CN108372690A - 一种网状结构增韧仿生复合材料及其结构件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种网状结构增韧仿生复合材料及其结构件的制备方法，该仿生复合材料为层状复合结构，该层状复合结构由若干层叠层单元构成,叠层单元由金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔自上而下依次叠放构成；其结构件通过将金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔自上而下依金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔顺序叠放后进行真空烧结后制得。

Description

一种网状结构增韧仿生复合材料及其结构件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种网状结构增韧仿生复合材料其结构件的制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
有关随着航空、航天发动机性能的不断提高，对高温结构材料性能提出了更高的要求，发动机材料向着“更强、更刚、更耐热和更轻”的方向发展。由于金属间化合物基层状复合材料具有独特的叠层结构和特殊的失效形式，使其除了具有高强度、高模量、低密度的优异性能，还具有强大的吸收冲击功的能力。因此，金属间化合物基层状复合材料除了用作高温结构材料以外，国外发达国家已考虑将这种新型的结构材料用于航空、航天、武器装备及地面军用车辆的装甲防护系统，并开展了相应的理论基础和应用基础研究。
金属基复合材料以其良好的力学性能，引起了世界各国材料领域研究者的关注，它具有较高的比强度、比刚度、比模量等优异的性能，可以广泛应用汽车以及航空航天等领域。目前应用较广泛的是碳纤维增强铝基复合材料，由于它密度小，导电、导热性好，比模量高、比强度高，高温尺寸稳定性和高温强度好，在以航空航天为代表的众多领域得到普遍的应用。钛及钛合金所具有的密度小、高比强度、耐高温、耐腐蚀、无磁、透声、抗冲击振动等良好的综合性能,为钛及钛合金在各个工业领域开辟了广阔的应用前景。
箔材热压法是制备层状结构材料的常用方法，但这种方法制备的材料界面结合力低，强度差。因此，提高材料的界面的结合强度尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，提高Ti/Al/Cf层状复合材料强度，本发明设计了一种网状结构增韧仿生复合材料：将金属网、Ti箔、Al箔、碳纤维按一定顺序以层状形式复合，这种材料结合了金属网、钛合金、纤维增强铝基复合材料和层状复合材料的优点，具有良好的综合性能。同时，本发明创造性地提出采用金属网将基体材料分割成规则小块结构，一方面可以获得类似砖混结构的仿生结构，另一方面可以使得脆性相分离，促使裂纹生长方向按照设定路线生长以最大程度上增强材料的断裂韧性。
为实现发明的目的，本发明采用了如下技术方案：
一种网状结构增韧仿生复合材料，所述仿生复合材料为层状复合结构，该层状复合结构由若干层叠层单元构成,叠层单元由金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔自上而下依次叠放构成。
在一个优选的技术方案中，所述金属网布为强度较高的钛网、锆网、铌网，其结构为金属丝编织的网状结构，或金属板材加工的网状结构。
在一个优选的技术方案中，所述钛箔为常用钛合金，铝箔为常用铝合金，所述钛合金为TA1、TC4或TB6，所述铝合金为工业纯铝、1235、或6061，所述碳纤维为高强、高模量的碳纤维布或高强碳化硅纤维布。
另外，本发明还提供了一种制备上述网状结构增韧仿生复合材料结构件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、金属网布表面处理
步骤二、钛箔与铝箔的表面清洗
步骤三、碳纤维表面处理
步骤四、制备预制件
自上而下依金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔顺序叠放金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔，制备出具有一定厚度的预制体，将预制体包套，使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件。
步骤五、真空热压烧结：采用真空热压的方法烧结预制件，制备所述Ti/Al/Cf复合材料结构件。
在一个优选的技术方案中，该方法可采用如下具体操作步骤：
步骤一、金属网布表面处理
将金属网按要求裁剪成合适的尺寸，用砂纸打磨去除表面毛刺，经有机溶剂浸泡并使用超声波清洗1-2min，晾干后用酸浸泡1-2min，去掉金属网表面的油污，取出后用清水洗净；
步骤二、钛箔与铝箔的表面清洗
将钛箔、铝箔按要求裁剪成合适的尺寸，用有机溶剂清洗箔材去除表面油污，然后用酸液清洗钛箔1-2min，用碱液清洗铝箔1-2min，取出后浸泡在清水中使用超声波清洗，再将箔材浸入无水乙醇溶液中二次清洗，取出烘干；
步骤三、碳纤维表面处理
首先对碳纤维进行除胶处理，然后放入有机溶剂清洗2-3遍，清除碳纤维表面残余杂质，并裁剪成合适的尺寸；
步骤四、制备预制件
自上而下依金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔顺序叠放金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔，制备出具有一定厚度的预制体，将预制体包套，包套厚度为30-50μm，包套采用钛箔材料包套或不锈钢板焊制包套，然后使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件。
步骤五、真空热压烧结
将预制件放入模具中，装入炉内，抽取炉内真空至1×10-1Pa以下，升温至550-680℃，并施加10-50MPa的压力，保温保压0.5-2h，压制结束后卸载压力，随炉冷却至室温后取出预制件。
在一个优选的技术方案中，所述步骤一中有机溶剂选用丙酮，酸选用硝酸或氢氟酸或硝酸与氢氟酸的混合酸；所述步骤二中有机溶剂选用丙酮或酒精，酸液选用硝酸与氢氟酸混合溶液，碱液选用稀氢氧化钠溶液；所述步骤三中，除胶处理方法为将纤维在于350-400℃温度下烘烤0.5-1小时，有机溶剂选用丙酮。
本发明的技术效果如下：
（1）以层状形式将纤维增强复合材料与钛合金复合，可使两者的优势得到充分发挥，同时具备密度低、高强度、高弹性等优异性能，特殊的层状结构使得材料具有较强的抵御外力冲击能力。
（2）可以通过调整钛箔与铝箔的厚度以及纤维布层数，调整各组元的体积分数，获得不同性能的复合材料。
（3）本发明中使用金属网状结构可以增加钛与铝的截面结合力，提高界面的结合强度，优化材料性能。
（4）本发明中，材料在真空中烧结制备，制备工艺简单易行，操作方便。
说明书附图
图1一种网状结构增韧Ti/Al/Cf层状复合材料结构件的示意图
图2 T700系列12K碳纤维单向布与100目TA1金属网、TA1箔材、纯Al箔材复合制得材料的结构
图3 T700系列3K碳纤维双向布与80目的Zr-1合锆丝网、TA1箔材、纯Al箔材复合制得材料的结构
图4 M40J系列3K碳纤维双向布与80目的Zr-1合锆丝网、TA1箔材、纯Al箔材复合制得材料的结构
图5最终砖混结构碳纤维增强复合材料微观结构示意图
图中：1-叠层单元、2-包套。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的一种网状结构增韧仿生复合材料及其结构件的制备方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。
实施例1
本实施方式的一种制备网状结构增韧仿生复合材料结构件的方法，按以下步骤进行：
一、金属网状结构表面处理:将丝径0.11毫米、80目的TA1合金网按要求裁剪成合适的尺寸，用砂布打磨Ti网表面毛刺，将裁剪好的Ti网浸泡在丙酮溶液中浸泡，利用超声清洗2min，晾干后放入用HF：HNO3：H2O=1:1:20的混合溶液中浸泡1min，去掉金属网状结构表面的油污与氧化皮，取出后利用清水清洗干净；
二、钛箔与铝箔的表面清洗:厚度为100μm的TA1合金箔材、厚度为300μm的6061铝合金箔材剪裁至合适的尺寸，用砂纸打磨干净，利用丙酮清洗箔材，去除箔材表面油污，选用HF：HNO3：H2O=1:1:20的混合溶液清洗Ti箔，0.5%mol/L的NaOH溶液清洗Al箔；分别清洗1min左右后，取出后浸泡在清水中，使用超声波清洗技术清洗箔材，再将箔材浸入无水乙醇溶液中进行二次清洗，清洗2min，取出烘干；
三、纤维布表面处理：将T700系列3K碳纤维双向平纹布在350℃温度下烘烤1小时，冷却后取出，放入丙酮溶液清洗2遍；裁剪成合适的尺寸；
四、制备预制件：将纤维、钛箔、Ti网、铝箔如图1所示依次叠放，重复10个叠层单元，制备出具有一定厚度叠层材料预制体，将预制体用30μm钛箔包套，使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件；
五、真空热压烧结：试样放入模具中，装入炉内，抽取炉内真空至1×10-1Pa以下，升温至680℃，并施加40MPa的压力，保温保压1h，压制结束后卸载压力，随炉冷却至室温后取出试样。
实施例2
本实施方式与实施例1不同的是步骤一中选用将丝径0.1毫米、100目的TA1合金网制备复合材料。其他步骤和参数与实施例1相同。
实施例3
本实施方式与实施例1不同的是步骤二中选用厚度为100μm的TC4合金箔材、厚度为300μm的纯铝合金制备复合材料。其他步骤和参数与实施例1相同。
实施例4
本实施方式与实施例1不同的是步骤三中选用M40JK系列6K碳纤维单向布制备复合材料，步骤四中相邻两叠层单元中的碳纤维轴向城45°交叉排列。其他步骤和参数与实施例1相同。
实施例5
本实施方式与实施例1不同的是步骤五中热压温度设定为660℃，热压力50MPa，热压时间80min。其他步骤和参数与实施例1相同。
实施例6
本实施方式的一种制备网状结构增韧仿生复合材料结构件的方法，按以下步骤进行：一、金属网状结构表面处理:将丝径0.1毫米、100目的Zr-1锆丝网按要求裁剪成合适的尺寸，用砂布打磨锆网表面毛刺，将裁剪好的锆网浸泡在丙酮溶液中浸泡，利用超声清洗2min，晾干后放入用HF：HNO3：H2O=1:1:10的混合溶液中浸泡1.5min，去掉锆网表面的油污，取出后利用清水清洗干净；二、钛箔与铝箔的表面清洗:厚度为100μm的TC4合金箔材、厚度为200μm的1235铝合金箔材剪裁至合适的尺寸，用砂纸打磨干净，利用丙酮清洗箔材，去除箔材表面油污，选用HF：/HNO3：H2O=1:1:20的混合溶液清洗Ti箔，1%mol/L的NaOH溶液清洗Al箔；分别清洗1min左右后，取出后浸泡在清水中，使用超声波清洗技术清洗箔材，再将箔材浸入无水乙醇溶液中二次清洗，取出烘干；三、纤维布表面处理：将T300系列6K碳纤维双向平纹布在380℃温度下烘烤45min，冷却后取出，放入丙酮溶液清洗2遍；裁剪成合适的尺寸；四、制备预制件：将纤维、钛箔、锆网、铝箔如图1所示依次叠放，重复10个叠层单元，制备出具有一定厚度叠层材料预制体，将预制体用50μm钛箔包套，使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件。五、真空热压烧结：试样放入模具中，装入炉内，抽取炉内真空至1×10-1Pa以下，升温至660℃，并施加30MPa的压力，保温保压1.5h，压制结束后卸载压力，随炉冷却至室温后取出试样。
实施例7
本实施方式与实施例6不同的是步骤一中选用丝径0.13毫米、80目的Zr-1合锆丝网制备复合材料。其他步骤和参数与实施例6相同。
实施例8
本实施方式与实施例6不同的是步骤三中选用选用表面镀镍的T700系列3K碳纤维平纹双向布。其他步骤和参数与实施例6相同。
实施例9
本实施方式与实施例6不同的是步骤四中叠层单元数设置为20层。其他步骤和参数与实施例6相同。
实施例10
本实施方式的制备网状结构增韧仿生复合材料结构件的方法，按以下步骤进行：
一、金属网状结构表面处理:将丝径0.09毫米、120目的平纹斜织型铌丝网按要求裁剪成合适的尺寸，用砂布打磨铌网表面毛刺，将裁剪好的铌网浸泡在丙酮溶液中浸泡，利用超声清洗2min，晾干后放入用HF：HNO3：H2O=1:1:10的混合溶液中浸泡1.5min，去掉铌网表面的油污，取出后利用清水清洗干净；
二、钛箔与铝箔的表面清洗:厚度为100μm的TC4合金箔材、厚度为200μm的工艺纯铝合金箔材剪裁至合适的尺寸，用砂纸打磨干净，利用丙酮清洗箔材，去除箔材表面油污，选用HF/HNO3/H2O=1:1:20的混合溶液清洗Ti箔，1%mol/L的NaOH溶液清洗Al箔，分别清洗1min左右后，取出后浸泡在清水中，使用超声波清洗技术清洗箔材，再将箔材浸入无水乙醇溶液中二次清洗，取出烘干；
三、纤维布表面处理：将高强碳化硅纤维单向布在380℃温度下烘烤45min，冷却后取出，放入丙酮溶液清洗2遍；裁剪成合适的尺寸；
四、制备预制件：将纤维、钛箔、铌网、铝箔如图1所示依次叠放，重复5个叠层单元，制备出具有一定厚度叠层材料预制体，将预制体用50μm钛箔包套，使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件。
五、真空热压烧结：试样放入模具中，装入炉内，抽取炉内真空至1×10-1Pa以下，升温至670℃，并施加28MPa的压力，保温保压1.5h，压制结束后卸载压力，随炉冷却至室温后取出试样。
实施例11
本实施方式与实施例10不同的是步骤一中选用丝径网孔0.3x0.5mm，厚度0.15mm的冲压型铌板网制备复合材料。其他步骤和参数与实施例10相同。
实施例12
本实施方式与实施例10不同的是步骤三中选用高强碳化硅纤维双向布制备复合材料。其他步骤和参数与实施例10相同。
实施例13
本实施方式与实施例10不同的是步骤四中选用0.5mm不锈钢板焊制包套。其他步骤和参数与实施例10相同。

Claims (9)

1.一种网状结构增韧仿生复合材料，其特征在于：所述仿生复合材料为层状复合结构，该层状复合结构由若干层叠层单元构成,叠层单元由金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔自上而下依次叠放构成。
2.根据权利要求1所述的一种网状结构增韧仿生复合材料，其特征在于，所述金属网布为强度较高的钛网、锆网、铌网，其结构为金属丝编织的网状结构，或金属板材加工的网状结构。
3.根据权利要求1所述的一种网状结构增韧仿生复合材料，其特征在于，所述钛箔为常用钛合金，铝箔为常用铝合金。
4.根据权利要求1所述的一种网状结构增韧仿生复合材料，其特征在于，所述钛合金为TA1、TC4或TB6。
5.根据权利要求1所述的一种网状结构增韧仿生复合材料，其特征在于，所述铝合金为工业纯铝、1235、或6061。
6.根据权利要求1所述的一种网状结构增韧仿生复合材料，其特征在于，所述碳纤维为高强、高模量的碳纤维布或高强碳化硅纤维布。
7.一种网状结构增韧仿生复合材料结构件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、金属网布表面处理
步骤二、钛箔与铝箔的表面清洗
步骤三、碳纤维表面处理
步骤四、制备预制件
自上而下依金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔顺序叠放金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔，制备出具有一定厚度的预制体，将预制体包套，使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件；
步骤五、真空热压烧结：采用真空热压的方法烧结预制件，制备所述Ti/Al/Cf复合材料结构件。
8.根据权利要求7所述的网状结构增韧仿生复合材料结构件的制备方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
步骤一、金属网布表面处理
将金属网按要求裁剪成合适的尺寸，用砂纸打磨去除表面毛刺，经有机溶剂浸泡并使用超声波清洗1-2min，晾干后用酸浸泡1-2min，去掉金属网表面的油污，取出后用清水洗净；
步骤二、钛箔与铝箔的表面清洗
将钛箔、铝箔按要求裁剪成合适的尺寸，用有机溶剂清洗箔材去除表面油污，然后用酸液清洗钛箔1-2min，用碱液清洗铝箔1-2min，取出后浸泡在清水中使用超声波清洗，再将箔材浸入无水乙醇溶液中二次清洗，取出烘干；
步骤三、碳纤维表面处理
首先对碳纤维进行除胶处理，然后放入有机溶剂清洗2-3遍，清除碳纤维表面残余杂质，并裁剪成合适的尺寸；
步骤四、制备预制件
自上而下依金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔顺序叠放金属网布、铝箔、碳纤维、铝箔、金属网布、钛箔，制备出具有一定厚度的预制体，将预制体包套，包套厚度为30-50μm，包套采用钛箔材料包套或不锈钢板焊制包套，然后使用钢丝对其进行捆绑，制备出预制件；
步骤五、真空热压烧结
将预制件放入模具中，装入炉内，抽取炉内真空至1×10-1Pa以下，升温至550-680℃，并施加10-50MPa的压力，保温保压0.5-2h，压制结束后卸载压力，随炉冷却至室温后取出预制件。
9.根据权利要求8所述的一种网状结构增韧仿生复合材料结构件的制备方法，其特征在于，所述步骤一中有机溶剂选用丙酮，酸选用硝酸或氢氟酸或硝酸与氢氟酸的混合酸；所述步骤二中有机溶剂选用丙酮或酒精，酸液选用硝酸与氢氟酸混合溶液，碱液选用稀氢氧化钠溶液；所述步骤三中，除胶处理方法为将纤维在于350-400℃温度下烘烤0.5-1小时，有机溶剂选用丙酮。
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