CN115179616B - 一种轻量化异质材料、制备它的时效/固化同步模具及方法 - Google Patents

一种轻量化异质材料、制备它的时效/固化同步模具及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种轻量化异质材料、制备它的时效/固化同步模具及方法，这一种轻量化异质材料，包括多个周期性排列、规格相同的夹芯单元，夹芯单元的上下两端分别胶接上面板过渡层和下面板过渡层的内表面，上面板过渡层和下面板过渡层的外表面分别胶接铝合金上面板和铝合金下面板的内表面，所述夹芯单元为三维点阵结构。与现有技术相比，本发明在高效完成异质材料轻量化夹芯结构制备的同时，实现了铝合金双级时效工艺与预浸料热固化的同步进行，通过调控时效温度和时效时间，在实现异质材料热固化连接的同时提高复合材料的综合力学性能，实现结构轻量化。

Description

一种轻量化异质材料、制备它的时效/固化同步模具及方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种轻量化异质材料、制备它的时效/固化同步模具及方法。
背景技术
铝合金具有低密度，高比强度和比刚度，以及良好的塑性加工性能，在航空航天，交通运输，建筑，机电等领域应用广泛。通过将铝合金与纤维/环氧树脂预浸料的胶接制成夹芯结构，通过控制时效温度和时效时间，同时实现铝合金的强化和预浸料的热固化，可以提升夹芯结构整体的抗冲击和抗疲劳性能，提高耐腐蚀性，并且密度更低，进一步实现材料轻量化，在结合铝合金与纤维/环氧树脂预浸料优点的同时克服了彼此的部分缺点，应用前景广泛。
铝合金的时效工艺是铝合金淬火后在特定温度下保温一段时间的热处理方法，传统的单级时效工艺能够提高材料强度，但具有提高材料应力敏感性，降低材料断裂韧性的负面影响。
铝合金和纤维/环氧树脂预浸料的结合能力较弱，现有的异质材料轻量化夹芯结构制备方法复杂，需要根据不同需求更换整套模具，生产效率较低，并且其成形工艺未考虑在进行异质材料连接的同时进一步提升材料的力学性能，实现结构轻量化。因此，发明一种异质材料轻量化夹芯结构及成形工艺具有一定的科研价值。
发明内容
为了解决上述技术问题或技术问题之一，本发明公开一种轻量化异质材料，包括多个周期性排列、规格相同的夹芯单元，夹芯单元的上下两端分别胶接上面板过渡层和下面板过渡层的内表面，上面板过渡层和下面板过渡层的外表面分别胶接铝合金上面板和铝合金下面板的内表面，所述夹芯单元为三维点阵结构。
三维点阵结构是一种具有轻质、高比强度、高比刚度以及多功能潜力的新型结构材料,近年来受到了国内外研究领域及工程技术领域的广泛关注.三维点阵结构,包括体心立方结构BCC、面心立方结构FCC和其衍生而来的拓扑结构、金字塔拓扑结构、变密度结构、绕织结构及几种针对加工限制而提出的拓扑结构。
进一步地，所述夹芯单元为纤维/环氧树脂预浸料经3D打印、时效/固化而成，或者经层铺、时效/固化、水切割或沙线切割而成；层铺层数为2层以上，铺层方向为0°与90°交替，纤维为碳纤维或玻璃纤维中的一种或两种的组合。
进一步地，上面板过渡层和下面板过渡层为纤维/环氧树脂预浸料经层铺、时效/固化而成；层铺层数为2层以上，铺层方向为0°与90°交替，纤维为碳纤维或玻璃纤维中的一种或两种的组合本发明还公开制备这一种轻量化异质材料的时效/固化同步模具，包括上模板、与上模板相间的下模板，上模板与上模板之间、靠近它们两端分别设置左端夹块和右端夹块，左端夹块和右端夹块之间设置芯模，芯模具有多个周期性排列、规格相同、适于多个的夹芯单元插接固定的插槽；靠近上模板与上模板的两端、左端夹块和右端夹块的中部分别开设纵向长圆孔，第一纵向紧固螺杆和第二纵向紧固螺杆分别穿入纵向长圆孔后两端螺接螺母；靠近左端夹块和右端夹块的前后两端分别开设横向长圆孔，第一横向紧固螺杆和第二横向紧固螺杆分别穿入横向长圆孔后两端螺接螺母。
本发明还公开制备这一种轻量化异质材料的方法包括如下步骤：
1)将铝合金上面板和铝合金下面板转移至加热炉中进行固溶热处理，加热至固溶温度T1并保温，固溶时间为t1，固溶热处理后迅速将铝合金板材转移至冷却水中进行淬火；
2)将步骤1)固溶后的铝合金上面板和铝合金下面板转移至时效炉中进行预时效处理，加热至预时效温度T2并保温，T2＜T1，预时效时间为t2，t2＞t1，预时效处理后，将铝合金上面板和铝合金下面板自然冷却至室温；
3)将预浸料裁剪成与铝合金上面板和铝合金下面板相同长度与宽度的尺寸，分别在铝合金上面板和铝合金下面板的内表面进行铺层，形成上面板过渡层和下面板过渡层；
4)将多个夹芯单元插入时效/固化同步模具的芯模中，再将芯模连同其上的多个夹芯单元置于步骤3)完成的上面板过渡层和下面板过渡层中间形成轻质夹芯结构；
5)将步骤4)的轻质夹芯结构转移至时效/固化同步模具的下模板上、左端夹块和右端夹块中间，通过紧固第一横向紧固螺杆和第二横向紧固螺杆两端的螺母使得左端夹块和右端夹块将轻质夹芯结构横向夹紧；再将时效/固化同步模具的上模板置于轻质夹芯结构上方，通过紧固第一纵向紧固螺杆和第二纵向紧固螺杆两端的螺母使得上模板和下模板将轻质夹芯结构施加一定的纵向夹紧压力；
6)将步骤5)中时效/固化同步模具连同其上的轻质夹芯结构转移至时效炉中进行主时效处理，加热至主时效温度T3并保温，160℃≤T3≤180℃且T2＜T3＜T1，主时效时间为t3，t2＞t3＞t1，主时效处理后，将轻质夹芯结构自然冷却至室温，获得轻量化异质材料。
与现有技术相比，本发明在高效完成异质材料轻量化夹芯结构制备的同时，实现了铝合金双级时效工艺与预浸料热固化的同步进行，通过调控时效温度和时效时间，在实现异质材料热固化连接的同时提高复合材料的综合力学性能，实现结构轻量化。该异质材料轻量化夹芯结构可根据实际需求选择不同的设计方案，其成形模具可通过更换芯模满足不同的成形要求。
附图说明
图1是本发明轻量化异质材料的结构示意图。
图2是本发明时效/固化同步模具的结构示意图。
图中：11-铝合金上面板，12-上面板过渡层，13-夹芯单元，14-下面板过渡层，15-铝合金下面板，31-上模板，32-芯模，33-下模板，34-左端夹块，35-右端夹块，36-第一横向紧固螺杆，37-第二横向紧固螺杆，38-第一纵向紧固螺杆，39-第二纵向紧固螺杆。
具体实施方式
以下结合实施案例和附图对本发明做进一步描述，本发明的内容不仅仅局限于以下的实施案例。
如附图1的轻量化异质材料，由铝合金上面板11、上面板过渡层12、夹芯单元13、下面板过渡层14和铝合金下面板15组成，其中铝合金上面板11和铝合金下面板15分别与上面板过渡层12和下面板过渡层14胶接，多个夹芯单元13的上、下端面分别与上面板过渡层12和下面板过渡层14胶接。铝合金上面板11和铝合金下面板15的结构相同，由2mm厚的7075铝合金板材经过固溶热处理和双级时效热处理后制得。上面板过渡层12和下面板过渡层14长度与宽度尺寸与铝合金上面板11/铝合金下面板15相同，材料为玻璃纤维/环氧树脂预浸料层铺、固化而成，上面板过渡层12和下面板过渡层14的结构相同，预浸料的铺层厚度均为0.25mm，铺层层数均为4层，铺层方向均为0°/90°/90°/0°，预浸料适宜的热固化温度为180℃。多个夹芯单元13相同规格，按照周期性规律排列。夹芯单元13的材料为碳纤维/环氧树脂预浸料经层铺、时效/固化、水切割形成，夹芯单元13与上面板过渡层12和下面板过渡层14的胶接界面结构平整。
如附图2所示的制备一种轻量化异质材料的时效/固化同步化模具，包括上模板31、与上模板31相间的下模板33，上模板31与上模板31之间、靠近它们两端分别设置左端夹块34和右端夹块35，左端夹块34和右端夹块35之间设置芯模32，芯模32具有多个周期性排列、规格相同、适于多个的夹芯单元13插接固定的插槽；靠近上模板31与上模板31的两端、左端夹块34和右端夹块35的中部分别开设纵向长圆孔，第一纵向紧固螺杆38和第二纵向紧固螺杆39分别穿入纵向长圆孔后两端螺接螺母；靠近左端夹块34和右端夹块35的前后两端分别开设横向长圆孔，第一横向紧固螺杆36和第二横向紧固螺杆37分别穿入横向长圆孔后两端螺接螺母。
制备一种轻量化异质材料的方法，包括如下步骤：
1)将铝合金上面板11和铝合金下面板15转移至加热炉中进行固溶热处理，加热至固溶温度T1并保温，固溶时间为t1，固溶热处理后迅速将铝合金板材转移至冷却水中进行淬火；
2)将步骤1)固溶后的铝合金上面板11和铝合金下面板15转移至时效炉中进行预时效处理，加热至预时效温度T2并保温，T2＜T1，预时效时间为t2，t2＞t1，确保铝合金中的强化相能够足够析出，预时效处理后，将铝合金上面板11和铝合金下面板15自然冷却至室温；
3)将预浸料裁剪成与铝合金上面板11和铝合金下面板15相同长度与宽度的尺寸，分别在铝合金上面板11和铝合金下面板15的内表面进行铺层，形成上面板过渡层12和下面板过渡层14；
4)将多个夹芯单元13插入时效/固化同步模具的芯模32中，再将芯模32连同其上的多个夹芯单元13置于步骤3完成的上面板过渡层12和下面板过渡层14中间形成轻质夹芯结构；
5)将步骤4)的轻质夹芯结构转移至时效/固化同步模具的下模板33上、左端夹块34和右端夹块35中间，通过紧固第一横向紧固螺杆36和第二横向紧固螺杆37两端的螺母使得左端夹块34和右端夹块35将轻质夹芯结构横向夹紧；再将时效/固化同步模具的上模板31置于轻质夹芯结构上方，通过紧固第一纵向紧固螺杆38和第二纵向紧固螺杆39两端的螺母使得上模板31和下模板33将轻质夹芯结构施加一定的纵向夹紧压力；
6)将步骤5)中时效/固化同步模具连同其上的轻质夹芯结构转移至时效炉中进行主时效处理，降低铝合金的应力敏感性，提高复合材料的综合力学性能；加热至主时效温度T3并保温，160℃≤T3≤180℃且T2＜T3＜T1，主时效时间为t3，t2＞t3＞t1，在铝合金中强化项快速析出的同时控制再结晶程度，从而改善铝合金的综合力学性能，T3和t3满足使用的纤维/环氧树脂预浸料的热固化条件，能够实现铝合金和纤维/环氧树脂预浸料的层间粘接强化。主时效处理后，将轻质夹芯结构自然冷却至室温，获得轻量化异质材料。

Claims (5)

1.一种轻量化异质材料，其特征在于，包括多个周期性排列、规格相同的夹芯单元(13)，夹芯单元(13)为三维点阵结构，其上下两端分别胶接上面板过渡层(12)和下面板过渡层(14)的内表面，上面板过渡层(12)和下面板过渡层(14)的外表面分别胶接铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)的内表面，所述轻量化异质材料的制备方法包括如下步骤：
1)将铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)转移至加热炉中进行固溶热处理，加热至固溶温度T1并保温，固溶时间为t1，固溶热处理后迅速将铝合金板材转移至冷却水中进行淬火；
2)将步骤1)固溶后的铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)转移至时效炉中进行预时效处理，加热至预时效温度T2并保温，T2＜T1，预时效时间为t2，t2＞t1，预时效处理后，将铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)自然冷却至室温；
3)将预浸料裁剪成与铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)相同长度与宽度的尺寸，分别在铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)的内表面进行铺层，形成上面板过渡层(12)和下面板过渡层(14)；
4)将多个夹芯单元(13)插入时效/固化同步模具的芯模(32)中，再将芯模(32)连同其上的多个夹芯单元(13)置于步骤3)完成的上面板过渡层(12)和下面板过渡层(14)中间形成轻质夹芯结构；
5)将步骤4)的轻质夹芯结构转移至时效/固化同步模具的下模板(33)上、左端夹块(34)和右端夹块(35)中间，通过紧固第一横向紧固螺杆(36)和第二横向紧固螺杆(37)两端的螺母使得左端夹块(34)和右端夹块(35)将轻质夹芯结构横向夹紧；再将时效/固化同步模具的上模板(31)置于轻质夹芯结构上方，通过紧固第一纵向紧固螺杆(38)和第二纵向紧固螺杆(39)两端的螺母使得上模板(31)和下模板(33)将轻质夹芯结构施加一定的纵向夹紧压力；
6)将步骤5)中时效/固化同步模具连同其上的轻质夹芯结构转移至时效炉中进行主时效处理，加热至主时效温度T3并保温，160℃≤T3≤180℃且T2＜T3＜T1，主时效时间为t3，t2＞t3＞t1，主时效处理后，将轻质夹芯结构自然冷却至室温，获得轻量化异质材料。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化异质材料，其特征在于，所述夹芯单元(13)为纤维/环氧树脂预浸料经3D打印而成，或者经层铺后进行水切割或沙线切割而成；层铺层数为2层以上，铺层方向为0°与90°交替，纤维为碳纤维或玻璃纤维中的一种或两种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种轻量化异质材料，其特征在于，上面板过渡层(12)和下面板过渡层(14)为纤维/环氧树脂预浸料经层铺、时效/固化而成；层铺层数为2层以上，铺层方向为0°与90°交替，纤维为碳纤维或玻璃纤维中的一种或两种的组合。
4.制备权利要求1-3任一所述轻量化异质材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)转移至加热炉中进行固溶热处理，加热至固溶温度T1并保温，固溶时间为t1，固溶热处理后迅速将铝合金板材转移至冷却水中进行淬火；
2)将步骤1)固溶后的铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)转移至时效炉中进行预时效处理，加热至预时效温度T2并保温，T2＜T1，预时效时间为t2，t2＞t1，预时效处理后，将铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)自然冷却至室温；
3)将预浸料裁剪成与铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)相同长度与宽度的尺寸，分别在铝合金上面板(11)和铝合金下面板(15)的内表面进行铺层，形成上面板过渡层(12)和下面板过渡层(14)；
4)将多个夹芯单元(13)插入时效/固化同步模具的芯模(32)中，再将芯模(32)连同其上的多个夹芯单元(13)置于步骤3)完成的上面板过渡层(12)和下面板过渡层(14)中间形成轻质夹芯结构；
5)将步骤4)的轻质夹芯结构转移至时效/固化同步模具的下模板(33)上、左端夹块(34)和右端夹块(35)中间，通过紧固第一横向紧固螺杆(36)和第二横向紧固螺杆(37)两端的螺母使得左端夹块(34)和右端夹块(35)将轻质夹芯结构横向夹紧；再将时效/固化同步模具的上模板(31)置于轻质夹芯结构上方，通过紧固第一纵向紧固螺杆(38)和第二纵向紧固螺杆(39)两端的螺母使得上模板(31)和下模板(33)将轻质夹芯结构施加一定的纵向夹紧压力；
6)将步骤5)中时效/固化同步模具连同其上的轻质夹芯结构转移至时效炉中进行主时效处理，加热至主时效温度T3并保温，160℃≤T3≤180℃且T2＜T3＜T1，主时效时间为t3，t2＞t3＞t1，主时效处理后，将轻质夹芯结构自然冷却至室温，获得轻量化异质材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，制备所述轻量化异质材料的时效/固化同步化模具，包括上模板(31)、与上模板(31)相间的下模板(33)，上模板(31)与上模板(31)之间、靠近它们两端分别设置左端夹块(34)和右端夹块(35)，左端夹块(34)和右端夹块(35)之间设置芯模(32)，芯模(32)具有多个周期性排列、规格相同、适于多个的夹芯单元(13)插接固定的插槽；靠近上模板(31)与上模板(31)的两端、左端夹块(34)和右端夹块(35)的中部分别开设纵向长圆孔，第一纵向紧固螺杆(38)和第二纵向紧固螺杆(39)分别穿入纵向长圆孔后两端螺接螺母；靠近左端夹块(34)和右端夹块(35)的前后两端分别开设横向长圆孔，第一横向紧固螺杆(36)和第二横向紧固螺杆(37)分别穿入横向长圆孔后两端螺接螺母。
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