專利名稱：一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合材料的補強方法。
技術背景碳纖維、石墨纖維、碳化硅纖維等纖維增強鋁合金、鎂合金等金屬基復合 材料是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高、比剛度大、材料性能可設計等優(yōu) 點。但是纖維增強金屬基復合材料的制備方法通常是逐層纏繞、逐層鋪層或二 維編織成型，這種復合材料構(gòu)件具有固有的難以克服的各向異性的弱點厚度 方向的剛度和強度性能低、面內(nèi)剪切和層間剪切強度低、易分層、沖擊韌性和 損傷容限水平低，這些是人們多年來一直希望解決的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決二維纖維增強金屬基復合材料構(gòu)件在厚度方向的剛 度和強度性能低、面內(nèi)剪切和層間剪切強度低、易分層、沖擊韌性和損傷容限 水平低的問題，提供一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法。本發(fā)明的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法是這樣完成的將纖維 預制件制備完成后，在纖維預制件中加入金屬絲，纖維預制件攜帶金屬絲通過 加熱后進行金屬液浸滲，冷卻后即完成對連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強。本發(fā)明的優(yōu)點是由于本發(fā)明的金屬絲是在纖維預制件制備完畢之后金屬 液浸滲之前引入的，在后續(xù)的金屬液浸滲過程中，金屬絲將與液態(tài)基體金屬發(fā) 生界面反應，形成一定厚度的界面反應層，金屬絲本身具有高強度高韌性而且 與基體有較強的結(jié)合力，因而金屬絲的存在有效地增強了纖維復合材料層間或 厚度等薄弱方向上的強度，提高了纖維復合材料的層間強度、沖擊韌性和損傷 容限，有效地防止了復合材料分層開裂和剪切破壞。


圖1是本發(fā)明采用補強處理后的金屬基復合材料橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的方法是這樣實現(xiàn)的將纖維預制件2制備完成后，在纖維預制件2中加入金屬絲1，纖維預制件2與復合材料基體3通過加熱進行金屬液浸滲，冷卻后即完成對連續(xù)纖維增 強金屬基復合材料的補強。這樣設計使高強度的金屬絲1與復合材料基體3形成強界面結(jié)合，提高了纖維增強金屬基復合材料厚度或?qū)娱g等薄弱方向上的性 能。由于金屬絲1具有較高的剛度，可將其手工插入纖維預制件中，同時，纖維預制件中致密的纖維排布可使金屬絲固定在纖維預制件中，不發(fā)生脫落；該 工藝方法操作簡便，無需特殊設備，避免了復雜的三維編織工藝，節(jié)省了材料 制備成本。金屬絲直徑和數(shù)量可根據(jù)所需層間剪切強度來調(diào)整，同時，該工藝 不受纖維預制件的形狀及大小限制，適合于復雜結(jié)構(gòu)的補強。金屬絲1與纖維 長度方向的夾角應不小于10° 。
具體實施方式
二結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式在纖維預制件2 中的厚度方向插入金屬絲1。這樣設計使金屬絲1與復合材料基體3形成強界面 結(jié)合，提高了纖維增強金屬基復合材料厚度或?qū)娱g等薄弱方向上的性能。由于 金屬絲i具有較高的剛度，可將其手工插入纖維預制件中，同時，纖維預制件 中致密的纖維排布可使金屬絲固定在纖維預制件中，不發(fā)生脫落。
具體實施方式
三結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的金屬絲1沿著纖維預制件的纖維層間的垂直方向插入。利用金屬絲本身高強度以及與復合材 料基體發(fā)生強界面結(jié)合的物理特性，就像"釘釘子" 一樣在金屬基復合材料纖 維層間的垂直(薄弱)方向上"釘入"金屬絲，金屬絲的引入在纖維預制件二 維鋪設之后，在鋪層的垂直方向上直接插入，由于在后續(xù)的金屬液浸滲過程中，金屬絲將與液態(tài)基體金屬發(fā)生界面反應，形成一定厚度的界面反應層4，導致金屬絲與基體有適當?shù)慕Y(jié)合力，同時金屬絲的高強度有效地增強了復合材料薄弱 方向上的力學性能，防止了復合材料分層開裂。
具體實施方式
四結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式在纖維預制件的 多維縫合過程中將金屬絲1縫合進去。傳統(tǒng)的三維縫合方法是在三維縫合織物 增強體中纖維束或紗線貫穿材料的長、寬、高三個方向，形成一個不分層的三 維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)因而從根本上消除了層合復合材料的"層"，解決了層合復合材 料的缺陷，為復合材料應用于結(jié)構(gòu)件提供了廣闊的前景。隨著縫合技術的快速 發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)四向、五向、七向和十一向增強織物結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)三維縫合結(jié)構(gòu)復合材料由于其具有一系列無法替代的優(yōu)點，廣泛地應用于航空航天等高科技 領域，但是從目前技術水平看，多向縫合預制件的縫合成本高、制備周期長、 復雜結(jié)構(gòu)無法縫合，是其進一步發(fā)展的主要障礙。本發(fā)明在纖維多維縫合的過 程中將金屬絲1縫合進去，是為了在后續(xù)的金屬液浸滲過程中，金屬絲1能與 液態(tài)基體金屬發(fā)生界面反應，形成一定厚度的界面反應層4，導致金屬絲與基體 有較強的結(jié)合力，同時金屬絲的高強度有效地增強了復合材料薄弱方向上的力 學性能，防止了復合材料分層開裂，同時解決了多向縫合預制件的縫合成本高、 制備周期長、復雜結(jié)構(gòu)無法縫合的問題。
具體實施方式
五結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式在纖維預制件的 多維編織過程中將金屬絲1編織進去。傳統(tǒng)的三維編織方法是在三維編織織物 增強體中纖維束或紗線貫穿材料的長、寬、高三個方向，形成一個不分層的三 維整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)因而從根本上消除了層合復合材料的"層"，解決了層合復合材 料的缺陷，為復合材料應用于結(jié)構(gòu)件提供了廣闊的前景。隨著編織技術的快速 發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)四向、五向、七向和十一向增強織物結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)三維編織結(jié)構(gòu) 復合材料由于其具有一系列無法替代的優(yōu)點，廣泛地應用于航空航天等高科技 領域，但是從目前技術水平看，多向編織預制件的編織成本高、制備周期長、 復雜結(jié)構(gòu)無法編織，是其進一步發(fā)展的主要障礙。本發(fā)明在纖維多維編織的過 程中將金屬絲1縫合或編織進去，是為了在后續(xù)的金屬液浸滲過程中，金屬絲1 能與液態(tài)基體金屬發(fā)生界面反應，形成一定厚度的界面反應層4，導致金屬絲與 基體有較強的結(jié)合力，同時金屬絲的高強度有效地增強了復合材料薄弱方向上 的力學性能，防止了復合材料分層開裂，同時解決了多向編織預制件的編織成 本高、制備周期長、復雜結(jié)構(gòu)無法編織的問題。
具體實施方式
六結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的金屬絲1為鈦 絲、鋼絲、或芯部為鎢絲的硼纖維。由于鈦絲、鋼絲和芯部為鉤絲的硼纖維均 與復舍材料基體金屬發(fā)生界面反應并產(chǎn)生強界面結(jié)合，所以鈦絲、鋼絲和硼纖 維均能提高基復合材料的強度。
具體實施方式
七結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式在制備碳纖維增 強鋁基復合材料過程中，預制件為纖維纏繞件結(jié)構(gòu)，在預制件成型完成后，沿
著厚度方向上插入不銹鋼金屬絲(1Crl8Ni9)，直徑為0.25min，插入密度為1根/cm2。采用壓力浸滲法將補強后的預制件制備成復合材料，此時不銹鋼絲長 度與復合材料厚度相同。力學測試表明，采用不銹鋼絲補強的復合材料的層間 剪切強度提高了 90%。
具體實施方式
八結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式在制備石墨纖維
增強鎂基復合材料過程中，纖維預制件為纖維布鋪層結(jié)構(gòu)，在預制件成型過程
中，用不銹鋼金屬絲(1Crl8Ni9)將若干層纖維布沿著層間方向上縫合，鋼絲 直徑為0.25!11111，插入密度為2根/cm2。采用壓力浸滲法將補強后的預制件制備 成復合材料。力學測試表明，采用不銹鋼絲補強的復合材料的層間剪切強度提 高了 115%.
具體實施方式
九結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式在制備氧化鋁纖 維增強鋁基復合材料過程中，纖維預制件為纖維布鋪層結(jié)構(gòu)，補強采用的金屬
絲為鈦金屬絲(TC4)，直徑為0.4mm，手工在厚度方向插入，插入密度為1根 /cm2，長度略大于復合材料厚度。采用壓力浸滲法將補強后的預制件制備成復 合材料。力學測試表明，采用鈦絲補強的復合材料的層間剪切強度提高了 130%。
具體實施方式
十結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式在制備碳化硅纖 維增強鋁基復合材料過程中，預制件為纖維編織結(jié)構(gòu)，截面為"工"字型，預 制件碎型完成后，為增加"工"字上下板面的層間強度，在板面厚度方向上插 入鈦金屬絲(TC4)，直徑為0.4mm，插入密度為2根/cm2。采用壓力浸滲法將 補強后的預制件制備成復合材料。力學測試表明，采用鈦金屬絲補強的復合材 料的層間剪切強度提高了 125%。
權利要求
1、一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法，其特征在于所述方法是這樣實現(xiàn)的將纖維預制件(2)制備完成后，在纖維預制件(2)中加入金屬絲(1)，纖維預制件(2)與復合材料基體(3)通過加熱進行金屬液浸滲，冷卻后即完成對連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強。
2、 根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法，其特 征在于在纖維預制件(2)中的厚度方向插入金屬絲(1)。
3、 根據(jù)權利要求2所述的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法，其特 征在于金屬絲(1)沿著纖維預制件的纖維層間的垂直方向插入。
4、 根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法，其特 征在于在纖維預制件的多維縫合過程中將金屬絲(1)縫合進去。
5、 根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法，其特 征在于在纖維預制件的多維編織過程中將金屬絲(1)編織進去。
6、 根據(jù)權利要求3、 4或5所述的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方 法，其特征在于金屬絲(1)為鈦絲或鋼絲。
全文摘要
一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強方法，本發(fā)明涉及一種纖維增強金屬基復合材料。本發(fā)明是為解決纖維增強金屬基復合材料構(gòu)件在厚度方向的剛度和強度性能低、面內(nèi)剪切和層間剪切強度低、沖擊韌性低、易分層的問題，本發(fā)明的方法是這樣實現(xiàn)的將纖維預制件(2)制備完成后，在纖維預制件(2)中加入金屬絲(1)，纖維預制件(2)與復合材料基體(3)通過加熱進行金屬液浸滲，冷卻后即完成對連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的補強。由于金屬絲本身具有高強度高韌性而且與基體有較強的結(jié)合力，因而本發(fā)明的金屬絲的存在有效地增強了纖維復合材料層間或厚度等薄弱方向上的強度，提高了纖維復合材料的層間強度和沖擊韌性、損傷容限，避免了分層。
文檔編號C22C47/00GK101314839SQ20081006473
公開日2008年12月3日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權日2008年6月13日
發(fā)明者修子揚, 姜龍濤, 康鵬超, 強 張, 張云鶴, 武高輝, 茍華松, 陳國欽 申請人:哈爾濱工業(yè)大學