纤维增强聚丙乙烯复合材料等。可以是一种或多种，一种为佳。

所述玄武岩纤维增强热固性复合材料选自玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，玄武岩纤维增强不饱和聚酯复合材料，玄武岩纤维增强乙烯基复合材料或者玄武岩纤维增强酚醛树脂复合材料。可以是一种或多种，一种为佳。

其中，所述复合材料型材骨架的材质优选碳纤维增强热塑性复合材料或碳纤维增强热固性复合材料。

其中，所述复合材料型材骨架的材质更优先碳纤维增强聚丙烯复合材料或碳纤维增强环氧树脂复合材料等。

其中，所述复合材料型材骨架可以是一层结构，厚度为1-200mm。

其中，所述复合材料型材骨架，弹性体保护层和金属型材外套的厚度比值为100∶(1-20)∶(1-50)；优先范围为100∶(1-10)∶(2-20)。

本发明继续提供了一种金属与复合材料共复合的型材的制备方法，包括：将弹性体保护层包覆于复合材料型材骨架，然后一同插入金属型材外套。

上述金属与复合材料共复合的型材的制备方法，还包括将金属型材外套两端的金属型材外套封端部分闭合并焊接，完成复合材料型材骨架的定位。

其中，所述将弹性体保护层包覆于复合材料型材骨架，是通过粘接方式实现的。

其中，所述粘接所用粘合剂为环氧胶或者聚氨酯胶等。

其中，将包覆有弹性体保护层的复合材料型材骨架插入金属型材外套，所述弹性体保护层受到金属型材外套的压缩，利用其恢复力与金属型材外套紧密接触。如果采用密封胶灌装，使得复合材料型材骨架内嵌于金属型材外套中，由于没有恢复力，不能达到预期效果。

上述制备方法中：复合材料型材骨架，弹性体保护层，金属型材外套和金属型材外套封端部分的限定均与本发明内容中所述金属与复合材料共复合的型材中相应限定相同。

本发明内容提供的金属与复合材料共复合的型材可用于交通工具上，尤其适用于在汽车，卡车，动车等。

本发明设计的金属与复合材料共复合型材，外层为金属型材外套，可以承担磨损，同时可以与其他金属型材进行焊接。中间层为弹性体保护层，其耐高温性质可以在外层金属焊接时自身不受损害并且保护内层复合材料型材骨架，同时承担冲击力。最内层为复合材料型材骨架，为主要承力结构，并且是整体保持了复合材料质轻强度大的优点；尤其适用于在汽车，卡车，动车等交通工具上替代金属材料，达到轻量化的目的，重量仅为金属材质的25％-65％。

总之，本发明的复合型材整体上既能保持复合材料质量轻强度大的优点，又可以像金属型材一样抗冲击，耐磨，可焊接；并且制备方法简单易行，在交通工具制造领域具有很广阔的应用前景。

附图说明

图1为整体呈方形的复合型材结构示意图；其中1为金属型材外套，2为弹性体保护层，3为复合材料型材骨架，11为金属型材外套封端部分。

图2为整体呈方形的复合型材结构剖面图；同样地，其中1为金属型材外套，2为弹性体保护层，3为复合材料型材骨架。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1，本发明所涉及的金属与复合材料共复合型材，包括金属型材外套1，弹性体保护层2，复合材料型材骨架3；其中，金属型材外套1两端还可以具有封端部分11。

其中，所述复合材料型材骨架3粘贴所述弹性体保护层2后，一同插入所述金属型材外套1，而后封闭于金属型材外套两端的封端部分11。

本发明的复合型材制备方法如下：

第一步，采用拉挤工艺生产出复合材料型材骨架3，根据设计要求选用合适的纤维以及树脂，以及材料的外形尺寸；

第二步，在复合材料型材骨架3外部粘贴弹性体保护层2，其厚度以能满足冲击要求为准；

第三步，将粘贴弹性体保护层2的复合材料型材骨架3插入金属型材外套1中，弹性体保护层2受到金属型材外套1的压缩，利用其恢复力与金属型材外套1紧密接触；

第四步，将金属型材外套1两端的金属型材外套封端部分11闭合并焊接，完成复合材料型材骨架3的定位。

制得的型材由于外部为金属材质，其耐磨性与金属材质一致，且大大高于复合材料。

实施例1

第一步，使用拉挤工艺生产出复合材料型材骨架3，复合材料型材3所用碳纤维为蓝星CT-580，24K，树脂为无锡树脂厂生产的E51环氧树脂体系，外尺寸为95mm方管，壁厚为10mm；

第二步，在复合材料型材骨架3外部粘贴弹性体保护层2，弹性体保护层2为硅橡胶，其厚度为5mm，粘贴所用粘合剂为环氧胶；

第三步，将粘贴弹性体保护层2的复合材料型材骨架3插入金属型材外套1中，金属套管为不锈钢301材质，外形尺寸为100mm方管，壁厚为2mm；

第四步，将金属型材外套1两端的金属型材外套封端部分11闭合，然后焊接，完成复合材料型材骨架3的定位。

制得型材的重量为14.32Kg/m，是同等体积钢铁重量的36％，而同时强度为1444Mpa，是Q235钢的2.33倍。

实施例2

第一步，使用拉挤工艺生产出复合材料型材骨架3，复合材料型材3所用碳纤维为东丽T-700，12K，树脂为无锡树脂厂生产的E51环氧树脂体系，外尺寸为95mm方管，壁厚为10mm；

第二步，在复合材料型材骨架3外部粘贴弹性体保护层2，弹性体保护层2为硅橡胶，其厚度为5mm，粘贴所用粘合剂为环氧胶；

第三步，将粘贴弹性体保护层2的复合材料型材骨架3插入金属型材外套1中，金属套管为铝合金6061材质，外形尺寸为100mm方管，壁厚为2mm；

第四步，将金属型材外套1两端的金属型材外套封端部分11闭合，然后焊接，完成复合材料型材骨架3的定位。制得型材的重量为10.24Kg/m，是同等体积钢铁重量的22％，而同时强度为1862Mpa，是高强度钢的三倍。

实施例3

产品尺寸和制作步骤同实施例1，金属外套为铝合金，保护层为聚烯烃弹性体，复合材料型材为玻璃纤维增强聚丙烯；制品性能如实验例1表中所示。

实施例4

产品尺寸和制作步骤同实施例1，金属外套为铜镍合金，保护层为聚氨酯弹性体，复合材料型材为芳纶纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；制品性能如实验例1表中所示。

实施例5

产品尺寸和制作步骤同实施例1，金属外套为铝合金，保护层为聚烯烃弹性体，复合材料型材为玄武岩纤维增强聚丙烯；制品性能如实验例1表中所示。

对比实施例1

第一步，使用拉挤工艺生产出复合材料型材骨架3，复合材料型材3所用碳纤维为蓝星CT-580，24K，树脂为无锡树脂厂生产的E51环氧树脂体系，外尺寸为95mm方管，壁厚为10mm；

第二步，在复合材料型材骨架3外部粘贴弹性体保护层2，弹性体保护层2为硅橡胶，其厚度为5mm，粘贴所用粘合剂为环氧胶；

第三步，将粘贴弹性体保护层2的复合材料型材骨架3插入金属型材外套1中，金属套管为不锈钢301材质，外形尺寸为100mm方管，壁厚为2mm；

制得型材的重量为14.32Kg/m，是同等体积钢铁重量的30％，而同时强度为1444Mpa，是Q235钢的2.33倍。

在经过长期的扭转耐疲劳试验后，弹性体保护层2和金属型材外套1发生相对位移，严重影响使用安全性。

实验例1

同时，复合材料型材骨架3使用碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维，玄武岩纤维为增强体原料，和使用Q235钢制得的型材性能对比如下表所示(其他条件同实施例1)：

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种金属与复合材料共复合的型材，其特征在于，包括：金属型材外套(1)，弹性体保护层(2)，复合材料型材骨架(3)；所述金属型材外套(1)内嵌有复合材料型材骨架(3)，两者中间设置有所述弹性体保护层(2)。

2.根据权利要求1所述的金属与复合材料共复合的型材，其特征在于：所述金属型材外套(1)两端还具有封端部分(11)。

3.根据权利要求1或2所述的金属与复合材料共复合的型材，其特征在于：所述金属型材外套(1)的材质为钢铁，钢铁合金，铝，铝合金，铜或者铜合金。

4.根据权利要求1或2所述的金属与复合材料共复合的型材，其特征在于：所述弹性体保护层(2)为热固性弹性体或热塑性弹性体。

5.根据权利要求4所述的金属与复合材料共复合的型材，其特征在于：所述热固性弹性体选自天然橡胶，异戊橡胶，聚丁二烯橡胶，丁苯橡胶，丁晴橡胶，卤化丁晴橡胶，氯丁橡胶，丁基橡胶，卤化丁基橡胶，氯化丁基橡胶，溴化丁基橡胶，二元乙丙橡胶和三元乙丙橡胶，氯醚橡胶，聚丙烯酸酯橡胶，硅橡胶，氟硅橡胶，氟橡胶和氯磺化聚乙烯中的一种或多种；所述热塑性弹性体选自热塑性聚烯烃弹性体，热塑性苯乙烯类弹性体，聚氨酯类热塑性弹性体，聚酯类热塑性弹性体，聚酰胺热塑性弹性体，含卤素热塑性弹性体，离子型热塑性弹性体，乙烯共聚物热塑性弹性体，1，2聚丁二烯热塑性弹性体，反式聚异戊二烯热塑性弹性体，熔融加工型热塑性弹性体和热塑性硫化胶中的一种或多种。

6.根据权利要求1或2所述的金属与复合材料共复合的型材，其特征在于：所述复合材料型材骨架(3)材质为以纤维为增强体，热塑性树脂或热固性树脂为基体的复合材料。

7.根据权利要求6所述的金属与复合材料共复合的型材，其特征在于：所述纤维为碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维，玄武岩纤维或混杂纤维。

8.根据权利要求6所述的金属与复合材料共复合的型材，其特征在于：所述热塑性树脂为聚乙烯，聚丙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚醚醚酮，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯，过氧化二碳酸二环乙酯，聚四氟乙烯，聚氨酯或聚丙乙烯；所述热固性树脂为环氧树脂，不饱和聚酯，乙烯基树脂，酚醛树脂。

9.权利要求1-8任意一项所述的金属与复合材料共复合的型材的制备方法，其特征在于，包括：将弹性体保护层包覆于复合材料型材骨架，然后一同插入金属型材外套。

10.根据权利要求9所述的金属与复合材料共复合的型材的制备方法，其特征在于，还包括将金属型材外套两端的金属型材外套封端部分闭合并焊接。

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