CN110539510B - 纤维金属超混杂t形加筋结构的一体化成型模具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型模具及方法，包括以下步骤：1)对铝合金薄板进行表面处理；2)将铝合金薄板在T形槽底部贯穿形成与T形槽形状一致的T形开口，然后用酒精清洗表面残留油污；3)将另一块或多块经过表面处理的铝合金薄板、一块或多块连续纤维增强热塑性树脂预浸料以及一块或多块热塑性树脂胶膜按设计要求和顺序铺设于液压成型后的铝合金薄板之上，将铺层好的结构用耐高温真空袋膜密封并抽真空；4)注入微米级纤维增强的热塑性树脂注入T形开口中；5)保温固化。实现了一种纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型方法。本发明生产效率高、生产成本低，为纤维金属超混杂结构的制备提供了较好的思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种轨道交通、汽车工业领域，特别涉及一种纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型模具及方法，属于复合材料的制备领域。
背景技术
轨道交通、汽车工业的技术创新对推动我国的经济发展和工业现代化具有重要意义。随着轨道交通行业的高速化以及汽车行业的轻量化的不断推进，对车体的主承力部件提出了更高的要求。纤维金属层板是金属薄板和纤维复合材料交替铺层，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料，也称超混杂层板。以GLARE(glass reinforcedaluminum laminates)层板为例，是由0.3-0.5mm的铝合金薄板与玻璃纤维增强环氧预浸料(0.2-0.3mm)交替层压而成，具有突出的抗疲劳性能及较高的缺口断裂性能，可使飞机结构减重25％-30％，抗疲劳寿命提高10-15倍。GLARE在空客A380上机身蒙皮、垂直和水平尾翼前缘等关键部件的应用使飞机减重800kg。纤维金属超混杂复合材料因其优异的机械性能以及轻量化设计理念被广泛的应用于航空航天领域，如何将该种材料应用于大批量低成本制造的民用交通工具上，仍存在许多亟需攻克的难题。航空航天用纤维金属层板中的树脂以热固性环氧为主，采用热压罐制备方法，该方法成本高、加工工艺周期长。此外，在结构设计中，为了提高面板和整体结构的承载能力，一般在垂直于面板方向使用加筋结构，形状一般有“T”形，“I”形，“J”形等。目前主要采用的连接技术是二次胶接或铆接，将不利于民用交通工具的高效一体化成型。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型模具及方法。
针对我国汽车和轨道交通行业对纤维金属超混杂加筋结构的一体化成型方法以及性能方面的要求，采用带有T型槽的模具结构，结合液压成型和热塑性树脂固化工艺，可制备不同性能要求的纤维金属超混杂结构，有效地解决了纤维金属超混杂加筋结构的一体化成型的难题。
一种纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型方法，包括以下步骤：
1)对铝合金薄板进行表面处理；
2)将经过表面处理的一块铝合金薄板放置在具有T形槽的模具中，T形槽的断面形状与T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，设置液压机充液室压力，进行铝合金薄板的液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿形成与T形槽形状一致的T形开口，然后清洗铝合金薄板表面残留油污；
3)将另一块或多块经过表面处理的铝合金薄板、一块或多块连续纤维增强热塑性树脂预浸料以及一块或多块热塑性树脂胶膜按设计要求和顺序铺设于液压成型后的铝合金薄板之上，将铺层好的结构用耐高温真空袋膜密封并抽真空；
4)在模具中耐高温真空袋膜上方的液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力和导热油的温度，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将微米级纤维增强的热塑性树脂注入T形开口中；
5)保温保压一定时间，进行固化，固化结束后自然冷却到室温，去除真空袋膜，切除构件余料，得到制备的纤维金属超混杂结构。
所述的方法，所述步骤1)中的铝合金薄板规格为0.3-0.5mm，可为2系、6系和7系。
所述的方法，所述步骤1)中的铝合金表面处理方法包括两步：第一步是表面纳米化处理，包括：(1)碱洗：NaOH和Na2CO3各30g/L的混合溶液，温度为50-60℃，处理时间为0.5-1min，自来水漂洗2-5min；(2)酸洗：HNO3浓度300-500g/L，处理时间为2-5min，自来水漂洗2-5min；(3)25％氨水溶液，处理时间为20min；第二步是氮气等离子表面处理，其中电压为5000V，氮气气体流量为600sccm，温度为40℃，工作真空度为30Pa，处理时间为10min。
所述的方法，所述步骤2)中的液压机充液室压力根据公式F＝1.3Ltσ/g确定，其中L为去除材料的周长，单位是mm；t为去除材料的厚度，单位是mm；σ为去除材料的抗剪强度，单位是KN/mm2，g取9.8；去除材料指的是与T形槽接触位置的铝合金材料在液压作用下被去除而得到T形开口。
所述的方法，所述步骤3)中的连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维和玄武岩纤维；热塑性树脂包括聚丙烯(PP)和聚酰胺(PA)；热塑性树脂胶膜的厚度为0.03-0.05mm。
所述的方法，所述步骤4)中液压机充液室压力为0.3-0.5MPa；导热油温度根据热塑性树脂种类而定，其中PP为180℃，PA为230℃。
所述的方法，所述步骤4)中微米级纤维增强的热塑性树脂注射压力与液压机充液室压力一致。
所述的方法，所述步骤4)中的微米级纤维规格为100-200μm，其制备方法为将短切的纤维放入立式方形行星球磨机的刚玉罐中，加入氧化锆球，设定转速为3000rpm，球磨时间2-3小时。
所述的方法，所述步骤4)中微米级纤维增强的热塑性树脂中纤维含量为30％-40％。
所述的方法，所述步骤5)中的保温保压时间为5-10min。
纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型模具，包括液压机充液室、T形槽和热塑性树脂注入通道连通；T形槽的断面形状与欲得到的T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力，用于对模具最底层的铝合金薄板进行液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿得到T形开口；按设计要求铺设好铝合金薄板、连续纤维增强热塑性树脂预浸料以及热塑性树脂胶膜后，充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力和导热油的温度，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将注入微米级纤维增强的热塑性树脂注入T形开口中。
所述的一体化成型模具，T形槽上下宽度、深度比分别是2:1和1:1，槽口宽度是铝合金薄板宽度的0.01倍。
本发明的有益效果在于：
本发明针对纤维金属超混杂加筋结构的一体化成型难度高的问题，结合液压成型技术和热塑性树脂固化工艺，同时将连续纤维和短纤维应用与结构中，高效制备不同性能要求的纤维金属超混杂加筋结构，从而满足汽车和轨道交通行业所需该类纤维金属超混杂加筋结构的一体化成型的制造需求。
本发明方法生产效率高，是目前唯一可实现不同尺寸不同结构(2/1、3/2、4/3)的纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型方法。同时，采用液压成型技术，无需上模，并且带有T型槽的下模不仅可以用于铝合金薄板的液压成型，还可再次用于纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型工艺。为纤维金属超混杂结构的工业化批量生产与应用提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明纤维金属超混杂结构的制备工艺流程图；
图2为本发明的模具图，其中(a)是俯视图，(b)是主视图；
图3是T型槽尺寸；
图4为本发明铝合金薄板的液压成型示意图；
图5为本发明制备纤维金属超混杂结构示意图；
图6为本发明制备的纤维金属超混杂结构示意图，其中(a)是2/1结构(铝合金/复合材料/铝合金)，(b)是3/2结构(铝合金/复合材料/铝合金/复合材料/铝合金)，(c)是4/3结构(铝合金/复合材料/铝合金/复合材料/铝合金/复合材料/铝合金)；
图2中1为T型槽，2为液压机充液室，3为热塑性树脂注入通道；
图4中4为冲槽后的铝合金薄板；
图5中5为耐高温真空袋膜、6为铝合金薄板、7为连续纤维增强热塑性树脂预浸料、8为微米级纤维增强的热塑性树脂。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型模具，该模具中设置有液压机充液室、T形槽和热塑性树脂注入通道连通，T形槽上下宽度、深度比分别是2:1和1:1，槽口宽度是铝合金薄板宽度的0.01倍；T形槽的断面形状与欲得到的T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力，用于对模具最底层的铝合金薄板进行液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿得到T形开口；同时，在按设计要求铺设好铝合金薄板、连续纤维增强热塑性树脂预浸料以及热塑性树脂胶膜后，充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力和导热油的温度，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将注入微米级纤维增强的热塑性树脂注入T形开口中。
实施例1
第一步铝合金薄板(AA7475-T6，0.4mm×250mm×250mm)坯料准备，并进行表面处理。铝合金表面处理方法包括两步：第一步是表面纳米化处理，包括：(1)碱洗：NaOH和Na2CO3各30g/L的混合溶液，温度为50-60℃，处理时间为0.5-1min，自来水漂洗2-5min；(2)酸洗：HNO3浓度300-500g/L，处理时间为2-5min，自来水漂洗2-5min；(3)25％氨水溶液，处理时间为20min；第二步是氮气等离子表面处理，其中电压为5000w，氮气气体流量为600sccm，温度为40℃，工作真空度为30Pa，处理时间为10min；
第二步将经过表面处理的一块铝合金薄板放置在具有T形槽(宽度是2.5mm)的模具中，T形槽的断面形状与T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，设置液压机充液室压力为9.4吨(F＝1.3Ltσ/g＝1.3×505mm×0.4mm×0.35KN/mm2÷9.8＝9.4吨)，进行铝合金薄板的液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿形成与T形槽形状一致的T形开口，然后用酒精清洗表面残留油污；
第三步将两块经过表面处理的铝合金薄板、两块连续玄武岩纤维增强聚丙烯预浸料以及两块聚丙烯胶膜按设计要求和顺序(铝合金薄板、聚丙烯胶膜、玄武岩纤维增强聚丙烯预浸料、聚丙烯胶膜、液压成型后的铝合金薄板)铺设于液压成型后的铝合金薄板之上，将铺层好的结构用耐高温真空袋膜密封并抽真空；
第四步将3mm短切的玄武岩纤维放入立式方形行星球磨机的刚玉罐中，加入氧化锆球，设定转速为3000rpm，球磨时间2小时，制备出100-200μm的玄武岩纤维。设置搅拌棒的转速为2000rpm，在熔融的聚丙烯中加入35％的玄武岩纤维，搅拌时间6h。
第五步在模具中耐高温真空袋膜上方的液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力为0.3MPa和导热油的温度为180℃，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将微米级玄武岩纤维增强的聚丙烯树脂注入T形开口中；
第六步保温保压5min，进行固化，固化结束后自然冷却到室温，去除真空袋膜，切除构件余料，得到制备的2/1结构的纤维金属超混杂结构。
实施例2
第一步铝合金薄板(AA2024-T3，0.3mm×200mm×200mm)坯料准备，并进行表面处理。铝合金表面处理方法包括两步：第一步是表面纳米化处理，包括：(1)碱洗：NaOH和Na2CO3各30g/L的混合溶液，温度为50-60℃，处理时间为0.5-1min，自来水漂洗2-5min；(2)酸洗：HNO3浓度300-500g/L，处理时间为2-5min，自来水漂洗2-5min；(3)25％氨水溶液，处理时间为20min；第二步是氮气等离子表面处理，其中电压为5000w，氮气气体流量为600sccm，温度为40℃，工作真空度为30Pa，处理时间为10min；
第二步将经过表面处理的一块铝合金薄板放置在具有T形槽(宽度是2mm)的模具中，T形槽的断面形状与T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，设置液压机充液室压力为4.8吨(F＝1.3Ltσ/g＝1.3×404mm×0.3mm×0.3KN/mm2÷9.8＝4.8吨)，进行铝合金薄板的液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿形成与T形槽形状一致的T形开口，然后用酒精清洗表面残留油污；
第三步将三块经过表面处理的铝合金薄板、四块连续碳纤维增强聚酰胺预浸料以及四块聚酰胺胶膜按设计要求和顺序(铝合金薄板、聚酰胺胶膜、碳纤维增强聚酰胺预浸料、聚酰胺胶膜、铝合金薄板、聚酰胺胶膜、碳纤维增强聚酰胺预浸料、聚酰胺胶膜、液压成型后的铝合金薄板)铺设于液压成型后的铝合金薄板之上，将铺层好的结构用耐高温真空袋膜密封并抽真空；
第四步将6mm短切的碳纤维放入立式方形行星球磨机的刚玉罐中，加入氧化锆球，设定转速为3000rpm，球磨时3小时，制备出100-200μm的碳纤维。设置搅拌棒的转速为2000rpm，在熔融的聚酰胺中加入30％的短切碳纤维，搅拌时间8h。
第五步在模具中耐高温真空袋膜上方的液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力为0.4MPa和导热油的温度为230℃，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将微米级碳纤维增强的聚酰胺树脂注入T形开口中；
第六步保温保压7min，进行固化，固化结束后自然冷却到室温，去除真空袋膜，切除构件余料，得到制备的3/2结构的纤维金属超混杂结构。
实施例3
第一步铝合金薄板(AA6061-T6，0.5mm×300mm×300mm)坯料准备，并进行表面处理。铝合金表面处理方法包括两步：第一步是表面纳米化处理，包括：(1)碱洗：NaOH和Na2CO3各30g/L的混合溶液，温度为50-60℃，处理时间为0.5-1min，自来水漂洗2-5min；(2)酸洗：HNO3浓度300-500g/L，处理时间为2-5min，自来水漂洗2-5min；(3)25％氨水溶液，处理时间为20min；第二步是氮气等离子表面处理，其中电压为5000w，氮气气体流量为600sccm，温度为40℃，工作真空度为30Pa，处理时间为10min；
第二步将经过表面处理的一块铝合金薄板放置在具有T形槽(宽度是3mm)的模具中，T形槽的断面形状与T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，设置液压机充液室压力为7.0吨(F＝1.3Ltσ/g＝1.3×606mm×0.5mm×0.174KN/mm2÷9.8＝7.0吨)，进行铝合金薄板的液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿形成与T形槽形状一致的T形开口，然后用酒精清洗表面残留油污；
第三步将四块经过表面处理的铝合金薄板、六块连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸料以及四块聚丙烯胶膜按设计要求和顺序(铝合金薄板、聚丙烯胶膜、玻璃纤维增强聚丙烯预浸料、聚丙烯胶膜、铝合金薄板、聚丙烯胶膜、玻璃纤维增强聚丙烯预浸料、聚丙烯胶膜、铝合金薄板、聚丙烯胶膜、玻璃纤维增强聚丙烯预浸料、聚丙烯胶膜、液压成型后的铝合金薄板)铺设于液压成型后的铝合金薄板之上，将铺层好的结构用耐高温真空袋膜密封并抽真空；
第四步将3mm短切的玻璃纤维放入立式方形行星球磨机的刚玉罐中，加入氧化锆球，设定转速为3000rpm，球磨时间2.5小时，制备出100-200μm的玻璃纤维。设置搅拌棒的转速为2000rpm，在熔融的聚丙烯中加入40％的玻璃纤维，搅拌时间10h。
第五步在模具中耐高温真空袋膜上方的液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力为0.5MPa和导热油的温度为180℃，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将微米级玻璃纤维增强的聚丙烯树脂注入T形开口中；
第六步保温保压10min，进行固化，固化结束后自然冷却到室温，去除真空袋膜，切除构件余料，得到制备的4/3结构的纤维金属超混杂结构。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对铝合金薄板进行表面处理；
2)将经过表面处理的一块铝合金薄板放置在具有T形槽的模具中，T形槽的断面形状与T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，设置液压机充液室压力，进行铝合金薄板的液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿形成与T形槽形状一致的T形开口，然后清洗铝合金薄板表面残留油污；
3)将另一块或多块经过表面处理的铝合金薄板、一块或多块连续纤维增强热塑性树脂预浸料以及一块或多块热塑性树脂胶膜按设计要求和顺序铺设于模具中液压成型后的铝合金薄板之上，将铺层好的结构用耐高温真空袋膜密封并抽真空；
4)在模具中耐高温真空袋膜上方的液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力和导热油的温度，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将微米级纤维增强的热塑性树脂注入T形开口中；
5)保温保压一定时间，进行固化，固化结束后自然冷却到室温，去除真空袋膜，切除构件余料，得到制备的纤维金属超混杂结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中的铝合金表面处理方法包括两步：第一步是表面纳米化处理，包括：(1)碱洗：NaOH和Na2CO3各30g/L的混合溶液，温度为50-60℃，处理时间为0.5-1min，自来水漂洗2-5min；(2)酸洗：HNO3浓度300-500g/L，处理时间为2-5min，自来水漂洗2-5min；(3)25％氨水溶液，处理时间为20min；第二步是氮气等离子表面处理，其中电压为5000V，氮气气体流量为600sccm，温度为40℃，工作真空度为30Pa，处理时间为10min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中的液压机充液室压力根据公式F＝1.3Ltσ/g确定，其中L为去除材料的周长，单位是mm；t为去除材料的厚度，单位是mm；σ为去除材料的抗剪强度，单位是KN/mm2，g取9.8；去除材料指的是与T形槽接触位置的铝合金材料在液压作用下被去除而得到T形开口。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中的连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维和玄武岩纤维；热塑性树脂包括聚丙烯(PP)和聚酰胺(PA)；热塑性树脂胶膜的厚度为0.03-0.05mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中微米级纤维增强的热塑性树脂注射压力与液压机充液室压力一致。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中的微米级纤维规格为100-200μm，其制备方法为将短切的纤维放入立式方形行星球磨机的刚玉罐中，加入氧化锆球，设定转速为3000rpm，球磨时间2-3小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中微米级纤维增强的热塑性树脂中纤维含量为30％-40％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中的保温保压时间为5-10min。
9.纤维金属超混杂T形加筋结构的一体化成型模具，其特征在于，包括液压机充液室、T形槽和热塑性树脂注入通道连通；T形槽的断面形状与欲得到的T形加筋的断面形状相同，T形槽的长度与T形加筋的长度相同，T形槽底部与热塑性树脂注入通道连通，液压机充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力，用于对模具最底层的铝合金薄板进行液压成型，使得铝合金薄板在T形槽底部贯穿得到T形开口；按设计要求铺设好铝合金薄板、连续纤维增强热塑性树脂预浸料以及热塑性树脂胶膜后，充液室充满导热油，设置液压机充液室的压力和导热油的温度，同时通过模具下方的热塑性树脂注入通道以一定的压力将注入微米级纤维增强的热塑性树脂注入T形开口中。
10.根据权利要求9所述的一体化成型模具，其特征在于，T形槽上下宽度、深度比分别是2:1和1:1，槽口宽度是铝合金薄板宽度的0.01倍。
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