CN114633497A - 一种纤维与金属复合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料复合技术领域，是一种纤维与金属复合的方法，包括金属构件、纤维、树脂及助剂，复合形式为纤维增强树脂与金属构件紧密结合，主要特征是金属构件表面有大量凹坑、凹槽、孔洞等凹陷或凸柱、凸棱等凸起，大幅增加金属与纤维增强树脂界面结合面积进而增强结合强度，并可通过腔部尺寸大于口部尺寸凹陷或则端部尺寸大于根部尺寸的凸起，形成树脂与金属之间的咬合，进一步加强纤维增强树脂与金属构件的结合。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种纤维与金属复合的方法。
背景技术
以玻璃纤维增强铝合金复合板(GLARE)为代表的纤维增强金属复合材料能发挥纤维和金属材料的各自优点，具有轻质、损伤容限好、耐火、耐蚀等显著优势，是航空航天等行业的高度关注的高性能材料。然而，此类材料的结合界面为树脂-金属，二者物理、化学性质通常差异较大，较难实现界面良好润湿及紧密结合，复合效能难于充分发挥，对表面易于氧化的镁合金等金属，甚至存在界面结合强度低下，难于胜任承力结构等瓶颈问题。突破金属和树脂界面有效结合难题，实现界面强结合，是纤维增强金属叠层复合材料发展中亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述已有技术的问题及不足，提供一种纤维与金属复合的方法。
本发明的技术方案为：一种纤维与金属复合的方法，包括金属构件、纤维、树脂及助剂，复合形式为纤维增强树脂与金属构件表面紧密结合，其特征在于：纤维增强树脂与金属构件结合界面为空间咬合状，结合方式为化学润湿与物理锚固的协同结合，制备方法包括以下步骤：
步骤a1：金属构件成型及表面处理，金属成型为预定形状的构件，依次进行机械和电化学表面处理，在金属表面形成大量凹陷或凸起；
步骤b1：纤维缠绕或预成型，将连续纤维缠绕在金属表面，或者将层叠的纤维织物预成型后贴合在金属表面，获得纤维与金属的预复合件；
步骤c1：终成型，将纤维与金属的预复合件置入终成型模具，注入树脂及助剂，树脂固化后获得纤维增强树脂与金属复合构件。
进一步地，其特征在于步骤a1所述电化学处理为阳极氧化或微弧氧化处理，并在形成的氧化凹陷中同步预填充树脂，具体的步骤为：
步骤a2：机械处理后金属构件表面清洗并烘干，置入氧化电解槽；
步骤b2：根据金属构件性质，配置合适成分的电解液，并在电解液中掺入微纳米树脂粉末，充分搅拌均匀，形成树脂均匀悬浮的有机混合电解液；
步骤c2：利用所制备混合电解液对金属构件进行阳极氧化或微弧氧化处理，金属表面形成氧化凹陷的同时实现有机悬浮颗粒的物理沉淀填充；
步骤d2：氧化处理同步预填充树脂后，对金属构件表面进行清洗和烘干。
进一步地，其特征在于所述的金属为镁合金、铝合金、钢铁或钛合金。
进一步地，其特征在于所述表面处理中的机械处理为塑性变形、铸造、切削或喷丸，其中的塑性变形、铸造表面处理可以在金属构件本体成型中同步完成，所述电化学处理为阳极氧化或微弧氧化，所述凹陷包括凹坑、凹槽或孔洞，所述凸起包括凸柱或凸棱。
进一步地，其特征在于所述凹陷的腔部尺寸大于口部尺寸、凸起的端部尺寸大于根部尺寸或者凹陷、凸起与金属表面的夹角呈5°～89.9°。
进一步地，其特征在于所述的凹陷、凸起的特征尺寸为3微米至金属表面特征尺寸的20％，所述特征尺寸为直径、等体积等效直径或等面积等效直径。
进一步地，其特征在于所述的纤维先预浸树脂和(或)助剂，再进行缠绕或层叠预成型；使用预浸有树脂和(或)助剂的纤维时，后续可减少注入树脂及助剂的量或不再注入树脂及助剂。
进一步地，所述金属构件包括但不限于型材、铸件、异形件，其特征在于根据金属构件的结构特点和性能要求进行纤维增强树脂与金属构件整体表面复合或与金属构件部分表面复合。
进一步地，其特征在于所述的助剂为树脂固化剂、偶联剂、润湿剂、渗透剂、增塑剂、抗老剂、增强剂中的一种或若干种组合。
进一步地，其特征在于步骤c1使用真空灌注设备、树脂传递模压设备或高压树脂传递模压设备完成。
本发明的有益效果在于：利用物理、化学或电化学方法在金属构件表面形成凹陷或凸起，通过调控凹陷和凸起的特征形状和尺寸构建底部空隙尺寸大于外端封口尺寸的洞穴或间隙结构；所形成凹陷和凸起有效增大树脂和金属接触界面比表面积，有利于提高界面结合强度；在凹陷和凸起构成的间隙中进行树脂预填充，既能阻隔这些孔洞在空气中暴露时对腐蚀性物质的吸附，降低金属的腐蚀速度，提高金属的耐腐蚀性能，又在后续模压成型过程中实现预填充树脂与后续注入树脂在的同时固化，形成树脂在金属构件表面的空间咬合形态，兼具牢固物理结合与化学结合双管齐下，显著提高金属与增强纤维复合材料界面的结合强度；同时，采用纤维缠绕和预成型工艺能大幅缓解金属构件表面暴露在空气中的腐蚀问题，能省掉传统的封孔工艺，提高了生产效率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，在本发明的实施例基础上，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种纤维与金属复合的方法，包括金属构件、纤维、树脂及助剂，所述金属包括但不限于镁合金、铝合金、钢铁和钛合金，所述纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维，金属构件包括但不限于型材、铸件、异形件，根据金属构件的结构特点和性能要求进行纤维增强树脂与金属构件整体表面复合或与金属构件部分表面复合，其特征在于：纤维增强树脂与金属构件结合界面为空间咬合状，结合方式为化学润湿与物理锚固的协同结合，制备方法包括以下步骤：
步骤a：金属构件成型及表面处理，金属成型为预定形状的构件，依次进行机械和电化学表面处理，在金属表面形成大量凹陷或凸起，所述表面处理中的机械处理为塑性变形、铸造、切削或喷丸中的一种或若干种组合，所述电化学处理为阳极氧化或微弧氧化，其电解液中掺杂微纳米尺寸树脂粉末，实现树脂在氧化凹陷中的同步预填充，所述凹陷包括凹坑、凹槽或孔洞，所述凸起包括凸柱或凸棱；
步骤b：纤维缠绕或预成型，将连续纤维缠绕在金属表面，或者将层叠的纤维织物预成型后贴合在金属表面，获得纤维与金属的预复合件；
步骤c：终成型，将纤维与金属的预复合件置入终成型模具，注入树脂及助剂，树脂固化后获得纤维增强树脂与金属复合构件，所述终成型模具包括但不限于真空灌注设备、树脂传递模压设备和高压树脂传递模压设备。
具体实施例1：一种碳纤维增强树脂与铝板复合的方法，铝板喷丸处理后阳极氧化，碳纤维预成型后与铝合金板叠层复合，再模压成型，具体步骤为：
步骤a1：对预成型为特定形状的铝板进行喷丸处理，在铝板表面形成弥散分布的、特征尺寸0.1毫米至3毫米的凹陷；
步骤b1：对喷丸处理后的铝板进行阳极氧化处理，在铝板表面形成微米级孔洞阵列，该孔洞与步骤a1所得凹陷共同构成底部空隙尺寸大于外端封口尺寸的蜂窝状洞穴；
步骤c1：在步骤b1所述阳极氧化工艺电解液中掺杂亲水性环氧树脂分散液，阳极氧化过程中同时完成环氧树脂在凹陷和凸起间隙的预填充；
步骤d1：碳纤维预成型为与铝板形状及尺寸匹配的形状，再与铝板叠层复合后得到预复合件；
步骤e1：预复合件置入终成型模具并进行真空-高压树脂传递模压成型，得到碳纤维增强树脂与铝板的复合构件。
具体实施例2：一种玻璃纤维增强树脂与镁合金壳体件复合的方法，采用可溶型芯铸造出具有表面凹陷或凸起的镁合金壳体件，经表面微弧氧化后，在壳体表面缠绕玻璃纤维得到预复合件，再模压成型，具体步骤为：
步骤a2：采用可溶型芯铸造镁合金壳体毛坯件，型芯形状包括单不限于圆形芯、矩形芯和异形芯，型芯端部径向特征尺寸大于底部径向特征尺寸，且其最大特征尺寸不大于镁合金壳体件相对应部位特征尺寸的20％，铸造完成后溶去型芯，壳体表面形成相应型芯形状和特征尺寸的凹陷或凸起。所述凹陷或凸起的特征尺寸为直径、按照体积相等原则换算为等体积等效直径或截面积相等原则换算为等面积等效直径；
步骤b2：对镁合金表面进行微弧氧化处理，在表面形成微米级孔洞阵列，该孔洞与步骤a2所得凹陷或凸起共同构成底部空隙尺寸大于外端封口尺寸的蜂窝状洞穴或间隙结构；
步骤c2：在步骤b2所述微弧氧化电解液中掺杂亲水性环氧树脂分散液，微弧氧化过程中同时完成环氧树脂在凹陷和凸起间隙的预填充；
步骤d2：将玻璃纤维缠绕在镁合金壳体的全部或部分外表面，得到预复合件；
步骤e2：将预复合件置入终成型模具并进行真空-高压树脂传递模压成型，得到玻璃纤维增强树脂与镁合金壳体的复合构件。
具体实施例3：一种玄武岩纤维增强树脂与球墨铸铁件复合的方法，球墨铸铁件经铸造成型，在表面形成Ω形的凹槽及凸棱阵列，再与玄武岩纤维真空灌注复合成型，具体步骤为：
步骤a3：球墨铸铁件经可溶型芯铸造成型，在表面形成Ω形的凹槽及凸棱阵列；
步骤b3：玄武岩纤维预成型为球墨铸铁件宏观形状及尺寸吻合的形状，并与球墨铸铁件叠合为预复合件；
步骤c3：将预复合件置入终成型模具并进行真空灌注成型，得到玄武岩纤维增强树脂与球墨铸铁的复合构件。
Claims (10)
1.一种纤维与金属复合的方法，包括金属构件、纤维、树脂及助剂，复合形式为纤维增强树脂与金属构件表面紧密结合，其特征在于：纤维增强树脂与金属构件结合界面为空间咬合状，结合方式为化学润湿与物理锚固的协同结合，制备方法包括以下步骤：
步骤a1：金属构件成型及表面处理，金属成型为预定形状的构件，依次进行机械和电化学表面处理，在金属表面形成大量凹陷和凸起；
步骤b1：纤维缠绕或预成型，将连续纤维缠绕在金属表面，或者将层叠的纤维织物预成型后贴合在金属表面，获得纤维与金属的预复合件；
步骤c1：终成型，将纤维与金属的预复合件置入终成型模具，注入树脂及助剂，树脂固化后获得纤维增强树脂与金属复合构件。
2.根据权利要求1所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于步骤a1所述电化学处理可以是阳极氧化或微弧氧化处理中的一种，在形成的氧化凹陷中同步预填充树脂，具体的步骤为：
步骤a2：机械处理后金属构件表面清洗并烘干，置入氧化电解槽；
步骤b2：根据金属构件性质，配置合适成分的电解液，并在电解液中掺入微纳米树脂粉末，充分搅拌均匀，形成树脂均匀悬浮的有机混合电解液；
步骤c2：利用所制备混合电解液对金属构件进行阳极氧化或微弧氧化处理，金属表面形成氧化凹陷的同时实现有机悬浮颗粒的物理沉淀填充；
步骤d2：氧化处理同步预填充树脂后，对金属构件表面进行清洗和烘干。
3.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于所述的金属为镁合金、铝合金、钢铁或钛合金。
4.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于所述表面处理中的机械处理为塑性变形、铸造、切削或喷丸，其中的塑性变形、铸造表面处理可以在金属构件本体成型中同步完成，所述电化学处理为阳极氧化或微弧氧化，所述凹陷包括凹坑、凹槽或孔洞，所述凸起包括凸柱或凸棱。
5.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于所述凹陷的腔部尺寸大于口部尺寸、凸起的端部尺寸大于根部尺寸或者凹陷、凸起与金属表面的夹角呈5°～89.9°。
6.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于所述的凹陷、凸起的特征尺寸为3微米至金属表面特征尺寸的20％，所述特征尺寸为直径、等体积等效直径或等面积等效直径。
7.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于所述的纤维先预浸树脂和(或)助剂，再进行缠绕或层叠预成型；使用预浸有树脂和(或)助剂的纤维时，后续可减少注入树脂及助剂的量或不再注入树脂及助剂。
8.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，所述金属构件包括但不限于型材、铸件、异形件，其特征在于根据金属构件的结构特点和性能要求进行纤维增强树脂与金属构件整体表面复合或与金属构件部分表面复合。
9.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于所述的助剂为树脂固化剂、偶联剂、润湿剂、渗透剂、增塑剂、抗老剂、增强剂中的一种或若干种组合。
10.根据权利要求2所述的一种纤维与金属复合的方法，其特征在于步骤c1使用真空灌注设备、树脂传递模压设备或高压树脂传递模压设备完成。
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