一种纤维金属层板构件的制造方法及其采用的装置
阅读：782发布：2023-02-28
专利汇可以提供一种纤维金属层板构件的制造方法及其采用的装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种 纤维 金属层板构件的制造方法，包括：第一步、制作纤维金属层板构件预制体；第二步、将贴合有纤维金属层板构件预制体的模具放入 热压 罐内进行蠕变‑ 固化 复合成型，得到构件；第三步、将构件降温，构件脱模回弹后即得纤维金属层板构件。本发明简化了工艺流程；本发明方法中工艺参数的选择合理，利用金属的蠕变时效特性和 碳 纤维 复合材料 固 化成 型特性在热压罐内实现形、性协同制造，有效避免 树脂 固化后金属与纤维增强复合材料因 刚度 不一致导致的 变形 不匹配问题；纤维金属层板构件残余应 力 小且分布均匀，成形后回弹变形量小；纤维金属层板构件的内部不容易产生裂纹和分层等 缺陷 。本发明还提供一种上述方法用装置，结构精简，方便制造。，下面是一种纤维金属层板构件的制造方法及其采用的装置专利的具体信息内容。
1.一种纤维金属层板构件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、制作纤维金属层板构件预制体，具体是：选取上下方向层叠设置的至少两层金属层板，在相邻两层金属层板之间铺设碳纤维复合材料层，得到纤维金属层板构件预制体；
第二步、用真空袋密封后利用真空负压使纤维金属层板构件预制体与模具进行贴合；
将贴合有纤维金属层板构件预制体的模具放入热压罐内进行蠕变-固化复合成型，得到构件，其中：所述热压罐内部的参数为：压力为0.6-3.0MPa，以1.8-3.0℃/min的升温速率由室温升高至160℃-180℃，恒温恒压时间为90-180min；
第三步、将第二步所得构件降温，构件脱模回弹后即得所需结构的纤维金属层板构件；
降温过程具体是：先将构件以0.2℃/min-1.5℃/min的降温速率降温至60℃，再自然降至室温。
2.根据权利要求1所述的纤维金属层板构件的制造方法，其特征在于，所述热压罐内：
压力为0.8-1.5MPa，以2.0-2.2℃/min的升温速率由室温升高至175℃-180℃，恒温恒压时间为120-150min。
3.根据权利要求1所述的纤维金属层板构件的制造方法，其特征在于，制作纤维金属层板构件预制体前还包括对所述金属层板进行预处理，所述预处理具体是：包括以下步骤：
步骤A、采用砂纸对金属层板进行打磨；
步骤B、对打磨后的金属层板进行脱脂处理、酸洗脱氧处理以及碱洗中和处理；
步骤C、采用超声波水洗后在温度为50℃-60℃的烘干箱内烘10-50min；
步骤D、将烘干后的金属层板采用磷酸阳极进行氧化，氧化的时间为15-30min，氧化的温度为30℃-50℃，氧化的电压为18-25V；
步骤E、将氧化后的金属层板进行干燥，即得预处理后的金属层板。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的纤维金属层板构件的制造方法，其特征在于，制作纤维金属层板构件预制体前还包括对所述金属层板进行人工时效强化预处理，具体是：将金属层板在温度为160℃-190℃的条件下保温8-10小时。
5.根据权利要求4所述的纤维金属层板构件的制造方法，其特征在于，所述金属层板为铝合金板，其厚度为0.3-0.5mm；所述碳纤维复合材料层的厚度为0.3-0.6mm，其包括至少一层碳纤维复合材料单层。
6.根据权利要求5所述的纤维金属层板构件的制造方法，其特征在于，所述金属层板有三层，所述碳纤维复合材料单层有四层，相邻两层金属层板之间各铺设有两层碳纤维复合材料单层，所述碳纤维复合材料单层的方向与所述金属层板的方向相同或者是所述碳纤维复合材料单层的方向与所述金属层板的方向相互垂直。
一种纤维金属层板构件的制造方法及其采用的装置
技术领域
[0001] 本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种纤维金属层板构件的制造方法及其采用的装置。
背景技术
[0002] 随着航空航天技术的发展，飞行器的速度越来越快，航程越来越远，对结构材料的密度、强度、模量及其综合性能不断提出新的要求。而目前常用的航空航天结构材料(单一金属或纤维增强树脂基复合材料)很难满足这些要求。为了解决这一难题，纤维金属层板应运而生。纤维金属层板结合了金属抗冲击、易加工及复合材料的高强度、密度小等特点，在民用航空及军用装备等领域都取得了广泛的应用。虽然纤维金属层板拥有优异的服役性能，但是由于金属与复合材料的成形过程并不匹配，使得该类材料的成形技术发展受限，制约了纤维金属层板在其他领域的应用。
[0003] 目前纤维金属层板构件较为普遍的制造方法是先通过热压制成纤维金属平板，再通过滚弯成形、冲压成形等方法二次加工成形。采用二次加工成形主要有如下问题：一、加工工艺复杂，一般都需要反复多次加工，这对二次成形设备的要求较高；二、二次加工成形对材料的初始状态进行了限制，有研究就表明滚弯成形的纤维金属层板构件对层板厚度有严格要求；三、由于纤维金属层板中金属、树脂、纤维三者的应变不同，并且层板具有各向异性，二次加工成形容易造成成形构件内部的分层和裂纹等缺陷，同时成形后制件的残余应力大，成形精度难以控制。综合目前的成形方法来看，虽然可以实现某些简单形状的加工成形，但是成形效率和成形质量并不尽如人意，尤其在复杂结构上的成形还没有特别理想的成形方法。
[0004] 同时值得关注的是，国内外开展纤维金属层板结构件成形方面的研究往往关注于纤维增强树脂基复合材料热压固化及其与金属板材的界面胶接问题，对金属材料处于复合材料固化工艺条件下的性能演变很少涉及，即忽略了复合材料预浸料固化过程的温度和应力循环对铝合金性能的影响(如航空用碳纤维增强树脂基复合材料预浸料，其固化温度160－180℃左右，正好处于2000系、7000系铝合金人工时效温度范围)。已有研究表明，高温下发生的过时效行为会使其断裂韧性和疲劳性能严重下降，因此，纤维金属层板在固化成型过程中不可避免的伴随着金属基板(高强铝合金)性能的变化。
发明内容
[0005] 本发明公开了一种纤维金属层板构件的制造方法，包括以下步骤：
[0006] 第一步、制作纤维金属层板构件预制体，具体是：选取上下方向层叠设置的至少两层金属层板，在相邻两层金属层板之间铺设碳纤维复合材料层，得到纤维金属层板构件预制体；
[0007] 第二步、用真空袋密封后利用真空负压使纤维金属层板构件预制体与模具进行贴合；将贴合有纤维金属层板构件预制体的模具放入热压罐内进行蠕变-固化复合成型，得到构件，其中：所述热压罐内部的参数为：压力为0.6-3.0MPa，以1.8-3.0℃/min的升温速率由室温升高至160℃-180℃，恒温恒压时间为90-180min；
[0008] 第三步、将第二步所得构件降温，构件脱模回弹后即得所需结构的纤维金属层板构件。
[0009] 以上技术方案中优选的，所述热压罐内：压力为0.8-1.5MPa，以2.0-2.2℃/min的升温速率由室温升高至175℃-180℃，恒温恒压时间为120-150min。
[0010] 以上技术方案中优选的，制作纤维金属层板构件预制体前还包括对所述金属层板进行预处理，所述预处理具体是：包括以下步骤：
[0011] 步骤A、采用砂纸对金属层板进行打磨；
[0015] 步骤E、将氧化后的金属层板进行干燥，即得预处理后的金属层板。
[0016] 为了达到更好的技术效果，制作纤维金属层板构件预制体前还包括对所述金属层板进行人工时效强化预处理，具体是：将金属层板在温度为160℃-190℃的条件下保温8-10小时。
[0017] 以上技术方案中优选的，所述第三步中降温过程具体是：先将构件以0.2℃/min-1.5℃/min的降温速率降温至60℃，再自然降至室温。
[0018] 以上技术方案中优选的，所述金属层板为铝合金板，其厚度为0.3-0.5mm；所述碳纤维复合材料层的厚度为0.3-0.6mm，其包括至少一层碳纤维复合材料单层。
[0019] 以上技术方案中优选的，所述金属层板有三层，所述碳纤维复合材料单层有四层，相邻两层金属层板之间各铺设有两层碳纤维复合材料单层，所述碳纤维复合材料单层的方向与所述金属层板的方向相同或者是所述碳纤维复合材料单层的方向与所述金属层板的方向相互垂直。
[0020] 应用本发明纤维金属层板构件的制造方法，具有以下有益效果：
[0021] (1)本发明通过制作纤维金属层板构件预制体、蠕变-固化复合成型以及降温冷却共三大步骤，即可得到所需结构的纤维金属层板构件，将现有技术中制作纤维金属平板和构件结构成形工序(即二次成形工序，如采用滚压、冲压、拉形等方式)进行统一，大大简化了制造工艺流程；本发明热压罐内部参数的合理选择(压力为0.6Mpa-1Mpa能制得单曲率及简单双曲面的结构，制造方法中具体压力、升温速率以及最终温度的取值取决于金属层板的材质、碳纤维复合材料的材质、铺层厚度以及最后所需结构等情况)，利用金属的蠕变时效特性和碳纤维复合材料(本发明采用纤维增强树脂基预浸料)固化成型特性在热压罐内实现形、性协同制造，有效避免了树脂固化后金属与纤维增强复合材料因刚度不一致导致的变形不匹配问题；通过本发明得到的纤维金属层板构件残余应力小且分布均匀，成形后回弹变形量小；最终获得的纤维金属层板构件内部不容易产生裂纹和分层等缺陷。
[0022] (2)本发明中压力优选0.8-1.5MPa，温度选择175℃-180℃，参数选择合理，满足：铝合金发生蠕变成形与时效强化；碳纤维复合材料在固化成型温度条件下基本处于粘性及粘弹性状态，对金属蠕变行为的约束力较弱，主要随金属蠕变进行而发生顺应性流变，完成与金属层板之间的胶接并固化成型。
[0023] (3)本发明中制作纤维金属层板构件预制体前包括对所述金属层板进行预处理，预处理采用现有技术，工艺成熟，方便操作；预处理的核心是确保碳纤维复合材料和金属层板之间进行最佳程度的贴合，避免金属层板表面携带杂质等，从而确保整个纤维金属层板构件的高性能。
[0024] (4)本发明中制作纤维金属层板构件预制体前还包括将金属层板进行人工时效强化预处理，金属层板占纤维金属层板构件40％-55％的体积分数，对纤维金属层板构件的综合性能起到了至关重要的作用。铝合金淬火后得到过饱和固溶体组织，在一定温度和时间下，过饱和固溶体发生分解使铝合金强度和硬度大幅提高(现有技术忽视了金属层的性能对层板整体性能的影响，直接使用自然时效态的金属加工纤维金属层板构件)。本发明采用对金属层板进行预人工时效强化，综合考虑固化成型温度和时间的影响，调整人工时效强化的时间，使最终成形的纤维金属层板构件综合性能最优。
[0025] (4)本发明中降温过程具体是：先将构件以0.2℃/min-1.5℃/min的降温速率降温至60℃，再自然降至室温。本发明基于金属层板和碳纤维复合材料的收缩不协调的性质，通过控制降温速度确保金属层板和碳纤维复合材料变形协调，让纤维金属层板构件内残余应力充分释放，减小其回弹变形，确保纤维金属层板构件的尺寸精度。
[0026] (5)本发明中所述金属层板为铝合金板，其厚度为0.3-0.5mm；所述碳纤维复合材料层的厚度为0.3-0.6mm，其包括至少一层碳纤维复合材料单层。金属层板的层数和碳纤维复合材料层的层数均可根据实际需求选择(可以是2层金属层板和1层碳纤维复合材料层的组合，也可以是3层金属层板与2层碳纤维复合材料层的组合，还可以是5层金属层板和4层碳纤维复合材料层的组合；碳纤维复合材料层内碳纤维复合材料单层的数量以及铺设方式均可根据实际需求进行选择)，满足现实中不同需求，实用性强。
[0027] (6)本发明中金属层板与碳纤维复合材料单层可以采用0°、±45°、90°等的单种或者多种的组合方式进行铺设，具体根据实际需求决定，实用性强。
[0028] 本发明还公开了一种上述纤维金属层板构件的制造方法所采用的装置，包括热压罐以及能自由进出所述热压罐的模具，所述模具包括与所需结构的纤维金属层板构件脱模回弹之前的结构相匹配的型面。本发明装置相对于现有技术所需模具结构简单(只需要设计与所需结构回弹补偿后相匹配的型面)，尽可能降低制造成本。
[0031] 图1是铝合金的抗拉强度随温度的变化曲线；
[0032] 图2是铝合金的屈服强度随温度的变化曲线；
[0033] 图3是本发明优选实施例1的纤维金属层板构件在外力破坏后的SEM图；
[0034] 图4是本发明优选实施例4的纤维金属层板构件在外力破坏后的SEM图；
[0035] 图5是对比实施例1的纤维金属层板构件在外力破坏后的SEM图。
具体实施方式
[0037] 实施例1：
[0038] 一种纤维金属层板构件，其制作方法包括以下步骤：
[0039] 将金属层板进行预处理，具体是：采用240号砂纸对金属层板进行打磨；对打磨后的金属层板采用现有技术进行脱脂处理、酸洗脱氧处理以及碱洗中和处理；采用超声波水洗后在温度为60℃的烘干箱内烘30min；将烘干后的金属层板采用磷酸阳极进行氧化(具体操作参考现有技术)，氧化的时间为20min，氧化的温度为50℃，氧化的电压为20V；将氧化后的金属层板进行干燥，即得预处理后的金属层板。
[0040] 第一步、制作纤维金属层板构件预制体，具体是：选取上下方向层叠设置的至少两层金属层板，在相邻两层金属层板之间铺设碳纤维复合材料层，具体是：由三层金属层板(采用2524铝合金)和四层T800的碳纤维复合材料层(碳纤维复合材料层包括厚度相同的两层碳纤维复合材料单层)交替铺设组成，其中金属层板的厚度为0.3mm，碳纤维复合材料单层的厚度为0.15mm，铺设方式是：两层金属层板之间层叠铺设两层碳纤维复合材料单层，碳纤维复合材料单层与金属层板的方向相同(即0°铺设)，得到纤维金属层板构件预制体；
[0041] 第二步、用真空袋密封后利用真空负压使纤维金属层板构件预制体与模具(所述模具包括与所需结构的纤维金属层板构件脱模回弹之前的结构相匹配的型面)贴合；将贴合有纤维金属层板构件预制体的模具放入热压罐内进行蠕变-固化复合成型，得到构件，其中：所述热压罐内部的参数为：压力为0.6MPa，以1.8℃/min的升温速率由室温升高至180℃，恒压时间为150min；
[0042] 第三步、将第二步所得构件降温(具体是：先将构件以0.2℃/min的降温速率降温至60℃，再自然降温至室温)，构件脱模回弹后即得具有所需结构的纤维金属层板构件，标记为S1。
[0043] 实施例2：
[0044] 实施例2与实施例1不同在于：碳纤维复合材料单层与金属层板的方向相互垂直(即90°铺设)。
[0045] 将本实施例所得纤维金属层板构件，标记为S2。
[0046] 实施例3：
[0047] 实施例3与实施例1不同在于：由下至上，金属层板包括第一层、第二层和第三层；第一层金属层板和第二层金属层板之间，下层碳纤维复合材料单层与金属层板的方向相同，上层碳纤维复合材料单层与金属层板的方向相互垂直；第二层金属层板和第三层金属层板之间，下层碳纤维复合材料单层与金属层板的方向相互垂直，上层碳纤维复合材料单层与金属层板的方向相同。
[0048] 将本实施例所得纤维金属层板构件，标记为S3。
[0049] 实施例4：
[0050] 实施例4与实施例1不同之处在于：金属层板还进行人工时效强化预处理，具体是：将金属层板在180℃条件下保温9.5小时。
[0051] 现有研究表明：铝合金在成形过程中的性能演化如图1和图2所示，从图1和图2可以看出：高温下发生的过时效行为会使其断裂韧性和疲劳性能严重下降，使得纤维金属层板构件在固化成型过程不可避免的伴随着层板中作为金属基板(高强铝合金)性能的弱化，因此，本发明综合考虑复合材料固化成型温度和金属蠕变时效温度关系，采用预人工时效和固化工艺结合的方式确定成形温度和保温时间；将选定的金属材料峰时效温度与复合材料固化温度匹配，适当升高或者降低固化温度一方面保证树脂的流动性，另一方面使金属达到峰时效状态；预人工时效时间和固化保温时间叠加保证金属人工时效综合性能最优。
[0052] 将本实施例所得纤维金属层板构件，标记为S4。
[0053] 实施例5：
[0054] 实施例5与实施例2不同之处在于：金属层板还进行人工时效强化预处理，具体是：将金属层板在180℃条件下保温9.5小时。
[0055] 将本实施例所得纤维金属层板构件，标记为S5。
[0056] 实施例6：
[0057] 实施例6与实施例3不同之处在于：金属层板还进行人工时效强化预处理，具体是：将金属层板在180℃条件下保温9.5小时。
[0058] 将本实施例所得纤维金属层板构件，标记为S6。
[0059] 对比实施例1：
[0060] 纤维金属层板构件预制体与实施例1相同，采用现有技术先制作成平板的纤维金属层板构件，再将其滚压成所需弧度的纤维金属层构件。
[0061] 将本对比实施例所得纤维金属层板构件，标记为D1。
[0062] 对比实施例2：
[0063] 纤维金属层板构件预制体与实施例2相同，采用现有技术先制作成平板的纤维金属层板构件，再将其滚压成所需弧度的纤维金属层构件。
[0064] 将本对比实施例所得纤维金属层板构件，标记为D2。
[0065] 对比实施例3：
[0066] 纤维金属层板构件预制体与实施例3相同，采用现有技术先制作成平板的纤维金属层板构件，再将其滚压成所需弧度的纤维金属层构件。
[0067] 将本对比实施例所得纤维金属层板构件，标记为D3。
[0068] 将以上纤维金属层板构件进行性能测试实验，详情如下：
[0069] 1、将纤维金属层板构件S1-S6以及D1-D3进行短梁层间剪切实验，参考标准JCT773-2010，实验设备为三思泰捷CMT5105型万能试验机，其他实验条件参照标准，获得各纤维金属层板构件内部的层间剪切力如表1所示，由表1可知：
[0070] 经过人工时效强化的产品的层间剪切与未经过人工时效强化的产品近似：S4(61.32Mpa)与S1(63.80Mpa)进行比较，S5(10.12Mpa)与S2(11.94Mpa)进行比较，S6(21.47Mpa)与S3(25.78Mpa)进行比较。
[0071] 结合S1、S2和S3或者结合S4、S5和S6可以看出，碳纤维复合材料单层和金属层板之间的铺设方式对纤维金属层板构件的性能也有一定影响，具体是：0°方向铺设优于90°方向铺设(S1、S2、S3层间剪切依次减弱，S4、S5和S6层间剪切依次减弱)。
[0072] 而采用本发明技术方案获得的产品均优于采用现有技术获得产品：S1(63.80Mpa)和S4(61.32Mpa)与D1(47.64Mpa)进行比较，S2(11.94Mpa)和S5(10.12Mpa)与D2(9.14Mpa)进行比较，S3(25.78Mpa)和S6(21.47Mpa)与D3(17.60Mpa)进行比较。
[0073] 2、将纤维金属层板构件S1-S6以及D1-D3进行进行拉伸实验，参考标准GBT 3354-2014及GBT 16865-2013标准，实验设备为三思泰捷CMT5105型万能试验机，其他实验条件参照标准，获得各纤维金属层板构件的拉伸强度如表1所示，由表1可知：
[0074] 经过人工时效强化的产品的拉伸性能明显优于未经过人工时效强化的产品：S4(1051.60Mpa)与S1(942.43Mpa)进行比较，S5(285.99Mpa)与S2(265.01Mpa)进行比较，S6(746.28Mpa)与S3(620.13Mpa)进行比较。
[0075] 结合S1、S2和S3或者结合S4、S5和S6可以看出，碳纤维复合材料单层和金属层板之间的铺设方式对纤维金属层板构件的性能也有一定影响，具体是：0°方向铺设优于90°方向铺设(S1、S2、S3拉伸强度依次减弱，S4、S5和S6拉伸强度依次减弱)。
[0076] 而采用本发明技术方案获得的产品均优于采用现有技术获得产品：S1(942.43Mpa)和S4(1051.60Mpa)与D1(671.33Mpa)进行比较，S2(265.01Mpa)和S5(285.99Mpa)与D2(184.05Mpa)进行比较，S6(746.28Mpa)和S3(620.13Mpa)与D3(581.31Mpa)进行比较。
[0077] 表1 纤维金属层板构件S1-S6以及D1-D3的层间剪切力、拉伸强度统计表[0078]
[0079]
[0080] 3、将纤维金属层板构件S1、S4以及D1分别进行电子显微镜扫描，获得各纤维金属层板构件的电镜图如图3、图4和图5，由图3-4可知，采用本发明获得的纤维金属层板构件(S1和S4)在外力破坏时，纤维与树脂均匀剥离，树脂对纤维包裹充分。由图5可知：采用现有技术获得的纤维金属层板构件(D1)中树脂对纤维包裹性差，分层时不能均匀受力，造成整体树脂的剥离，降低了层间性能。
[0081] 综上所述，采用本发明的技术方案，能简化制造纤维金属层板构件的工艺流程，能获得高性能(层间剪切高、抗拉伸强度高、残余应力小等)的纤维金属层板构件，既可用于航空飞行器外层蒙皮或者内层结构框架等领域，也可以用于轻形防护装甲、汽车覆盖件的替代材料等领域。
[0082] 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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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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