CN116572601A - 一种玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种玄武岩纤维金属基复合层板制备方法及应用。该制备方法包括：将金属板进行表面处理后与玄武岩纤维树脂通过胶膜粘结，然后使用热压固化制备得到玄武岩纤维金属基复合层板；其中，热压固化包括：在160℃‑180℃，2.45MPa‑4.90Mpa压力下压合50min‑70min；压合后保持160℃‑180℃温度固化足够时间。该金属基复合层板是基于玄武岩纤维进行制备，制备方法简单，工艺条件不高，制造成本低，且制备得到的玄武岩纤维金属基复合层板抗冲击性能强。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种玄武岩纤维金属基复合层板制备方法及应用。
背景技术
纤维金属基复合层板(FMLs，Fibre-MetalLaminates)是由金属薄板和纤维增强复合材料交替层压而成的混杂复合材料，具有高比强度、低密度、高韧性及优异的阻燃、耐冲击和耐腐蚀的优点，目前主要用于航空工业。然而随着海陆交通的迅猛发展，轻质高强的要求已经不仅仅是航空业才格外关注的问题，轮船、汽车也逐渐考虑减轻自身及载物容器等的重量来达到节约能源的目的。而在海陆运输过程中，不可避免地会发生如货物跌落、汽车碰撞、轮船触礁等低速冲击问题。
成熟的FMLs(如GLARE)采用的增强纤维主要是玻璃纤维以及还有特殊用途的特种纤维，比如硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等。目前存在的问题是，玻璃纤维在生产过程中易造成环境污染，而特种纤维的制造成本偏高，不易推广。
因此，需要挖掘一种原料来源广泛，生产更加环保，工艺要求不高的材料替代目前FMLs常用的纤维来制备一种新型的FMLs。
发明内容
针对以上问题，本发明目的之一在于提供一种玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，该金属层板是基于玄武岩纤维进行制备，制备方法简单，工艺条件不高，制造成本低，且制备得到的玄武岩纤维金属层板抗冲击性能强。
为了达到上述目的，本发明可以采用以下技术方案：
本发明一方面提供一种玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其包括：将金属板进行表面处理后与玄武岩纤维树脂通过胶膜粘结，然后使用热压固化制备得到玄武岩纤维金属层板；其中，热压固化包括：在160℃-180℃，2.45MPa-4.90Mpa压力下压合50min-70min；压合后保持160℃-180℃温度成熟足够时间。
本发明另一方面提供一种上述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法制备得到的玄武岩纤维金属基复合层板。
本发明有益效果至少包括：
(1)本发明提供的玄武岩纤维金属层板的制备方法仅需要在160℃-180℃，2.45MPa-4.90Mpa压力下进行压合，工艺条件温和；
(2)本发明提供的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法使用的玄武岩纤维比较环保，且来源广泛，成本低；
(3)本发明提供的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法制备的玄武岩纤维金属基复合层板抗冲击性能强。
附图说明
图1为玄武岩纤维金属层板制备流程示意图；
图2为静压试件尺寸示意图；
图3为模具示意图；
图4为极差图；
图5为最佳粘结因素组合下的拉剪试验结果图；
图6为冲击试验机及试验后的试样图；
图7为铝合金板(20-Al-100-1)落重冲击载荷-挠度曲线图；
图8为玄武岩纤维树脂板(20-BFRP-100-2)落重冲击载荷-挠度曲线图；
图9为纤维金属层板(10-FML2/1-100-1)落重冲击载荷-挠度曲线图；
图10为2A12铝合金的刚性-线性强化模型和BFRP线弹性模型图；
图11为薄膜力主导的2/1型BFMLs平板的载荷-挠度曲线图；
图12为弯曲力主导的4/3型BFMLs平板的载荷-挠度曲线图；
图13为低冲击能下3/2型BFMLs的分层图；
图14为BFMLs平板低速冲击分层区域及挠曲面截面示意图；
图15为未发生脱粘的3/2型BFMLs平板的载荷-挠度曲线图；
图16为3/2型BFMLs准静态循环加载载荷-挠度曲线图；
图17为卸载和二次加载曲线图；
图18为铝合金试件的两种失效模式图：(a)分瓣，(b)瓶塞形开裂，(c)冲击正面；
图19为铝合金冲击试件(10-Al-100-1)断口显微图片；
图20为纤维金属层板(5-FML3/2-100-1)冲击正面铝合金断口显微图片；
图21为铝合金静压试件断口显微图片；
图22为玄武岩纤维树脂试件(BFRP-70)破坏形式图；(a)静压不同压头尺寸下BFRP的破坏形式；(b)冲击不同撞头尺寸下BFRP的破坏形式；
图23为玄武岩纤维树脂试件(BFRP-100)破坏形式图；(a)静压不同压头尺寸下BFRP的破坏形式；(b)冲击不同撞头尺寸下BFRP的破坏形式；
图24为冲击能与冲击比能分布图；
图25为BFRP平板横向冲击变形示意图；
图26为纤维金属层板(5-FML3/2-100-1)横断面图；
图27为BFMLs平板低速冲击能量按组成材料的分配图；
图28为BFMLs平板低速冲击能量计算值与试验值的对比。
具体实施方式
所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，并且无意于限制本公开。除非在上下文中具有明显不同的含义，否则单数形式的表达包括复数形式的表达。如本文所使用的，应当理解，诸如“包括”、“具有”、“包含”之类的术语旨在指示特征、数字、操作、组件、零件、元件、材料或组合的存在。在说明书中公开了本发明的术语，并且不旨在排除可能存在或可以添加一个或多个其他特征、数字、操作、组件、部件、元件、材料或其组合的可能性。如在此使用的，根据情况，“/”可以被解释为“和”或“或”。
本发明实施例提供一种玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其包括：将金属板进行表面处理后与玄武岩纤维树脂通过胶膜粘结，然后使用热压固化制备得到玄武岩纤维金属基复合层板；其中，热压固化包括：在160℃-180℃，2.45MPa-4.90Mpa压力下压合50min-70min；压合后保持160℃-180℃温度成熟足够时间。
需要说明的是，玄武岩纤维的原料来源广泛，生产更加环保，工艺要求不高，力学性能也不亚于玻璃纤维，是FMLs常用纤维的良好替代品。
另外，本发明中，首先通过静态和动态力学实验掌握了平织玄武岩纤维树脂(BFRP，Basalt Fibre Reinforced Polymer)的力学响应规律。实验结果表明，BFRP的弹性模量、拉伸强度均与应变率相关。提出了一种分析低速冲击下BFRP动态弹性模量的方法，并用该方法得到了中等应变率(10s-1-100s-1)下BFRP的黏弹性本构关系。在Hill-蔡理论基础上分析了BFRP的失效准则，用该准则所预测的BFRP平板的失效位移与试验值基本吻合。
其次通过落重冲击试验获得了不同类型BFMLs的动态响应特性和失效模式，并分析了变形和失效机理。采用等效质量-弹簧系统描述BFMLs低速冲击的动态行为随时间的变化规律。运用最小势能原理和模态分析技术分析得到了BFMLs薄板和厚板的动态加载-变形规律。分析结果显示，BFMLs厚板的载荷-挠度关系受分层行为影响较大，而BFMLs薄板的加载-变形行为主要受控于薄膜力，受分层影响较小。另外，在试验结果基础上结合Caprino假设和Timoshenko板壳理论还建立了可估计BFMLs低速冲击行为的经验公式。经验公式所预测的冲击载荷与变形挠度之间的关系只适用于同种类型的BFMLs平板，对其它类型的BFMLs板需要重新拟合参数。
再者，基于能量法分析了BFMLs的卸载行为。将分析结果与BFMLs平板准静态加载-卸载曲线进行对比后发现，预测的卸载曲线更接近BFMLs的二次加载曲线，表明BFRP具有蠕变特性，而卸载速率越小，卸载曲线和分析结果就越接近。
再者，分析了BFMLs的失效模式及各失效模式的吸收能在冲击总能量中所占的比例。结果显示，BFRP的断裂是能量吸收的主要部分，占到总能量的75％以上，铝合金塑性变形和断裂所占比例在20％左右，分层能基本可以忽略。能量耗散在失效模式上的分布规律对BFMLs的优化设计也具有指导意义。
在一些具体实施例中，热压固化温度可以为165℃、170℃或175℃等；热压固化压力可以为3Mpa、3.5Mpa、4Mpa或4.5Mpa等；压合时间可以为55min、60min或65min。
在一些具体实施例中，金属板的厚度可以为0.3mm-0.7mm，优选0.5mm；玄武岩纤维树脂厚度可以为1.30mm-1.34mm，优选1.32mm；胶膜的厚度可以为70μm-80μm，优选75μm。
在一些具体实施例中，成熟时间为1h。需要说明的是，上述的足够时间指的是粘度达到最好的时间。
在一些具体实施例中，玄武岩纤维树脂可以通过打磨进行表面预处理。进行表面预处理后，可以增加表面与胶膜的粘性。需要说明的是，玄武岩纤维树脂除了通过打磨外，还可以采用喷砂，但是其设备要求高，成本高，不具有普遍性，所以优选打磨，更优选钢丝刷打磨(砂纸打磨效率低，且表面差异性大)。
在一些具体实施例中，金属为铝合金，铝合金按照质量百分数计，可以包括3.8％-4.9％Cu、1.2％-1.8％ Mg、<0.5％ Si、<0.5％Fe、0.3％-0.9％Mn、<0.1％ Ni、<0.3％Zn、<0.15％Ti和余量Al。
在一些具体实施例中，金属板进行表面处理的方法可以包括：将铝合金板通过酸洗和碱洗，然后通过阳极化处理。
在一些具体实施例中，碱洗优选包括以下条件中一种或多种：(a)碱洗浓度为20g/L；(b)碱洗温度为室温。
在一些具体实施例中，酸洗优选包括以下条件中一种或多种：(a)酸洗浓度为70ml/L；(b)碱洗温度为室温。
在一些具体实施例中，阳极化优选包括以下条件中的一种或多种：(a)电压为10V；(b)阳极化温度为45℃；(c)阳极化时间为10min。
需要说明的是，为了获得良好的粘结性能，除了保证粘结面清洁外还需对表面做一定的物理、化学处理；物理性处理包括有机溶剂(或其蒸气)的清洗、机械处理(铲、磨、削等)、水基清洗剂清洗等；化学性处理包括化学药物处理、电化学处理、等离子处理、光化学处理、激光处理等。表面清洗的方式用脱脂棉蘸有机溶剂(汽油、乙酸乙酯、丙酮等)顺次擦拭；水基清洗液清洗，包含碱类、表面活性剂和水，清洗槽可配有加热、超声波、搅拌器、循环泵等来提高效率。清洗除污后水洗、干燥，并尽快粘结，以免二次污染；判断是否洗净的方法是，取些洁净水倒在试件表面，如果形成一层连续水膜，即为洗净，否则重新冲洗。
还需要说明的是，金属板进行表面处理的最优方法包括：碱洗浓度：20g/L，碱洗温度：室温；酸洗浓度：70ml/L，酸洗温度：室温；阳极化电压：10V，阳极化温度：45℃，阳极化时间：10min。该条件下的粘结强度可以达到15Mpa。
本发明另一方面提供一种上述的玄武岩纤维金属层板的制备方法制备得到的玄武岩纤维金属层板。基于上述的玄武岩纤维金属层板的制备方法制备得到的玄武岩纤维金属层板具有良好的抗冲压性能，可以应用在海陆运输中。
为了更好地理解本发明，下面结合具体示例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的示例。
以下实施例中，由西南铝业有限公司(重庆)提供的厚度为0.5mm的2A12-T4铝合金薄板，化学成分(见表1)和力学参数(见表2)分别如下。
表12A12铝合金的化学成分％
表2力学参数
| 密度 | 2780kg/m3 |
| 延伸率 | ～10％ |
| 拉伸强度 | ～470MPa |
| 屈服强度 | ～325MPa |
| 弹性模量 | ～70.1GPa |
另外，对2A12铝合金进行拉伸试验，结果如表3所示。
表3静态拉伸试验结果
以下实施例中，玄武岩纤维树脂(BFRP)，由航天拓鑫(成都)提供的厚度为1.32mm的4层平织无捻玄武岩纤维环氧树脂板，力学性能列于表4中。
表4玄武岩纤维及其复合材料参数
一、金属基复合层板制备
以下实施例中，按照图1所示的玄武岩纤维铝合金层板制作流程示意图制作玄武岩纤维铝合金层板。其中，粘结用的胶膜是由正寰胶粘制品有限公司(上海)提供的热固化型纯胶，具有优异的耐高温性能和极佳的粘结强度，薄膜厚度为75μm。本发明实施例采用的是一次成型法，温度：160℃-180℃，时间：60分钟，压力：25-50kg/cm2(2.45MPa-4.90MPa)，压合后保持160℃的温度熟成1小时。
实施例1金属基复合层板制备
(1)机加工
为了避免纤维金属层板在加工成试件的过程中对其力学性能造成影响，预先将铝合金板和纤维树脂板裁成试件所需尺寸，再在预先做好的模具中进行粘结，令纤维金属层板试验所需试件直接成形，无需后续加工。铝合金板通过线切割方式裁成拉伸试样、静压试样和冲击试样的尺寸，纤维树脂板在车床上通过铣削方式加工成拉伸试样、静压试样和冲击试样的尺寸，如图2所示。按照试样尺寸，制作相应模具。
(2)表面处理
按照以下方法对铝合金板的表面进行处理：
1)表面机械处理
使用钢丝刷打磨。
2)表面清洗
使用脱脂棉蘸汽油顺次擦拭；碱类水基清洗液清洗；清洗槽配有加热、超声波、搅拌器、循环泵等来提高效率；清洗除污后水洗，干燥，并尽快粘结，以免二次污染；判断是否洗净的方法是，取些洁净水倒在试件表面，如果形成一层连续水膜，即为洗净，否则重新冲洗。
(3)粘结工艺
胶膜的使用方法是：
(a)揭开离型膜；
(b)以110℃-140℃的温度将胶膜滚压假贴在第一片被粘物上；
(c)剥开离型纸，将第二片被粘物叠置并对准后，采用一次成型法压合；
(d)压合后以160℃的温度熟成1小时。
在操作过程中，揭去离型膜后用电熨斗将胶膜假贴在纤维树脂板上，但离型纸不易剥开，可用水浸湿离型纸，再行剥落；再次用电熨斗在铝合金薄板对准纤维树脂板后做预热压，随后放入热压模具中，在平板硫化机(四川大学高分子学院)上按照一次成型热压法进行粘结。模具如图3所示。
(4)粘结强度正交试验
为确定获得最佳粘结效果的表面处理方式，进行了粘结剪切强度的正交试验。正交试验的因素水平表如表5所示，7因素3水平的正交试验表如表6所示。拉剪强度试验结果列于表7中。
表5正交试验因素水平表
表6正交试验设计表L18(37)
表7正交试验结果
上表7中，Kn是n水平的数据之和，kn＝Kn/6，极差R＝Max{k1，k2，k3}-Min{k1，k2，k3}。各因素造成的极差见图4。从图4可以看出因素主次关系为：F>J>H>B>I>C>E。所以最优的因素组合为：B1C1E3F1H2I2J1(碱洗浓度：20g/L；碱洗温度：室温；酸洗浓度：70ml/L；酸洗温度：室温；阳极化电压：10V；阳极化温度：45℃，阳极化时间：10min)。按照最佳组合因素得到的最佳粘结强度约为15MPa(图5)。
二、静态及落重冲击试验
本发明实施例中，为研究玄武岩增强纤维金属层板的力学性能，开展了针对铝合金板、纤维树脂板和纤维金属层板的力学性能试验(试件编号方式：撞头直径-板材类型-试件直径-标号，如撞头直径为20mm、试件直径为100mm的3/2型纤维金属层板1号试件标记为20-FML3/2-100-1)，包括静拉伸试验、短梁的三点弯曲试验、静压试验和落重冲击试验。
另外，静压试验分为两个部分：两端固定矩形板的静压和边缘固定圆板的静压。进行铝合金板和纤维树脂板的试验是为了给预测纤维金属层板的力学性能提供必要的基础数据。在对纤维金属层板进行的试验中，两端固定矩形板的静压试验只做了2/1型，落重冲击试验则包括了2/1、3/2和4/3型。
实施例2落重冲击试验
落重冲击试验分两批分别在XXX型落重试验机(中国工程物理研究院)和INSTON9250HV落重试验机(西北工业大学)上进行。落锤上装有加速度传感器，用于记录冲击过程中的加速度变化历程。分别对铝合金薄板、玄武岩纤维树脂板、2/1型、3/2型和4/3形纤维金属层板进行落重冲击试验。试件完全固定在中孔直径为70mm或100mm的夹具之间，以直径为10mm和20mm的半球形撞头分别对两种尺寸的试件进行落重冲击，落锤质量有5.666kg、14.353kg和17.493kg三种，初始高度有0.36m、0.48m和0.76m三种。对所研究问题制定的冲击试验方案列于表8中。
表8冲击试验设置
注：撞头尺寸、撞头质量和冲击高度为大致范围，可适当调整。
INSTON 9250HV落重试验机的数据采集系统记录载荷随时间变化的数据和冲击瞬间的落锤速度；落锤冲击时刻的速度由速度光栅和标杆系统测得；冲击过程中落锤的速度变化、落锤的位移变化和能量损失通过动量方程来计算。假定冲击从t＝0时刻开始，不考虑摩擦情况下，作用在落锤上的合力为试样反作用力与落锤重力之和，即
f(t)＝mg-p(t) (1)
由F＝ma可得加速度变化：
据此可计算t时刻撞头的速度为：
t时刻撞头的位移为：
t时刻试件吸收的能量为：
式中，p(t)是试件在t时刻作用在撞头上的作用力，m是撞头质量，g是重力加速度，f(t)是作用在撞头上的合力，a(t)是撞头在t时刻的加速度，v(t)是撞头在t时刻的速度，x(t)是撞头在t时刻的位移，E(t)是试件在t时刻吸收的能量。
试验现场及冲击后的试件如图6所示，三种板的典型冲击结果如表9、表10表11以及图7、图8和图9所示。
表9铝合金板(20-Al-100-1)落重冲击试验结果
表10玄武岩纤维树脂板(20-BFRP-100-2)落重冲击试验结果
表11纤维金属层板板(10-FML2/1-100-1)落重冲击试验结果
另外，铝合金板、纤维树脂板和纤维金属层板的平均冲击时间分别为4.42ms、10.50ms和9.85ms(参见表12)。
表12冲击试验结果汇总
三、玄武岩纤维金属层板低速冲击行为分析
实施例3低速冲击下玄武岩纤维金属层板的变形
(1)BFMLs薄板(2/1型)的加载行为
在加载速率不高的情况下，研究结构动态行为的方法可通过模态分析转化为对准静态过程的分析，再推广到动态行为。据此，首先分析BFMLs的准静态行为。BFRP和2A12铝合金的性能参数见表13和上表2。铝合金是弹塑性的延性材料(延伸率为10％)，而BFRP是弹性脆性材料(延伸率为1.9％)。为了便于分析BFMLs平板的横向加载行为，将铝合金理想化为刚性-线性强化材料，将BFRP认为是线弹性材料，如图10所示。然后利用最小势能原理求解BFMLs的载荷-挠度关系。BFMLs板的应变能由弯曲应变能和薄膜应变能组成。为了能表达板的总应变能，假设面内变形量可忽略，这样，应变能就只和横向变形挠度有关。
表13玄武岩纤维树脂的工程弹性常数
| 参量 | E1(GPa) | E2(GPa) | G12(GPa) | X＝Y(MPa) | S(MPa) | ν12 |
| 数值 | 15.0 | 15.0 | 3.27 | 290±22 | 68±7 | 0.28 |
弯曲应变能为：
式中，S是积分区域；Mx0,My0,Mxy0是x和y方向上的塑性弯矩和塑性扭矩，Dij是弯曲刚度。塑性弯矩和塑性扭矩可通过对板中性面求力矩得到。例如，一个具有n层铝合金和BFRP的BFMLs平板，具有(n+1)/2层铝合金和(n-1)/2层BFRP。铝合金和BFRP的厚度分别为hAl和hBF。据此，塑性弯矩为Mx0＝My0＝M0，其中：
其中，m是铝合金层数zk，是铝合金中面到BFMLs中性面的距离。
采用von Karman应变按下式计算薄膜应变能：
式中，Nx0＝Ny0和Nxy0是塑性薄膜力和面内剪切力，Aij是薄膜刚度。塑性薄膜力和面内剪切力可通过对中性面的应力积分得到。
式中，σ0是铝合金的屈服强度。
用最小势能原理求解载荷-挠度关系需要找到平板横向变形的挠度分布函数。Tsamasphyros和Bikakis[195]提出平板横向冲击时有如下的速度分布：
积分上式即为挠度分布：
式中，a是圆板半径。在对称加载的情况下，圆板的面内剪切力和面内扭矩均为零，所以将(13)式带入(6)、(7)、(9)和(10)式后得到的弯曲应变能和薄膜应变能为：
外载荷做的功为：
W＝Pw0 (18)
求势能：
的极小值得：
其中：
式(20)右侧第一项是引起铝合金塑性流动的载荷值，第二项线性部分是部分弯曲和部分薄膜力，最后一项是非线性薄膜力。
另外，BFMLs薄板的横向加载因其最大挠度是厚度的数倍，故薄膜力主导其力学行为。忽略弯曲载荷后得：
计算结果与试验值的对比如图11所示，计算结果和试验值比较吻合。
(2)BFMLs厚板(3/2型、4/3型)的加载行为
经典板壳理论给出了小挠度下边缘固定圆板在中心横向加载的挠曲面方程为：
式中，P是载荷值，D是弯曲刚度，a是圆板半径，且：
按照式(25)得到加载中心的挠度为：
变形后得：
纤维金属层板的平均弹性模量可按下式计算：
其中，EAl取铝合金刚塑性模型中的硬化斜率。
在不考虑分层情况下对4/3型BFMLs的加载规律计算结果与试验值对比如图12所示。另外，加载挠度达到1mm左右时，试验值偏离理论计算结果。这是因为BFMLs在此挠度下发生了铝合金薄板与BFRP板的脱粘分层(见图13)，使得BFMLs的弯曲刚度下降。因此，必须考虑分层的影响。分层区域半径为：
式中，ILSS是层间剪切强度。
发生分层区域(见图14)的弯曲刚度按下式计算：
Ddeb＝∑(iDAl+jDBF) (31)
其中：
另外，从图12可以看到，考虑了分层后，预测的载荷-挠度曲线在加载阶段与试验结果吻合地很好。这说明厚板的力学行为和粘结质量密切相关。在图15所示的没有发生分层的BFMLs板载荷-挠度曲线可以看出，平板弯曲刚度没有因为分层而下降。需要说明的是，在图15中加载曲线的初始阶段，弯曲刚度较大是因为铝合金变形处于弹性阶段，这与采用铝合金弹性模量(E＝70.1GPa)计算的结果一致，随后才进入塑性变形，从而与铝合金的刚性-线性强化模型(Ep＝1.5GPa)所预测的结果趋于一致。
实施例3玄武岩纤维金属层板横向卸载规律
图16所示是直径为100mm的3/2型BFMLs准静态循环加载-卸载曲线，循环过程中按挠度值设置的循环间隔为1mm。对一个完整的加载-卸载过程而言，加载曲线下的面积是应变能，通过下式计算：
UL＝∫PL(w0)dw0 (33)
式中，PL是加载载荷。
卸载曲线下的面积是弹性回复能，主要由BFRP引起，回复能由下式计算：
UU＝∫PU(w0)dw0 (34)
式中，PU是卸载载荷。
由加载曲线和卸载曲线包围的面积是铝合金塑性变形吸收的能量，可通过下式计算：
WU＝∫FU(w0)dw0 (35)
式中，FU是板回复变形过程中铝合金塑性变形载荷。
显然，
UL＝UU+WU (36)
即，
∫PL(w0)dw0＝∫PU(w0)dw0+∫FU(w0)dw0 (37)
对w0进行微分得：
PU(w0)＝PL(w0)-FU(w0) (38)
在大变形情况下，忽略BFMLs的弯曲刚度。铝合金的行为认为是刚性-理想塑性的，并处于薄膜屈服状态。所以，加载载荷对铝合金所做的塑性功为：
WL＝mhAlσ0dAL (39)
式中，m是铝合金层数，hAl是铝合金厚度，dAL是BFMLs变形过程中板面积的增加量，与w0相关。
类似地，卸载过程的塑性功为：
WU＝mhAlσ0dAU (40)
式中，dAU是BFMLs面积的减小量，也和w0有关。BFMLs的挠曲面和边界条件、板的形状、加载位置有关。
从图17中可以看到，在增量dw0内，压头加载和卸载的移动范围相同。因此，可以认为dAL＝dAU；据此得到WL＝WU；加载过程中的塑性功为：
WL＝∫FL(w0)dw0 (41)
式中，FL是加载过程中铝合金的塑性载荷。
根据WL＝WU可得：
FU(w0)＝FL(w0) (42)
大变形过程中：
其中，
铝合金面内载荷为：
Nx＝Ny＝mtAlσ0 (46)
式(43)第一项是铝合金塑性变形对应的载荷，所以，在加载过程中，塑性载荷是线性增加的，刚度为结合(42)式，FU为：
式中，是板中心最大挠度。
结合式(38)、(43)和(47)得：
式(48)的适用范围是：
其中，是BFMLs的永久变形量。
以最后一次卸载为例(图17)，预测的卸载曲线和二次加载曲线更为接近，这是因为BFRP板变形具有蠕变特性。二次加载是在卸载6分钟后继续加载的，而式(48)并未考虑蠕变，所以和二次加载曲线更为接近，而与卸载曲线偏离较大。可以预测，当卸载足够缓慢，或卸载经过足够长的时间后再行加载，式(48)将和卸载或二次加载曲线重合。
实施例4玄武岩纤维金属层板低速冲击失效分析
(1)破坏形式
(a)铝合金的破坏
图18所示为铝合金试件在不同压头直径下的破坏形式。多数试件的破坏形式是瓶塞形，而仅有一个试件表现出了花瓣的形式。对断口进行观察发现，发生瓶塞形破坏的试件，在“瓶塞”上存在一个明显的压头与铝合金薄板的接触区(图18中c)，该区域保持完整的圆形(球冠形状)，且比未接触区更加光亮，而在花瓣形断口上则无此特征。可以想见，在压头与铝合金板的摩擦力足够大的情况下，接触区和压头因摩擦力结合在一起，当板内应力达到极限值时，在接触区边缘处最先发生破坏，随后按照III型断裂方式扩展，形成最终的“瓶塞”；当压头与铝合金板的摩擦力不够大时，板内的应力分布始终是静压中心点处最大，达到应力极限时也从静压中心最先破坏，随后按照I型断裂方式沿径向扩展，形成若干个“花瓣”。冲击后铝合金断口的微观形貌说明了撞头与铝合金之间存在强烈的摩擦(图19和图20)，在铝合金受冲击一侧形成了层叠状形貌，说明铝合金在此处发生剧烈的塑性流动，而在静压断口上没有这种形貌(图21)，说明静压情况下的摩擦不是很强烈，才有可能形成花瓣状破坏。
按照经典板壳理论，受轴对称横向载荷作用的平板在弯曲过程中破坏最先发生在表面，但是BFMLs不遵从此规律。由于铝合金薄板之间的BFRP不像铝合金那样具有延展性，在弯曲变形过程中，BFRP必然先于铝合金发生破坏。在发生破坏之前，将BFMLs看作一个整体，经典的板壳弯曲理论是适用的，虽然沿板厚的应力是不连续的。对于一个(n+1)/n型BFMLs而言，由于是最底层的BFRP先发生破坏，根据之前BFRP的试验结果可知，此底层BFRP是沿横纵纤维方向成金字塔形变形破坏，造成最底层铝合金薄板的受力状态发生变化，破坏形式与最低层BFRP相同。在次底层BFRP破坏之前，上部按照n/(n-1)型BFMLs的形式发生破坏，以此类推，直至最上层铝合金薄板。
(b)纤维树脂的破坏
图22中(a)所示是玄武岩纤维树脂板静压破坏试样照片，半球形压头直径从左至右分别为5mm、10mm和20mm。压头直径为5mm情况下，破坏形式以压碎为主，纤维断裂不规则，试验结果偏差较大。这是因为压头尺寸与纤维层的构造尺寸相当，纤维层编织的不均匀性对压头的位置敏感所致。压头直径为10mm情况下，纤维树脂板的破坏形式趋于规则化，显示出沿横纵方向逐渐发生纤维断裂的趋势。当压头直径为20mm时，失效模式展现清晰的金字塔形的破坏形式，裂纹沿纤维方向呈十字状。类似现象也发生在直径为100mm的试件上(图23)。
(2)破坏能分布
(a)冲击能与冲击比能的分布
图24所示的是所有试件达到最大载荷所消耗的冲击能和冲击比能(单位厚度消耗的冲击能)分布情况。虽然4/3型纤维金属层板吸收的冲击能最高，但按照单位厚度计算的冲击比能并不是最高的，铝合金的吸收比能最大，玄武岩纤维树脂的吸收比能最少，纤维金属层板居中。
(b)冲击破坏能的分配
从被穿透的BFMLs的横断面(图25)可以看出，撞头动能的减少主要通过板的整体变形(弯曲和薄膜拉伸)、分层(BFRP与铝合金之间的脱粘分层)、纤维拉断和铝合金开裂耗散掉。BFMLs背面铝合金的花瓣失效意味着铝合金是I型断裂。据此可得到能量平衡方程为：
Etotal＝Edeb+Ebm+Etensile+Epetal (50)
式中右侧分别是分层能、由弯曲和薄膜力引起的应变能和塑性功、BFRP纤维断裂能和铝合金的花瓣失效能。
下面分述各失效形式所吸收的能量值。
a)分层
发生分层的载荷通过下式计算：
式中，ν是泊松比，Eav是板的平均弹性模量，GIIC是II型断裂韧度。分层区域半径为：
式中，ILSS是层间剪切强度。分层吸收的能量为：
联合式(51)-(53)得：
b)BFRP断裂吸收能
从BFRP的准静态拉伸应力-应变曲线得到失效应变能密度为et＝2.85×106J/m3。而BFRP圆板压透的失效能可根据图26所示失效区域对应的主纤维区域体积与失效应变能密度的乘积来计算(式55)。计算结果和通过准静态压透试验得到的BFRP板失效能列于表14中。对比后发现，计算值和试验结果非常接近，因而可以利用这种方法预测BFMLs中BFRP断裂吸收的能量。
Et＝8nBFetr0ahBF (55)
式中，nBF是BFRP层数，r0是撞头半径，a是试件半径，hBF是BFRP试件厚度。
表14 BFRP平板静态压透失效能
c)铝合金塑性应变能与分瓣能
在分析BFMLs的变形时得到了铝合金薄膜应变能为：
此时，将板中心挠度w0取为最大挠度值即可求得BFMLs失效时单层铝合金的塑性应变能。
另外，撞头在穿过铝合金板的过程中以塑性铰形式将分瓣的铝合金向板的背面弯曲成90°，此弯曲的塑性功为
式中，nAl是铝合金层数，R是撞头半径。塑性铰长度是2πR。
通过上述对能量吸收的分析将各BFMLs试样的能量分配情况汇总于表15中。各试件中组成材料在吸收能上所占的比重如图27所示。图中显示，BFRP破坏吸收的能量占BFMLs总吸收能的比重在3/4以上，是吸能的主要材料。计算的吸收能与试验值的对比如图28所示，大部分的计算值与试验值接近。其中两个试件(第二个和第八个)偏差较大可能由是铝合金的失效应变具有离散性造成的。
表15 BFMLs平板低速冲击能量分配
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。
Claims (10)
1.一种玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，包括：将金属板进行表面处理后与玄武岩纤维树脂通过胶膜粘结，然后使用热压固化制备得到玄武岩纤维金属基复合层板；其中，热压固化包括：在160℃-180℃，2.45MPa-4.90Mpa压力下压合50min-70min；
压合后保持160℃-180℃温度成熟足够时间。
2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，金属板的厚度为0.3mm-0.7mm，玄武岩纤维树脂厚度为1.30mm-1.34mm，胶膜的厚度为70μm-80μm。
3.根据权利要求1或2所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，玄武岩纤维树脂通过打磨进行表面预处理。
4.根据权利要求1或2所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，金属为铝合金，铝合金按照质量百分数计，包括3.8％-4.9％Cu、1.2％-1.8％Mg、<0.5％Si、<0.5％Fe、0.3％-0.9％Mn、<0.1％Ni、<0.3％Zn、<0.15％Ti和余量Al。
5.根据权利要求4所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，金属板进行表面处理的方法包括：将铝合金板依次通过酸洗和碱洗，然后通过阳极化处理。
6.根据权利要求5所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，碱洗包括以下条件中一种或多种：(a)碱洗浓度为20g/L；(b)碱洗温度为室温。
7.根据权利要求5或6所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，酸洗包括以下条件中一种或多种：(a)酸洗浓度为70ml/L；(b)碱洗温度为室温。
8.根据权利要求5或6所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，阳极化包括以下条件中的一种或多种：(a)电压为10V；(b)阳极化温度为45℃；(c)阳极化时间为10min。
9.根据权利要求7所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法，其特征在于，阳极化包括以下条件中的一种或多种：(a)电压为10V；(b)阳极化温度为45℃；(c)阳极化时间为10min。
10.权利要求1至9任一项权利要求所述的玄武岩纤维金属基复合层板的制备方法制备得到的玄武岩纤维金属基复合层板。
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| CN117309597B (zh) * | 2023-10-12 | 2024-01-30 | 四川纤谷塑业有限公司 | 一种玄武岩纤维复合材料托盘抗压测试设备及使用方法 |
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