CN113232327B - 纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法、复合管成形方法及滚压成形装置 - Google Patents

纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法、复合管成形方法及滚压成形装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种纤维‑金属混杂的薄壁结构的制备方法，并提供了运用该种方法制备所得的复合管和滚压成形装置，所述制备方法包括对金属基板进行表面处理；预浸料与金属基板交替铺贴；在模具凸起处涂抹润滑液；固定纤维‑金属板；采用组合滚压成形装置滚压贴膜，制成纤维‑金属超混杂薄壁结构的构件；然后卸压后进行结构的铺设胶膜、交接、切割、打孔，最终制成纤维‑金属超混杂薄壁结构的复合管。通过滚压成形装置滚压模具的方式能制备3/2、5/4以及6/5结构的纤维‑金属超混杂薄壁结构，同时通过短纤维增强胶膜实现超混杂薄壁结构的粘接，提高了整体吸能性能的同时，制作工艺简单，能适合市场上对于该种混杂结构快速制备的要求，能实现大规模生产。

Description

纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法、复合管成形方法及滚压 成形装置
技术领域
本发明涉及一种纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法、复合管成形方法及滚压成形装置，属于复合材料的制备及成形技术领域。
背景技术
随着现代先进交通运输业的发展，各种交通工具的数量和速度不断增大。交通工具给人们带来方便的同时，也伴随着交通事故的频繁发生。为此碰撞安全问题愈加受到重视，越来越多的研究者致力于能量吸收装置的研究和开发来提高交通工具的耐撞性和安全性。能量吸收装置对于结构耐撞安全性具有重要意义，而吸能结构的设计和材料的选择是决定能量吸收装置耐撞吸能性能的关键。
纤维-金属层板（Fiber Metal Laminates，FMLs）是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料，也称为超混杂层板（Super Hybrid Laminates）。FMLs综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，具有高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能以及高损伤容限，在航空航天工业中具有显著的应用潜力。通过合理的设计将轻质高强的纤维复合材料与良好塑韧性的金属材料相结合作为吸能结构材料应用，与单一纤维复合材料吸能结构相比，金属稳定的塑性变形能力可以引导复合材料发生渐进失效，避免失稳脆性断裂的发生，提高整体结构吸能性能的同时又具有明显的成本优势；与单一金属材料吸能结构相比，提高了单位质量吸能能力，轻量化效果显著。此外，金属结构的存在使得焊接等连接方式成为可能，降低了吸能结构在装配连接方面的难度。
如今，纤维-金属层板成形的方式趋于成熟，但复合管的成形的研究结果比较少。目前有的工艺有：纤维缠绕成形工艺，液压胀形工艺，旋压成形工艺等。陶杰（CN 103832041A）曾提出一种玻璃纤维-铝合金复合管气压胀形成形方法，采用气压胀形方法制备出玻璃纤维-铝合金复合管，有效地解决了玻璃纤维-铝合金复合管制备的难题，但制备具有优异性能的纤维金属超混杂薄壁结构，需解决以下问题：第一，实现快速规模化，高效率的制备；第二，解决超混杂结构与其他结构连接的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法、复合管成形方法及滚压成形装置，有助于推动复合管快速规模化、提高复合管的成形效率、优化复合管的结构连接性能。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法，包括以下步骤：
将金属基板与纤维增强树脂的预浸料交替铺设，并保持最外层为金属层，制得多层纤维-金属板；
将铺设好的多层纤维-金属板固定在模具上，滚压成形制得纤维-金属混杂构件。
进一步的，所述方法还包括：在将金属基板与纤维增强树脂的预浸料交替铺设之前，对金属基板通过磷酸阳极氧化法和/或丙酮超声波清洗法进行表面处理。
进一步的，所述金属基板包括铝、钛有色金属及其合金制成的基板；所述纤维增强树脂为聚丙烯树脂、聚苯硫醚树脂以及尼龙中的任意一种。
进一步的，所述金属基板与纤维增强树脂的预浸料交替铺设5~11层。
进一步的，所述滚压成形的方法包括：
通过红外加热使铺设好的多层纤维-金属板中的纤维增强树脂的预浸料熔融；
对固定于模具上的多层纤维-金属板进行加压复合并冷却；
对加压复合处理后的多层纤维-金属板进行多次滚压定型，并再次冷却。
进一步的，所述红外加热的温度范围为200-290 ℃；
除最后一个定型辊外，其余定型辊施加的压力以及所述热压辊施加的压力均为0.5-0.75 MPa，最后一个定型辊施加的力为0.4-0.6 MPa；
加压复合后喷气冷却的冷却速率为0.33 -0.5 ℃/s，滚压定型后再次喷气冷却的冷却速率为0.5 -0.67 ℃/s。
另一方面，本发明还提供了一种复合管的成形方法，其特征在于，包括：
采用上述所述制备方法制得纤维-金属混杂构件；
在两个成形的纤维-金属混杂构件对称叠放并胶接；
在胶合处切割并钻孔，得到具有对称耳板的纤维-金属混杂的薄壁结构复合管。
进一步的，所述胶接的方法包括：
在两个对称叠放的纤维-金属混杂构件的接触部分铺设短纤维增强树脂胶膜，通过上下气胀结合实现胶接。
进一步的，所述上下气胀的上下气压控制在0.8-2.2 MPa。
另一方面，本发明还提供了一种滚压成形装置，所述滚压成形装置包括红外加热装置、热压辊、定型辊以及设置于热压辊与定型辊之间的第一喷气装置和设置在两相邻定型辊之间的第二喷气装置；
所述红外加热装置用于使铺设好的多层纤维-金属板中的纤维增强树脂的预浸料熔融；
所述热压辊用于对固定于模具上的多层纤维-金属板加压复合；
所述定型辊用于对加压复合处理后的多层纤维-金属板进行滚压定型；
所述第一喷气装置和第二喷气装置用于对多层纤维-金属板进行喷气冷却；
所述第二喷气装置的冷却速率高于第一喷气装置。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
（1）首次将模具滚压应用在制备纤维-金属薄壁结构的过程中，同时使用加热的方式熔融预浸料，熔融后的预浸料具有很强的热塑性，粘连每层的金属层，使得超混杂薄壁结构的复合管更容易成形，避免断裂损伤现象的出现；
（2）采用金属层与纤维树脂层交替且外层保证为金属层的方式铺设，能充分让各层的金属层更好的粘连在一起，实现3/2、5/4、6/5等复杂纤维-金属超混杂薄壁结构复合管的成形；
（3）采用短纤维增强胶膜实现超混杂薄壁结构的粘接，提高界面粘接强度并改善界面裂纹扩展时的能量吸收能力，并显著提高整体吸能性能；
（4）基于耳板结构设计，实现了与其它零件的快速连接，并提高了整体结构多角度冲击能力；
（5）提供了一种滚压成形装置，将热熔、滚压定形及冷却结合为一体，能够简便快速的将纤维-金属板一体成形。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种纤维-金属混杂的薄壁结构制备流程图；
图2是本发明实施例提供的一种纤维-金属混杂的薄壁结构复合管的制备流程图；
图3是本发明实施例提供的纤维-金属层板铺放于模具上的示意图；
图4是本发明实施例所采用的组合滚压成形装置的结构示意图；
图5是采用本发明实施例提供的成形方法制得的复合管的立体结构示意图；
图6是图5所示复合管的正视图；
图7是图5所示复合管的俯视图；
图8是图5所示复合管的右视图；
图中：1为液压轴，2为液压辊，3为预浸料，4为金属基板，5为模具；6为红外线加热装置，7为热压辊，8为定型辊，9为喷气装置，10为复合管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示纤维-金属混杂结构的制备流程图，制备3/2结构的聚丙烯树脂-铝合金薄壁结构的方法包括如下步骤：
选取长为1000 mm，宽为200 mm，厚度为2 mm的长方形2024铝合金基板，通过磷酸阳极氧化法对铝合金基板进行表面处理。
如图3所示，将铝合金基板平放，交替铺设铝合金基板与含聚丙烯树脂的预浸料，并保持外层为金属层，共铺设5层。
选取的模具5为半圆柱状，直径为100 mm，水平间隙为25 mm，在模具5的凸起处涂覆润滑液，并采用5个液压辊2使用3 MPa的力将铺设好的聚丙烯树脂-铝合金板固定在模具5上。
使用如图4所示的滚压成形装置，热压辊7和定型辊8的直径均为12 mm，并以60mm/min的移动速度前进滚压贴膜，液压辊2逐步移除。其中，红外加热装置6对聚丙烯树脂-铝合金板进行加热，将含聚丙烯树脂的预浸料熔融，加热温度为200 ℃；从右向左的方向上，施加0.56 KN的力于热压辊7与第一个定型辊8上，施加0.45 KN的力于后一个定型辊8上，对聚丙烯树脂-铝合金板进行加压复合和定型；喷气装置9用于喷气冷却，从右向左的方向上，第一个喷口冷却速率为0.40 ℃/S，第二个喷口冷却速率为0.60 ℃/S。
卸压并取出成形的聚丙烯树脂-铝合金混杂结构的构件。
实施例2：
如图1所示纤维-金属混杂结构的制备流程图，制备5/4结构的聚苯硫醚树脂-钛合金薄壁结构的方法包括如下步骤：
选取长为1250 mm，宽为150 mm，厚度为2 mm的长方形TA2钛合金基板，通过丙酮超声波清洗法对钛合金基板进行表面处理。
如图3所示，将钛合金基板平放，交替铺设钛合金基板与含聚苯硫醚树脂的预浸料，并保持外层为金属层，共铺设9层。
选取的模具5为半圆柱状，直径为150 mm，水平间隙为50 mm，在模具5的凸起处涂覆润滑液，并采用5个液压辊2使用4 MPa的力将铺设好的聚苯硫醚树脂-钛合金板固定在模具5上。
使用如图4所示的滚压成形装置，热压辊7和定型辊8的直径均为19 mm，并以100mm/min的移动速度前进滚压贴膜，液压辊2逐步移除。其中，红外加热装置6对聚苯硫醚树脂-钛合金板进行加热，将含聚苯硫醚树脂的预浸料熔融，加热温度为290 ℃；从右向左的方向上，施加0.75 KN的力于热压辊7与第一个定型辊8上，施加0.60 KN的力于后一个定型辊8上，对聚苯硫醚树脂-钛合金板进行加压复合和定型；喷气装置9冷却树脂，从右向左的方向上，第一个喷口冷却速率为0.50 ℃/S，第二个喷口冷却速率为0.67 ℃/S。
卸压并取出成形的聚苯硫醚树脂-钛合金混杂结构的构件。
实施例3：
如图1所示纤维-金属混杂结构的制备流程图，制备6/5结构的尼龙-铝合金薄壁结构的方法包括如下步骤：
选取长为300 mm，宽为200 mm，厚度为2 mm的长方形TA2铝合金基板，通过磷酸阳极氧化法对铝合金基板进行表面处理。
如图3所示，将铝合金基板平放，交替铺设铝合金基板与含尼龙的预浸料，并保持外层为金属层，共铺设11层。
选取的模具5为半圆柱状，直径为40 mm，水平间隙为10 mm，在模具5的凸起处涂覆润滑液，并采用5个液压辊2使用2 MPa的力将铺设好的尼龙-铝合金板固定在模具5上。
使用如图4所示的滚压成形装置，热压辊7和定型辊8的直径均为4 mm，并以35 mm/min的移动速度前进滚压贴膜，液压辊2逐步移除。其中，红外加热装置6对尼龙-铝合金板进行加热，将含尼龙的预浸料熔融，加热温度为260 ℃；从右向左的方向上，施加0.50 KN的力于热压辊7与第一个定型辊8上，施加0.40 KN的力于后一个定型辊8上，对尼龙-铝合金板进行加压复合和定型；喷气装置9冷却树脂，从右向左的方向上，第一个喷口冷却速率为0.33℃/S，第二个喷口冷却速率为0.50 ℃/S。
卸压并取出成形的尼龙-铝合金混杂结构的构件。
实施例4
如图2所示，本发明实施例提供了一种纤维-金属混杂的薄壁结构复合管的成形方法，可以采用实施例1制备的纤维-金属混杂结构的构件制备，在两个成形构件对称叠放，接触部分铺设短纤维增强树脂PP胶膜，通过上下气胀结合，上下气压控制在1.5 MPa，实现胶接。如图5在胶合面切割并钻孔，得到具有对称耳板的3/2结构的聚丙烯树脂-铝合金混杂的薄壁结构复合管。
实施例5
如图2所示，本发明实施例提供了一种纤维-金属混杂的薄壁结构复合管的成形方法，可以采用实施例2制备的纤维-金属混杂结构的构件制备，在两个成形构件对称叠放，接触部分铺设短纤维增强树脂PP胶膜，通过上下气胀结合，上下气压控制在2.2 MPa，实现胶接。如图5在胶合面切割并钻孔，得到具有对称耳板的5/4结构的聚苯硫醚树脂-钛合金混杂的薄壁结构复合管。
实施例6
如图2所示，本发明实施例提供了一种纤维-金属混杂的薄壁结构复合管的成形方法，可以采用实施例3制备的纤维-金属混杂结构的构件制备，在两个成形构件对称叠放，接触部分铺设短纤维增强树脂PP胶膜，通过上下气胀结合，上下气压控制在0.8 MPa，实现胶接。在胶合面切割并钻孔，得到具有对称耳板的6/5结构的纤维-金属超混杂薄壁结构。
如图5-8所示为实施例4-6所制备的复合管，基于短纤维增强胶膜实现超混杂薄壁结构的粘接，提高界面粘接强度并改善界面裂纹扩展时的能量吸收能力显著提高整体吸能性能；同时基于耳板结构设计，实现了与其它零件的快速连接，并提高了整体结构多角度冲击能力。
实施例7
如图4所示，本发明还提供了一种滚压成形装置，所述滚压成形装置可以应用于制备实施例1-3中，用于实现纤维-金属板的滚压成形。所述滚压成形装置包括红外加热装置6、热压辊7、定型辊8以及喷气装置9；其中定型辊有多个，喷气装置9包括设置于热压辊与定型辊之间的第一喷气装置和设置在两相邻定型辊之间的第二喷气装置。红外加热装置6用于将预浸料熔融，加热温度范围为200-290 ℃；热压辊7用于进行加压复合，定型辊8用于进行滚压定型，其中热轧辊和第一个定型辊所施加的力F=（0.2 MPa-0.5 MPa）*(L*H)，L*H表示辊和金属板所接触的面积，经过计算，F为0.5-0.75 KN；最后一个定型辊8的施加的力为80％F，施加的压力减少20%是为了缓慢卸载，使应力更加平稳；第一次冷却速率可以为0.33℃/S-0.5 ℃/S，第二次冷却速率可以为0.5 ℃/S-0.67 ℃/S，第一次冷却速率相对较慢有助于板材各层结构均匀冷却，避免冷却不均引起应力机制形成缺陷；第二次冷却速率相对第一次冷却速率加大则更有助于纤维增强树脂的预浸料结晶，从而使粘接性能增强。
所述滚压成形装置的移动速度可以控制在35-100mm/min；模具的半圆柱直径D控制在40-150mm；半圆与半圆之间的水平间隙S控制在10-50mm，以留出用于连接其他构件的耳板，同时也便于切割；热压辊7和定型辊8的直径d控制在4-19mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金属基板与纤维增强树脂的预浸料交替铺设，并保持最外层为金属层，制得多层纤维-金属板；
将铺设好的多层纤维-金属板固定模具上，滚压成形制得纤维-金属混杂构件；
所述滚压成形的方法包括：
通过红外加热使铺设好的多层纤维-金属板中的纤维增强树脂的预浸料熔融；
对固定于模具上的多层纤维-金属板进行加压复合并冷却；
对加压复合处理后的多层纤维-金属板进行多次滚压定型，并再次冷却；
所述红外加热的温度范围为200-290 ℃；
除最后一次滚压定型外，加压复合及其余滚压定型的压力均为0.5-0.75 MPa，最后一次滚压定型的压力为0.4-0.6 MPa；
加压复合后喷气冷却的冷却速率为0.33 -0.5 ℃/s，滚压定型后再次喷气冷却的冷却速率为0.5 -0.67 ℃/s。
2.根据权利要求1所述的纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法，其特征在于，所述方法还包括：在将金属基板与纤维增强树脂的预浸料交替铺设之前，对金属基板通过磷酸阳极氧化法和/或丙酮超声波清洗法进行表面处理。
3.根据权利要求1所述的纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法，其特征在于，所述金属基板包括铝、钛有色金属及其合金制成的基板；所述纤维增强树脂为聚丙烯树脂、聚苯硫醚树脂以及尼龙中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法，其特征在于，金属基板与纤维增强树脂的预浸料交替铺设共计5~11层。
5.一种复合管的成形方法，其特征在于，包括：
采用权利要求1至4任一项所述制备方法制得纤维-金属混杂构件；
将两个成形的纤维-金属混杂构件对称叠放并胶接；
在胶合处切割并钻孔，得到具有对称耳板的纤维-金属混杂的薄壁结构复合管。
6.根据权利要求5所述的复合管的成形方法，其特征在于， 所述胶接的方法包括：
在两个对称叠放的纤维-金属混杂构件的接触部分铺设短纤维增强树脂胶膜，通过上下气胀结合实现胶接。
7.根据权利要求6所述的复合管的成形方法，其特征在于，所述上下气胀的上下气压控制在0.8-2.2 MPa。
8.一种适用于权利要求1至4任一项所述制备方法的滚压成形装置，其特征在于，包括红外加热装置、热压辊、定型辊以及设置于热压辊与定型辊之间的第一喷气装置和设置在两相邻定型辊之间的第二喷气装置；
所述红外加热装置用于使铺设好的多层纤维-金属板中的纤维增强树脂的预浸料熔融；
所述热压辊用于对固定于模具上的多层纤维-金属板加压复合；
所述定型辊用于对加压复合处理后的多层纤维-金属板进行滚压成形；
所述第一喷气装置和第二喷气装置用于对多层纤维-金属板进行喷气冷却；
所述第二喷气装置的冷却速率高于第一喷气装置。
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