一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板

1.本发明提出一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板，属于复合材料领域。


背景技术：

2.随着国际贸易的发展，21世纪越来越倾向于经济贸易全球化一体化的趋势。世界航运业也焕发出了前所未有的生机与活力。然而，在碱性的海洋环境下由于受到海水长期的侵蚀，金属船体极易与海水发生电化学腐蚀。电化学腐蚀的发生严重破环了船体的表面结构、强度、刚度，被腐蚀了的船体表面会形成许多凹凸不平的凹坑，这些凹坑为海洋浮游生物、螺类、贝类、海洋寄生藻类等提供了极佳的寄生环境。因此几乎所有的远洋大型船舶、海军舰艇、航母等服役一段时间之后都会在船体寄生大量的海洋生物如：海洋浮游生物、藻类、贝类、螺类等，这些寄生动植物密密麻麻地附着于各类船只底部，给清理工作带来了极大的困难，各国每年均需耗费大量的人力、物力、财力用于船体海洋寄生生物的清理。
3.另外，塑料由于其难降解性在给人们带来便利的同时也给人们造成了极大的困扰。由于塑料大多是高分子聚合物，其分子链稳定很难被自然界中的微生物分解，具有耐腐蚀性。是自然界中很难降解的物质，在自然环境下塑料的降解根据其材质不同需要几年到数百年时间不等。正是由于其耐腐蚀不易降解的特性，塑料造成的“白色污染”是目前最重要的几大污染问题之一。


技术实现要素：

4.为了解决船体在海洋环境中易受电化学腐蚀从而导致海洋生物寄生的问题，本发明提出了一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板。传统的纤维金属层板是由金属、树脂、纤维等不同材料在一定温度和压强下层压固化而成，相对于传统的金属材料其具有高的比强度、比刚度、优异的抗疲劳性能和高的损伤容限。被认为是具有广泛前景的新型复合材料。传统的纤维金属层板最外层为金属层，金属/纤维预浸料按照n+1/n(n≥1)的结构铺设而成。
5.本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板，改变传统纤维金属层板最外层为金属的结构形式，利用树脂成型后塑料的难降解特性改进金属船体在弱碱性海洋环境下易与海水发生电化学腐蚀的缺陷。改进后的层板将树脂置于最外侧直接与海水接触，用树脂将海水与金属隔绝；从而起到改善金属船体材料易发生电化学腐蚀，易被海洋生物寄生的问题。并且通过具有机械锁扣功能的凹槽结构外层金属基体与树脂相结合，最外层树脂板加热融化进入具有机械锁扣特性的外层金属凹槽结构中。由于树脂本身就具有很大粘性固化后与具有机械锁扣特性的外层金属板凹槽结构形成完全自锁，解决了层板零件在服役过程中外层树脂与金属层的分层问题。
6.本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板，最外侧金属预先加工出具有机械锁扣功能的“锯齿”状凹槽结构。内层金属板除制板必要的清洗、
阳极氧化外不做特殊处理。将树脂薄板、外层金属板、纤维树脂预浸料、内层金属板等根据所要制备的层板结构需求按照一定的顺序铺层。为防止固化后的树脂粘结在模具上，铺层前在模具上预先涂抹脱模剂，按照树脂固化温度选择脱模剂型号；脱模剂擦拭六遍每次间隔十分钟，最后一次擦拭完成后放置半小时。铺层完成后根据树脂类型和纤维预浸料相关特性在一定温度、一定压强、一定真空度下进行层压固化。
7.本发明制备完成的新型纤维金属层板，可以根据需要通过喷丸成形、滚弯成形、冲压成形、液压成形等加工出具有特定形状的零件、弯曲件等。但是本发明所提出的新型纤维金属层板直接加工大曲率、具有复杂形状特征零件时仍然可能存在不同材料变形不同步、不均匀的问题，以及不同材料成形极限的差异从而影响零件的成形质量。因此可以直接将需要固化的金属层材料和外层树脂板预先成形出所需零件形状，然后放在具有特定形状的模具中成形固化。对于具有一定曲率的弯曲零件，上层树脂板加热融化流入凹槽结构的过程中，在重力的作用下会向零件下方流动。影响层板零件外层树脂层成形的均匀性，甚至所成形零件无法满足其质量要求。为了改善和避免这一状况，成形时在外层树脂板的上方覆盖一层与目标零件形状相同的预成形钢板或符合强度要求的其他金属板。为了避免固化后的外层树脂黏附钢板或金属板，钢板或金属板同样需要涂抹脱模剂，涂抹方式仍然为涂抹六次每次间隔十分钟；最后一次涂抹后放置半小时。对放置在模具中的钢板、树脂板、外层金属板、纤维预浸料、内层金属板等进行密封抽真空处理，在一定温度、一定压强、一定真空度下按照特定的温度曲线成形、固化。
8.本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板，金属基体和纤维树脂层厚度较小时适用于海洋探测器、小型快艇、海上摩托等的外蒙皮构件。当层板金属基体和纤维预浸料层厚度较大时适用于渔船、货轮、海军舰艇的船体结构增强和改善传统金属材料船体的电化学腐蚀和海洋生物寄生。
9.本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板，外侧金属基体具有机械锁扣功能的凹槽结构其加工方式为数控加工、激光加工或其他符合要求的加工方式。最外侧树脂板及纤维树脂预浸料中的树脂均为热塑性树脂，其树脂层厚度由所制造层板零件类型和其所处海洋环境碱性程度及其粒子浓度确定。树脂采用热塑性树脂可实现回收再利用不会造成污染。
10.本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板，纤维采用芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维等能实现层板增强作用的纤维材料。金属层材料为钢板、铝合金、钛合金、镁合金等金属材料。层板固化时按照热塑性树脂的温度曲线加热到一定温度降温固化的方式。本发明提出的新型纤维金属层板其结构按照树脂层/金属层/纤维层/树脂层：1/n+1/n/1(n≥1)的结构铺层设置。纤维铺设角度为0
°
、90
°
、
±
45
°
等，具体铺层角度由所加工零件类型及所服役海洋环境所承受的载荷类型确定。
11.本发明所提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板，改变传统纤维金属层板金属直接暴露在外的结构形式，通过具有机械锁扣功能的外层金属板与树脂相连接，使树脂与外界环境相接触。树脂固化后生成的塑料是分子链十分稳定的高分子聚合物，在自然环境中很难降解。因此将其应用在船体材料上在海洋环境中不易与海水发生电化学反应，从而可以有效地解决传统金属船体材料易发生电化学腐蚀而吸引大量海汗动植物寄生，破环船体表面结构，不易清理的难题。
附图说明：
12.图1是本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板1/3/2/1结构原理示意图。
13.图2是本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板1/2/1/1结构示意图。
14.图3是本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板树脂进入凹槽结构前后示意图。
15.图4是本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板筒形件筒壁截面示意图。
16.图5是本发明提出的一种改善船体浮游寄生和电化学腐蚀的新型纤维金属层板弯曲件结构示意图。
17.图中：1最外层树脂层；2外层金属板；3内层金属板；4纤维树脂预浸料层；5外层金属板微结构凹槽。
具体实施方式：
18.下面结合附图对本发明具体实施方式做详细说明，以下实施例旨在更加清晰地说明本发明所涉及的技术方案而不应成为限制本发明保护范围的依据。
19.实施例1
20.制备平板层板件时：预先对金属板进行去污和阳极氧化处理，通过数控、激光或其他能够加工出本发明所提出凹槽结构的加工方式将外层金属板加工出图示凹槽。在模具与层板接触一侧涂抹脱模剂，涂抹六次每次间隔十分钟，最后一次涂抹完成后放置半个小时。将最外层树脂板、外层金属板、纤维预浸料层、内层金属板按照一定的铺层顺序在模具中铺层。将模具密封抽真空根据所制备树脂类型在一定温度、一定压强、一定真空度下加压固化成形。制备平板层板件不存在融化的树脂随重力流动导致成形不均匀的问题，因此在最外层树脂层外无需覆盖钢板或其他金属板材。在树脂加热至熔融状态后为了的使其更好地进入凹槽结构，以及进入凹槽后使外层金属板上方的熔融树脂能够分布均匀，在整个过程中辅之以一定强度和频率的超声震动，并在树脂进入凹槽结构后仍保持20min。层板固化制备完成后，通过滚弯成形、喷丸成形、液压成形等可以获得具有一定曲率和弯曲特征的零件。
21.实施例2
22.对于曲率较大或具有局部复杂特征的零件，将树脂板、内外层金属板预先成形出目标零件的形状。然后按照一定的铺层顺序在特定模具中铺层，铺层前将模具与层板接触一侧预先涂抹脱模剂，涂抹六次每次间隔十分钟，最后一次涂抹完成后放置半小时。由于通过铺贴热压的方式直接成形出目标形状零件，零件具有一定的曲率特征。在外层树脂加热达到熔融态具有一定流动性之后，在重力作用会向下流动，导致外层树脂成形的不均匀。为了避免这一状况的发生，在最外侧树脂层外覆盖一层预先成形出目标零件形状的钢板或其他金属板，与层板各层材料一同进行铺贴。钢板或其他金属板均需预先用同样的方式涂抹脱模剂处理。合模后对模具进行密封抽真空处理，根据所用树脂类型在一定温度、一定压强、一定真空度下进行加压固化。外层树脂加热至熔融状态后利用真空负压促使树脂进入外层金属层凹槽结构，并在模具密封和真空负压状态下避免树脂在重力效应下所产生的向
下流动，同时利用超声辅助振动确保外层树脂层及层板固化成形的均匀性，提高层板的成形质量。