专利名称：一种连续纤维增强金属基复合材料的补强方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的补强方法。
技术背景碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维等纤维增强铝合金、镁合金等金属基复合 材料是一种新型的结构材料，具有比强度高、比刚度大、材料性能可设计等优 点。但是纤维增强金属基复合材料的制备方法通常是逐层缠绕、逐层铺层或二 维编织成型，这种复合材料构件具有固有的难以克服的各向异性的弱点厚度 方向的刚度和强度性能低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和 损伤容限水平低，这些是人们多年来一直希望解决的问题。发明内容本发明的目的是为解决二维纤维增强金属基复合材料构件在厚度方向的刚 度和强度性能低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限 水平低的问题，提供一种连续纤维增强金属基复合材料的补强方法。本发明的连续纤维增强金属基复合材料的补强方法是这样完成的将纤维 预制件制备完成后，在纤维预制件中加入金属丝，纤维预制件携带金属丝通过 加热后进行金属液浸渗，冷却后即完成对连续纤维增强金属基复合材料的补强。本发明的优点是由于本发明的金属丝是在纤维预制件制备完毕之后金属 液浸渗之前引入的，在后续的金属液浸渗过程中，金属丝将与液态基体金属发 生界面反应，形成一定厚度的界面反应层，金属丝本身具有高强度高韧性而且 与基体有较强的结合力，因而金属丝的存在有效地增强了纤维复合材料层间或 厚度等薄弱方向上的强度，提高了纤维复合材料的层间强度、冲击韧性和损伤 容限，有效地防止了复合材料分层开裂和剪切破坏。
图1是本发明采用补强处理后的金属基复合材料横截面结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法是这样实现的将纤维预制件2制备完成后，在纤维预制件2中加入金属丝1，纤维预制件2与复合材料基体3通过加热进行金属液浸渗，冷却后即完成对连续纤维增 强金属基复合材料的补强。这样设计使高强度的金属丝1与复合材料基体3形成强界面结合，提高了纤维增强金属基复合材料厚度或层间等薄弱方向上的性 能。由于金属丝1具有较高的刚度，可将其手工插入纤维预制件中，同时，纤维预制件中致密的纤维排布可使金属丝固定在纤维预制件中，不发生脱落；该 工艺方法操作简便，无需特殊设备，避免了复杂的三维编织工艺，节省了材料 制备成本。金属丝直径和数量可根据所需层间剪切强度来调整，同时，该工艺 不受纤维预制件的形状及大小限制，适合于复杂结构的补强。金属丝1与纤维 长度方向的夹角应不小于10° 。
具体实施方式
二结合图1说明本实施方式，本实施方式在纤维预制件2 中的厚度方向插入金属丝1。这样设计使金属丝1与复合材料基体3形成强界面 结合，提高了纤维增强金属基复合材料厚度或层间等薄弱方向上的性能。由于 金属丝i具有较高的刚度，可将其手工插入纤维预制件中，同时，纤维预制件 中致密的纤维排布可使金属丝固定在纤维预制件中，不发生脱落。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的金属丝1沿着纤维预制件的纤维层间的垂直方向插入。利用金属丝本身高强度以及与复合材 料基体发生强界面结合的物理特性，就像"钉钉子" 一样在金属基复合材料纤 维层间的垂直(薄弱)方向上"钉入"金属丝，金属丝的引入在纤维预制件二 维铺设之后，在铺层的垂直方向上直接插入，由于在后续的金属液浸渗过程中，金属丝将与液态基体金属发生界面反应，形成一定厚度的界面反应层4，导致金属丝与基体有适当的结合力，同时金属丝的高强度有效地增强了复合材料薄弱 方向上的力学性能，防止了复合材料分层开裂。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式在纤维预制件的 多维缝合过程中将金属丝1缝合进去。传统的三维缝合方法是在三维缝合织物 增强体中纤维束或纱线贯穿材料的长、宽、高三个方向，形成一个不分层的三 维整体网状结构因而从根本上消除了层合复合材料的"层"，解决了层合复合材 料的缺陷，为复合材料应用于结构件提供了广阔的前景。随着缝合技术的快速 发展，已经出现四向、五向、七向和十一向增强织物结构。传统三维缝合结构复合材料由于其具有一系列无法替代的优点，广泛地应用于航空航天等高科技 领域，但是从目前技术水平看，多向缝合预制件的缝合成本高、制备周期长、 复杂结构无法缝合，是其进一步发展的主要障碍。本发明在纤维多维缝合的过 程中将金属丝1缝合进去，是为了在后续的金属液浸渗过程中，金属丝1能与 液态基体金属发生界面反应，形成一定厚度的界面反应层4，导致金属丝与基体 有较强的结合力，同时金属丝的高强度有效地增强了复合材料薄弱方向上的力 学性能，防止了复合材料分层开裂，同时解决了多向缝合预制件的缝合成本高、 制备周期长、复杂结构无法缝合的问题。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式在纤维预制件的 多维编织过程中将金属丝1编织进去。传统的三维编织方法是在三维编织织物 增强体中纤维束或纱线贯穿材料的长、宽、高三个方向，形成一个不分层的三 维整体网状结构因而从根本上消除了层合复合材料的"层"，解决了层合复合材 料的缺陷，为复合材料应用于结构件提供了广阔的前景。随着编织技术的快速 发展，已经出现四向、五向、七向和十一向增强织物结构。传统三维编织结构 复合材料由于其具有一系列无法替代的优点，广泛地应用于航空航天等高科技 领域，但是从目前技术水平看，多向编织预制件的编织成本高、制备周期长、 复杂结构无法编织，是其进一步发展的主要障碍。本发明在纤维多维编织的过 程中将金属丝1缝合或编织进去，是为了在后续的金属液浸渗过程中，金属丝1 能与液态基体金属发生界面反应，形成一定厚度的界面反应层4，导致金属丝与 基体有较强的结合力，同时金属丝的高强度有效地增强了复合材料薄弱方向上 的力学性能，防止了复合材料分层开裂，同时解决了多向编织预制件的编织成 本高、制备周期长、复杂结构无法编织的问题。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式的金属丝1为钛 丝、钢丝、或芯部为钨丝的硼纤维。由于钛丝、钢丝和芯部为钩丝的硼纤维均 与复舍材料基体金属发生界面反应并产生强界面结合，所以钛丝、钢丝和硼纤 维均能提高基复合材料的强度。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式在制备碳纤维增 强铝基复合材料过程中，预制件为纤维缠绕件结构，在预制件成型完成后，沿
着厚度方向上插入不锈钢金属丝(1Crl8Ni9)，直径为0.25min，插入密度为1根/cm2。采用压力浸渗法将补强后的预制件制备成复合材料，此时不锈钢丝长 度与复合材料厚度相同。力学测试表明，采用不锈钢丝补强的复合材料的层间 剪切强度提高了 90%。
具体实施方式
八结合图1说明本实施方式，本实施方式在制备石墨纤维
增强镁基复合材料过程中，纤维预制件为纤维布铺层结构，在预制件成型过程
中，用不锈钢金属丝(1Crl8Ni9)将若干层纤维布沿着层间方向上缝合，钢丝 直径为0.25!11111，插入密度为2根/cm2。采用压力浸渗法将补强后的预制件制备 成复合材料。力学测试表明，采用不锈钢丝补强的复合材料的层间剪切强度提 高了 115%.
具体实施方式
九结合图1说明本实施方式，本实施方式在制备氧化铝纤 维增强铝基复合材料过程中，纤维预制件为纤维布铺层结构，补强采用的金属
丝为钛金属丝(TC4)，直径为0.4mm，手工在厚度方向插入，插入密度为1根 /cm2，长度略大于复合材料厚度。采用压力浸渗法将补强后的预制件制备成复 合材料。力学测试表明，采用钛丝补强的复合材料的层间剪切强度提高了 130%。
具体实施方式
十结合图1说明本实施方式，本实施方式在制备碳化硅纤 维增强铝基复合材料过程中，预制件为纤维编织结构，截面为"工"字型，预 制件碎型完成后，为增加"工"字上下板面的层间强度，在板面厚度方向上插 入钛金属丝(TC4)，直径为0.4mm，插入密度为2根/cm2。采用压力浸渗法将 补强后的预制件制备成复合材料。力学测试表明，采用钛金属丝补强的复合材 料的层间剪切强度提高了 125%。
权利要求
1、一种连续纤维增强金属基复合材料的补强方法，其特征在于所述方法是这样实现的将纤维预制件(2)制备完成后，在纤维预制件(2)中加入金属丝(1)，纤维预制件(2)与复合材料基体(3)通过加热进行金属液浸渗，冷却后即完成对连续纤维增强金属基复合材料的补强。
2、 根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料的补强方法，其特 征在于在纤维预制件(2)中的厚度方向插入金属丝(1)。
3、 根据权利要求2所述的连续纤维增强金属基复合材料的补强方法，其特 征在于金属丝(1)沿着纤维预制件的纤维层间的垂直方向插入。
4、 根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料的补强方法，其特 征在于在纤维预制件的多维缝合过程中将金属丝(1)缝合进去。
5、 根据权利要求1所述的连续纤维增强金属基复合材料的补强方法，其特 征在于在纤维预制件的多维编织过程中将金属丝(1)编织进去。
6、 根据权利要求3、 4或5所述的连续纤维增强金属基复合材料的补强方 法，其特征在于金属丝(1)为钛丝或钢丝。
全文摘要
一种连续纤维增强金属基复合材料的补强方法，本发明涉及一种纤维增强金属基复合材料。本发明是为解决纤维增强金属基复合材料构件在厚度方向的刚度和强度性能低、面内剪切和层间剪切强度低、冲击韧性低、易分层的问题，本发明的方法是这样实现的将纤维预制件(2)制备完成后，在纤维预制件(2)中加入金属丝(1)，纤维预制件(2)与复合材料基体(3)通过加热进行金属液浸渗，冷却后即完成对连续纤维增强金属基复合材料的补强。由于金属丝本身具有高强度高韧性而且与基体有较强的结合力，因而本发明的金属丝的存在有效地增强了纤维复合材料层间或厚度等薄弱方向上的强度，提高了纤维复合材料的层间强度和冲击韧性、损伤容限，避免了分层。
文档编号C22C47/00GK101314839SQ20081006473
公开日2008年12月3日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者修子扬, 姜龙涛, 康鹏超, 强 张, 张云鹤, 武高辉, 苟华松, 陈国钦 申请人:哈尔滨工业大学