本發(fā)明涉及一種航天航空用的復(fù)合材料，尤其涉及一種芳綸/鋁合金復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

近年來，復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，隨著該領(lǐng)域各項技術(shù)不斷進步，對復(fù)合材料性能要求也越來越高。

芳綸纖維材料是一種高性能、高附加值的特種新型材料，其不但具有優(yōu)良的物理機械性能，還具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、阻燃性、電絕緣性和耐輻射性，因此，將芳綸纖維材料制成復(fù)合材料也將會具有優(yōu)異的性能。國內(nèi)專利201510295801.X公開了一種芳綸/聚乙烯復(fù)合板材的制備方法，國內(nèi)專利201410529669.X公開了一種芳綸/玻璃纖維復(fù)合片材制備方法，然而此類復(fù)合材料缺乏金屬高比強度、高比剛度及耐腐蝕性等特性，應(yīng)用領(lǐng)域有限，難以應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服以上背景技術(shù)中提到的不足和缺陷，提供一種芳綸/鋁合金復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料兼具金屬材料的高比強度、高比剛度及耐腐蝕性，以及特種纖維材料的輕質(zhì)、高韌性及優(yōu)異的耐疲勞性能等特點，在航天航空領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種芳綸/鋁合金復(fù)合材料，是由N+1層的鋁合金板層和N層的芳綸材料層依次交替復(fù)合形成的多層疊加結(jié)構(gòu)，其中，所述芳綸/鋁合金復(fù)合材料的最底層和最上層均為鋁合金板層，1≤N≤8且N為整數(shù)。

上述的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述鋁合金板層的表面經(jīng)陽極氧化處理過；所述芳綸材料層是將芳綸材料用偶聯(lián)劑表面處理后、浸入環(huán)氧樹脂體系中進行浸漬、熱壓成型后得到的。將所述鋁合金板的表面經(jīng)陽極氧化處理過，可以增加鋁合金的耐腐蝕性，能提高復(fù)合材料的使用周期。

作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種芳綸/鋁合金復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)對鋁合金板進行陽極氧化處理后，水洗，干燥，得到預(yù)處理的鋁合金板；

(2)對芳綸材料用偶聯(lián)劑進行表面處理后，浸入環(huán)氧樹脂體系中進行浸漬，得到芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料；

(3)將所述芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料進行預(yù)烘干；

(4)按照一層預(yù)處理的鋁合金板再一層預(yù)烘干的芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的疊加順序，將預(yù)處理的鋁合金板和預(yù)烘干的芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料鋪成依次交替的多層疊加結(jié)構(gòu)，其中，多層疊加結(jié)構(gòu)的最底層和最上層均為預(yù)處理的鋁合金板；

(5)將所述多層疊加結(jié)構(gòu)進行熱壓成型，即得到所述芳綸/鋁合金復(fù)合材料。

上述的制備方法中，將芳綸材料先用偶聯(lián)劑進行表面處理，再浸入環(huán)氧樹脂體系中浸漬，可以保證芳綸材料層和鋁合金板層之間的粘結(jié)強度，增強了復(fù)合材料層間結(jié)合力。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料中環(huán)氧樹脂的質(zhì)量控制在5％～65％。進一步優(yōu)選的，芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料中環(huán)氧樹脂的質(zhì)量控制在25％～45％。控制芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料中的環(huán)氧樹脂的含量可以保證芳綸材料與鋁合金板間的粘結(jié)強度以及復(fù)合材料的整體性能，避免環(huán)氧樹脂含量過低導(dǎo)致芳綸浸潤不完全，也避免環(huán)氧樹脂含量太高導(dǎo)致環(huán)氧固化不完全，影響復(fù)合材料的整體性能。

上述的制備方法，優(yōu)選的，每層鋁合金板的厚度為0.01～2.00mm，每層芳綸環(huán)氧預(yù)浸料層厚度為0.01～5.00mm。進一步優(yōu)選的，每層鋁合金板的厚度為0.10～0.50mm，每層預(yù)烘干的芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的厚度為0.08～1.00mm。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(4)的具體操作過程為：先將預(yù)處理好的一層鋁合金板單面涂膠黏劑，然后將預(yù)烘后的一層芳綸環(huán)氧預(yù)浸料疊在有膠一面的鋁合金板上，再將一層單面涂膠黏劑的鋁合金板蓋在預(yù)烘后的芳綸環(huán)氧預(yù)浸料上，形成三層的疊加結(jié)構(gòu)。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(4)的具體操作過程為：先將預(yù)處理好的一層鋁合金板單面涂膠黏劑，然后將預(yù)烘后的一層芳綸環(huán)氧預(yù)浸料疊在有膠一面的鋁合金板上，再將雙面涂有膠黏劑的鋁合金板疊在所述預(yù)烘后的芳綸環(huán)氧預(yù)浸料上，如此反復(fù)進行，直至疊加至所需層數(shù)，得到多層的疊加結(jié)構(gòu)；其中疊加結(jié)構(gòu)的最上層為鋁合金板層。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述膠黏劑為聚砜環(huán)氧樹脂膠黏劑或環(huán)氧尼龍膠黏劑。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，預(yù)烘干是在60℃～80℃的環(huán)境中預(yù)烘10min～60min；

所述步驟(5)中，熱壓成型是指在溫度為60℃～300℃、壓力為0.1MPa～20.0MPa條件下進行壓制30～90min。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述偶聯(lián)劑選自KH550、KH560、KH570中的任意一種。

作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的或上述的制備方法制備獲得的芳綸/鋁合金復(fù)合材料在航天航空結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。

本發(fā)明將芳綸與鋁合金進行復(fù)合所得到的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，不僅具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、阻燃性能、電絕緣性和耐輻射性能，還兼具有金屬的高比強度、高比剛度、優(yōu)異耐腐蝕性以及耐疲勞性能；該復(fù)合材料的相對密度比純鋁更小，更符合當前航天航空領(lǐng)域輕量化趨勢，基于該復(fù)合材料的優(yōu)勢，該復(fù)合材料面向航天航空的結(jié)構(gòu)材料的首選材料，可用來制作飛機機身、機翼等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，不僅具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、阻燃性能、電絕緣性和耐輻射性能，還兼具有金屬的高比強度、高比剛度、優(yōu)異耐腐蝕性以及耐疲勞性能；該復(fù)合材料的相對密度比純鋁低10％～18％，可大大減輕重量，其抗疲勞性能也可提高30％以上，所以其在航天航空領(lǐng)域可用來制作飛機機身、機翼等，在大型客機、軍用機及無人機中具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2)本發(fā)明的制備方法通過芳綸材料與鋁合金的疊層復(fù)合來完成，通過對芳綸材料進行表面改性增加其表面活性，選用與環(huán)氧樹脂兼容的改性環(huán)氧膠黏劑，以及對鋁合金表面進行陽極化處理共同保證了芳綸材料與鋁合金的粘結(jié)性，降低層壓復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力，提高了綜合性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1、3的芳綸/鋁合金復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例2、4的芳綸/鋁合金復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：

1、鋁合金板層；2、芳綸材料層。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實施例對本文發(fā)明做更全面、細致地描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于以下具體實施例。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護范圍。

除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設(shè)備等均可通過市場購買得到或者可通過現(xiàn)有方法制備得到。

實施例1：

一種本發(fā)明的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由四層的鋁合金板層1和三層的芳綸材料層2依次交替復(fù)合形成的七層疊加結(jié)構(gòu)，其中芳綸/鋁合金復(fù)合材料的最底層和最上層均為鋁合金板層。

本實施例中的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取數(shù)塊0.3mm厚的鋁合金板，進行表面陽極氧化處理后，用去離子水清洗干凈，在60℃烘箱中烘干，待用；

(2)將芳綸無緯布用KH560進行表面處理后，浸入用雙酚A型環(huán)氧樹脂體系中進行潤浸一段時間后，得到芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(該芳綸環(huán)氧預(yù)浸料中樹脂的質(zhì)量分數(shù)控制在20％左右，預(yù)浸料的厚度控制在0.08mm)，預(yù)浸料制作完成后放烘箱中在60℃中預(yù)烘30min；

(3)選取一塊陽極氧化處理后的鋁合金板，單面涂上聚砜環(huán)氧樹脂膠黏劑，選取一層步驟(2)預(yù)烘后的芳綸環(huán)氧預(yù)浸料疊在涂有膠黏劑一面的鋁合金板上，再將第二塊0.30mm厚的鋁合金板雙面涂膠后疊在芳綸環(huán)氧預(yù)浸料上，如此反復(fù)進行，直至疊加層共7層，最上層為單面涂膠的鋁合金板，即得到七層疊加結(jié)構(gòu)材料；其中，在疊層過程中，及時壓疊復(fù)合層材料，沿芳綸纖維排布方向從中間至邊緣方向施力，以驅(qū)趕氣泡，減少殘余應(yīng)力；完成疊層并壓實；

(4)將步驟(3)得到的七層疊加結(jié)構(gòu)材料上下表面均鋪上脫模布，然后送入熱壓機中，在溫度為150℃、壓力為5.0MPa條件下進行壓制，并保壓60min即得到芳綸/鋁合金復(fù)合材料。

實施例2：

一種本發(fā)明的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由三層的鋁合金板層1和兩層的芳綸材料層2依次交替復(fù)合形成的五層疊加結(jié)構(gòu)，其中芳綸/鋁合金復(fù)合材料的最底層和最上層均為鋁合金板。

本實施例中的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取數(shù)塊0.3mm厚的鋁合金板，進行表面陽極氧化處理后，用去離子水清洗干凈，在60℃烘箱中烘干，待用；

(2)將芳綸纖維用KH560進行表面處理后，再通過濕法纏繞方法得到芳綸纖維布，浸入雙酚A型環(huán)氧樹脂體系中進行潤浸，得到芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(該預(yù)浸料中樹脂含量質(zhì)量分數(shù)控制在25％左右，預(yù)浸料厚度控制在1.00mm)，預(yù)浸料制作完成后放烘箱中在60℃中預(yù)烘30min；

(3)選取一塊陽極氧化處理后的鋁合金板，單面涂上聚砜環(huán)氧樹脂膠黏劑，選取一層步驟(2)預(yù)烘后的芳綸環(huán)氧預(yù)浸料疊在涂有膠黏劑一面的鋁合金板上，再將第二塊0.30mm厚的鋁合金板雙面涂膠后疊在芳綸環(huán)氧預(yù)浸料上，如此反復(fù)進行，直至疊加層共5層，即得到五層疊加結(jié)構(gòu)材料(最上層為單面涂膠的鋁合金板)；其中，在疊層過程中，及時壓疊復(fù)合層材料，沿芳綸無緯布纖維排布方向從中間至邊緣方向施力，以驅(qū)趕氣泡，減少殘余應(yīng)力；完成疊層并壓實；

(4)將步驟(3)得到的五層疊加結(jié)構(gòu)材料上下表面均鋪上脫模布，然后送入熱壓機中，在溫度為150℃、壓力為5.0MPa條件下進行壓制，并保壓50min即得到芳綸/鋁合金復(fù)合材料。

實施例3：

一種本發(fā)明的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由四層的鋁合金板層1和三層的芳綸材料層2依次交替復(fù)合形成的七層疊加結(jié)構(gòu)，其中芳綸/鋁合金復(fù)合材料的最底層和最上層均為鋁合金板。

本實施例中的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取數(shù)塊0.5mm厚的鋁合金板，進行表面陽極氧化處理后，用去離子水清洗干凈，在60℃烘箱中烘干，待用；

(2)將芳綸無緯布用KH560進行表面處理后，用雙酚A型環(huán)氧樹脂體系進行潤浸，得到芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(該芳綸環(huán)氧預(yù)浸料中樹脂質(zhì)量分數(shù)控制在30％左右，預(yù)浸料厚度控制在1.50mm)，預(yù)浸料制作完成后放烘箱中在60℃中預(yù)烘50min；

(3)選取一塊陽極氧化處理后的鋁合金板，單面涂上聚砜環(huán)氧樹脂膠黏劑，選取一層步驟(2)預(yù)烘后的芳綸環(huán)氧預(yù)浸料疊在涂有膠黏劑一面的鋁合金板上，再將第二塊0.50mm厚的鋁合金板雙面涂膠后疊在芳綸環(huán)氧預(yù)浸料上，如此反復(fù)進行，直至疊加層共7層，即得到七層疊加結(jié)構(gòu)材料(最上層為單面涂膠的鋁合金板)；其中，在疊層過程中，及時壓疊復(fù)合層材料，沿芳綸無緯布纖維排布方向從中間至邊緣方向施力，以驅(qū)趕氣泡，減少殘余應(yīng)力；完成疊層并壓實；

(4)將步驟(3)得到的七層疊加結(jié)構(gòu)材料上下表面均鋪上脫模布，然后送入熱壓機中，在溫度為150℃、壓力為8.0MPa條件下進行壓制，保壓90min即得到芳綸/鋁合金復(fù)合材料。

實施例4：

一種本發(fā)明的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由三層的鋁合金板層1和兩層的芳綸材料層2依次交替復(fù)合形成的五層疊加結(jié)構(gòu)，其中芳綸/鋁合金復(fù)合材料的最底層和最上層均為鋁合金板。

本實施例中的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取數(shù)塊0.3mm厚的鋁合金板，進行表面陽極氧化處理后，用去離子水清洗干凈，在60℃烘箱中烘干，待用；

(2)將芳綸無緯布利用KH560進行表面處理后，浸入雙酚A型環(huán)氧樹脂體系進行潤浸，得到芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(該芳綸環(huán)氧預(yù)浸料中樹脂質(zhì)量分數(shù)控制在25％之間，預(yù)浸料厚度控制在1.00mm)，預(yù)浸料制作完成后放烘箱中在60℃中預(yù)烘50min；

(3)選取一塊陽極氧化處理后的鋁合金板，單面涂上聚砜環(huán)氧樹脂膠黏劑，選取一層步驟(2)預(yù)烘后的芳綸環(huán)氧預(yù)浸料疊在涂有膠黏劑一面的鋁合金板上，再將第二塊0.30mm厚的鋁合金板雙面涂膠后疊在芳綸環(huán)氧預(yù)浸料上，如此反復(fù)進行，直至疊加層共5層，即得到五層疊加結(jié)構(gòu)材料(最上層為單面涂膠的鋁合金板)；其中，在疊層過程中，及時壓疊復(fù)合層材料，沿芳綸纖維排布方向從中間至邊緣方向施力，以驅(qū)趕氣泡，減少殘余應(yīng)力；完成疊層并壓實；

(4)將步驟(3)得到的五層疊加結(jié)構(gòu)材料上下表面均鋪上脫模布，然后送入熱壓機中，在溫度為150℃、壓力為5.0Mpa條件下進行壓制，保壓30min即得到芳綸/鋁合金復(fù)合材料。

對比例：

本對比例的芳綸/鋁合金復(fù)合材料，由3層的鋁合金板層和2層的芳綸材料層依次交替復(fù)合形成的五層疊加結(jié)構(gòu)，其中芳綸/鋁合金復(fù)合材料的最底層和最上層均為鋁合金板。

本實施例中的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取數(shù)塊0.3mm厚的鋁合金板，進行表面陽極氧化處理后，用去離子水清洗干凈，在60℃烘箱中烘干，待用；

(2)將芳綸無緯布直接浸入雙酚A型環(huán)氧樹脂體系進行潤浸，得到芳綸環(huán)氧樹脂預(yù)浸料(該芳綸環(huán)氧預(yù)浸料中樹脂質(zhì)量分數(shù)控制在25％之間，預(yù)浸料厚度控制在1.00mm)，預(yù)浸料制作完成后放烘箱中在60℃中預(yù)烘50min；

(3)選取一塊陽極氧化處理后的鋁合金板，單面涂上環(huán)氧改性丙烯酸膠黏劑，選取一層步驟(2)預(yù)烘后的芳綸環(huán)氧預(yù)浸料疊在涂有膠黏劑一面的鋁合金板上，再將第二塊0.30mm厚的鋁合金板雙面涂膠后疊在芳綸環(huán)氧預(yù)浸料上，如此反復(fù)進行，直至疊加層共5層，即得到五層疊加結(jié)構(gòu)材料(最上層為單面涂膠的鋁合金板)；其中，在疊層過程中，及時壓疊復(fù)合層材料，沿芳綸纖維排布方向從中間至邊緣方向施力，以驅(qū)趕氣泡，減少殘余應(yīng)力；完成疊層并壓實；

(4)將步驟(3)得到的五層疊加結(jié)構(gòu)材料上下表面均鋪上脫模布，然后送入熱壓機中，在溫度為150℃、壓力為5.0MPa條件下進行壓制，保壓30min即得到芳綸/鋁合金復(fù)合材料。

上述4個實施例和對比例制備得到的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的性能測試數(shù)據(jù)見表1所示，從表1可知，本發(fā)明的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的具有優(yōu)異的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、擠壓強度等性能，屬于高比強度、高比剛度的復(fù)合材料；且本發(fā)明中的芳綸/鋁合金復(fù)合材料間的層間粘結(jié)強度較強，相對密度低，比鋁合金的密度要低10％～18％(鋁合金的密度在2.7g/cm³左右)，耐疲勞性能可提高30％以上。基于本發(fā)明的芳綸/鋁合金復(fù)合材料的優(yōu)勢，該復(fù)合材料面向航天航空的結(jié)構(gòu)材料的首選材料，可用來制作飛機機身、機翼等。

表1各實施例和對比例的芳綸/鋁合金層壓復(fù)合材料測試結(jié)果