具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其使用短纖維在復(fù)合材料和金屬材料之間進(jìn)行增韌。在復(fù)合材料和金屬材料之間形成纖維“橋”，提供額外的連接。通過(guò)在裂紋尖端區(qū)域中纖維的橋連作用，提高材料的臨界斷裂強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論建模，纖維界面增韌及其橋連作用可提高材料的抗分層、斷裂能力，即臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子、臨界斷裂強(qiáng)度、臨界能量釋放率等參數(shù)，減小分層及裂紋擴(kuò)展的概率，進(jìn)而提高整體結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度、能量吸收、沖擊韌性等能力。
【專利說(shuō)明】具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料與金屬材料組成的層合結(jié)構(gòu)，尤其是碳纖維與金屬鋁材粘接良好，進(jìn)而整體材料的抗彎強(qiáng)度、能量吸收、沖擊韌性等能力均有提高的層合結(jié)構(gòu)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前公知的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，由復(fù)合材料層和金屬材料層組成。其中復(fù)合材料層承受載荷的主要部分；金屬材料層主要選用金屬薄板、蜂窩或泡沫材料，提高整體層合結(jié)構(gòu)的疲勞韌性、抗沖擊、熱力學(xué)或聲學(xué)功能性。然而，在工程應(yīng)用中，復(fù)合材料和金屬材料的粘接部位經(jīng)常發(fā)生破壞，使得整體結(jié)構(gòu)的性能無(wú)法充分發(fā)揮，影響材料以及結(jié)構(gòu)的使用。
[0003]對(duì)于復(fù)合材料，傳統(tǒng)的解決辦法是使用纖維束進(jìn)行縫紉、“Z-PIN”等方式將材料從厚度方向上進(jìn)行固定，但對(duì)于復(fù)合材料與金屬材料組成的層合結(jié)構(gòu)，纖維束無(wú)法穿過(guò)金屬部分，造成這類厚度方向上的增韌無(wú)法實(shí)施，需尋求其他的增韌方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明提供一種具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)及方法，其目的是解決以往的復(fù)合材料與金屬材料組成的層合結(jié)構(gòu)中在厚度方向上增韌無(wú)法實(shí)施的問題。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其特征是:由一層或多層復(fù)合材料層、金屬材料層和纖維增韌層構(gòu)成，纖維增韌層設(shè)置在復(fù)合材料層與金屬材料層之間。
[0006]纖維增韌層材料使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料其中的一種或多種制成的微觀或納米纖維層；纖維增韌層的纖維直徑為3納米至100微米；纖維增韌層材料為連續(xù)纖維或不連續(xù)纖維；纖維增韌層面密度為不小于0.5克每平方米至100克每平方米。
[0007]纖維增韌層為隨機(jī)分布的纖維氈、墊或薄膜。
[0008]復(fù)合材料層可使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料制成的微觀或納米纖維；復(fù)合材料層可使用熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為粘接基體。
[0009]金屬材料使用各種幾何外形和曲率的光滑表面金屬材料、紋理表面金屬材料、金屬泡沫材料、多孔金屬材料中的一種或幾種。
[0010]增韌層纖維會(huì)在復(fù)合材料層與金屬層之間形成橋，提高粘接強(qiáng)度和韌性；對(duì)使用多孔金屬材料的結(jié)構(gòu)，增韌層纖維還會(huì)搭載在多孔金屬的孔壁上，形成額外的圓角增韌結(jié)構(gòu)。
[0011]制備上述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)的方法，其特征是:首先將增韌纖維剪切至2-30毫米長(zhǎng)度，之后將低密度增韌纖維在空氣或液體中攪拌至均勻，之后等待纖維自然沉降或手工分布成均勻的氈、墊或薄膜。
[0012]將制成的纖維氈、墊或薄膜與熱固性樹脂或熱塑性樹脂擠壓制成纖維增韌層預(yù)浸料，再與復(fù)合材料預(yù)浸料、金屬材料一同按結(jié)構(gòu)需要組裝成型；或?qū)⒗w維氈、墊或薄膜與復(fù)合材料一同制成具有纖維增韌的預(yù)浸料，再與金屬材料組裝成型。
[0013]增韌用纖維與復(fù)合材料使用相同的樹脂，共固化成型，加工過(guò)程與現(xiàn)有層合材料加工過(guò)程無(wú)明顯區(qū)別，根據(jù)樹脂和結(jié)構(gòu)尺寸按規(guī)范進(jìn)行固化；采用共固化工藝使復(fù)合材料、纖維增韌材料和金屬材料緊密連接。
[0014]優(yōu)點(diǎn)效果:本發(fā)明提供了一種具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其使用短纖維在復(fù)合材料和金屬材料之間進(jìn)行增韌。在復(fù)合材料和金屬材料之間形成纖維“橋”，提供額外的連接。通過(guò)在裂紋尖端區(qū)域中纖維的橋連作用，提高材料的臨界斷裂強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論建模，纖維界面增韌及其橋連作用可提高材料的抗分層、斷裂能力，即臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子、臨界斷裂強(qiáng)度、臨界能量釋放率等參數(shù)，減小分層及裂紋擴(kuò)展的概率，進(jìn)而提高整體結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度、能量吸收、沖擊韌性等能力。而且，采用3 - 12克每平方米的短纖維進(jìn)行增韌，即可取得較好的效果，相比于單層纖維增強(qiáng)材料的重量(大于200克每平方米)，整體結(jié)構(gòu)的重量增加很小，對(duì)材料比強(qiáng)度和比剛度不會(huì)造成影響。同時(shí)，增韌用纖維可與復(fù)合材料使用相同的樹脂作為基體、或直接在復(fù)合材料預(yù)浸料上添加纖維增韌層，全部材料使用相同的樹脂，可以共固化成型，加工過(guò)程與現(xiàn)有層合材料加工過(guò)程無(wú)明顯區(qū)別，因此方便在現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。
[0015]本發(fā)明的具體有益效果是:
1、與傳統(tǒng)復(fù)合材料-金屬材料組成的層合結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明使用纖維在復(fù)合材料和金屬材料之間進(jìn)行增韌。在復(fù)合材料和金屬材料之間形成纖維“橋”，提供額外的連接。通過(guò)在裂紋尖端區(qū)域中纖維的橋連作用，提高材料的臨界斷裂強(qiáng)度。
[0016]2、本發(fā)明全部材料可使用相同的樹脂，可以共固化成型，加工過(guò)程與現(xiàn)有層合結(jié)構(gòu)加工過(guò)程無(wú)明顯區(qū)別，可根據(jù)樹脂和結(jié)構(gòu)尺寸按規(guī)范進(jìn)行固化，方便在現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。
[0017]3、本發(fā)明的適用范圍較廣，各種尺寸和形狀的層合結(jié)構(gòu)均可適用。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、載荷水平和對(duì)結(jié)構(gòu)功能性的要求，可進(jìn)行層合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選用適當(dāng)?shù)睦w維如碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等，以及不同的金屬材料形式如蜂窩、泡沫、型材等，使結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和功能性滿足要求。
[0018]4、本發(fā)明采用復(fù)合材料-金屬材料組成的層合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)疲勞韌性較好，可滿足長(zhǎng)時(shí)間服役的需求。
[0019]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
圖1是本發(fā)明纖維增韌層使用的纖維氈示意圖。
[0020]圖中:黑色為襯底，白色為增韌纖維。
[0021]圖2是本發(fā)明層合結(jié)構(gòu)組裝/裝配示意圖。
[0022]圖中:黑色層為復(fù)合材料層，灰色多孔層為金屬材料層，兩層中間的為纖維增韌層。
[0023]圖3是本發(fā)明纖維增韌層橋聯(lián)作用示意圖。
[0024]圖中:上方黑色層為復(fù)合材料層，下方灰色層為金屬材料層，中間為纖維橋聯(lián)增韌區(qū)域。
[0025]圖4是本發(fā)明纖維增韌層對(duì)多孔材料的圓角增韌示意圖。
[0026]圖中:上方黑色層為復(fù)合材料層，下方無(wú)色層為多孔金屬材料層，中間區(qū)域和曲線為纖維圓角增韌區(qū)域。
[0027]【具體實(shí)施方式】:
如圖1所示，本發(fā)明提供一種具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，由一層或多層復(fù)合材料層、金屬材料層和纖維增韌層構(gòu)成，纖維增韌層設(shè)置在復(fù)合材料層與金屬材料層之間。 [0028]纖維增韌層材料使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料其中的一種或多種制成的微觀或納米纖維層；纖維增韌層的纖維直徑為3納米至100微米；纖維增韌層材料為連續(xù)纖維或不連續(xù)纖維；纖維增韌層面密度為不小于0.5克每平方米至100克每平方米。
[0029]纖維增韌層為隨機(jī)分布的纖維氈、墊或薄膜；
復(fù)合材料層可使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料制成的微觀或納米纖維；復(fù)合材料層可使用熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為粘接基體。
[0030]金屬材料使用各種幾何外形和曲率的光滑表面金屬材料、有紋理表面金屬材料、金屬泡沫材料、多孔金屬材料中的一種或幾種。
[0031]一種具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)的制備方法，將制成的纖維氈、墊或薄膜與熱固性樹脂或熱塑性樹脂一同制成纖維增韌層預(yù)浸料，再與復(fù)合材料預(yù)浸料、金屬材料一同按結(jié)構(gòu)需要組裝成型，或?qū)⒗w維氈、墊或薄膜與復(fù)合材料一同制成具有纖維增韌的預(yù)浸料，再與金屬材料組裝成型。
[0032]增韌用纖維可與復(fù)合材料使用相同的樹脂作為基體、或直接在復(fù)合材料預(yù)浸料上添加纖維增韌層，全部材料可使用相同的樹脂，可以共固化成型，加工過(guò)程與現(xiàn)有層合材料加工過(guò)程無(wú)明顯區(qū)別，可根據(jù)樹脂和結(jié)構(gòu)尺寸按規(guī)范進(jìn)行固化。采用共固化工藝可以使復(fù)合材料、纖維增韌材料和金屬材料緊密連接。
[0033]如圖1，圖中為使用6毫米長(zhǎng)度Kevlar纖維制成的纖維氈，其密度為3克每平方米。纖維氈制作方法為:在空氣或液體中攪拌低密度纖維至均勻，之后等待自然沉降或手工分布。
[0034]如圖2，圖中:黑色層為復(fù)合材料層，黃色層為纖維增韌層，灰色層為金屬材料層，層合材料組裝/裝配后進(jìn)行共固化。
[0035]如圖3，圖中:上方黑色層為復(fù)合材料層，下方灰色層為金屬材料層，中間為纖維橋聯(lián)增韌區(qū)域。橋聯(lián)纖維存在于裂紋尖端部分直至裂紋張開較大部分。
[0036]如圖4，圖中:上方灰色層為復(fù)合材料層，下方無(wú)色層為多孔金屬材料層，中間黃色區(qū)域和曲線為纖維圓角增韌區(qū)域。增韌層纖維可搭載在多孔金屬的孔壁上，形成額外的“圓角增韌”，進(jìn)而提高粘接強(qiáng)度。
[0037]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，無(wú)增韌層的碳纖維/環(huán)氧樹脂-6061鋁合金層合的界面臨界能量釋放率為174焦耳每平方米，采用本發(fā)明方式增韌(14毫米長(zhǎng)、12克每平方米的Kevlar纖維氈)的層合結(jié)構(gòu)臨界能量釋放率可達(dá)到441焦耳每平方米，臨界能量釋放率提高153%，結(jié)構(gòu)重量?jī)H增加0.01%。對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂-Alporas泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 無(wú)增韌層的碳纖維/環(huán)氧樹脂-Alporas泡沫鋁層合結(jié)構(gòu)的界面臨界能量釋放率為1518焦耳每平方米，采用本發(fā)明方式增韌(6毫米長(zhǎng)、6克每平方米的Kevlar纖維氈)的層合結(jié)構(gòu)臨界能量釋放率可達(dá)到2753焦耳每平方米，臨界能量釋放率提高81%，結(jié)構(gòu)重量?jī)H增加0.18%。同時(shí)，可提高層合結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲載荷下的極限載荷36%、總能量吸收性能80%。
【權(quán)利要求】
1.一種具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其特征是:由一層或多層復(fù)合材料層、金屬材料層和纖維增韌層構(gòu)成，纖維增韌層設(shè)置在復(fù)合材料層與金屬材料層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其特征是:纖維增韌層材料使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料其中的一種或多種制成的微觀或納米纖維層；纖維增韌層的纖維直徑為3納米至100微米；纖維增韌層材料為連續(xù)纖維或不連續(xù)纖維；纖維增韌層面密度為不小于0.5克每平方米至100克每平方米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其特征是:纖維增韌層為隨機(jī)分布的纖維氈、墊或薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其特征是:復(fù)合材料層可使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料制成的微觀或納米纖維；復(fù)合材料層可使用熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為粘接基體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其特征是:金屬材料使用各種幾何外形和曲率的光滑表面金屬材料、紋理表面金屬材料、金屬泡沫材料、多孔金屬材料中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)，其特征是:增韌層纖維會(huì)在復(fù)合材料層與金屬層之間形成橋，提高粘接強(qiáng)度和韌性；對(duì)使用多孔金屬材料的結(jié)構(gòu)，增韌層纖維還會(huì)搭載在多孔金屬的孔壁上，形成額外的圓角增韌結(jié)構(gòu)。
7.制備權(quán)利要求1所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)的方法，其特征是:首先將增韌纖維剪切至2-30毫米長(zhǎng)度，之后將低密度增韌纖維在空氣或液體中攪拌至均勻，之后等待纖維自然沉降或手工分布成均勻的氈、墊或薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是:將制成的纖維氈、墊或薄膜與熱固性樹脂或熱塑性樹脂擠壓制成纖維增韌層預(yù)浸料，再與復(fù)合材料預(yù)浸料、金屬材料一同按結(jié)構(gòu)需要組裝成型；或?qū)⒗w維氈、墊或薄膜與復(fù)合材料一同制成具有纖維增韌的預(yù)浸料，再與金屬材料組裝成型。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有纖維界面增韌的復(fù)合材料-金屬材料層合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是:增韌用纖維與復(fù)合材料使用相同的樹脂，共固化成型，加工過(guò)程與現(xiàn)有層合材料加工過(guò)程無(wú)明顯區(qū)別，根據(jù)樹脂和結(jié)構(gòu)尺寸按規(guī)范進(jìn)行固化；采用共固化工藝使復(fù)合材料、纖維增韌材料和金屬材料緊密連接。
【文檔編號(hào)】B32B15/14GK103625040SQ201310532821
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】孫直, 胡曉智 申請(qǐng)人:孫直, 胡曉智