CN103692723A

CN103692723A - 一种超薄金属片材夹层结构体及其制备方法

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Publication number: CN103692723A
Application number: CN201310715089.5A
Authority: CN
Inventors: 陈大华; 黄险波; 吴晓军; 高雄; 宋威
Original assignee: GUANGZHOU KINGFA CARBON FIBER NEW MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd; Kingfa Science and Technology Co Ltd
Current assignee: GUANGZHOU KINGFA CARBON FIBER NEW MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd; Kingfa Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-02

Abstract

一种超薄金属片材夹层结构体，所述超薄金属片材夹层结构体是由芯材（Ⅰ）和配置在该芯材（Ⅰ）上下表面的超薄金属片材（Ⅱ）构成的超薄金属片材夹层结构体（Ⅲ），所述芯材（Ⅰ）具有空隙；所述芯材（Ⅰ）的比重为0.01~1.0，厚度为0.2~5.0mm；所述空隙通过发泡体的气泡形成，或芯材（Ⅰ）由不连续强化纤维及热塑性树脂构成，所述空隙由在该强化纤维长丝之间相互交叉处形成的空隙形成。本发明制得的超薄金属片材夹层结构体厚度薄，质量轻，刚性高，表面耐划性好，耐穿刺，易加工，中间芯材弯折不破裂，耐候性好，防火等级高，主要应用方向是3C行业、家电行业以及相关的机箱等表面结构板材。

Description

一种超薄金属片材夹层结构体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种超薄金属片材夹层结构体及其制备方法。

背景技术

近年来，重量轻、壁薄且刚性高的构件被广泛应用于计算机、通讯行业、家电行业以及汽车部件、建筑物部件、面板部件中。作为可确保力学特性且提高轻质性的构件，已知有在轻质的芯材的表皮上配置被连续的强化纤维组强化的纤维强化树脂（FRP）形成的夹层结构体，为了谋求结构体的轻质化，选择了更加轻质的芯材，轻木芯、蜂窝芯或聚氨酯泡沫芯等作为芯材被频繁地使用。但是，现有已知的轻木芯、蜂窝芯或聚氨酯泡沫芯等，难于制备成厚度较薄的芯材，即使能够得到薄芯材，也存在预成型化时被破坏、或不能耐受成型时的变形等问题，在薄壁化方面存在一定的限制。

同时为了实现重量轻、壁薄且刚性高而形成的成型体，目前存在通过层压碳纤维预浸料并将层压的碳纤维预浸料固化而制造的碳纤维增强成型体。然而，由于碳纤维预浸料含有半固化的热固性树脂，因此当在常温下储存时，热固性树脂在比较短的时间内变得完全固化。为此，碳纤维预浸料难以操作，这提出了使用碳纤维预浸料制造碳纤维增强成型体的成本增大的问题。就超薄金属片材夹层结构体与碳纤维三明治结构体比较的话，超薄金属片材夹层结构体表面的合金材料刚性大，硬度高，超耐划，耐穿刺，耐损伤，成本还相对较低等优势。

专利文献 1 公开了一种纤维增强体，所述纤维增强体通过如下制造：堆叠多个纤维增强层的片，每个片具有以相同的纤维方向对准的碳纤维，从而使得各个纤维方向以特定的方式排列。然而，由于具有对准的纤维方向的纤维增强层非常贵，所以存在随着纤维增强层的数目增大，纤维增强成型体的成本增大的问题。

专利文献 2 描述了一种夹层结构，所述夹层结构具有包含空隙的芯材、以及设置在该芯材的两个表面上且含有连续碳纤维和基体树脂的纤维增强材料。然而，从夹层结构所需要的厚度减少和高刚性的观点来看，这是不充分的。

专利文献1 ：日本特开2004-209717 号公报；

专利文献2 ：WO 2006/028107 号公报。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种厚度薄，质量轻，刚性高，表面耐划性好，耐穿刺，易加工的超薄金属片材夹层结构体。

一种超薄金属片材夹层结构体，所述超薄金属片材夹层结构体是由芯材（Ⅰ）和配置在该芯材（Ⅰ）上下表面的超薄金属片材（Ⅱ）构成的超薄金属片材夹层结构体（Ⅲ），所述芯材（Ⅰ）具有空隙；所述芯材（Ⅰ）的比重为0.01~1.0，厚度为0.2~5.0mm。

所述芯材（Ⅰ）为发泡体，所述发泡体具有独立的闭孔气泡，所述发泡体的弹性模量根据ASTM D 638 测试为10~1000MPa；

所述发泡体选自PET结构泡沫、PMI结构泡沫、CPMI结构泡沫、PVC结构泡沫，PP结构泡沫、SAN泡沫、PES泡沫、酚醛泡沫的一种或几种。

一种超薄金属片材夹层结构体，所述超薄金属片材夹层结构体是由芯材（Ⅰ）和配置在该芯材（Ⅰ）上下表面的超薄金属片材（Ⅱ）构成的超薄金属片材夹层结构体（Ⅲ），所述芯材（Ⅰ）由不连续强化纤维和热塑性树脂构成，所述强化纤维的长丝之间相互交叉形成空隙结构，在该交叉部分配置所述热塑性树脂；所述芯材（Ⅰ）的比重为0.01~1.0，厚度为0.2~5.0mm。

所述芯材（Ⅰ）采用常规的制备方法即可制得，参考如下文献资料所涉及的制备方法：

1、余剑英，周祖福。连续纤维增强热塑性复合材料的制备成型技术及其应用前景[J].武汉工业大学学报，1998,20（4）：23—31；

2、孙宏杰，张晓明，宋中健。纤维增强热塑性复合材料的预浸技术发展报告[J].玻璃钢/复合材料，1999,4:40—44；

采用薄膜叠层的方法将不连续强化纤维与热塑性树脂薄膜复合，两层热塑性树脂薄膜夹一层强化纤维材料通过钢带滚轴加压加热后成型为热塑性不连续强化纤维的芯材。

所述热塑性树脂的熔点或负荷变形温度或玻璃化转变温度在80℃以上。

所述超薄金属片材（Ⅱ）由模量为70~350GPa的金属材料制成，所述超薄金属片材（Ⅱ）的厚度为0.1~1.0mm。所述模量的测试方法为GB/T 22315-2008 金属材料弹性模量和泊松比试验方法。

所述测试方法：参照GB/T 22315-2008 的测试方法：确定弯曲测试压头直径60mm，样品板材尺寸：1000mm*700mm*3mm，四边约束固定，在300N的定载荷情况下检测板材的屈服变形量来判定整个夹层结构的刚性相对大小。

所述金属材料选自合金铝、合金钢、合金镁、合金钛的一种或几种。

在所述芯材（Ⅰ）和所述超薄金属片材（Ⅱ）的层间配置热塑性树脂胶层和/或热固性树脂胶层；所述热塑性树脂胶层和/或热固性树脂胶层的厚度为0.005~1.0mm。

构成所述热塑性树脂胶层的热塑性树脂选自聚烯烃类热塑性树脂、聚苯乙烯烃类热塑性树脂、聚酯类热塑性树脂、聚酰胺类热塑性树脂、丙烯酸类热塑性树脂的一种或几种；所述构成热塑性树脂胶层的热塑性树脂的熔点或负荷变形或玻璃化转变温度在80℃以下。

一种超薄金属片材夹层结构体的制备方法，包括如下步骤：

a）涂覆铺叠步骤：包括在芯材（Ⅰ）上下表面涂覆热塑性树脂胶层和/或热固性树脂胶层；

b）层叠步骤：包括将超薄金属片材（Ⅱ）层叠在所述涂覆有热塑性树脂胶层和/或热固性树脂胶层的芯材（Ⅰ）的上下两个表面以提供层叠体；

c）加热加压步骤：包括在刚质平板模具中配置通过步骤b）得到的层叠体，加热100~300℃，加压维持0.5~40min后迅速降温至80℃以下进行成型，制得超薄金属片材夹层结构体（Ⅲ）。

所述的超薄金属片材夹层结构体的制备方法得到的超薄金属片材夹层结构体在3C行业、家电行业以及机箱表面结构板材的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下的技术效果：

本发明制得的超薄金属片材夹层结构体厚度薄，质量轻，刚性高，表面耐划性好，耐穿刺，易加工，中间芯材弯折不破裂，耐候性好，防火等级高达到UL94 V-0以上，主要应用方向是3C行业、家电行业以及相关的机箱等表面结构板材。

附图说明

图1为本发明超薄金属片材夹层结构体的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明，以下实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受下述实施例的限制。

现对实施例及对比例所用的原材料做如下说明，但不限于这些材料：

超薄金属片材：

1、西南铝业：7075系铝合金，厚度为0.5mm；

2、西南铝业：6061系铝合金片，0.4mm。

3、山西钛钢不锈钢精密钢带有限公司：304不锈钢带，0.2mm。

4、宝鸡特钢钛业有限责任公司：TC4钛合金薄片，0.3mm。

作为芯材的发泡体：

以Gurit公司的 FR100系PET结构泡沫为芯材；同样地，Rohacell公司71WF型PMI结构泡沫、国产的CPMI结构泡沫、赢创超临界发泡的PP结构泡沫均可以作为芯材的发泡体使用。

实施例1

将Gurit公司的 FR100系PET结构泡沫（比重为100kg/m³）切割成4mm厚度和320mm*250mm的表面尺寸（重量为32g）以作为具有独立的闭孔气泡的发泡体，发泡体的弹性模量根据ASTM D 638 测试为70MPa；然后在发泡体的上下表面分别直接涂覆热塑性树脂胶层；

将以西南铝业7075系铝合金切割成0.5mm厚度和320mm*250mm的表面尺寸（重量为2片）以作为超薄金属片材材料，超薄金属片材材料的模量为72GPa；将超薄金属片材材料层叠在所述涂覆有热塑性树脂胶层的发泡体的上下两个表面以提供层叠体；

准备水平度平整，光洁度为5~13级的钢质平板模具，且钢质平板模具有凹凸面，可控制厚度1~10mm，在刚质平板模具中放置上述层叠体，将钢质平板模具加热至160℃，加压维持0.5min，迅速降温冷却钢质平板模具至80℃以下，打开模具，取出制得的超薄金属片材夹层结构体。

测定实施例1中的超薄金属片材夹层结构体的比重，其整体厚度，且在成型加热、加压的影响下发泡体的厚度、热塑性树脂胶层厚度和弯曲模量，及超薄金属片材夹层结构体各项性能指标，具体试验数据见表1。

实施例2

将Rohacell公司71WF型PMI结构泡沫（比重为70kg/m³）切割成4mm厚度和320mm*250mm的表面尺寸（重量为23g）以作为具有独立的闭孔气泡的发泡体，发泡体的弹性模量根据ASTM D 638 测试为92MPa；然后在发泡体的上下表面分别直接涂覆热固性树脂胶层；

将以西南铝业6061系铝合金片切割成0.4厚度和320mm*250mm的表面尺寸（重量为89g，2片）以作为超薄金属片材材料，超薄金属片材材料的模量为75GPa；将超薄金属片材材料层叠在所述涂覆有热固性树脂胶层的发泡体的上下两个表面以提供层叠体；

准备水平度平整，光洁度为5~13级的钢质平板模具，且钢质平板模具有凹凸面，可控制厚度1~10mm，在刚质平板模具中放置上述层叠体，将钢质平板模具加热至140℃，加压维持10min，迅速降温冷却钢质平板模具至80℃以下，打开模具，取出制得的超薄金属片材夹层结构体。

测定实施例2中的超薄金属片材夹层结构体的比重，其整体厚度以及芯材厚度，且在成型加热、加压的影响下发泡体的厚度、热固性树脂胶层厚度和弯曲模量，及超薄金属片材夹层结构体各项性能指标，具体试验数据见表1。

实施例3

采用薄膜叠层的方法将不连续强化纤维与热塑性树脂薄膜复合，两层热塑性树脂薄膜夹一层强化纤维材料通过钢带滚轴加压加热后成型为热塑性不连续强化纤维的芯材；所述芯材的比重为1.0，厚度为5.0mm；所述热塑性树脂的熔点或负荷变形温度或玻璃转变温度在80℃以上；然后在所述芯材的上下表面分别直接涂覆热塑性树脂胶层；

将以山西钛钢不锈钢精密有限公司 304不锈钢带切割成0.2mm厚度和320mm*250mm的表面尺寸（重量为124g，2片）以作为超薄金属片材材料，超薄金属片材材料的模量为205GPa；将超薄金属片材材料层叠在所述涂覆有热塑性树脂胶层的所述芯材的上下两个表面以提供层叠体；

准备水平度平整，光洁度为5~13级的钢质平板模具，且钢质平板模具有凹凸面，可控制厚度1~10mm，在刚质平板模具中放置上述层叠体，将钢质平板模具加热至200℃，加压维持1min，迅速降温冷却钢质平板模具至80℃以下，打开模具，取出制得的超薄金属片材夹层结构体。

测定实施例3中的超薄金属片材夹层结构体的比重，其整体厚度，且在成型加热、加压的影响下芯材厚度，热塑性树脂胶层厚度和弯曲模量，及超薄金属片材夹层结构体各项性能指标，具体试验数据见表1。

实施例4

采用薄膜叠层的方法将不连续强化纤维与热塑性树脂薄膜复合，两层热塑性树脂薄膜夹一层强化纤维材料通过钢带滚轴加压加热后成型为热塑性不连续强化纤维的芯材；所述芯材的比重为0.1，厚度为1.0mm；所述热塑性树脂的熔点或负荷变形温度或玻璃化转变温度在80℃以上；然后在所述芯材的上下表面分别直接涂覆热固性树脂胶层；

将以宝鸡特钢钛业有限责任公司TC4钛合金薄片切割成0.3mm厚度和320mm*250mm的表面尺寸（重量为108g，2片）以作为超薄金属片材材料，超薄金属片材材料的模量为108GPa；将超薄金属片材材料层叠在所述涂覆有热固性树脂的所述芯材的上下两个表面以提供层叠体；

准备水平度平整，光洁度为5~13级的钢质平板模具，且钢质平板模具有凹凸面，可控制厚度1~10mm，在刚质平板模具中放置上述层叠体，将钢质平板模具加热至150℃，加压维持40min，迅速降温冷却钢质平板模具至80℃以下，打开模具，取出制得的超薄金属片材夹层结构体。

测定实施例4中的超薄金属片材夹层结构体的比重，其整体厚度，且在成型加热、加压的影响下芯材厚度，热固性树脂厚度和弯曲模量，及超薄金属片材夹层结构体各项性能指标，具体试验数据见表1。

对比例1

将Rohacell公司71WF型PMI结构泡沫（比重为70kg/m³）切割成4mm厚度和320mm*250mm的表面尺寸（重量为23g）以作为具有独立的闭孔气泡的发泡体，发泡体的弹性模量根据ASTM D 638 测试为92MPa；然后在发泡体的上下表面分别直接涂覆热塑性树脂胶层；

将在单向排列的碳纤维中含浸环氧树脂（热固性树脂）形成的预浸料坯（使用东丽（株）制“TORAYCA（注册商标）”预浸料坯P3052S-12、东丽（株）制“TORAYCA（注册商标）”T700S，碳纤维含量：67重量%，纤维重量：125g/m²）作为纤维强化材料，纤维强化材料的模量为120GPa；将纤维强化材料层叠在发泡体的上下两个表面以提供层叠体；

准备水平度平整，光洁度为5~13级的钢质平板模具，且钢质平板模具有凹凸面，可控制厚度1~10mm，在刚质平板模具中放置上述层叠体，将钢质平板模具加热至150℃，加压维持30min，迅速降温冷却钢质平板模具至80℃以下，打开模具，取出制得的夹层结构体。

测定对比例1中的夹层结构体的比重，其整体厚度，且在成型加热、加压的影响下发泡体的厚度、热塑性树脂胶层厚度和弯曲模量，及其夹层结构体各项性能指标，具体试验数据见表1。

对比例2

采用薄膜叠层的方法将不连续强化纤维与热塑性树脂薄膜复合，两层热塑性树脂薄膜夹一层强化纤维材料通过钢带滚轴加压加热后成型为热塑性不连续强化纤维的芯材；所述芯材的比重为1.0，厚度为4.0mm；所述热塑性树脂的熔点或负荷变形温度或玻璃化转变温度在80℃以上；然后在所述芯材的上下表面分别直接涂覆热塑性树脂胶层；

将在单向排列的碳纤维中含浸环氧树脂（热固性树脂）形成的预浸料坯（使用东丽（株）制“TORAYCA（注册商标）”预浸料坯P3052S-12、东丽（株）制“TORAYCA（注册商标）”T700S，碳纤维含量：67重量%，纤维重量：125g/m²）作为纤维强化材料，纤维强化材料的模量为120GPa；将纤维强化材料层叠在所述涂覆有热塑性树脂胶层的发泡体的上下两个表面以提供层叠体；

准备水平度平整，光洁度为5~13级的钢质平板模具，且钢质平板模具有凹凸面，可控制厚度1~10mm，在刚质平板模具中放置上述层叠体，将钢质平板模具加热至160℃，加压维持30min，迅速降温冷却钢质平板模具至80℃以下，打开模具，取出制得的超薄金属片材夹层结构体。

测定对比例2中的夹层结构体的比重，其整体厚度，且在成型加热、加压的影响下芯材的厚度，热塑性树脂胶层厚度和弯曲模量，及其夹层结构体各项性能指标，具体试验数据见表1。

对比例3

铝塑板可采用常规的制备方法制得，参考如下两篇文献资料所涉及的制备方法：

1、王明亮.热复合铝塑板生产工艺探讨.轻合金加工技术[J]，2000,28（8）：36—38；

2、GB/T 17748—1999，铝塑复合技板[S]。

表1 实施例1~4及对比例1~3的具体测试性能结果

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1	对比例2	对比例3
								比重	0.84	0.71	0.95	0.85	0.28	0.99	1.27
整体厚度	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0
								芯材厚度	2.8	3.0	3.4	3.2	3.5	3.4	2.9
胶层厚度	0.1	0.1	0.1	0.1	0.05	0.1	0.2
								弯曲刚性	48	47	132	73	43	48	43
表面耐划性	好	一般	非常好	非常好	较差	较差	差
								耐刺穿性	好	好	非常好	非常好	差	差	一般
耐候性	好	好	非常好	非常好	较差	较差	较好
								防火等级	5VA	5VA	5VA	V-0	HB	HB	5VA

各项性能测试方法：

模量：GB/T 22315-2008 金属材料弹性模量和泊松比试验方法；

比重：按GB1033-86，测试金属三明治结构的比重；

厚度：通过千分尺或者游标卡尺测试板材厚度；

弯曲刚性：塑料弯曲性能试验GB/T9341-2000；（添加自定义的测试方法）

表面耐划性：采用划痕法（莫氏硬度）方法检测表明划痕；

耐刺穿性：以PH2号十字型螺丝刀为载具，以静载200N下对板材做穿刺试验；

耐候性：在老化箱中，80℃，烘烤24h,通过表面剥离测试、弯曲测试板材耐候性；

防火等级：根据UL94的防火等级测试方法测试。

从上表1的实施例和对比例可以看出，本发明通过将超薄金属片材材料替代现有技术中的纤维强化材料层叠在中间芯材的上下表面，可以使得制成的超薄金属片材材料夹层结构体的厚度更薄，一般可控制在1~5mm，且质量更轻，刚性更高，表面耐划性好，耐穿刺，易加工，中间芯材弯折不破裂，耐候性好，防火等级高达到5VA以上；另外，各实施例1~4与对比例3的铝塑板相比，超薄金属片材夹层结构体的质量更轻；本发明所述的超薄金属片材夹层结构体的主要应用的方向是3C行业、家电行业以及相关的机箱等表面结构板材。

Claims

1.一种超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，所述超薄金属片材夹层结构体是由芯材（Ⅰ）和配置在该芯材（Ⅰ）上下表面的超薄金属片材（Ⅱ）构成的超薄金属片材夹层结构体（Ⅲ），所述芯材（Ⅰ）具有空隙；所述芯材（Ⅰ）的比重为0.01~1.0，厚度为0.2~5.0mm。

2.根据权利要求1所述的超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，所述芯材（Ⅰ）为发泡体，所述发泡体具有独立的闭孔气泡，所述发泡体的弹性模量根据ASTM D 638 测试为10~1000MPa；所述发泡体选自PET结构泡沫、PMI结构泡沫、CPMI结构泡沫、PVC结构泡沫，PP结构泡沫、SAN泡沫、PES泡沫、酚醛泡沫的一种或几种。

3.一种超薄金属片材夹层结构体，所述超薄金属片材夹层结构体是由芯材（Ⅰ）和配置在该芯材（Ⅰ）上下表面的超薄金属片材（Ⅱ）构成的超薄金属片材夹层结构体（Ⅲ），所述芯材（Ⅰ）由不连续强化纤维和热塑性树脂构成，所述强化纤维的长丝之间相互交叉形成空隙结构，在该交叉部分配置所述热塑性树脂；所述芯材（Ⅰ）的比重为0.01~1.0，厚度为0.2~5.0mm。

4.根据权利要求3所述的超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，所述热塑性树脂的熔点或负荷变形或玻璃化转变温度在80℃以上。

5.根据权利要求1或3所述的超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，所述超薄金属片材（Ⅱ）由模量为70~350GPa的金属材料制成，所述超薄金属片材（Ⅱ）的厚度为0.1~1.0mm。

6.根据权利要求5所述的超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，所述金属材料选自合金铝、合金钢、合金镁、合金钛的一种或几种。

7.根据权利要求1或3所述的超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，在所述芯材（Ⅰ）和所述超薄金属片材（Ⅱ）的层间配置热塑性树脂胶层和/或热固性树脂胶层；所述热塑性树脂胶层和/或热固性树脂胶层的厚度为0.005~1.0mm。

8.根据权利要求7所述的超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，构成所述热塑性树脂胶层的热塑性树脂选自聚烯烃类热塑性树脂、聚苯乙烯烃类热塑性树脂、聚酯类热塑性树脂、聚酰胺类热塑性树脂、丙烯酸类热塑性树脂的一种或几种；所述构成热塑性树脂胶层的热塑性树脂的熔点或负荷变形或玻璃化转变温度在80℃以下。

9.根据权利要求7所述的超薄金属片材夹层结构体，其特征在于，构成所述热固性树脂胶层的热固性树脂选自环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯、丙烯酸脂类的一种或几种；所述构成热固性树脂胶层的热固性树脂的玻璃化转变温度在80℃以上。

10.如权利要求1~9所述的超薄金属片材夹层结构体的制备方法，包括如下步骤：

11.根据权利要求10所述的超薄金属片材夹层结构体的制备方法得到的超薄金属片材夹层结构体在3C行业、家电行业以及机箱表面结构板材的应用。