CN113580691B - 一种铝基碳纤维金属层板构件及其成形制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝基碳纤维金属层板构件，包括外铝基板件、碳纤维层和内铝基板件，碳纤维层设置在外铝基板件与内铝基板件之间，外铝基板件和内铝基板件分别通过金属连接剂粉末层与碳纤维层冶金结合；铝基碳纤维金属层板构件的成形制备方法：(1)制备锌铝合金；(2)将锌铝合金磨成金属连接剂粉末；(3)用铝合金板材制作外铝基板件和内铝基板件；(4)对碳纤维层、外铝基板件的内表面和内铝基板件的外表面进行处理；(5)在外铝基板件与碳纤维层之间、内铝基板件与碳纤维层之间分别铺设金属连接剂粉末层；(6)采用复合压制模具用固体颗粒介质成形技术压制制件。本发明提高了铝基碳纤维金属层板构件的成形质量。

Description

一种铝基碳纤维金属层板构件及其成形制备方法

技术领域

本发明涉及纤维板件制备技术领域，特别是涉及一种铝基碳纤维金属层板构件及其成形制备方法。

背景技术

纤维金属层板是一种由金属薄板、连接剂和纤维材料依次铺贴后，在特定温度和压力条件下固化而成的夹层材料。这种材料能够综合金属和纤维两方面的性能，具有很强的可设计性，在材料组成和结构形式上均可实现轻量化要求。金属作为基体材料，可以选择铝合金、镁合金、钛合金这些应用广泛的轻质合金；纤维作为增强材料，主要有芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维和石墨纤维四种类型，其中碳纤维是目前应用推广最多的纤维增强材料，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。连接剂主要有树脂类连接剂和金属类连接剂，其中树脂类连接剂是从树脂基纤维增强复合材料中沿用到纤维金属层板中的，金属类连接剂是为了克服树脂耐高温性能差、易老化的缺点而提出的。铝合金作为应用最广的轻质合金材料，具有比强度高、耐腐蚀性强、导电导热性好、抗冲击性能好、可回收利用等优异性能，将之与比强度更高的碳纤维结合制成复合材料，可以从材料设计上得到轻量化效果更佳的结构材料。碳纤维增强铝合金层板的夹层式结构设计，兼具薄壁结构特征，进一步从结构设计上放大了轻量化的效果。此外，纤维在金属内部微裂纹端口处具有桥接作用，可以极大地提高材料的抗疲劳强度和损伤容限度。因此，各种纤维金属层板是目前复合材料领域的一大研究热点，而碳纤维增强铝合金层板更是吸引了国内外研究学者的关注。然而，由于该类材料的制备工艺发展尚不完善，存在制备难度大、生产周期长、难以批量化、效率低、成本高等诸多问题，目前应用范围受到局限，仍以航空航天等特殊领域为主，急需通过完善制备工艺将之推广。

目前，为制备纤维金属层板复合构件，现有工艺一般分为两种：第一种是分别成形加工金属及纤维，经表面处理后将金属和纤维分层铺设，再利用连接方式将其粘接为纤维金属层板，而后利用热压罐工艺进行固化制成目标结构件；第二种是先将金属板与纤维层粘接成纤维金属层板，再利用传统塑性成形工艺(如冲压成形)加工成目标零件。

第一种成形工艺的关键点是利用热压罐工艺进行固化，主要适用于小曲率、大形状、结构简单的零件，比如飞机机翼、机身蒙皮和舱门等；对于结构复杂、小曲率零件，局部区域需要较高的面压使金属层板发生一定的塑性变形，从而使各层之间形成完美的结合，但是，热压罐提供的压力较小，难以满足该类零件的制备需求；而且热压罐投资成本较大，用于批量不大的小构件生产成本太高。第二种成形工艺对于这类构件的制备比较适用，而且能够发挥传统冲压工艺便捷高效的优点；但是，传统的金属冲压加工须利用金属材料的塑性变形，而现有纤维金属层板中的纤维几乎不具备塑性，这给该产品的二次加工带来了巨大难题；由于金属材料和纤维材料的塑性存在差异，使得层板在冲压加工中各层之间的变形难以协调，很容易造成褶皱、分层分裂等缺陷；因此，采用先制备纤维金属层板、再进行冲压加工的技术方案难以制备合格的纤维金属层板构件。

应用传统的模压成形方法，由于压制复合过程一般为轴向进给，在被成形零件的底部与侧壁会产生较大的压力差，侧壁往往由于压力不足而复合效果差，从而对构件的成形质量造成很大的影响；应用热压罐成形方法，每次固化时都需要制备真空密封系统，将耗费大量价格昂贵的辅助材料，提高了制造成本，此外，热压罐工艺难以对成形零件提供较高的面压，只适用于连接剂固化，不利于复合压制，尤其对于形状复杂的中小型板壳构件。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝基碳纤维金属层板构件及其成形制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高铝基碳纤维金属层板构件的成形质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种铝基碳纤维金属层板构件，包括外铝基板件、碳纤维层和内铝基板件，所述碳纤维层设置在所述外铝基板件与所述内铝基板件之间，所述外铝基板件和所述内铝基板件分别通过金属连接剂粉末层与所述碳纤维层冶金结合。

本发明还提供一种上述铝基碳纤维金属层板构件的成形制备方法，包括以下步骤：

(1)将纯锌和纯铝按照23∶2的质量比，置于磁悬浮熔炼炉内进行冶炼，制备锌铝合金；

(2)将所述锌铝合金粉碎，然后置于球磨机内磨成细粉，以所述细粉作为金属连接剂粉末；

(3)用铝合金板材制作外铝基板件和内铝基板件，所述外铝基板件和所述内铝基板件均与所制备的铝基碳纤维金属层板构件的形状相同，所述外铝基板件能够套在所述内铝基板件上；

(4)对碳纤维层的表面进行除胶处理，使用化学试剂对所述外铝基板件的内表面和所述内铝基板件的外表面进行处理；

(5)在所述外铝基板件的内表面均匀铺设一层所述金属连接剂粉末，然后将所述碳纤维层铺设在所述外铝基板件上，然后再在所述碳纤维层远离所述外铝基板件的一面均匀铺设一层所述金属连接剂粉末，然后将所述内铝基板件放在所述碳纤维层上，使所述外铝基板件与所述内铝基板件将所述碳纤维层夹紧，得到待压制的制件；

(6)将所述制件置于复合压制模具内，加热所述复合压制模具使所述制件升温，保持温度在380℃-400℃，使所述金属连接剂粉末处于固液半熔融状态，然后通过所述复合压制模具的压头对颗粒介质施加压力，再通过所述颗粒介质对制件施加压力，使得处于固液半熔融状态所述金属连接剂粉末发生流动、浸润所述碳纤维层；保温保压3分钟-5分钟后，缓慢降温，使得处于固液半熔融状态所述金属连接剂粉末固化，完成对所述碳纤维层的浸润，并使所述外铝基板件和所述内铝基板件分别与所述碳纤维层发生冶金结合，自然冷却后，取出制件，得到压制好的铝基碳纤维金属层板构件。

优选的，步骤(2)中将所述锌铝合金粉碎成粒度≤8mm的颗粒，所述金属连接剂粉末的粒度≤0.2mm。

优选的，所述除胶处理包括以下步骤：

(1)将所述碳纤维层放入氩气保护热处理炉内，将温度升到500℃后保温一个小时，然后随炉冷却；

(2)将热处理后的所述碳纤维层放入丙酮内浸泡一个小时，使表面残余的有机胶完全溶解，然后再进行晾晒达到干燥状态。

优选的，在步骤(4)中用酒精溶液对所述外铝基板件的内表面和所述内铝基板件的外表面进行擦拭、去除油污，然后用质量分数为10％磷酸+10％硫酸+10％硝酸的混合溶液进行酸洗，使所述外铝基板件的内表面和所述内铝基板件的外表面满足界面结合的要求。

优选的，所述锌铝合金为Zn-8Al合金。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的铝基碳纤维金属层板构件及其成形制备方法提高了铝基碳纤维金属层板构件的成形质量。本发明的铝基碳纤维金属层板构件的成形制备方法采用“先成形、后层铺、再复合”的工艺路线及方法，分别成形金属层和纤维层、再进行复合压制，从工艺路线上避免了先制备纤维金属层板、再成形层板构件的方案，从而回避了纤维层和金属层变形不协调的先天缺陷，避免了中间纤维层在拉伸过程中产生断裂、起皱、层铺不均匀等缺陷。并利用固体颗粒介质成形技术提供复合压制所需的均匀高压，保证复合层板构件的制备质量；利用固体颗粒来传递压力，对层板构件进行压制复合，可以有效解决热模压工艺和热压罐工艺方案中存在的压力不均或压力不高的问题。颗粒介质具有良好的流动性，代替凸模对层板构件施加压力，可以同时对构件底部和侧壁施加均匀的压力；颗粒介质具有耐高温、耐高压、易密封的特点，可以通过简单的加载方式实现很大的面压，因此可以很便捷地实现层板构件在复合压制环节需要的高压条件；相对于热模压工艺和热压罐工艺，本方案能够同时满足高压且均匀两方面的要求，显著提高了复合压制的效果。采用Zn-8Al合金作为中间金属连接剂，避免了环氧树脂作为连接剂而造成的层间结合强度低、易发生层间剥离、环氧树脂耐高温性能差、易老化等问题。

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为本发明铝基碳纤维金属层板构件的结构示意图；

图2为本发明铝基碳纤维金属层板构件的剖面图；

图3为本发明铝基碳纤维金属层板构件的成形制备方法中用复合压制模具压制制件的结构示意图；

其中：100、铝基碳纤维金属层板构件；1、内圈压机；2、第一隔热棉；3、冲头；4、外圈压机；5、第二隔热棉；6、第一加热棒；7、颗粒套筒；8、第三隔热棉；9、压边圈；10、成形凹模；11、颗粒介质；12、第二加热棒；13、复合构件；14、第三加热棒；15、第四加热棒；16、第四隔热棉；17、垫板；18、内铝基板件；19、碳纤维层；20、外铝基板件；21、金属连接剂粉末层。

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付出创造性劳动的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铝基碳纤维金属层板构件及其成形制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高铝基碳纤维金属层板构件的成形质量。

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。

如图1至图3所示：本实施例提供了一种铝基碳纤维金属层板构件100，包括外铝基板件20、碳纤维层19和内铝基板件18，碳纤维层19设置在外铝基板件20与内铝基板件18之间，外铝基板件20和内铝基板件18分别通过金属连接剂粉末层21与碳纤维层19冶金结合。

本实施例还提供一种上述铝基碳纤维金属层板构件的成形制备方法，碳纤维增强5182铝合金层板构件的制备为例，具体包括以下步骤：

(1)将纯锌和纯铝按照23:2的质量比，置于磁悬浮熔炼炉中进行熔炼，制备Zn-8Al合金；

(2)将冶炼好的Zn-8Al合金进行破碎处理至粒度≤8mm的颗粒，后置于球磨机内磨至粒度≤0.2mm的细粉；

(3)用铝合金板材制作外铝基板件20和内铝基板件18，外铝基板件20和内铝基板件18均与所制备的铝基碳纤维金属层板构件100的形状相同，外铝基板件20和内铝基板件18的尺寸需要满足外铝基板件20能够与内铝基板件18嵌套在一起；

(4)碳纤维层19除胶：第一步、将碳纤维层19放入氩气保护热处理炉内，将温度升到500℃后保温一个小时，然后随炉冷却；第二步、将热处理后的碳纤维层19放入丙酮内浸泡一个小时，使表面残余的有机胶完全溶解，然后再进行晾晒达到干燥状态；铝件酸洗：用酒精溶液对预成形后的外铝基板件20的内表面和内铝基板件18的外表面进行擦拭、去除油污，然后用质量分数为10％磷酸+10％硫酸+10％硝酸的混合溶液进行酸洗，使铝件表面满足界面结合的要求；

(5)在外铝基板件20的内表面均匀铺设一层金属连接剂粉末，然后将碳纤维层19铺设在外铝基板件20上，然后再在碳纤维层19远离外铝基板件20的一面均匀铺设一层金属连接剂粉末，然后将内铝基板件18放在碳纤维层19上，使外铝基板件20与内铝基板件18将碳纤维层19夹紧，得到待压制的制件；

(6)将层铺好的制件置于复合压制模具内，如图3所示；复合压制模具包括内圈压机1、第一隔热棉2、冲头3、外圈压机4、第二隔热棉5、第一加热棒6、颗粒套筒7、第三隔热棉8、压边圈9、成形凹模10、颗粒介质11、第二加热棒12、复合构件13、第三加热棒14、第四加热棒15、第四隔热棉16和垫板17，复合压制模具为现有设备，在此不再对其具体结构进行赘述；

然后放入颗粒介质11，压入压头，使压机外圈对颗粒套筒7、压边圈9加压，压机内圈对压头加压；加热模具使制件升温至385℃，使连接剂处于固液半熔融状态；通过压头对颗粒介质11施加10MPa～15MPa的压力，保温保压3分钟～5分钟，使半固态的连接剂充分浸渗碳纤维；然后再将温度提高至415℃，通过压头对颗粒介质11施加30Mpa～40Mpa压力，保温保压3分钟～5分钟，进一步强化浸润效果并使连接剂与铝板发生冶金结合；自然冷却，取出制件，得到压制复合好的铝基碳纤维金属层板构件100。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本说明书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 (2)

1.一种铝基碳纤维金属层板构件的成形制备方法，其特征在于，所述铝基碳纤维金属层板构件包括外铝基板件、碳纤维层和内铝基板件，所述碳纤维层设置在所述外铝基板件与所述内铝基板件之间，所述外铝基板件和所述内铝基板件分别通过金属连接剂粉末层与所述碳纤维层冶金结合；所述外铝基板件和所述内铝基板件均预成形且均与所制备的铝基碳纤维金属层板构件的形状相同，包括以下步骤：

(1)将纯锌和纯铝按照23∶2的质量比，置于磁悬浮熔炼炉内进行冶炼，制备锌铝合金；

(2)将所述锌铝合金粉碎成粒度≤8mm的颗粒，然后置于球磨机内磨成细粉，以所述细粉作为金属连接剂粉末；所述金属连接剂粉末的粒度≤0.2mm；

(3)用铝合金板材制作外铝基板件和内铝基板件，所述外铝基板件和所述内铝基板件均与所制备的铝基碳纤维金属层板构件的形状相同，所述外铝基板件能够套在所述内铝基板件上；

(4)对碳纤维层的表面进行除胶处理，所述除胶处理包括以下步骤：

1)将所述碳纤维层放入氩气保护热处理炉内，将温度升到500℃后保温一个小时，然后随炉冷却；

2)将热处理后的所述碳纤维层放入丙酮内浸泡一个小时，使表面残余的有机胶完全溶解，然后再进行晾晒达到干燥状态；

使用化学试剂对所述外铝基板件的内表面和所述内铝基板件的外表面进行处理：用酒精溶液对所述外铝基板件的内表面和所述内铝基板件的外表面进行擦拭、去除油污，然后用质量分数为10％磷酸+10％硫酸+10％硝酸的混合溶液进行酸洗，使所述外铝基板件的内表面和所述内铝基板件的外表面满足界面结合的要求；

(5)在所述外铝基板件的内表面均匀铺设一层所述金属连接剂粉末，然后将所述碳纤维层铺设在所述外铝基板件上，然后再在所述碳纤维层远离所述外铝基板件的一面均匀铺设一层所述金属连接剂粉末，然后将所述内铝基板件放在所述碳纤维层上，使所述外铝基板件与所述内铝基板件将所述碳纤维层夹紧，得到待压制的制件；

(6)将所述制件置于复合压制模具内，加热所述复合压制模具使所述制件升温，保持温度在380℃-400℃，使所述金属连接剂粉末处于固液半熔融状态，然后通过所述复合压制模具的压头对颗粒介质施加压力，再通过所述颗粒介质对制件施加压力，使得处于固液半熔融状态所述金属连接剂粉末发生流动、浸润所述碳纤维层；保温保压3分钟-5分钟后，缓慢降温，使得处于固液半熔融状态所述金属连接剂粉末固化，完成对所述碳纤维层的浸润，并使所述外铝基板件和所述内铝基板件分别与所述碳纤维层发生冶金结合，自然冷却后，取出制件，得到压制好的铝基碳纤维金属层板构件。

2.根据权利要求1所述的铝基碳纤维金属层板构件的成形制备方法，其特征在于：所述锌铝合金为Zn-8Al合金。

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