CN111823667A - 一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，所述工艺具体包括以下步骤：S1、预处理：选取合适的连续纤维增强热塑性复合材料、铝合金板和细铁丝网，将铝合金板进行打磨后碱洗；S2、铺层加热处理：依次铺放预处理后的铝合金板、细铁丝网、连续纤维增强热塑性复合材料、细铁丝网、预处理后的铝合金板，通过平面感应加热设备迅速加热细铁丝网；S3、轧制成形：通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板；S4、将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱保温一段时间后冷却至室温，本发明解决Al/CFRTP/Al复合板制备周期长、制备成本高的现状，具有成本较低、适用范围广以及操作简单等特点。

Description

一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺
技术领域
本发明涉及轻量化复合材料成形领域，尤其是一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺。
背景技术
为了减少温室气体排放和能源消耗，对轻量化零件的需求不断增加，这就要求使用高强度材料，如钛合金、镁合金、高强度铝合金、先进高强度钢和连续纤维增强热塑性复合材料。其中，连续纤维增强热塑性复合材料CFRTP强度最高，开发CFRTP制品是满足轻量化零件需求的可行途径。
传统Al/CFRTP/Al复合板制备工艺多采取热压成形，由于每个工件进行热压时都需要铺层、定位、夹紧、加热和模压。因此该工艺的时间成本仍然很高，难以实现高产、低成本的生产。此外，对长制品（如高速铁路车辆中使用的长度为25米的部件）的强烈需求，要求制造长Al/CFRTP/Al复合板，由于加热装置和压力机长度的限制，使用热压工艺极难制造长Al/CFRTP/Al复合板。
发明内容
本发明提供一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，通过平面感应加热和轧制成型的方式来解决制备过程复杂、生产成本较高以及生产周期较长等问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，所述工艺具体包括以下步骤：
S1、预处理：选取合适的连续纤维增强热塑性复合材料、铝合金板和细铁丝网，将铝合金板进行打磨碱洗处理；
S2、铺层加热处理：依次铺放预处理后的铝合金板、细铁丝网、连续纤维增强热塑性复合材料、细铁丝网、预处理后的铝合金板，通过平面感应加热设备迅速加热细铁丝网；
S3、轧制成形：通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板；
S4、将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱保温一段时间后冷却至室温。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中的连续纤维增强热塑性复合材料厚度在1.0mm～3.0mm之间，材质选用聚酰胺6预浸带。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中平面感应加热设备将细铁丝网迅速加热使CFRTP和铝合金板界面温度高于CFRTP基体熔融温度60℃～85℃。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中轧机的轧辊为橡胶辊。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤S4中将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱保温15min且保温温度为160℃。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明工艺操作简单，易于实现批量化生产；
2、本发明工艺的时间成本底，容易实现高产、低成本的生产；
3、本发明工艺适合长制品的生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，所述工艺具体包括以下步骤：
S1、预处理：选取合适的连续纤维增强热塑性复合材料、铝合金板和细铁丝网，连续纤维增强热塑性复合材料厚度在1.0mm～3.0mm之间，材质选用聚酰胺6预浸带。由于铝合金板表面极易氧化，需要对铝合金板进行预处理，稳定铝合金板表面结构。将铝合金板用砂纸打磨后放入浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗5min进行表面活化预处理；
S2、铺层加热处理：依次铺放预处理后的铝合金板、细铁丝网、连续纤维增强热塑性复合材料、细铁丝网、预处理后的铝合金板，细铁丝网铺放在连续纤维增强热塑性复合材料和铝合金板之间，在平面感应加热过程中起到加热源的作用，所述步骤S2中平面感应加热设备将细铁丝网迅速加热使CFRTP和铝合金板界面温度高于CFRTP基体熔融温度60℃～85℃；
S3、轧制成形：通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板，所述轧机的轧辊为橡胶辊，避免轧制过程中对纤维的破坏。所述轧机只有一个主动辊，另一个轧辊为从动辊，从动辊没有动力输入，使Al/CFRTP/Al复合板最外两层线速度一致，防止因线速度不同出现的分层现象；
S4、将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱保温且保温温度为160℃，CFRTP和铝合金板之间的界面温度在感应加热过程中迅速加热，但是CFRTP的导热性并不高，通过在保温箱的保温，减少铝合金板的残余热应力，稳定CFRTP和铝合金界面，在保温箱保温15min后冷却至室温。
实施例1：
本实施例提供了一种Al/CFRTP/Al复合板快速成型制备工艺，由于聚酰胺6是一种常用做热塑纤维增强复合材料基体的高分子聚合物，因此，本实施例选用聚酰胺6预浸带为加工原料，聚酰胺6的熔融温度为220℃，聚酰胺6预浸带单层厚度0.2mm，铝合金板选用A6061，单层厚1mm；本工艺具体包括以下步骤：
将铝合金板用180目砂纸打磨，随后将铝合金板放入浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗5min，目的是清洗铝合金板表面去污、去油，使通过预处理后的铝合金板表面结构稳定，依次铺放碱洗后的铝合金板、细铁丝网、10层聚酰胺6预浸带、细铁丝网、碱洗后的铝合金板，经过平面感应加热迅速将细铁丝网加热到290℃使CFRTP和铝合金板界面温度高于聚酰胺6基体熔融温度70℃。
通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板，辊缝为3.7mm，轧辊线速度2m/min。随后将Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱，保温温度160℃，保温时间15min，然后空冷至常温。
实验表明，CFRTP和Al界面之间温度在平面感应加热阶段加热到聚酰胺6熔融温度以上60℃～85℃，试件在轧制过程中聚酰胺6完全融化，轧制过程中CFRTP孔隙率明显下降且试件不易分层，CFRTP和Al界面之间的粘接强度达到传统工艺的粘接强度，Al/CFRTP/Al复合板整体质量稳定。
对比例1：
本对比例中，铁丝网平面感应加热温度为250℃，其他参数与实施例1相同。本工艺具体包括以下步骤：
将铝合金板用180目砂纸打磨，随后将铝合金板放入浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗5min，目的是清洗铝合金板表面去污、去油，使通过预处理后的铝合金板表面结构稳定，依次铺放碱洗后的铝合金板、细铁丝网、10层聚酰胺6预浸带、细铁丝网、碱洗后的铝合金板，经过平面感应加热迅速将细铁丝网加热到250℃使CFRTP和铝合金板界面温度高于聚酰胺6基体熔融温度30℃。
通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板，辊缝为3.7mm，轧辊线速度2m/min。随后将Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱，保温温度160℃，保温时间15min，然后空冷至常温。
实验表明，CFRTP和Al界面之间温度在平面感应加热阶段未达到聚酰胺6熔融温度以上60℃～85℃，试件在轧制过程中聚酰胺6未完全融化，大部分聚酰胺6仍然处在玻璃态并未转化为黏流态，轧制过程中出现CFRTP崩碎和试件极易分层的问题。
对比例2：
本对比例中，铁丝网平面感应加热温度为330℃，其他参数与上述实施例1相同。本工艺具体包括以下步骤：
将铝合金板用180目砂纸打磨，随后将铝合金板浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗5min，目的是清洗铝合金板表面去污、去油，使通过预处理后的铝合金板表面结构稳定，依次铺放碱洗后的铝合金板、细铁丝网、10层聚酰胺6预浸带、细铁丝网、碱洗后的铝合金板，经过平面感应加热迅速将细铁丝网加热到330℃使CFRTP和铝合金板界面温度高于聚酰胺6基体熔融温度90℃。
通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板，辊缝为3.7mm，轧辊线速度2m/min。随后将Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱，保温温度160℃，保温时间15min，然后空冷至常温。
实验表明，CFRTP温度在平面感应加热阶段高于聚酰胺6熔融温度以上90℃，聚酰胺6在该温度下开始出现降解现象，导致CFRTP脆性提高韧性下降。虽然该温度下CFRTP和Al界面之间的粘接强度有所提高，但是CFRTP的机械性能大幅下降，Al/CFRTP/Al复合板整体机械性能大幅下降。
对比例3：
本对比例中，将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱的保温温度为80℃，其他参数与上述实施例相同。本工艺具体包括以下步骤：
将铝合金板用180目砂纸打磨，随后将铝合金板浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗5min，目的是清洗铝合金板表面去污、去油，使通过预处理后的铝合金板表面结构稳定，依次铺放碱洗后的铝合金板、细铁丝网、10层聚酰胺6预浸带、细铁丝网、碱洗后的铝合金板，经过平面感应加热迅速将细铁丝网加热到290℃。
通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板，辊缝为3.7mm，轧辊线速度2m/min。随后将Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱，保温温度80℃，保温时间15min，然后空冷至常温。
实验表明，将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱保温的温度太低，未能有效的消除CFRTP和Al界面之间的残余热应力，由于残余热应力相差太大导致分层现象，在较大尺寸试件中更容易出现该种现象。
对比例4：
本对比例中选用4层聚酰胺6预浸带叠层，叠层后的厚度0.8mm。辊缝为2.2mm。其他参数与上述实施例相同。本工艺具体包括以下步骤：
将铝合金板用180目砂纸打磨，随后将铝合金板浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗5min，目的是清洗铝合金板表面去污、去油，使通过预处理后的铝合金板表面结构稳定，依次铺放碱洗后的铝合金板、细铁丝网、4层聚酰胺6预浸带、细铁丝网、碱洗后的铝合金板，经过平面感应加热迅速将细铁丝网加热到290℃。
通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板，辊缝为2.2mm，轧辊线速度2m/min。随后将Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱，保温温度160℃，保温时间15min，然后空冷至常温。
实验表明，CFRTP层厚度小于1mm导致轧制过程中CFRTP可变形量过小，上下表面铝合金板产生刚性接触，出现CFRTP中增强纤维断裂的问题。
对比例5：
本对比例中选用20层聚酰胺6预浸带叠层，叠层后的厚度4mm。辊缝为5.0mm。其他参数与上述实施例相同。本工艺具体包括以下步骤：
将铝合金板用180目砂纸打磨，随后将铝合金板浓度为100g/L的氢氧化钠溶液中进行碱洗5min，目的是清洗铝合金板表面去污、去油，使通过预处理后的铝合金板表面结构稳定，依次铺放碱洗后的铝合金板、细铁丝网、20层聚酰胺6预浸带、细铁丝网、碱洗后的铝合金板，经过平面感应加热迅速将细铁丝网加热到290℃。
通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板，辊缝为5mm，轧辊线速度2m/min。随后将Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱，保温温度160℃，保温时间15min，然后空冷至常温。
实验表明，CFRTP层厚度大于4mm导致轧制过程中CFRTP可变形量过大。在轧制阶段大量聚酰胺6在轧制力的作用下出现局部流动，导致增强纤维排布方向不一致，出现纤维增强效果失效、Al/CFRTP/Al复合板整体机械性能下降、Al/CFRTP/Al复合板整体质量不稳定的问题。

Claims (5)

1.一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，其特征在于：所述工艺具体包括以下步骤：
S1、预处理：选取合适的连续纤维增强热塑性复合材料、铝合金板和细铁丝网，将铝合金板进行打磨后碱洗；
S2、铺层加热处理：依次铺放预处理后的铝合金板、细铁丝网、连续纤维增强热塑性复合材料、细铁丝网、预处理后的铝合金板，通过平面感应加热设备迅速加热细铁丝网；
S3、轧制成形：通过轧机使Al/CFRTP/Al轧制成复合板；
S4、将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱保温一段时间后冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，其特征在于：所述步骤S1中的连续纤维增强热塑性复合材料厚度在1.0mm～3.0mm之间，材质选用聚酰胺6预浸带。
3.根据权利要求1所述的一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，其特征在于：所述步骤S2中平面感应加热设备将细铁丝网迅速加热使CFRTP和铝合金板界面温度高于CFRTP基体熔融温度60℃～85℃。
4.根据权利要求1所述的一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，其特征在于：所述步骤S3中轧机的轧辊为橡胶辊。
5.根据权利要求1所述的一种Al/CFRTP/Al复合板快速制备工艺，其特征在于：所述步骤S4中将轧制成形的Al/CFRTP/Al复合板放入保温箱保温15min且保温温度为160℃。
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