一种快速制备镁基纤维金属层板的粉末层压工艺方法与流程

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一种快速制备镁基纤维金属层板的粉末层压工艺方法与流程

本发明属于金属基复合材料领域,具体涉及一种快速制备镁基纤维金属层板的热压工艺方法。



背景技术:

纤维金属层板是金属、纤维增强树脂按照一定的堆垛顺序叠加而成的混杂复合材料,它包含了纤维树脂与金属的优点,纤维增强树脂的韧性以及金属的延展性,并且具有良好的冲击性能,疲劳抗性以及损伤容限。与传统金属材料相比具有更高的比强度,并且由于其裂纹搭桥机制具有更好的阻碍疲劳裂纹快速生长的性能,广泛应用在航空航天领域。arall(芳纶纤维铝合金板)机翼板具有更长的使用寿命,约为铝金属机翼板使用寿命的3倍,并且相对传统的铝合金设计机翼减重约33%。arall板替代铝合金生产的c17运输机的货舱门,节省了大约20%的重量。glare(玻璃纤维铝层合板)应用在空客a380飞机上部蒙皮,减重了大约794kg的总重量。glare还应用在垂直/水平机翼的边缘上,caral(碳纤维铝合金板)应用在冲击能量吸收方面例如直升机支架以及飞行器座椅。纤维金属层板虽然有很大的应用优势与价值但其昂贵的生产成本限制了其应用。

传统商用fmls多为热固性纤维增强环氧树脂预浸料与金属板在热压器下热压制备,为了提高预浸料的粘结性能,在预浸料与金属预压成型后一起放入真空密封袋中在一定温度与压力下热压成型。预浸料树脂一般为环氧树脂,在真空袋中热压成型是为了在固化过程中减少气泡的产生。这种制备方法尽管可以获得较高质量的fmls,但生产的产品尺寸较小、工艺复杂且生产成本较高。fmls的质量受温度压力影响较大。为确保热固性树脂完全固化导致较长的生产周期以及复杂工艺导致的昂贵的生产成本是制备热固性fmls最大的缺点,并且固化过程中对温度压力的依赖性导致其产品质量产生波动。热固性树脂fmls的不可循环利用难于修理,以及热固性树脂本身的脆性,热分解等限制了传统热固性fmls应用。为了克服热固性基fmls的缺点,研究人员成功制备出热塑性树脂基纤维金属层板,热塑性基fmls与热固性树脂基fmls相比缩短了生产工艺流程,易于加工,耐化学腐蚀,可修理可循环利用,以及较强的层间断裂韧性,更好的冲击性能。

现有热塑性树脂基纤维金属层板主要采用热塑性树脂预浸料以及金属板在相框性模具下热压成型。实验中多采用polyimide,peek,pcbt,pp等热塑性树脂采用热压法制备纤维金属层板,参考文献[1]g.reyes,w.j.cantwell.themechanicalpropertiesoffibre-metallaminatesbasedonglassfibrereinforcedpolypropylene[j].compositesscienceandtechnology,2000,7:1085-1094.[2]p.cortes,w.j.cantwell.interfacialfracturepropertiesofcarbonfiberreinforcedpeek/titaniumfiber-metallaminates[j].journalofmaterialsscienceletters,2002,23:1819-1823.[3]p.cortes,w.j.cantwell.thetensileandfatiguepropertiesofcarbonfiber-reinforcedpeek-titaniumfiber-metallaminates[j].journalofreinforcedplasticsandcomposites,2004,15:1615-1623.[4]m.o.bora,o.coban,t.sinmazcelik,etal.theinfluenceofdifferentcircularholeperforationsoninterlaminarshearstrengthofanovelfibermetallaminates[j].polymercomposites,2016,3:963-973.但热压法存在一些缺点:热塑性预浸料制备比较困难这也无形中提高了其生产成本,故需要简化热塑性纤维金属层板的生产工艺从而降低纤维金属层板的生产成本。



技术实现要素:

针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种工艺简单的快速制备工艺方法,解决现有技术制备工艺复杂、生产成本高等问题,促进纤维金属层板的商业化应用。

实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种快速制备镁基纤维金属层板的粉末层压工艺方法,包括如下步骤:

(1)材料的准备:

对镁合金表面进行表面处理:材料选用镁合金板(轧制态),采用机械打磨以及砂纸粗磨的方法除去镁合金表面的氧化皮,将镁合金板置入乙醇溶液中(化学纯95%)超声处理0.5h后烘干备用;

树脂粉末的处理:马来酸酐改性聚丙烯树脂粉末(化学纯),接枝率≥1%,将树脂粉末放放入电加热空气循环箱式炉中90℃干燥4h除去水分;

玻璃纤维的表面处理:将玻璃纤维布置于箱式加热炉中,在450℃下处理2h,随炉冷却后取出置于酒精中超声处理30min,随后取出用蒸馏水清洗干净;

硅烷偶联剂进行浸渍处理,配置成0.1%~2%硅烷溶液;

将热处理后的玻璃纤维布置于硅烷偶联剂中浸渍半小时,取出在室温下干燥后,置于箱式加热炉中120℃加热2h,取出装入袋中备用;

(2)将步骤(1)处理后的材料按镁合金板、马来酸酐改性聚丙烯树脂粉末、玻璃纤维堆垛顺序堆垛放入特制模具后在2mpa下预压;

(3)将模具放入电加热空气循环箱式炉中160℃-165℃固化2.5h-3h;取出模具空冷后卸模,检查产品。

所述镁合金板为az系镁合金。

相比现有技术,本发明具有如下有益效果:

1、本发明在热压法的基础上采用粉末层压法制备出fmls,成功地改进了热压法,使实验过程更简单易行。将简单的镁合金板、热塑性树脂粉末、无碱玻璃纤维平纹编织布按顺序叠层堆垛放入特质热压模具中固化而成,该方法极大地降低了制备成本。

2、本发明制备工艺不必预先制备出玻璃纤维预浸料,采用热塑性树脂粉末作为粘结剂,极大地简化了制备工艺,操作起来简单易行。树脂加热后变为粘流态能很好地浸润经过表面处理的纤维布并均匀的分布在表面处理后的金属表面,空冷后形成纤维金属层板。工艺简单易行,极大地缩减了制备时间,有效降低了生产成本。将极大地促进纤维金属层板的商业化应用。

3、本发明采用简单的玻璃纤维布、树脂粉末、镁合金板这些简单易得的材料成功制备出纤维金属层板,原材料简单廉价。

附图说明

图1为热压模具示意图;

图2为粉末层压法堆垛示意图;

图3树脂与纤维的电镜扫描照片,其中(a)粉末层压法制备的fmls树脂-纤维的界面扫描图,(b)为金属-树脂界面扫描图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

一种快速制备镁基纤维金属层板的粉末层压工艺方法,包括以下步骤:

(1)材料的准备:材料选用az31b镁合金(轧制态),马来酸酐改性聚丙烯树脂粉末(化学纯,接枝率≥1%,尺寸大于50微米)以及无碱玻璃纤维编织布(0°/90°平纹编织布)。为了很好的使加热融熔后的树脂很好的浸润玻璃纤维并粘结金属,需要对镁板以及玻璃纤维进行表面处理。采用机械打磨以及砂纸粗磨的方法除去镁合金表面的氧化皮,将镁板置入乙醇溶液中(化学纯95%)超声处理0.5h后烘干备用。改性聚丙烯粉末通常会含有水分,这会影响树脂的固化粘结过程,故需除去树脂中所含有的水分。将树脂粉末放放入电加热空气循环箱式炉中90℃干燥4h除去水分。将玻璃纤维布置于箱式加热炉中,在450℃下处理2h,随炉冷却后取出置于酒精中超声处理30min,随后取出用蒸馏水清洗干净。

硅烷偶联剂进行浸渍处理,选用牌号为kh550a-1100的硅烷偶联剂,配置成0.1%~2%硅烷溶液。将热处理后的玻璃纤维布置于硅烷偶联剂中浸渍半小时,取出在室温下干燥后,置于箱式加热炉中120℃加热2h,取出装入袋中备用.

(2)材料的堆垛、模具的处理:先对热压模具进行表面处理,热压模具如图1所示,因为模具会有残留杂物,如残留树脂灰尘等。用粗砂纸和细砂纸以此打磨一下模具表面,用纯净水冲洗2-3次,在室温下晾干,使模具表面干净整洁。为了避免加热成型时pp树脂溢出从而使镁板与模具粘黏,通常在制备前在模具表面涂抹脱模剂或炭黑。然后镁(合金)板/pp树脂粉末/玻璃纤维/镁板进行交替铺层堆垛,堆垛顺序如图2所示,盖上模具上盖。预压压实后备用。

(3)将模具放入nabertherm电加热空气循环箱式炉在160℃下加热3小时。去除热压模具,在下方放入冷铁冷却到室温之后脱模,得到纤维金属层板,检查产品。

对制备出的纤维金属层板的界面进行电镜扫描观察如图3(a)和(b)所示,图(a)为树脂-纤维的界面扫描图片,从图中可以看出树脂能很好的浸润玻璃纤维。纵向/横向纤维均很好的与树脂结合在一起。图(b)为金属-树脂界面扫描图片,树脂能很好地浸润镁板表面。这种工艺制备出的镁基纤维金属层板最优抗拉强度为167mpa。经力学性能测试,本发明方法制备的纤维金属层板抗拉强度略低于镁板而大大高于纤维增强树脂。

本发明在热压法的基础上采用粉末层压法制备出fmls,成功地改进了热压法,使实验过程更简单易行。将镁合金板、热塑性树脂粉末、无碱玻璃纤维平纹编织布按顺序叠层堆垛放入特质热压模具中,将模具压实后放入电加热空气循环箱式炉中加热固化制备出fmls,极大地降低了制备成本。本制备工艺不必预先制备出玻璃纤维预浸料,采用热塑性树脂粉末作为粘结剂,树脂加热后变为粘流态能很好地浸润经过表面处理的纤维布并均匀的分布在表面处理后的金属表面,空冷后形成纤维金属层板。本发明所用材料简单易得,操作性强,极大地简化了纤维金属层板的制备工艺,降低了纤维金属层板的生产成本,必将极大地促进纤维金属层板的商业化应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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