CN103009717A - 一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板 - Google Patents

一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板 Download PDF

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潘蕾
陶杰
汪涛
蒋建辉
徐凤娟
杨栋栋
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Abstract

一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，金属板至少两层，相邻金属板之间铺设至少一层碳纤维复合材料层，金属板为TC4钛合金板，厚度为0.2-0.4mm，碳纤维复合材料层为碳纤维/聚酰亚胺复合材料，厚度为0.1-0.2mm。金属板为2~3层，碳纤维复合材料层为1~4层，碳纤维复合材料层的碳纤维排布方向与金属板的长度方向之间的夹角为0o~45o。本发明轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，比强度与铝、钛相比可减轻重量25%～35%，疲劳寿命及高温强度远高于单钛合金板，且成本远低于纤维增强的复合材料，并具有耐腐蚀、阻燃、耐冲击等优点，是理想的高音速飞行器结构材料。

Description

一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板
技术领域
本发明涉及一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，属于航天材料领域。
背景技术
在近空间众多的飞行器中，高超声速飞行器具有高超声速、高机动的远程精确打击能力，因此已成为世界军事热点，将引发未来战争概念和模式的革命，也将对人类生活产生极为深远的影响。众所周知,当巡航导弹飞行速度为680 m/ s～1 020 m/ s时,弹体和弹翼蒙皮的表面温度高达200 ℃～300 ℃,常规的高强铝合金(如2219、7050 等) 和环氧树脂基复合材料就不能满足上述要求。材料技术是近空间高超声速飞行器研发的关键。“热”是关系高超声速飞行器成败的关键，“轻”是航空航天器追求的永恒主题。近空间中的大气密度虽然比地面小，但由于速度高带来的气动热和氧化问题十分突出，近空间高超声速飞行器需要在有氧和高温环境下飞行数千秒，长时间的气动加热使得头部和翼缘等迎风面部位的表面温度超过1500℃，背风面温度则在300℃以上。目前高超声速飞行器大多采用外层热结构和内层冷结构的形式，这就要求外层的放热层具有一定的厚度，而内层材料必须具有轻质、高的高温强度的性能特点。目前内层主结构如蒙皮、框架、桁条等基本采用铝合金结构，但传统的铝合金材料在温度大于120℃后其材料属性有明显降低。为适应未来航天运载器的发展需要，研发高温环境下更高比强度和比模量、低密度新型蒙皮和内层结构材料是必然的选择。由聚酰亚胺为基体制得的连续纤维复合材料，广泛用于航天、航空器及火箭的结构部件及发动机零件，在380℃或更高的温度下可以使用数百小时，短时间可以经受400-500℃的高温。与钛合金相比,整流罩和尾翼的质量可分别减轻约67 %和53 %。美国战斧巡航导弹的进气道和整流罩就是采用石墨纤维增强聚酰亚胺复合材料。但由于聚酰亚胺的脆性较大，从而影响其广泛应用。到目前为止，国内没有适用于超声速飞行器内层结构减重和高温性能的应用需求的结构材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，适用于超声速飞行器内层结构减重和高温性能的应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，所述金属板至少两层，相邻金属板之间铺设至少一层碳纤维复合材料层，金属板为TC4钛合金板，厚度为0.2-0.4mm，碳纤维复合材料层为碳纤维/聚酰亚胺复合材料，厚度为0.1-0.2mm。
所述金属板为2~3层，碳纤维复合材料层为1~4层，碳纤维复合材料层的碳纤维排布方向与金属板的长度方向之间的夹角为0o~45o。
所述不同层的碳纤维复合材料层的碳纤维的排布方向相同或者相反。
有益效果：1、本发明提供的轻质耐高温碳纤维金属混杂层板综合了钛合金和碳纤维/聚酰亚胺复合材料的优点，其比强度与铝、钛相比可减轻重量25%～35%、疲劳寿命及高温强度远高于单钛合金板，且成本远低于纤维增强的复合材料，并具有耐腐蚀、阻燃、耐冲击等优点，还能象常规金属一样进行加工和修补，是理想的高音速飞行器结构材料。
2、本发明所用TC4钛合金具有良好的高温强度，可用于500℃的高温；与铝合金相比，具有高的比强度可降低外层防热层的厚度，降低结构重量。
3、本发明提供的纤维金属混杂层板除了具有轻质、耐高温的性能特点外，还具有优异的抗疲劳性能。由于当裂纹沿钛合金层扩展时，受复合材料层中碳纤维搭桥的影响，使得混杂层板的钛合金层内裂纹尖端的实际应力场强度因子低于承受相同外载荷作用的单一钛合金板，因此层板的疲劳裂纹扩展速率低于单一钛合金板。
4、本发明所用的碳纤维/聚酰亚胺复合材料,热固性聚酞亚胺为PMR型，如PMR-15 和KH-304 系列，其热膨胀系数在2×10-5－3×10-5℃，其开始分解温度一般都在500℃左右，相对密度1.39～1.45，长期工作温度可达316℃。因而碳纤维增强聚酰亚胺复合材料具有优异的耐热氧化稳定性能、高温下突出的力学性能、耐辐射性能以及很好的化学物理稳定性。
5、本发明所提供的纤维金属混杂层板可用于高超声速飞行器的内层结构材料，如蒙皮、框架、桁条等。也可用来作为面板材料制备三明治结构，用于轻型防弹装甲和船舰等。
附图说明
图1：实施例1轻质耐高温碳纤维金属混杂层板结构示意图；
图2：实施例2轻质耐高温碳纤维金属混杂层板结构示意图；
图3：实施例3轻质耐高温碳纤维金属混杂层板结构示意图；
图4：实施例4轻质耐高温碳纤维金属混杂层板结构示意图；
图5：实施例5轻质耐高温碳纤维金属混杂层板结构示意图；
图6：实施例6轻质耐高温碳纤维金属混杂层板结构示意图；
图7：实施例7轻质耐高温碳纤维金属混杂层板结构示意图；其中：1-金属板，2-碳纤维复合材料层。
具体实施方式
实施例1：
一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，如图1所示，金属板1为两层，碳纤维复合材料层2 为一层，一层碳纤维复合材料层2的碳纤维的排布方向与金属板1的长度之间的夹角为0o。碳纤维复合材料层为碳纤维增强聚酞亚胺(PMR-15)。由于沿碳纤维方向的复合材料层的抗拉强度较高，因此，此实施方案提供的层板具有较高比强度，同时又具有较高的沿碳纤维复合材料层2中碳纤维方向的断裂强度以及高疲劳强度，适用于单向承载的场合。
实施例2：
一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，如图2所示，金属板1为两层，碳纤维复合材料层2 为两层，两层碳纤维复合材料层2的碳纤维的排布方向相反，其中一层碳纤维复合材料层2的碳纤维排布方向与金属板1的长度方向之间的夹角为0o。碳纤维复合材料层为碳纤维增强聚酞亚胺(KH —304)。由于具有这种垂直交叉排布的复合材料层具有优异的抗冲击和疲劳性能，以及各向同性的特征。因此，此实施方案提供的层板具有较高比强度、高冲击韧性以及高疲劳强度，适用于各个方向受力均匀的场合。
实施例3：
一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，如图3所示，金属板1为两层，碳纤维复合材料层2 为两层，两层碳纤维复合材料层2的碳纤维的排布方向相反，其中一层碳纤维复合材料层2的碳纤维排布方向与金属板1的长度方向之间的夹角为45o。由于具有这种45o垂直交叉排布的复合材料层具有优异的剪切及偏轴性能，以及各向同性的特征。因此，此实施方案提供的层板具有较高比强度、高剪切强度、高的偏轴性能，适用于各个方向受力均匀的场合。
实施例4：
一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，如图4所示，金属板1为三层，碳纤维复合材料层2 为两层，两层碳纤维复合材料层2的碳纤维的排布方向相同，每层碳纤维复合材料层2的碳纤维排布方向与金属板1的长度方向之间的夹角为0o。和实施例1比较，此实施方案多铺设了一层钛合金，因而提供的层板具有较高的抗冲击性能、较高比强度，同时又具有较高的沿碳纤维复合材料层2中碳纤维方向的断裂强度以及高疲劳强度，适用于单向承载的场合。
实施例5：
一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，如图5所示，金属板1为三层，碳纤维复合材料层2 为两层，两层碳纤维复合材料层2的碳纤维的排布方向相反，其中一层碳纤维复合材料层2的碳纤维排布方向与金属板1的长度方向之间的夹角为0o。和实施例2比较，此实施方案多铺设了一层钛合金，因而提供的层板具有优异的抗冲击韧性、较高比强度以及高疲劳强度，适用于各个方向受力均匀的场合。
实施例6：
一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，如图6所示，金属板1为三层，碳纤维复合材料层2 为四层，两层相邻碳纤维复合材料层2的碳纤维的排布方向相反，其中一层碳纤维复合材料层2的碳纤维排布方向与金属板1的长度方向之间的夹角为0o。和实施例2比较，此实施方案多铺设了一层钛合金及一层垂直交叉排布的复合材料层，因而提供的层板具有优异的抗冲击韧性、较高比强度以、高的剪切强度以及良好的偏轴性能，适用于各个方向均匀受力的场合。
实施例7：
一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板和碳纤维复合材料层组成，如图7所示，金属板1为三层，碳纤维复合材料层2 为四层，两层相邻碳纤维复合材料层2的碳纤维的排布方向相反，其中一层碳纤维复合材料层2的碳纤维排布方向与金属板1的长度方向之间的夹角为45o。和实施例3比较，此实施方案多铺设了一层钛合金及一层45o垂直交叉排布的复合材料层因此，此实施方案提供的层板具有更高的剪切强度，更好的偏轴性能、较高比强度以及较高的抗冲击韧性，适用于各个方向受力均匀的场合。

Claims (3)

1.一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，由金属板(1)和碳纤维复合材料层(2)组成，其特征在于：所述金属板(1)至少两层，相邻金属板(1)之间铺设至少一层碳纤维复合材料层(2)，金属板(1)为TC4钛合金板，厚度为0.2-0.4mm，碳纤维复合材料层(2)为碳纤维/聚酰亚胺复合材料，厚度为0.1-0.2mm。
2.根据权利要求1所述的轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，其特征在于：所述金属板(1)为2~3层，碳纤维复合材料层(2)为1~4层，碳纤维复合材料层(2)的碳纤维排布方向与金属板(1)的长度方向之间的夹角为0o~45o。
3.根据权利要求2所述的轻质耐高温碳纤维金属混杂层板，其特征在于：所述不同层的碳纤维复合材料层(2)的碳纤维的排布方向相同或者相反。
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