一种抗冲击的新型纤维金属层板及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料
技术领域：
，尤其涉及一种抗冲击的新型纤维金属层板及其制备方法。
背景技术：
：飞机会经常性地受到来自货物或地面碎石的低速碰撞，也会受到像鸟或导弹碎片的高速冲击，因此具有优异的冲击性能对航空结构材料而言至关重要。目前国内外广泛采用树脂基复合材料作为航空结构材料，但其塑性及剪切强度低，在冲击过程中易产生冲塞剪切破坏，严重降低了飞机结构安全性。因而进入21世纪后，越来越多的飞行公司开始研究及应用纤维金属层板。纤维金属层板是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺设后，在一定的温度和压力下固化形成的层间混杂复合材料。当前航空结构材料所用的纤维金属层板，基本都是以铝合金、镁合金及钛合金作为金属基材，铝合金价格低廉但韧性较差，镁合金及钛合金由于价格较高，大部分作为太空材料使用，韧性和强度较高且价格低廉的合金钢应用较少。尤其是以40crmoni超高强度钢为代表的低合金钢，价格低廉、剪切强度高、韧性好，在冲击过程中可以通过剪切变形有效地减少材料的冲塞剪切破坏；如若将其作为金属基材，在金属基材层间粘结玻璃纤维材料，利用玻璃纤维具有弹性模量低、强度高、密度小、在冲击过程中可以通过拉伸变形有效地吸收冲击动能的特点，就可得到一种高抗冲性、且价格较为低廉的纤维合金钢层板，用来代替铝合金、镁合金及钛合金的复合层板作为航空结构材料，此举将有较高的实用价值的应用前景。同时，由于纤维金属层板中金属层和复合材料层的原子结构具有较大差异，界面成为纤维金属层板中最薄弱的部分，而界面分层会造成结构的损伤容限和使用性能的降低，界面结合性能已然是影响纤维金属层板性能的决定因素，但现有技术的纤维金属层板界面粘结性能一般均较差，此急需更进一步的改进。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出了一种抗冲击的新型纤维金属层板及其制备方法，其在40crmoni超高强度钢和玻璃纤维片材的基础上，通过物理和化学法改善界面性能，制备了一种抗冲性能较佳、层间粘结强度高的纤维金属层板，从而满足航空结构材料的性能要求。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种抗冲击的新型纤维金属层板，由3层的低合金钢板，2-6层的玻璃纤维片材和4-8层的中温固化胶膜层叠而成，邻近两层的低合金钢板之间夹有1-3层的玻璃纤维片材，低合金钢板与玻璃纤维片材之间铺设1层中温固化胶膜，邻近两层的玻璃纤维片材之间均铺设1层中温固化胶膜。优选地，所述低合金钢板具体为40crmoni超高强度钢，其化学成分重量百分比为：c0.37-0.44%，si0.17-0.37%，mn0.50-0.80%，cr0.60-0.90%，mo0.15-0.25%，w0.50-0.80%，s≤0.30%，ni1.25-1.65，且合金金属元素总含量低于5%。优选地，玻璃纤维片材由长玻璃纤维、短玻璃纤维共同编织，并浸润环氧树脂后，在150-180℃下热压固化而成。优选地，长玻璃纤维：短玻璃纤维的重量比为5:1-20:1，长玻璃纤维具体是长度为20-60mm的定长玻璃纤维，短玻璃纤维具体是长度为1-3mm的短切玻璃纤维。优选地，玻璃纤维片材的厚度为0.15-0.25mm，中温固化胶膜层的厚度为0.05-0.10mm。优选地，中温固化胶膜层具体为添加10%-30%改性剂的环氧树脂，改性剂具体为丁睛橡胶、氯醇橡胶、硫化橡胶、硅橡胶、氟橡胶等耐热橡胶中的任一种。本发明还提出了一种抗冲击的新型纤维金属层板的制备方法，，包括以下步骤：s1，钢板表面的机械打磨：取上层低合金钢板的底面，中层低合金钢板的顶面和底面，下层低合金钢板的顶面，采用200#-2000#砂纸对上述表面进行打磨，当将表面的蓝色氧化物全部磨除以后，更换打磨方向，两次打磨方向的夹角为0-90°；采用不同目数的砂纸重复以上操作，继续打磨2-5次；s2，钢板表面的化学处理：将打磨后的低合金钢板先采用碱液清洗5-15min，再用酸液清洗2-5min，最后用自来水清洗5min后烘干待用；s3，钢板表面的电解处理：采用阳极电解法对清洗后的低合金钢板进行表面处理，采用1mol/l的h3po4溶液作为电解液，电解电压为10v，电解时间为20min；s4，层叠板的铺层：按图1的层叠方式，将电解处理后的低合金钢板与玻璃纤维片材及中温固化胶膜依次层叠，得到夹层结构的层叠板；s5，纤维金属层板的固化成型：先将热压机的温度升至110-150℃，随后将层叠板放入模具中合模加压，压力为0.05-0.2mpa，其压力保持至20-40min，再将压力迅速升至4-6mpa，继续保持1-3h，关闭加热装置，随模冷却至室温后脱模取出，得到成品纤维金属层板。优选地，s2中，碱液具体为1:1的0.5mol/lnaoh:0.5mol/lna2co3碱性水溶液，酸液具体为1：1的0.5mol/lhno3：0.5mol/lhcl酸性水溶液。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明采用40crmoni超高强度合金钢代替铝合金、镁合金及钛合金，作为纤维金属层板的金属基层，并采用交叉打磨的方式，结合化学处理和电解处理，大大地提高了低合金钢板表面的氧化物的比表面积，利于低合金钢板与玻璃纤维片材的粘结，从而提高纤维金属层板的粘结强度，保证其在后续的铸型过程不会发生层间脱落的现象，增加了纤维金属层板的使用年限。2.本发明以玻璃纤维片材作为增强材短纤维，玻璃纤维片材采用长玻璃纤维、短玻璃纤维共同编织，并浸润环氧树脂后，在150-180℃下热压固化而成；在编织过程中，短玻璃纤维镶嵌在长玻璃纤编织的网格结构中，短玻璃纤维的两端带有断口，玻璃纤维片材中具有斜置的纤维切口，且经过热压成型后，大大增强了金属层与纤维布之间的结合力，从而避免了现有技术的纤维金属层板需要针刺等操作，同时玻璃纤维在三个方向上纵横交错的分布，大大提高了纤维金属层板的抗冲性能。3.本发明以改性的环氧树脂制成的中温固化胶膜作为层间粘结剂，其平整度较高，在热压成型过程中不会产生多余的气泡，进一步提高了层间粘结强度和抗冲性能。附图说明图1为本发明提出的一种抗冲击的新型纤维金属层板的结构示意图；图2为本发明提出的3+2夹层结构的新型纤维金属层板的冲击力-时间曲线图表；图3为本发明提出的3+2夹层结构的新型纤维金属层板的冲击背面形貌图；图4为本发明提出的新型纤维金属层板在不同凝胶时间下fmls界面的扫描电镜照片，图中，1为低合金钢板、2为玻璃纤维片材、3为中温固化胶膜，fem为有限元法（finiteelementmethod），exp为落锤实验测试值（experiment），fmls为纤维金属层板（fibermetallaminates），a的凝胶时间为27min；b的凝胶时间为30min。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例1：一种抗冲击的新型纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：s1，钢板表面的机械打磨：取上层低合金钢板的底面，中层低合金钢板的顶面和底面，下层低合金钢板的顶面，先采用200#砂纸沿着同一方向对40crmoni超高强度钢板的表面进行打磨，当将表面的蓝色氧化物全部磨除以后，更换打磨方向，再采用200#砂纸打磨，以去除之前方向的划痕；按照上述流程，依次采用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸对金属表面打磨；s2，钢板表面的化学处理：将打磨后的低合金钢板先采用1:1的0.5mol/lnaoh:0.5mol/lna2co3碱性水溶液清洗5-15min，再用1：1的0.5mol/lhno3：0.5mol/lhcl酸性水溶液清洗2-5min，最后用自来水清洗5min后烘干待用；s3，钢板表面的电解处理：采用阳极电解法对清洗后的低合金钢板进行表面处理，采用1mol/l的h3po4溶液作为电解液，电解电压为10v，电解时间为20min；s4，层叠板的铺层：取处理后的低合金钢板，将邻近两层的低合金钢板之间夹有3层的玻璃纤维片材，低合金钢板与玻璃纤维片材之间铺设1层中温固化胶膜，邻近两层的玻璃纤维片材之间均铺设1层中温固化胶膜，最终得到3+6夹层结构的层叠板，如图1所示；s5，纤维金属层板的固化成型：先将热压机的温度升至120℃，随后将层叠板放入模具中合模加压，压力为0.1mpa，其压力保持至27min，再将压力迅速升至4mpa，继续保持2h，关闭加热装置，随模冷却至室温后脱模取出，得到成品纤维金属层板。本实施例采用厚度为0.3mm的低合金钢板，厚度0.22mm为的玻璃纤维片材，厚度为0.075mm的中温固化胶膜层，得到的成品纤维金属层板为3+6夹层结构，即3层低合金钢板，6层的玻璃纤维片材及8层的中温固化胶膜的层叠结构；玻璃纤维片材中的长玻璃纤维：短玻璃纤维的重量比在5:1-20:1范围内，。实施例2：采用与实施例1同样的制备方法，各单层的厚度与实施例1一致，长短纤维比也与实施例1一致，制备出3+4夹层结构的纤维金属层板。实施例3：采用与实施例1同样的制备方法，各单层的厚度与实施例1一致，长短纤维比也与实施例1一致制备出3+2夹层结构的纤维金属层板。本发明采用的低合金钢板为40crmoni超高强度钢，其性能如表1所示：表1aisi4340钢力学性能参数σ0.2/mpaσb/mpaδ/%ψ/%e/gpa113315387.1622.9200由表1可知，本发明采用的40crmoni超高强度钢的屈服强度达到1133mpa，剪切强度高、韧性好，在冲击过程中可以通过剪切变形有效地减少材料的冲塞剪切破坏；且由于40crmoni超高强度钢是美国于20世纪60年代研制的第一代超高强度钢，价格低廉，可作为镁合金、钛合金的金属基层的替代品，能够大幅降低纤维金属层板的成本。本发明制备的新型纤维金属层板的抗冲击性能如表2所示：表2成品纤维金属层板的抗冲性能表2中，aisi4340即为40crmoni超高强度钢单层板，glare即为由玻璃纤维预浸料与铝合金薄板交替铺叠层压而成的混杂复合材料（glassfiberreinforcedaluminum）层板；spe为比吸能，即临界穿透能与面密度的比值；表2中的冲击性能的数据经过落锤冲击试验和abaqus/explicit数值模拟软件来测试，更具体的数据如图2所示（3+2夹层结构的新型纤维金属层板的冲击力-时间曲线），并提供图3（3+2夹层结构的新型纤维金属层板的冲击背面形貌）进行参考。由表2可知，本发明所制备出的新型纤维金属层板冲击弯曲变形程度大、比吸能高，采用3+6夹层结构时，比吸能达到9.54j·m2·kg-1，比单一的40crmoni超高强度钢和玻璃纤维片材冲击性能分别提高72%和55%（玻璃纤维片材的实测spe为6.15j·m2·kg-1）。凝胶时间对界面分层的影响：如图4（不同凝胶时间下fmls界面的扫描电镜照片）所示，凝胶时间即为低压或常压下热压处理的时间，由图4可知，当凝胶时间为30min时，40crmoni超高强度钢层板和中温固化胶膜界面出现了较大的分层；而当凝胶时间为27min时，超高强度钢层板和中温固化胶膜接触非常紧密，未出现分层等现象；因此，本发明选择27min作为新型纤维金属层板的最佳凝胶时间。结合表2与图4，并经扫描电镜和电子万能试验机测试，可得出结论：在上述最佳凝胶条件下，本发明提出的新型纤维金属层板界面粘接紧密，未出现分层，粘接强度达到63mpa（此为电子万能试验机测试值），保证其在后续的铸型过程不会发生层间脱落的现象，满足航空结构材料的性能要求。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12