一种改善钛/纤维增强复合材料层板界面性能的方法及复合材料 |
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| 申请号 | CN201710556504.5 | 申请日 | 2017-07-10 | 公开(公告)号 | CN107379725A | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 南京航空航天大学; | 发明人 | 陶杰; 张娴; 李华冠; 孙泽亚; 陈虞杰; 林炎炎; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种改善 钛 / 纤维 增强 复合材料 层板界面性能的方法及复合材料，包含以下步骤：1)对钛 合金 表面进行 表面处理 ；2)将 碳 纳米管 均匀分散到耐高温热固性底胶 树脂 中形成分散液，并将分散液作为层板的底胶层涂敷在经过表面处理的钛合金表面，与 预浸料 树脂进行多层铺设，形成复合层板；3)将分散过 碳纳米管 的底胶树脂均匀涂覆于钛合金表面并烘干；4)将烘干后的涂覆有底胶树脂层的钛板与纤维增强预浸料交替铺层，加温加压 固化 得到钛/纤维增强复合材料层板；每层钛板与预浸料间都有一层含有碳纳米管的底胶树脂层。本发明可以提高层板综合 力 学性能及成形性能，具有较高的工程应用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种改善钛/纤维增强复合材料层板界面性能的方法，其特征在于，包含以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种改善钛/纤维增强复合材料层板界面性能的方法及复合材料 技术领域[0001] 本发明涉及一种纤维金属层板层间界面性能的改善方法，尤其是一种钛/纤维增强复合材料层板界面改善的方法及复合材料，属于复合材料制备领域。 背景技术[0002] 金属-纤维超混杂层板(Super Hybrid Laminates)是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料。金属-纤维超混杂层板综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，具有较高的比强度和比刚度、优良的疲劳性能以及损伤容限性能，这些优势使得其在航空航天工业中获得了广泛的应用。新一代碳纤维增强钛合金层板(TiGr)是由0.3mm厚的钛合金薄板与0.1-0.2mm厚的碳纤维增强耐高温热固性树脂构成的预浸料交替层压而成，其密度低且具有突出的抗拉-压疲劳性能及较高的缺口断裂性能，该层板具有较高的强度，高损伤容限。它既在低温时有抗腐蚀性能，又能适应于高温170℃，甚至高于170℃使用，并能抗疲劳且具有较高韧性的一种新型复合材料件，其适应了航天航空发展的需要将在航空航天领域有着很好的应用前景。 [0003] 纤维金属层板作为一种超混杂复合材料，存在纤维/树脂、金属/树脂界面，界面性能对整个层板的物理、力学性能具有至关重要的影响。其中，金属/树脂界面被视为弱界面，该界面决定了金属层与纤维层的结合及应力传递，主导了纤维金属层板的综合性能及失效行为。首先，金属/树脂界面影响金属层与纤维层的应力传递效力，决定了层板的失效形式及强度；其次，界面影响层板的损伤累积与裂纹传播历程，决定了材料的断裂韧性及疲劳性能；同时，界面影响纤维金属层板在服役过程的耐环境性及介质稳定性，决定了材料的耐久性能及使用寿命，因此纤维金属层板的界面结合性能好坏对整个层板的性能综合性能起到至关重要的作用。 [0004] 纤维金属层板层间的结合方式主要是胶接，目前对于提高纤维金属层板的界面结合强度的方法主要集中于对金属表面进行处理，使金属表面产生一定的粗糙度，利用金属与树脂胶层的机械啮合从而提高金属与胶接树脂之间的界面结合，其界面结构如图1。该方法在一定程度上提高了层板的界面结合强度，但还是存在着大量界面破坏的失效形式，因此需要寻找新的思路来将界面破坏尽量转变为内聚破坏从而改善层板的界面结合强度。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题在于在原有金属表面处理来提高层板层间界面结合的基础上，对树脂层进行增强，从而提供一种有效且易于实现的改善纤维金属层板界面结合的方法，碳纳米管有高模量、高比表面积和高比强度等优异性能，在界面树脂基体中对裂纹有着转移、传播、分散、细化的作用，并在基体中起到了桥接作用，以自身拔出失效的形式来增强界面性能，因此利用碳纳米管改善界面性能。 [0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种改善钛/纤维增强复合材料层板界面性能的方法，包含以下步骤： [0007] 1)对钛合金表面进行表面处理； [0008] 2)将碳纳米管均匀分散到耐高温热固性底胶树脂中形成分散液，并将分散液作为层板的底胶层涂敷在经过表面处理的钛合金表面，与预浸料树脂进行多层铺设，形成复合层板，其碳纤维层/金属层层间结构包含两个界面层，分别为：钛/碳纳米管/热固性树脂界面层和碳纤维/热固性树脂界面层； [0009] 3)将分散过碳纳米管的底胶树脂均匀涂覆于钛合金表面并烘干； [0010] 4)将烘干后的涂覆有底胶树脂层的钛板与纤维增强预浸料交替铺层，加温加压固化得到钛/纤维增强复合材料层板；每层钛板与预浸料间都有一层含有碳纳米管的底胶树脂层。 [0011] 所述的方法，所述步骤2)中，在预浸料树脂中也添加有碳纳米管，最终形成的复合层板，其碳纤维层/金属层层间结构包含两个界面层，分别为：钛/碳纳米管/热固性树脂界面层和碳纤维/碳纳米管/热固性树脂界面层。 [0013] 所述的方法，所述钛/纤维增强复合材料层板铺设结构为2/1结构、3/2结构或4/3结构的单向层板或正交层板。 [0015] 所述的方法，所述钛合金可为TA1、TA2、TA18、TC4。 [0016] 所述的方法，所述的底胶树脂为耐高温热固性树脂，包括聚酰亚胺、聚醚醚酮。 [0017] 所述的方法，所述的纤维增强预浸料为碳纤维增强聚醚醚酮树脂预浸料、碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料、碳纳米管/碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料。 [0018] 所述的方法，所述步骤2)中碳纳米管的用量为树脂质量的5％。 [0019] 根据任一所述的方法制备的复合材料。 [0020] 本发明的有益效果在于：(1)、本发明利用碳纳米管自身优异性能，利用其在界面树脂基体中对裂纹有着转移、传播、分散、细化的作用，并在基体中起到了桥接作用，以自身拔出失效的形式来增强界面性能的机理改善层板的层间界面性能，从而提高层板综合力学性能及成形性能，具有较高的工程应用价值；(2)、本发明在不改变层板厚度的情况下对性能进行提高，不增加层板制造成本，操作过程简单、易于实现且增强效果切实有效。附图说明 [0021] 图1为现有层板的金属层/纤维层间结构图； [0022] 图2为添加碳纳米管在底胶层层板的金属层/纤维层间结构示意图； [0023] 图3为添加碳纳米管在预浸料层的金属层/纤维层间结构示意图； [0024] 图4为聚醚醚酮树脂基层板固化工艺曲线； [0025] 图5为2/1结构聚醚醚酮树脂基层板利用TM3000扫描电镜拍摄的横截面扫描图，该图放大倍率为100倍； [0026] 图6为聚酰亚胺树脂基层板固化工艺曲线； [0027] 图7为3/2结构聚酰亚胺树脂基单向层板利用TM3000扫描电镜拍摄的横截面扫描图，该图放大倍率为80倍； [0028] 图8为3/2结构聚酰亚胺树脂基正交层板利用TM3000扫描电镜拍摄的横截面扫描图，该图放大倍率为80倍； [0029] 图9为层板制备流程图。 具体实施方式[0030] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。 [0031] 实施例1 [0032] 第一步、选择100mm×100mm×0.3mm的TA2钛合金坯料，并进行阳极氧化处理，使TA2钛合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌； [0033] 第二步、将树脂质量5％的普通碳纳米管分散到层板底胶层聚醚醚酮树脂中，并将分散液涂覆在经过阳极氧化的钛合金表面； [0034] 第三步、选用并裁剪100mm×100mm×0.125mm的碳纤维增强聚醚醚酮树脂预浸料； [0035] 第四步、采用2/1单向层板结构设计，按以下顺序铺设复合层板：涂覆层板底胶层的TA2钛合金/单向连续碳纤维增强聚醚醚酮树脂预浸料/单向连续碳纤维增强聚醚醚酮树脂预浸料/涂覆层板底胶层的TA2钛合金，由于每层TA2钛合金预先涂覆层板底胶层的，所以其与碳纤维增强聚醚醚酮树脂预浸料间都会有一层含有5％碳纳米管树脂胶层； [0036] 第五步、将铺设好的复合材料层合板放入模具中，固化工艺如图4所示，升温至390℃后，施加1MPa压力保压半小时，随后将试样冷却至320℃时，逐渐卸载压力，并随炉冷却至室温最终固化为100mm×100mm×H的层板，层板横截面扫描图如图5所示，由一层碳纤维层及两层钛合金构成。 [0037] 第六步、将压制好的层板利用精密切割机进行裁剪之后，测量其界面性能。其中，试样的单搭剪切强度为30MPa，相比未添加碳纳米管的层板提高32％；层间剪切强度为60MPa，相比未添加碳纳米管的层板提高36％。 [0038] 实施例2 [0039] 第一步、选择200mm×200mm×0.3mm的TC4钛合金坯料，并进行阳极氧化处理，使TC4钛合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌； [0040] 第二步、将树脂质量7.5％的羟基化碳纳米管分散到聚酰亚胺树脂中，并将分散液涂覆在经过阳极氧化的钛合金表面； [0041] 第三步、选用并裁剪200mm×200mm×0.125mm碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料； [0042] 第四步、采用3/2单向层板结构设计，按以下顺序铺设复合层板：涂覆层板底胶层的TC4钛合金/单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/涂覆层板底胶层的TC4钛合金/单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/TC4钛合金，每层TC4钛合金与碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料间都有一层含有7.5％羟基化碳纳米管的聚酰亚胺树脂胶层； [0043] 第五步、将铺设好的复合材料层合板放入模具中，固化工艺如图6所示，每隔70分钟阶梯升温至280℃，随后施加2MPa压力，并升温至320℃，保压2小时，然后关闭加热开关，在压力下冷却至室温最终固化为200mm×200mm×H的层板，层板横截面图如图7所示，包含两层纤维层及三层钛合金层。 [0044] 第六步、将压制好的层板利用精密切割机进行裁剪之后，测量其界面性能。其中，试样的单搭剪切强度为15MPa，相比未添加碳纳米管的提高40％；层间剪切强度为60MPa，相比未添加碳纳米管的提高33％。 [0045] 实施例3 [0046] 第一步、选择100mm×100mm×0.3mm的TA18钛合金坯料，并进行阳极氧化处理，使TA18钛合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌； [0047] 第二步、将树脂质量5％的羧基化碳纳米管分散到聚酰亚胺树脂中，并将分散液涂覆在经过阳极氧化的钛合金表面； [0048] 第三步、将树脂质量5％的羧基化碳纳米管分散到聚酰亚胺树脂中，并将分散液混合到预浸料中，制成含有碳纳米管的碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料； [0049] 第四步、选用第三步制作的碳纳米管/碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料，并裁剪为100mm×100mm×0.125mm(长×宽×厚)； [0050] 第五步、采用3/2正交层板结构设计，按以下顺序铺设复合层板：涂覆层板底胶层的TA18钛合金/单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/垂直单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/涂覆层板底胶层的TA18钛合金/单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/垂直单向连续碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料/TA18钛合金，每层TA18钛合金与碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料间都有一层含有5％碳纳米管的聚酰亚胺树脂胶层，每一层碳纤维增强聚酰亚胺树脂构成的预浸料都含有5％的碳纳米管； [0051] 第六步、将铺设好的复合材料层合板放入模具中，固化工艺如图6所示，每隔70分钟阶梯升温至280℃，随后施加2MPa压力，并升温至320℃，保压2小时，然后关闭加热开关，在压力下冷却至室温最终固化为200mm×200mm×H的层板，截面扫描图如图8所示，包含两层碳纤维层及三层钛合金层。 [0052] 第七步、将压制好的层板利用精密切割机进行裁剪之后，测量其界面性能。其中，试样的单搭剪切强度为17MPa，相比未添加碳纳米管的层板提高65％；层间剪切强度为70MPa，相比分散液中未添加碳纳米管的层板提高45％。 |
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