CN104191796A - 碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，属于复合材料技术领域。碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法包括以下步骤：将金属板与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料裁剪成所需大小；将金属板材进行清洗处理；对金属板进行阳极氧化处理；在经处理后的金属板表面涂刷底胶并将涂好底胶后的金属板与预浸料交替铺层放入模具中；对铺层后的金属板与预浸料加温加压进行固化；固化结束后自然降温得到碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板。本发明方法制备出的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板，具有优良的耐高温耐疲劳特性，并且成本远低于碳纤维增强的复合材料，并具有耐腐蚀、阻燃、耐冲击等有点，能够广泛应用与航空航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维金属层板制备方法，具体讲是一种碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
纤维金属层合板( Fiber-Metal Laminates，简称 FMLs)是一种由金属薄板层和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体系。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，而 FMLs 的优良的疲劳和损伤容限性能，更使其成为飞机结构所需材料的理想选择。
FMLs是由金属薄板层和纤维复合材料层交替铺设而成的，实际上是一个材料体系。通过改变金属种类、纤维体系、树脂体系、纤维取向、铺叠次序、表面处理及固化后预拉伸的程度等，可以得到多种组合。正因为设计性如此之强，可供开发的层合板种类也就非常之多，而其中成功产品化、商业化的Arall（芳纶纤维-铝合金层板）和Glare（玻璃纤维-铝合金层板）层合板已经广泛用于航空航天领域。
现阶段，应用最广泛的是第二代纤维金属层板Glare层板。而Glare层板中所采用的树脂基体为环氧树脂，环氧树脂在高温下易分解，导致Glare层板在高温下性能不稳定，且其增强纤维玻纤的模量不高，限制了Glare的进一步应用及发展。针对这一问题，各国继续开展纤维金属层板的研发工作。在第31届国际航天科学研讨和展示上，美国伊利诺伊大学发表了一篇名为“Al/石墨一环氧混杂材料试样的设计和制作”的论文，报道中表明其研制成功了具有更高模量、更低密度的Al/石墨－环氧混杂材料。这意味着纤维金属层板中的玻纤将逐渐被强度和模量更高的碳纤维甚至石墨纤维所取代。
为了满足高温服役条件的要求，耐高温树脂基层板的制备与性能亟待研究。聚酰亚胺树脂基复合材料因其优异的耐高温性能和良好的力学性能在航空航天等领域得到广泛的应用。2012年11月30日，中国发明专利申请CN103009717公开了一种轻质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，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。传统方法制备的纤维金属层板适用温度低，层间结合耐久性能较差，导致成品纤维金属层板抗冲击和耐疲劳性能较差且制备过程繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种制备方便、成品耐高温、耐疲劳、耐冲击特性好的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，包括以下步骤：
1）、将金属板与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料裁剪成所需大小；
2）、将金属板进行清洗处理；
3）、对步骤2）清洗后金属板表面进行阳极氧化处理；
4）、在步骤3）处理后的金属板表面涂刷粘连剂，并将金属板与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料交替铺层放入模具中；
5）、对铺层后的金属板与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料加温加压进行固化处理；
6）、固化结束后自然降温得到碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板。
本发明中，所述金属板可为TA1、TA2、TA18或TC4。
本发明中，所述金属板的厚度为0.2-0.5mm；
本发明中，所述步骤2) 清洗过程依次为：超声波清洗、丙酮擦洗、碱洗和酸洗。
本发明中，所述碱洗过程为：将金属板浸入浓度为25-30g/L的氢氧化钠和浓度为25-30g/L的碳酸钠组成的碱液中，清洗0.5-1min，温度50-60℃，之后用清水漂洗2-5min。
本发明中，所述酸洗方法为将金属板浸入浓度为350g/L的硝酸和浓度为60g/L的氢氟酸组成的酸液中浸泡2-5min，后用清水漂洗2-5min；
本发明中，所述步骤3)中阳极氧化处理过程为将金属板连接电源的正极，电解槽作对电极连接电源的负极，在电解槽中加入电解液，通电对金属板进行阳极氧化。
本发明中，所述步骤4)中预浸料铺层方向与金属板材轧制方向夹角为0°、±45°或90°。
本发明中，所述步骤5)中的固化过程为：
1）、将模具升温到80℃，保温1h；
2）、将模具升温到120℃，保温1h；
3）、将模具升温到160℃，保温1h；
4）、将模具升温到200℃，保温1h，同时施加接触压；
5）、将模具升温到280℃，同时施加1.5-3MPa的压力，保温保压30min；
6）、将模具升温到320℃，保温保压2h。
本发明有益效果在于：(1)、本发明方法制得的纤维金属层板，具有优良的耐高温耐疲劳特性，并且成本远低于碳纤维增强的复合材料，并具有耐腐蚀、阻燃、耐冲击等有点，能够广泛应用与航空航天领域；(2)、本发明方法操作方便，装置结构简单，其纤维金属层板生产成本低，生产效率高，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法流程图；
图2为本发明金属板与预浸料铺层顺序示意图1；
图3为本发明金属板与预浸料铺层顺序示意图2；
图中：1-上模、2-金属板、3-预浸料、4-下模。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步介绍。
实施例1
如图1、2所示，本发明碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法如下：
第一步：将0.3mm厚的TA22板材与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3均裁剪成300mm×300mm大小；
第二步：用超声波清洗除去TA22表面杂质，用丙酮擦洗去除表面油污杂质，将金属板浸入浓度为25-30g/L的NaOH（氢氧化钠）和浓度为25-30g/L的Na2CO3（碳酸钠）组成的碱液中，清洗0.5-1min，温度50-60℃，之后用清水漂洗2-5min，将TA2放入浓度为300-500g/L的HNO3(硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2-5min；
第三步：将TA22连接电源的正极，不锈钢片作对电极连接电源的负极，将NaOH（氢氧化钠）300 g/L、酒石酸钠65g/L、EDTA（乙二胺四乙酸）30g/L、Na2SiO3（硅酸钠） 6g/L作为电解液倒入电解槽内，通电对内外管进行阳极氧化，以获取与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3结合紧密的表面结构，阳极氧化结束将TA22清洗晾干待用；
第四步：在第三步得到的TA22表面涂刷底胶，并与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3按图2所示的顺序交替铺层，其中纤维方向与TA22板材轧制方向夹角为0°，之后将模具的上模1与下模4合模；
第五步：将模具升温到80℃、保温1h，随后将模具升温至120℃、保温1h，随后将模具升温至160℃、保温1h，随后将模具升温至200℃、施加接触压并保温1h，随后将模具升温至280℃、施加1.5MPa压力并保温30min，随后将模具升温至320℃，保持1.5MPa压力并保温2h；
第六步：固化结束后自然降温得到碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板。
实施例2
如图1、2所示，本发明碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法如下：
第一步：将0.4mm厚的TA12板材与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3裁剪成300mm×300mm大小；
第二步：用超声波清洗除去TA12表面杂质，用丙酮擦洗去除表面油污杂质，将金属板浸入浓度为25-30g/L的NaOH（氢氧化钠）和浓度为25-30g/L的Na2CO3（碳酸钠）组成的碱液中，清洗0.5-1min，温度50-60℃，之后用清水漂洗2-5min，将TA2放入浓度为300-500g/L的HNO3(硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2-5min；
第三步：将TA11连接电源的正极，不锈钢片作对电极连接电源的负极，将NaOH（氢氧化钠）300 g/L、酒石酸钠65g/L、EDTA（乙二胺四乙酸）30g/L、Na2SiO3（硅酸钠） 6g/L作为电解液倒入电解槽内，通电对内外管进行阳极氧化，以获取与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3结合紧密的表面结构，阳极氧化结束将TA12清洗晾干待用；
第四步：在第三步得到的TA12表面涂刷底胶，并与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3按图2所示的顺序交替铺层，其中纤维方向与TA12板材轧制方向夹角为90°，之后将模具的上模1与下模4合模；
第五步：将模具升温到80℃、保温1h，随后将模具升温至120℃、保温1h，随后将模具升温至160℃、保温1h，随后将模具升温至200℃、施加接触压并保温1h，随后将模具升温至280℃、施加3MPa压力并保温30min，随后将模具升温至320℃，保持3MPa压力并保温2h；
第六步：固化结束后自然降温得到碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板。
实施例3
如图1、2所示，本发明碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法如下：
第一步：将0.2mm厚的TC4 2板材与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3裁剪成100mm×100mm大小；
第二步：用超声波清洗除去TC4 2表面杂质，用丙酮擦洗去除表面油污杂质，将金属板浸入浓度为25-30g/L的NaOH（氢氧化钠）和浓度为25-30g/L的Na2CO3（碳酸钠）组成的碱液中，清洗0.5-1min，温度50-60℃，之后用清水漂洗2-5min，将TC4放入浓度为300-500g/L的HNO3(硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2-5min；
第三步：将TC4 2连接电源的正极，不锈钢片作对电极连接电源的负极，将NaOH（氢氧化钠）300 g/L、酒石酸钠65g/L、EDTA（乙二胺四乙酸）30g/L、Na2SiO3（硅酸钠） 6g/L作为电解液倒入电解槽内，通电对内外管进行阳极氧化，以获取与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3结合紧密的表面结构，阳极氧化结束将TC4 2清洗晾干待用；
第四步：在第三步得到的TC4 2表面涂刷底胶，并与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3按图2所示的顺序交替铺层，其中纤维方向与TC4 2板材轧制方向夹角为45°，之后将模具的上模1与下模4合模；
第五步：将模具升温到80℃、保温1h，随后将模具升温至120℃、保温1h，随后将模具升温至160℃、保温1h，随后将模具升温至200℃、施加接触压并保温1h，随后将模具升温至280℃、施加2.2MPa压力并保温30min，随后将模具升温至320℃，保持1.5MPa压力并保温2h；
第六步：固化结束后自然降温得到碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板。
实施例4
如图1、3所示，本发明碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法如下：
第一步：将0.3mm厚的TA182板材与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料3裁剪成300mm×300mm大小；
第二步：用超声波清洗除去TA182表面杂质，用丙酮擦洗去除表面油污杂质，将金属板浸入浓度为25-30g/L的NaOH（氢氧化钠）和浓度为25-30g/L的Na2CO3（碳酸钠）组成的碱液中，清洗0.5-1min，温度50-60℃，之后用清水漂洗2-5min，将TA2放入浓度为300-500g/L的HNO3(硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2-5min；
第三步：将TA182连接电源的正极，不锈钢片作对电极连接电源的负极，将NaOH（氢氧化钠）300 g/L、酒石酸钠65g/L、EDTA（乙二胺四乙酸）30g/L、Na2SiO3（硅酸钠） 6g/L作为电解液倒入电解槽内，通电对内外管进行阳极氧化，以获取与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料结合紧密的表面结构，阳极氧化结束将TA182清洗晾干待用；
第四步：在第三步得到的TA182表面涂刷底胶，并与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料2按图3所示的顺序交替铺层，其中纤维方向与TA182板材轧制方向夹角为0°，之后将模具的上模1与下模4合模；
第五步：将模具升温到80℃、保温1h，随后将模具升温至120℃、保温1h，随后将模具升温至160℃、保温1h，随后将模具升温至200℃、施加接触压并保温1h，随后将模具升温至280℃、施加1.5MPa压力并保温30min，随后将模具升温至320℃，保持1.5MPa压力并保温2h；
第六步：固化结束后自然降温得到碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）、将金属板与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料裁剪成所需大小；
2）、将金属板进行清洗处理；
3）、对步骤2）清洗后金属板表面进行阳极氧化处理；
4）、在步骤3）处理后的金属板表面涂刷粘连剂，并将金属板与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料交替铺层放入模具中；
5）、对铺层后的金属板与碳纤维增强聚酰亚胺预浸料加温加压进行固化处理；
6）、固化结束后自然降温得到碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于：所述金属板可为TA1、TA2、TA18或TC4。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于：所述金属板的厚度为0.2-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于：所述步骤2) 清洗过程依次为：超声波清洗、丙酮擦洗、碱洗和酸洗。
5.根据权利要求4所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于所述碱洗过程为：将金属板浸入浓度为25-30g/L的氢氧化钠和浓度为25-30g/L的碳酸钠组成的碱液中，清洗0.5-1min，温度50-60℃，之后用清水漂洗2-5min。
6.根据权利要求4所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于所述酸洗方法为：将金属板浸入浓度为350g/L的硝酸和浓度为60g/L的氢氟酸组成的酸液中浸泡2-5min，后用清水漂洗2-5min。
7. 根据权利要求1所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于：所述步骤3)中阳极氧化处理过程为将金属板连接电源的正极，电解槽作对电极连接电源的负极，在电解槽中加入电解液，通电对金属板进行阳极氧化。
8.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于：所述步骤4)中预浸料铺层方向与金属板材轧制方向夹角为0°、±45°或90°。
9.根据权利要求1至8任一项所述的碳纤维增强聚酰亚胺基体纤维金属层板制备方法，其特征在于：所述步骤5)中的固化过程为：
1）、将模具升温到80℃，保温1h；
2）、将模具升温到120℃，保温1h；
3）、将模具升温到160℃，保温1h；
4）、将模具升温到200℃，保温1h，同时施加接触压；
5）、将模具升温到280℃，同时施加1.5-3MPa的压力，保温保压30min；
6）、将模具升温到320℃，保温保压2h。
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