CN103029376A - 一种金属-纤维复合层板及其制造方法 - Google Patents

一种金属-纤维复合层板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属-纤维复合层板及其制造方法。它首先对合金层表面通过喷沙或蚀刻法进行处理，使得其表面具有一定的粗糙度；再以一层合金层一层抗高温复合材料层再一层合金层，合金层和抗高温复合材料层如此循环叠合若干次直至最后一层为合金层，在合金层和抗高温复合材料层之间具有热塑性（或热固性）树脂作为粘合剂，再将此叠合好的材料放入热压机的上下模板之间进行压合，压合的温度为100~220°C，加温和降温的速度为每分钟2-6度，压力的范围：0.2~0.8MPa，时间的范围：0.5~3小时，然后冷却至室温，由此得到本发明的金属-纤维复合层板。本发明的金属-纤维复合层板，在相同抗撞抗爆能力的情况下，其重量变轻了，有利于其应用。

Description

一种金属-纤维复合层板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种复合层板及其制造方法，具体涉及一种金属-纤维复合层板及其制造方法。 
背景技术：
复合层板指的是由若干层不同性质的材料复合而成的复合体，其一般包括金属复合层板、木材复合层板，彩钢复合层板、岩棉复合层板等等。金属复合层板是至少由两种性能不同的金属板通过特殊的粘接加工制造方法复合而成，与单一的金属组元相比，经过合理设计组合后的层状复合板结合了两种金属组元各自的优点，可以获得单一金属所不具有的物理和化学性能。近几十年来，金属复合层板的研制、生产和应用越来越引起人们的关注，成了世界各国竞相研制的新型材料。到目前为止，这种复合材料已经应用在航空航天、石油、化工、冶金、机械、汽车、轮船、建筑、核能以及电力和电子等领域中。但是金属复合层板，成本比较高，并且在有些性能上不能满足要求，急需一种新的复合层板的出现，现有国内的纤维-金属复合层板仍处于研制阶段，其在制作工艺、金属表面处理，以及使用的树脂都存在一些问题，使其抗冲击抗爆性能达不到要求。 
发明内容：
本发明的目的是提供一种耐高温，抗撞抗爆性能与重量比好的金属-纤维复合层板及其制造方法。 
本发明的金属-纤维复合层板是通过以下方法制造的，该方法包括以下步骤：首先对合金层表面通过喷沙或蚀刻法进行处理，使得其表面具有一定的粗糙度；再以一层合金层一层抗 高温复合材料层再一层合金层，合金层和抗高温复合材料层如此循环叠合若干次直至最后一层为合金层，在合金层和抗高温复合材料层之间具有热塑性树脂作为粘合剂，再将此叠合好的材料放入热压机的上下模板之间进行压合，压合的温度为100~220°C，加温和降温的速度为每分钟2-6度，压力的范围：0.2~0.8MPa，时间的范围：0.5~3小时，然后冷却至室温，由此得到本发明的金属-纤维复合层板。 
所述的合金层可为不同的合金，如铝合金层：2024-O，2024-T3,6061-T6和7075-T6层等，以及相应的金属泡沫铝，或各种合金钢层，如AISI1345，AISI4028,AISI4140，AISI4422等，或钛合金，如α合金，β合金，α-β合金。 
所述的抗高温复合材料层可以选用玻璃纤维或碳纤维/PEI或/PEEK或/PAEK等（工作温度高于300摄氏度）,或者在预侵树脂玻璃纤维之间加入钢纤维，压缩木材，也可是其它热塑性树脂纤维复合材料，如玻璃纤维或碳纤维/PE、/PP、/PET和PPS（但承受的温度一般低于200摄氏度）。此外，aramid和自然纤维（黄麻、亚麻、玄武岩等）也可用来与上面的热塑性树脂组合。人工合成玻璃纤维还可在传统板面纤维分布上加上沿板厚度方向的纤维，使复合材料层具有更好的性能。 
本发明的金属-纤维复合材料结构还可以加上特殊的功能层，如防辐射层，隔音层，高能量吸收层，零穿透性层等，使其根据用途的要求有不同的功能。这些功能层可附加在金属-纤维复合材料结构表面，也可置于金属和纤维复合层之间，视其工作条件而定。 
所述的热塑性树脂优选为PP。 
本发明通过对合金层表面做的适当处理，使之能与抗高温复合材料层在热塑性树脂的作用下压合复合成一体。由于本发明采用合金层和抗高温复合材料层作为复合层板的层，再经 本发明的制造方法制造，经过计算机软件模拟，其抗撞抗爆能力与其重量比得到了优化，因此本发明的金属-纤维复合层板，在相同抗撞抗爆能力的情况下，其重量变轻了，有利于其应用。 
附图说明：
图1是实施例1的金属-纤维复合层板的结构示意图； 
其中1-1、1-2、1-3、铝合金2024-O层；2-1、2-2、玻璃纤维编织prepreg EP-127-44-40层；3-1、3-2、3-3、3-4、树脂层； 
图2是实施例1的金属-纤维复合层板的计算机爆炸模拟以测试其对抗爆抗撞性能。 
图3是实施例1的金属-纤维复合层板的冲击载荷-位移曲线（4-ply）； 
图4是实施例2的金属-纤维复合层板的冲击载荷-位移曲线（8-ply）； 
图5是实施例1的金属-纤维复合层板的抗冲击能量吸收（4-ply）； 
图6是实施例2的金属-纤维复合层板的抗冲击能量吸收（8-ply）； 
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。 
实施例1： 
本实施例采用的合金层为铝合金2024-O层，其厚度为0.6mm，通过蚀刻法对其表面进行处理，使得其表面清洁，并在其表面初步形成有一定规则的微观凹凸结构，具有一定的粗糙度；本实施例采用的抗高温复合材料层为由四层玻璃纤维prepreg EP-127-44-40编织的抗高温复合材料层，其厚度为0.4mm；热塑性树脂为PP。 
如图1所示，本金属-纤维复合层板的制作过程是： 
·用蚀刻法对铝合金2024-O层进行表面处理，使得其表面清洁，并在其表面初步形成有一定规则的微观凹凸结构，具有一定的粗糙度； 
·将铝合金2024-O层和抗高温复合材料层按下面的叠合形式放置于热压机的模板之间：铝合金2024-O层→抗高温复合材料层→铝合金2024-O层→抗高温复合材料层→铝合金2024-O层，共5层，在铝合金2024-O层和抗高温复合材料层之间具有热塑性树脂PP作为粘合剂。 
·加0.3MPa的压力，以每分钟5度的升温速度将温度加到100摄氏度，保持0.5个小时，然后以每分钟5度的降温速度冷却至室温，以制成本实施例的金属-纤维复合层板。 
经测试，本实施例的金属-纤维复合层板具有耐高温，可耐受200度的高温，抗撞抗爆性能与重量比为5千焦耳/公斤。 
实施例2： 
本实施例采用的合金层为铝合金2024-O层，其厚度为0.6mm，通过蚀刻法对其表面进行处理，使得其表面清洁，并在其表面初步形成有一定规则的微观凹凸结构，具有一定的粗糙度；本实施例采用的抗高温复合材料层为由八层玻璃纤维prepreg EP-127-44-40编织的抗高温复合材料层，其厚度为0.8mm；热塑性树脂为PP。 
如图1所示，本金属-纤维复合层板的制作过程是： 
·用蚀刻法对铝合金2024-O层进行表面处理，使得其表面清洁，并在其表面初步形成有一定规则的微观凹凸结构，具有一定的粗糙度； 
·将铝合金2024-O层和抗高温复合材料层按下面的叠合形式放置于热压机的模板之间：铝合金2024-O层→抗高温复合材料层→铝合金2024-O层→抗高温复合材料层→铝合金2024-O层，共5层，在铝合金2024-O层和抗高温复合材料层之间具有热塑性树脂PP作为粘合剂。 
加0.2MPa的压力，以每分钟2度的升温速度将温度加到200摄氏度，保持2个小时，然后以每分钟2度的降温速度冷却至室温，以制成本实施例的金属-纤维复合层板。 
图2显示实施例2的金属-纤维复合材料板在受到低速撞击或爆炸下的变形和破坏模式。从此图可以看出，冲击和爆炸能量的吸收主要靠单个复合材料层的撕裂和层与层的分层来实现的。图3和图4展示的是分别按实施例1和实施例2制成的金属-纤维复合材料板受冲击后的载荷-位移曲线。图下面的面积为能量吸收。很显然，层数越多，承受的冲击载荷越高。当然，更多的玻璃纤维层也使冲击载荷增加，但是，最大位移相差不大。图5和图6是分别按实施例1和实施例2制成的金属-纤维复合材料板的穿透能量。对由4层和8层玻璃纤维复合层与多层金属层组成的复合板，其穿透能量的变化分别在60-80和100-150焦耳之间。很显然，如采用不同的金属和纤维增强复合材料或层厚会有不同的能量吸收。 
经测试，本实施例的金属-纤维复合层板具有耐高温，可耐受200度的高温，抗撞抗爆性能与重量比为7千焦耳/公斤。 
实施例3： 
本实施例采用的合金层为铝合金6061-T6层，其厚度为0.6mm，通过蚀刻法对其表面进行处理，使得其表面清洁，并在其表面初步形成有一定规则的微观凹凸结构，具有一定的粗 糙度；本实施例采用的抗高温复合材料层为由八层玻璃纤维PEI编织的抗高温复合材料层，其厚度为0.8mm；热塑性树脂为PP。 
如图1所示，本金属-纤维复合层板的制作过程是： 
·用蚀刻法对铝合金6061-T6层进行表面处理，使得其表面清洁，并在其表面初步形成有一定规则的微观凹凸结构，具有一定的粗糙度； 
·将铝合金6061-T6层和抗高温复合材料层按下面的叠合形式放置于热压机的模板之间：铝合金6061-T6层→抗高温复合材料层→铝合金6061-T6层→抗高温复合材料层→铝合金6061-T6层，共5层，在铝合金6061-T6层和抗高温复合材料层之间具有热塑性树脂PP作为粘合剂。 
加0.8MPa的压力，以每分钟5度的升温速度将温度加到220摄氏度，保持3个小时，然后以每分钟5度的降温速度冷却至室温，以制成本实施例的金属-纤维复合层板。 
经测试，本实施例的金属-纤维复合层板具有耐高温，可耐受300度的高温，抗撞抗爆性能与重量比为1万焦耳/公斤。 
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。 

Claims (6)

1.一种金属-纤维复合层板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先对合金层表面通过喷沙或蚀刻法进行处理，使得其表面具有一定的粗糙度；再以一层合金层一层抗高温复合材料层再一层合金层，合金层和抗高温复合材料层如此循环叠合若干次直至最后一层为合金层，在合金层和抗高温复合材料层之间具有热塑性树脂作为粘合剂，再将此叠合好的材料放入热压机的上下模板之间进行压合，压合的温度为100~220°C，加温和降温的速度为每分钟2-6度，压力的范围：0.2~0.8MPa，时间的范围：0.5~3小时，然后冷却至室温，由此得到金属-纤维复合层板。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的合金层为2024-O、2024-T3、6061-T6或7075-T6铝合金层以及相应的金属泡沫铝，或AISI1345、AISI4028、AISI4140或AISI4422合金钢层，或α合金，β合金，α-β钛合金层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的抗高温复合材料层选用玻璃纤维或碳纤维/PEI或/PEEK或/PAEK，或者在预侵树脂玻璃纤维之间加入钢纤维、压缩木材，或碳纤维/PE、/PP、/PET或PPS。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在金属-纤维复合层板表面或于合金层与抗高温复合材料层之间还加上防辐射层、隔音层、高能量吸收层和/或零穿透性层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的热塑性树脂为PP。
6.一种按照权利要求1、2、3、4或5所述的制备方法制备得到的金属-纤维复合层板。
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