CN113043682B - 一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，属于板材复合材料领域。该结构可以有效地改善纤维金属层板金属层表面较深盲孔或盲坑微结构树脂不易浸润的问题，增强金属基体与纤维预浸料的层间结合性能。该结构分别由具有空间几何非对称结构的间隔一定距离的竖直锥形孔密集阵列结构、锥形孔主孔洞和副孔洞组成的多级结构或具有不同空间曲率的阿基米德螺线或对数螺线形轨迹的凹坑结构、具有阿基米德螺线或对数螺线形轨迹的凹槽微结构组成。该结构主要用于纤维增强金属层板金属层表面较深盲孔或盲坑微结构树脂的浸润，该层板主要用于航空航天制造领域大飞机和高速空天飞行器机身、蒙皮等航空覆盖件零部件的制造。
Description
技术领域
本发明提出一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，属于板材复合材料领域。
背景技术
随着航空航天制造的发展，民用大型宽体客机、军用超音速战机越来越契合时代发展的需求成为今后相当一个时期内研究发展的热点和重点。伴随着大飞机体积和速度的提升对飞机制造材料的轻量化也提出了更高的要求，纤维金属层板凭借其高的比强度、比刚度、优异的疲劳性能、耐热耐腐蚀和良好的抗冲击性能、低密度轻量化的显著优势已成为航空制造发展研究的重点。目前已大量应用于大飞机机身、蒙皮、机翼前缘、整流罩、尾翼等部件。我国在相关领域的研究起步较晚，随着国产C919大飞机项目、嫦娥奔月工程、火星探测项目等的研究和实施对纤维金属层板等先进轻量化材料的需求也愈加强烈。因此加快对纤维金属层板制备和成形前沿领域的研究不仅具有重要的科学意义也具有重大的工程意义。
纤维金属层板是由不同材料在一定温度和压强下层压固化而成，不同材料的成形极限、膨胀系数、应变准则不同，层板在制备和成形的过程中容易出现脱粘、分层、纤维撕裂甚至金属基体的断裂。传统的金属表面处理方式如砂纸打磨、喷砂、阳极氧化等，虽然可以在一定程度上增加金属表面粗糙度增强金属与树脂的粘结性能，但仍然无法有效解决层板零件成形过程中的分层问题。近年来虽有学者开始提出在层板金属层表面制作一定的微结构来增强其层间结合性能，但对于微结构中较深盲孔或盲坑树脂的浸润问题还有待解决。
发明内容
为改善层板零件在制备和成形过程中易分层的不足，本发明公开了一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板。该层板改善以往传统金属层表面较随机地处理方式，采用具有特定形状、规则阵列且具有树脂自浸润特性的微结构以改善和增强层板零件的层间结合性能。
树脂或水滴在微观结构中的浸润不仅受到重力、摩擦力的影响还会受到表面张力的作用。如果表面张力在某一方向的作用力大于与其反方向的其他作用力就会实现液滴的定向移动，甚至出现液滴克服自身重力自下而上的定向运动。在自然界中能够实现这种定向运动的结构一种是具有微纳复合结构或表面粗糙度具有一定梯度而使不同部位的材料具有不同的亲疏水特性的表面结构；另一种则是结构具有几何不对称特性而使液滴在表面张力的作用下可以实现定向运动，如锥形结构、螺类外壳的螺线结构等。
本发明提出的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，其金属层表面的微结构主要有两种形式，一种是利用锥形管的几何不对称特性：将锥形管水平放置时由于锥形管的几何不对称特性置于锥形管中的液滴与锥形管壁左右两侧所成的接触角大小不等，在表面张力的作用下会产生指向开口较小一侧的驱动力，从而驱使液滴自发的由开口较大一侧向开口较小一侧运动。正是借鉴锥形管的这一特性在金属层表面利用激光、电火花或其他符合要求的加工方式加工出一定深度密排阵列分布的锥形孔。其锥形孔的深度和顶角大小由所制备的纤维金属层板零件层间结合性能需求和树脂实际浸润效果确定。在此基础上借鉴植物根茎输送水分和自然界广泛存在的多级结构，制作金属层表面锥形孔多级仿生微结构，其主孔洞穿透金属层，主副孔洞相通解决金属层表面较深盲孔树脂浸润的排气问题。
另一种是借鉴自然界中大量存在的螺旋、螺线结构，如软体动物门中的大多数螺类、向日葵种子阵列、植物的触须和茎、天空中的漩涡状星云旋臂，高空中翱翔的鹰猎食、飞蛾扑火的对数螺线轨迹。因为除了圆锥形结构能驱动液滴的定向运动外，具有空间曲率梯度的特殊结构也会驱使液滴自发移动；其中最典型的就是自然界中无处不在的螺旋结构。经研究发现将水泡或微小重力液滴滴在具有对数螺线凹面或阿基米德螺线的凹面上，释放后会发现气泡向着螺线的中心快速移动，并且运动的速度越来越快；这说明螺线上每一点的曲率是不断变化的，越靠近螺线中心处曲率越大，气泡或液滴在螺线凹面内左右两侧的接触角是不同的，因此在表面张力的作用下驱动气泡或液滴向结构曲率较大的方向移动。正是利用这种表面张力驱动原理借鉴自然界非对称的螺旋、螺线结构，提出一种金属层表面阿基米德螺线或对数螺线形凹坑微结构。这种结构可以引导树脂顺着螺线凹面向着螺线中心处运动，有效的改善和提升微结构中较深盲孔或盲坑树脂浸润不易排气的问题。在此基础上，借鉴阿基米德螺线或对数螺线结构的液滴浸润特性和锥形孔液滴表面张力的不对称性提出金属层表面阿基米德螺线或对数螺线形轨迹凹槽微结构。其金属层表面的凹槽轨迹为阿基米德螺线结构或对数螺线结构，凹槽的截面为锥形管截面；其轨迹参数、截面开口角度由所加工纤维金属层板零件的结构、尺寸、界面结合性能需求所确定。根据螺线结构及锥形孔特性，树脂在金属层表面阿基米德螺线或对数螺线形轨迹凹槽微结构中会向着凹槽截面开口较小的内部运动，并且会顺着螺线轨迹向螺线轨迹曲率较大的中心处运动，促进树脂在阿基米德螺线或对数螺线形轨迹凹槽微结构中的浸润。此时阿基米德螺线或对数螺线形轨迹凹槽微结构就像一个个章鱼的“吸盘”一样，很大程度上增进了纤维金属层板零件的层间结合性能。
对于上述所提出的各种金属层表面微结构，所涉及的加工方法为激光、电火花加工，超精密数控铣床、五轴联动加工中心加工，或是符合要求的其他加工方式。在进行材料铺贴树脂涂覆时根据实际浸润效果可适时地将金属层微结构一侧朝上在利用微结构浸润的同时，利用树脂的重力效应促进树脂的浸润。
本发明所提出的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，其金属层为铝合金、钛合金、镁合金或其他符合要求的轻合金材料；纤维为芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维或其他符合要求的纤维增强体材料；树脂为热固性树脂或热塑性树脂。层板制备时将金属层、纤维预浸料按照一定的层板结构铺层，根据层板树脂类型加压固化时采取热固性树脂加热固化，热塑性树脂加热至树脂粘流态降温固化的方式对层板进行制备。本发明所公开的纤维金属层板采用金属层/纤维层n+1/n的铺层结构，纤维铺设角度为0°、±45°、90°等，其中纤维角度根据所制备层板零件实际服役环境所承担的载荷确定；纤维层可以为单层也可以根据需要铺设为双层或多层。
附图说明
图1是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板结构原理示意图。
图2是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板实施例1，金属层表面竖直锥形孔密集阵列结构示意图。
图3是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板实施例2，金属层表面锥形孔多级仿生微结构示意图。
图4是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板实施例3，金属层表面阿基米德螺线或对数螺线形凹坑微结构示意图。
图5是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板实施例4，金属层表面阿基米德螺线或对数螺线形轨迹凹槽微结构俯视示意图。
图6是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板锥形管液滴所受张力原理示意图。
图7是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板实施例3中，阿基米德螺线或对数螺线形凹槽微结构轨迹放大示意图。
图8是本发明公开的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板实施例3中，阿基米德螺线或对数螺线形轨迹凹槽微结构凹槽截面示意图。
图中：1、5金属层；2、4微结构部位示意；3纤维树脂层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做详细说明，以下实施例旨在更加清晰的说明本发明所涉及的技术方案而不应成为限制本发明保护范围的依据。
实施例1
与纤维树脂预浸料相接触的金属层表面浸润微结构如图2所示：金属层表面的微结构由若干个间隔一定距离的竖直锥形孔密集阵列结构组成，锥形孔开口较大一侧朝向树脂一侧，开口较小一侧朝向金属层一侧。锥形孔两侧的开口大小及锥形孔的深度由树脂在锥形孔中实际的浸润效果及层板零件的层间结合性能确定。金属层制备完成后，将金属层、树脂、纤维增强材料按一定的方式铺层。按照热固性树脂层板加热固化，热塑性树脂层板加热到树脂粘流态降温固化的方式，在一定温度、一定压强、一定真空度下对层板坯料进行固化，最终制备出本发明所需的可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板。
实施例2
与纤维树脂预浸料相接触的金属层表面浸润微结构如图3所示：金属层表面的微结构由锥形孔主孔洞和分布于主孔洞周围的锥形孔副孔洞组成。主孔洞与副孔洞、副孔洞间成一定角度，锥形孔主孔洞为通孔，副空洞与主孔洞相通。锥形孔主副孔洞参数及夹角由树脂浸润效果及层板零件界面结合性能确定。金属层制备完成后，将金属层、树脂、纤维增强材料按一定的方式铺层。按照热固性树脂层板加热固化，热塑性树脂层板加热到树脂粘流态降温固化的方式，在一定温度、一定压强、一定真空度下对层板坯料进行固化，最终制备出本发明所需的可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板。
实施例3
与纤维树脂预浸料相接触的金属层表面浸润微结构如图4所示：金属层表面的微结构为阿基米德螺线或对数螺线形凹坑结构。凹坑轨迹为阿基米德螺线或对数螺线，微结构凹坑为规则密集阵列结构。凹坑轨迹参数、尺寸由树脂浸润效果及层板界面结合性能确定。金属层制备完成后，将金属层、树脂、纤维增强材料按一定的方式铺层。按照热固性树脂层板加热固化，热塑性树脂层板加热到树脂粘流态降温固化的方式，在一定温度、一定压强、一定真空度下对层板坯料进行固化，最终制备出本发明所需的可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板。
实施例4
与纤维树脂预浸料相接触的金属层表面浸润微结构如图5所示：金属层表面借鉴阿基米德螺线结构或对数螺线结构的液滴浸润特性和锥形孔的液滴表面张力不对称性提出金属层表面阿基米德螺线或对数螺线形轨迹凹槽微结构。其金属层表面的凹槽轨迹为阿基米德螺线结构或对数螺线结构，凹槽的截面为锥形管截面；其轨迹参数、截面开口角度由所加工纤维金属层板零件的结构、尺寸、界面结合性能所确定。金属层制备完成后，将金属层、树脂、纤维增强材料按一定的方式铺层。按照热固性树脂层板加热固化，热塑性树脂层板加热到树脂粘流态降温固化的方式，在一定温度、一定压强、一定真空度下对层板坯料进行固化，最终制备出本发明所需的可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板。
Claims (4)
1.一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，其特征在于：该层板由表面具有树脂仿生自浸润特性微结构的金属层、树脂、增强纤维按照一定的铺层方式和纤维铺设角度在一定条件下加压固化而成；
金属层表面加工规则阵列的锥形孔结构以促进树脂在锥形孔洞中的浸润，其锥形孔开口尺寸由树脂浸润效果、加工制备层板零件的结构及层间结合性能确定；
在所述锥形孔的几何不对称结构为借鉴自然界中广泛存在的多级结构如植物的根茎或树枝分叉的多级仿生微结构，所述多级仿生微结构包括穿透金属层表面的主孔洞和位于所述主孔洞周围并与所述主孔洞相通的若干副孔洞；所述多级仿生微结构解决金属层表面较深盲孔或盲坑在树脂浸润中的排气问题。
2.根据权利要求1所述的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，其特征在于：所述金属层表面还可以是阿基米德螺线凹坑微结构和对数螺线形凹坑微结构，所述对数螺线形凹坑微结构的对数螺线轨迹借鉴自然界中螺类、向日葵种子阵列、植物的触须和茎、天空中的漩涡状星云旋臂、鹰捕食或飞蛾扑火的轨迹中存在的螺旋、螺线结构，所述阿基米德螺线凹坑微结构和所述对数螺线形凹坑微结构可以引导树脂顺着螺线凹面向螺线中心处运动，用以改善金属层表面微结构盲孔或盲坑在树脂浸润中的排气问题。
3.根据权利要求2所述的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，其特征在于：所述阿基米德螺线凹坑微结构为借鉴阿基米德螺线结构的液滴浸润特性和锥形孔的液滴表面张力不对称性提出的金属层表面阿基米德螺线形轨迹凹槽微结构，所述对数螺线形凹坑微结构为借鉴对数螺线结构的液滴浸润特性和锥形孔的液滴表面张力不对称性提出的金属层表面对数螺线形轨迹凹槽微结构；
所述金属层表面阿基米德螺线形轨迹凹槽微结构中，金属层表面的凹槽轨迹为阿基米德螺线结构，凹槽的截面为锥形管截面；
所述金属层表面对数螺线形轨迹凹槽微结构中，金属层表面的凹槽轨迹为对数螺线结构，凹槽的截面为锥形管截面；
所述金属层表面的凹槽轨迹的轨迹参数、截面开口角度由所加工纤维金属层板零件的结构、尺寸、界面结合性能确定。
4.根据权利要求3所述的一种可实现树脂自浸润的金属层仿生微结构纤维金属层板，其特征在于：所述金属层表面各种微结构所涉及的加工方法为激光、电火花加工，超精密数控铣床、五轴联动加工中心加工，或是符合要求的其他加工方式；所述金属层材料为铝合金、钛合金、镁合金，或其他符合要求的轻合金材料；所述纤维为芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维或其他符合要求的纤维增强体材料；所述树脂类型为热固性树脂或热塑性树脂；所述层板结构采用金属层/纤维层n+1/n的铺层结构，纤维铺设角度为0°、±45°、90°；固化过程采取热固性树脂加热固化，热塑性树脂加热至树脂粘流态降温固化的方式。
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