CN109986860A - 一种纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法，纤维金属复合层板，包括两个铝合金层，两个所述铝合金层之间设置有至少两个PEEK树脂层，相邻的两个所述PEEK树脂层之间设置有碳纤维预浸料层；纤维金属复合层板成形模具包括对应设置的凸模和组合凹模。纤维金属复合层板成形方法利用上述成形模具对纤维金属复合层板进行热冲压成形。本发明纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法提高了纤维金属复合层板的生产效率和质量。

Description

一种纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法
技术领域
本发明涉及复合层板技术领域，特别是涉及一种纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法。
背景技术
将铝合金薄板与碳纤维增强复合材料按照特定的铺层方式、在一定的温度和压力下固化成形，所形成的纤维-金属复合层板，除了拥有较高的比强度和比刚度，还具有很好的抗冲击、抗裂纹扩展能力和耐环境腐蚀能力等，在航空航天、军工武器、高速运载工具等领域中具有广阔的应用前景。
现有碳纤维-铝合金复合层板的铺层方式为将碳纤维、铝合金直接交替铺层，或者碳纤维、热固性胶膜、铝合金交替铺层，这种铺层方法由于热固性树脂基体高温流动性大、成形时树脂流动紊乱，容易产生内部缺陷，且热固性树脂成形后需要长时间固化、且发生交联固化反应，生产效率低。现有碳纤维-铝合金复合层板一般采用热压罐成形，成形效率低，制备周期长，成形形状简单，不适合高效率、低成本制造；而传统的模压方法，将加热、成形工序分开，制造工序多，影响制备效率，同时，在热冲压成形时容易开裂，成形性能差。且现有的碳纤维-铝合金复合层板中铝合金与碳纤维之间存在比较严重的电位腐蚀问题，制约了其进一步发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高纤维金属复合层板的生产效率和质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种纤维金属复合层板，包括两个铝合金层，两个所述铝合金层之间设置有至少两个PEEK树脂层，相邻的两个所述PEEK树脂层之间设置有碳纤维预浸料层。
优选地，所述PEEK树脂层为两个，所述碳纤维预浸料层为一个；或所述PEEK树脂层为三个，所述碳纤维预浸料层为两个。
本发明还提供一种用于制作上述纤维金属复合层板的纤维金属复合层板成形模具，包括对应设置的凸模和组合凹模，所述凸模位于所述组合凹模上方，所述组合凹模包括下凹模和设置在所述下凹模上的上凹模，所述上凹模和所述下凹模之间设置有隔热层，所述凸模的底部和所述上凹模的顶部分别设置有若干个通水孔；所述凸模的侧部设置有压边装置，所述压边装置包括通过弹簧与所述凸模的底端连接的压边圈，所述凸模、所述压边圈及所述上凹模中分别设置有若干个加热棒。
优选地，所述通水孔的一端连接有进水管、另一端连接有出水管。
本发明还提供一种上述纤维金属复合层板的成形方法，包括以下步骤：
(1)将经过机械打磨和阳极化处理后的铝合金层、等离子表面活化处理后的碳纤维预浸料层及PEEK树脂层按照权利要求1或2中所述的纤维金属复合层板中的铺层方式进行铺层，以形成复合层板；
(2)将所述复合层板装入真空袋膜中，并使两个铝合金层分别通过引线与电极电连接，同时将所述真空袋膜抽真空，然后将所述真空袋膜平放在上凹模上；
(3)加热：对所述电极通入交流电，同时对加热棒中也通入相应电流，通过红外温度测试仪测定复合层板的加热温度在PEEK树脂熔融温度Tm以上；
(4)冲压成形：通过压力机使凸模向下冲压，复合层板在凸模、组合凹模所形成的封闭型腔内冲压成形；
(5)冷却、树脂固化：合模后，连接电极及电热棒的电源控制系统断电；凸模保持在冲压位置并保持冲压压力，凸模、上凹模自然冷却或者在通水孔内通冷却水，使得成形模具及复合层板冷却至PEEK树脂玻璃化温度Tg以下；PEEK树脂固化，金属进入时效温度Ta范围内；
(6)人工时效：将压力机卸载，但保持凸模位置不变；凸模、上凹模上的加热棒通电，通过温度的闭环控制，使得凸模、上凹模的温度在时效温度Ta以上，PEEK树脂玻璃化温度Tg以下，复合层板在凸凹模型腔内保温6～12小时；随后凸模、上凹模上的加热棒断电，通水孔内快速通入冷却水，实现复合层板的淬火热处理，稳定成形状态并提高成形性能；
(7)脱模：使所述凸模上行，然后取出成形后的复合层板。
优选地，所述引线穿过所述真空袋膜。
优选地，在步骤(3)中，凸模、上凹模及压边圈的加热热量QH及加热后的温度依据成形的工艺需要确定。
优选地，在步骤(4)中，连接所述电极的所述电源控制系统向所述电极输出脉冲电流。
本发明纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法提高了纤维金属复合层板的生产效率和质量。本发明纤维金属复合层板中的PEEK树脂层能够有效防止铝合金层和碳纤维预浸料层发生电位腐蚀，PEEK树脂在高温下的熔融粘度大、没有固化交联反应，使得该纤维金属复合层板适合热冲压成形。本发明纤维金属复合层板成形模具加热效率高能够实现树脂固化变形与金属回弹变形的同步控制，同时提高金属的强度。本发明纤维金属复合层板成形方法一方面复合层板的加热、成形、固化以及热处理都在热冲压模具内一步完成，减少了复合层板的成形工序，另一方面成形后人工时效+淬火热处理在一套系统里完成，实现树脂-纤维固化变形、金属回弹变形的同步调控，提高成形精度与成形质量，成形过程中对金属通以脉冲电流，利用金属的电致塑性效应提高金属的成形性能。在成型前将铺层后的纤维-复合层板装入真空袋，抽真空后再放置于凸凹模具上，一方面可以避免环境湿度对高温下成形热塑性复材成形质量的影响，另一方面可以隔离铝合金与凸凹模金属。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明纤维金属复合层板的结构示意图；
图2为本发明纤维金属复合层板成形模具的结构示意图一；
图3为本发明纤维金属复合层板成形模具的结构示意图二；
图4为本发明纤维金属复合层板成形模具的结构示意图三；
图5为本发明纤维金属复合层板成形方法的流程图；
其中，1-凸模，2-压边装置，3-真空袋膜，4-引线，5-电极，6-基座，7-下凹模，8-隔热层，9-上凹模，10-加热棒，11-通水孔，12-复合层板，121-铝合金层，122-PEEK树脂层，123-碳纤维预浸料层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种纤维金属复合层板及其成形模具、成形方法，以解决现有技术存在的问题，提高纤维金属复合层板的生产效率和质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例纤维金属复合层板，包括两个铝合金层121，两个铝合金层121之间设置有两个PEEK树脂层122，两个PEEK树脂层122之间设置有一个碳纤维预浸料层123。
如图2-4所示，本实施例还提供一种用于制作上述纤维金属复合层板的纤维金属复合层板成形模具，包括对应设置的凸模1和组合凹模，凸模1位于组合凹模上方，组合凹模包括下凹模7和设置在下凹模7上的上凹模9，上凹模9和下凹模7之间设置有隔热层8，凸模1的底部和上凹模9的顶部分别均匀设置有若干个通水孔11；凸模1的侧部设置有压边装置2，压边装置2包括通过弹簧与凸模1的底端连接的压边圈，凸模1、压边圈及上凹模9中分别设置有若干个加热棒10。通水孔11的一端连接有进水管、另一端连接有出水管。
此外，还包括真空袋膜3和电源控制系统，真空袋膜3用于隔绝复合层板12和模具，而电源控制系统能够通过电极5和引线4向铝合金层121输出交流电或脉冲电流，并向加热棒10提供电流，电极5设置在基座6上。
如图5所示，本发明还提供一种上述纤维金属复合层板的成形方法，包括以下步骤：
(1)将经过机械打磨和阳极化处理后的铝合金层121、等离子表面活化处理后的碳纤维预浸料层123及PEEK树脂层122按照权利要求1或2中的纤维金属复合层板中的铺层方式进行铺层，以形成复合层板12；成型前对铝合金层121、碳纤维预浸料层123进行表面处理，不仅可以提高树脂与金属的结合强度，而且可以促进树脂在纤维内流动，提高成形后的界面强度与层间力学性能。
(2)将复合层板12装入真空袋膜3中，并使两个铝合金层121分别通过引线4与电极5电连接，引线4穿过真空袋膜3，同时将真空袋膜3抽真空，对上凹模9和凸模1刷脱模剂，然后将真空袋膜3平放在上凹模9上，电极5连接电源控制系统；真空袋膜3一方面起到绝缘的作用，另一方面，在真空袋膜3内成形，可以最大程度的防止环境空气中的水及水蒸气吸入热塑性树脂中形成微孔气泡，达到降低空隙率的目的。
(3)加热：对电极5通入交流电，同时对加热棒10中也通入相应电流，通过红外温度测试仪测定复合层板12的加热温度在PEEK树脂熔融温度Tm以上(PEEK树脂熔融温度Tm≈343℃，通常加热至温度385℃)，凸模1、上凹模9及压边圈的加热热量QH及加热后的温度依据成形的工艺需要确定；此时，连接电极5及电源引线44的电源控制系统输出交流电，起到加热复合层板12的作用。
(4)冲压成形：通过压力机使凸模1向下冲压，复合层板12在凸模1、组合凹模所形成的封闭型腔内冲压成形；同时，连接电极5的电源控制系统向电极5输出脉冲电流，通过脉冲电流在金属内产生的电致塑性效应，提升金属的流动性，从而保证复合层板12结构金属具有良好的塑性成形性能。
(5)冷却、树脂固化：合模后，连接电极5及电热棒的电源控制系统断电；凸模1保持在冲压位置并保持冲压压力，凸模1、上凹模9自然冷却或者在通水孔11内通冷却水，使得成形模具及复合层板12冷却至PEEK树脂玻璃化温度Tg以下；PEEK树脂固化，金属进入时效温度Ta范围内；
(6)人工时效：将压力机卸载，但保持凸模1位置不变；凸模1、上凹模9上的加热棒10通电，通过温度的闭环控制，使得凸模1、上凹模9的温度在时效温度Ta以上，PEEK树脂玻璃化温度Tg以下(PEEK树脂玻璃化转变温度Tg≈143℃)，复合层板12在凸凹模型腔内保温6～12小时；随后凸模1、上凹模9上的加热棒10断电，通水孔11内快速通入冷却水，实现复合层板12的淬火热处理，稳定成形状态并提高成形性能；
(7)脱模：使凸模1上行，然后取出成形后的复合层板12。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种纤维金属复合层板，其特征在于：包括两个铝合金层，两个所述铝合金层之间设置有至少两个PEEK树脂层，相邻的两个所述PEEK树脂层之间设置有碳纤维预浸料层。
2.根据权利要求1所述的纤维金属复合层板，其特征在于：所述PEEK树脂层为两个，所述碳纤维预浸料层为一个；或所述PEEK树脂层为三个，所述碳纤维预浸料层为两个。
3.一种用于制作权利要求1或2所述的纤维金属复合层板的纤维金属复合层板成形模具，其特征在于：包括对应设置的凸模和组合凹模，所述凸模位于所述组合凹模上方，所述组合凹模包括下凹模和设置在所述下凹模上的上凹模，所述上凹模和所述下凹模之间设置有隔热层，所述凸模的底部和所述上凹模的顶部分别设置有若干个通水孔；所述凸模的侧部设置有压边装置，所述压边装置包括通过弹簧与所述凸模的底端连接的压边圈，所述凸模、所述压边圈及所述上凹模中分别设置有若干个加热棒。
4.根据权利要求3所述的纤维金属复合层板成形模具，其特征在于：所述通水孔的一端连接有进水管、另一端连接有出水管。
5.一种基于权利要求3所述的纤维金属复合层板成形模具的纤维金属复合层板成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将经过机械打磨和阳极化处理后的铝合金层、等离子表面活化处理后的碳纤维预浸料层及PEEK树脂层按照权利要求1或2中所述的纤维金属复合层板中的铺层方式进行铺层，以形成复合层板；
(2)将所述复合层板装入真空袋膜中，并使两个铝合金层分别通过引线与电极电连接，同时将所述真空袋膜抽真空，然后将所述真空袋膜平放在上凹模上；
(3)加热：对所述电极通入交流电，同时对加热棒中也通入相应电流，通过红外温度测试仪测定复合层板的加热温度在PEEK树脂熔融温度Tm以上；
(4)冲压成形：通过压力机使凸模向下冲压，复合层板在凸模、组合凹模所形成的封闭型腔内冲压成形；
(5)冷却、树脂固化：合模后，连接电极及电热棒的电源控制系统断电；凸模保持在冲压位置并保持冲压压力，凸模、上凹模自然冷却或者在通水孔内通冷却水，使得成形模具及复合层板冷却至PEEK树脂玻璃化温度Tg以下；PEEK树脂固化，金属进入时效温度Ta范围内；
(6)人工时效：将压力机卸载，但保持凸模位置不变；凸模、上凹模上的加热棒通电，通过温度的闭环控制，使得凸模、上凹模的温度在时效温度Ta以上，PEEK树脂玻璃化温度Tg以下，复合层板在凸凹模型腔内保温6～12小时；随后凸模、上凹模上的加热棒断电，通水孔内快速通入冷却水，实现复合层板的淬火热处理，稳定成形状态并提高成形性能；
(7)脱模：使所述凸模上行，然后取出成形后的复合层板。
6.根据权利要求5所述的纤维金属复合层板成形方法，其特征在于：所述引线穿过所述真空袋膜。
7.根据权利要求5所述的纤维金属复合层板成形方法，其特征在于：在步骤(3)中，凸模、上凹模及压边圈的加热热量QH及加热后的温度依据成形的工艺需要确定。
8.根据权利要求5所述的纤维金属复合层板成形方法，其特征在于：在步骤(4)中，连接所述电极的所述电源控制系统向所述电极输出脉冲电流。
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