本發(fā)明屬于復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板及其制備方法。

背景技術(shù)：

纖維金屬層板是一種由金屬薄板和纖維增強(qiáng)的預(yù)浸料交替鋪層后，在一定溫度和壓力下形成的一種層間混雜復(fù)合材料。纖維金屬層板憑借其高比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)異的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能和抗沖擊性能在航空航天領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。

中國(guó)發(fā)明專利公布號(hào)cn103029376a，公布日2013年04月10日，名稱為“一種金屬-纖維復(fù)合層板及其制造方法”的專利文獻(xiàn)中公開(kāi)了一種玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)的，使用熱壓機(jī)熱壓成形的纖維金屬層板。該方案中使用的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度較低，易磨損，纖維呈脆性，在使用時(shí)加工編織纏繞性弱，對(duì)人體親膚性差。使用的碳纖維雖有較高的拉伸強(qiáng)度但剪切強(qiáng)度低，易折斷，斷后延伸率較低，雖已能批量化生產(chǎn)，但市場(chǎng)價(jià)格常年高居不下。另外該方案中使用熱壓機(jī)進(jìn)行層板的熱壓制備工藝，熱壓時(shí)間長(zhǎng)，制備效率低，只能適應(yīng)小批量個(gè)性化制備，顯然無(wú)法勝任大批量高效率的生產(chǎn)任務(wù)，因此可以預(yù)見(jiàn)，層板的總體制備成本會(huì)很高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是：現(xiàn)有的纖維金屬層板，使用的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度較低，易磨損，纖維呈脆性，在使用時(shí)加工編織纏繞性弱，對(duì)人體親膚性差；使用的碳纖維剪切強(qiáng)度低，易折斷，斷后延伸率較低，雖已能批量化生產(chǎn)，但市場(chǎng)價(jià)格常年高居不下；使用熱壓機(jī)進(jìn)行層板的熱壓制備工藝，熱壓時(shí)間長(zhǎng)，制備效率低，無(wú)法勝任大批量高效率的生產(chǎn)任務(wù)，層板的總體制備成本會(huì)很高。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板，其特征在于：由金屬薄板和uhmwpe纖維增強(qiáng)的預(yù)浸料交替疊加構(gòu)成，所述的金屬薄板和uhmwpe纖維增強(qiáng)的預(yù)浸料片材由膠黏劑粘接經(jīng)輥壓而成。

一種上述的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的制備方法，包括以下步驟：

a)預(yù)浸料制備：將uhmwpe纖維或纖維織物在基體樹(shù)脂中進(jìn)行浸潤(rùn)，制備uhmwpe纖維增強(qiáng)的預(yù)浸料，并將制備好的預(yù)浸料收卷成預(yù)浸料卷材；

b)金屬薄板表面處理：利用噴砂或者陽(yáng)極氧化對(duì)金屬薄板表面進(jìn)行處理，提高金屬薄板表面粗糙度，之后將表面處理完畢的金屬薄板收卷成金屬卷材；

c)噴膠：將預(yù)浸料卷材和金屬卷材按照鋪層結(jié)構(gòu)放置在層板輥壓機(jī)上，利用噴槍在金屬薄板需要粘接的表面噴涂膠黏劑，膠黏層的厚度控制在0.03～0.05mm；

d)預(yù)熱：將預(yù)浸料卷材和噴膠后的金屬薄板送入預(yù)熱爐中，利用自動(dòng)控制紅外加熱，加熱溫度100～120℃,時(shí)間30～60s；

e)輥壓：將完成預(yù)熱的預(yù)浸料和噴膠的金屬薄板送入多組熱壓輥進(jìn)行熱壓復(fù)合；熱壓輥的溫度控制在120～125℃，輥壓間隙小于目標(biāo)制備的纖維金屬層板理論厚度值0.1～0.5mm；金屬薄板與熱壓輥接觸時(shí)間保持30～60s,輥壓壓力保持在16～20mpa；

f)校平：使用輥式矯平機(jī)將經(jīng)過(guò)輥壓后的纖維金屬層板進(jìn)行表面校平，提高表面平整度；

g)剪切：使用剪切機(jī)將制備的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板裁剪成所需規(guī)格。

進(jìn)一步的，步驟a)中所述的基體樹(shù)脂為：聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂中的任意一種或其對(duì)應(yīng)的改性樹(shù)脂。

進(jìn)一步的，步驟a)中所述的預(yù)浸料為樹(shù)脂浸潤(rùn)的單向uhmwpe纖維布或uhmwpe纖維織物,厚度為0.1～2.0mm。

進(jìn)一步的，步驟b)中所述的金屬薄板為鋁合金、鈦合金、不銹鋼、鍍鋅板中的任意一種，厚度為0.1～2.0mm。

進(jìn)一步的，步驟c)中所述的鋪層結(jié)構(gòu)的最外層均為金屬薄板。

進(jìn)一步的，步驟c)中所述的層板輥壓機(jī)包括預(yù)熱爐，多組熱壓輥，輥式矯平機(jī)和剪切機(jī)；步驟c)中所述的膠黏劑是環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑、酚醛樹(shù)脂膠黏劑、聚氨酯膠黏劑、聚苯乙烯膠黏劑、改性乙烯-醋酸乙烯共聚物膠黏劑、氯化聚丙烯膠黏劑中的一種。

進(jìn)一步的，步驟e)中所述的纖維金屬層板理論厚度值是金屬薄板的厚度值之和加上預(yù)浸料的厚度值之和，再加膠黏劑的厚度值之和。

一種上述超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的制作裝置，包括n+1組金屬薄板導(dǎo)向裝置、n組預(yù)浸料導(dǎo)向裝置、及2n組膠黏劑噴涂裝置；所述金屬薄板導(dǎo)向裝置和預(yù)浸料導(dǎo)向裝置交替設(shè)置，并以所述超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板為中軸線對(duì)稱布置；所述膠黏劑噴涂裝置依次對(duì)準(zhǔn)各層金屬薄板、預(yù)浸料片材的各自的其中一面，位于中心位置的金屬薄板或預(yù)浸料片材無(wú)膠黏劑噴涂裝置與之對(duì)應(yīng)。

進(jìn)一步的，還包括依次設(shè)置在n+1組金屬薄板導(dǎo)向裝置及n組預(yù)浸料導(dǎo)向裝置后方的預(yù)熱爐4、多組熱壓輥5、輥式矯平機(jī)6、剪切機(jī)7。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)拉伸強(qiáng)度高，不易磨損，纖維韌性強(qiáng)，使用時(shí)加工編制纏繞性能強(qiáng)，親膚性好；

2)纖維剪切強(qiáng)度高，不易折斷，即使斷后延伸率較高，成本較之碳纖維大幅較低；

3)制備設(shè)備工作效率高，能勝任大批量高效率的生產(chǎn)任務(wù)，層板的總體制備成本較低。

4)制造裝置設(shè)計(jì)巧妙，金屬薄板導(dǎo)向裝置、預(yù)浸料導(dǎo)向裝置、膠黏劑噴涂裝置相互配合，完成了高效率高質(zhì)量的生產(chǎn)工作。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例一中，本發(fā)明超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的示意圖。

圖2是實(shí)施例一中，本發(fā)明超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板制造工藝及裝置的示意圖。

圖3是實(shí)施例二中，本發(fā)明超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的示意圖。

圖4是實(shí)施例二中，本發(fā)明超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的示意圖。

圖5是實(shí)施例三中，本發(fā)明超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的示意圖。

圖6是實(shí)施例三中，本發(fā)明超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

超高分子量聚乙烯纖維(ultra-highmolecularweightpolyethylenefiber，簡(jiǎn)稱uhmwpe纖維)是指平均分子量在10⁶以上的聚乙烯所紡出的纖維，具有高度取向伸直鏈結(jié)構(gòu)。該纖維的綜合性能突出，密度小，比拉伸強(qiáng)度為現(xiàn)有纖維中最高。該纖維是熱塑性纖維，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，韌性好，斷裂功高，塑性優(yōu)于其它現(xiàn)有纖維，因此超高分子量聚乙烯纖維制成的復(fù)合材料在高的應(yīng)變率和低溫下仍具有較有良好的力學(xué)性能，抗沖擊性能比普通的玻璃纖維、碳纖維以及芳綸纖維高。超高分子量聚乙烯纖維吸水率低于0.01％，耐腐蝕，耐紫外線輻射，耐磨性能高。此外，相比于碳纖維超高分子量聚乙烯纖維的市場(chǎng)價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，原料來(lái)源豐富，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。本發(fā)明采用uhmwpe纖維作為纖維金屬層板的組成材料。

實(shí)施例1：

參見(jiàn)圖1-2，圖1顯示了一種2/1結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板，由二層0.8mm厚的鋁合金5083-o薄板1和一層0.4mm厚的uhmwpe纖維增強(qiáng)聚苯乙烯基預(yù)浸料2組成，其中鋁合金5083-o薄板1和uhmwpe纖維增強(qiáng)聚苯乙烯基預(yù)浸料2交替鋪層，且鋁合金和預(yù)浸料之間有一層厚度為0.03mm厚的聚苯乙烯膠黏層3。

如圖1和圖2所示，本超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的制備過(guò)程是：

(1)預(yù)浸料制備：將uhmwpe纖維編織布以10m/min的速度浸漬通過(guò)120℃的熔融的改性聚苯乙烯，然后均勻排布在輥筒上，待樹(shù)脂冷卻后裁剪，制成uhmwpe纖維體積含量為70％，厚度為0.4mm的uhmwpe纖維編織布增強(qiáng)的預(yù)浸料2，待樹(shù)脂表面干燥后收卷；

(2)金屬薄板表面處理：使用陽(yáng)極氧化工藝對(duì)鋁合金5083-o薄板1表面進(jìn)行處理，構(gòu)造粗糙表面，之后將表面處理完畢的5083-o金屬薄板1收卷；

(3)噴膠：將預(yù)浸料2和5083-o金屬薄板1按照鋪層結(jié)構(gòu)放置在層板輥壓機(jī)上后，利用噴槍在鋁合金5083-o薄板1需要粘接的表面噴涂聚苯乙烯膠黏劑3，膠黏層的厚度控制在0.03mm；；

(4)預(yù)熱：將預(yù)浸料2和噴膠后的5083-o金屬薄板1按照鋪層結(jié)構(gòu)放置后送入預(yù)熱爐4中，利用自動(dòng)控制紅外加熱，加熱溫度120℃,時(shí)間60s；

(5)輥壓：將完成預(yù)熱的預(yù)浸料2和噴膠的鋁合金5083-o薄板1送入多組熱壓輥5進(jìn)行熱壓復(fù)合；熱壓輥5的溫度控制在120℃，輥壓間隙控制在1.9mm。金屬薄板1與熱壓輥5接觸時(shí)間保持60s,輥壓壓力保持在20mpa；

(6)校平：使用輥式矯平機(jī)6將經(jīng)過(guò)輥壓后的纖維金屬層板進(jìn)行表面校平，提高表面平整度；

(7)剪切：使用剪切機(jī)7將制備的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板裁剪成所需規(guī)格。

實(shí)施例2

本發(fā)明為一種3/2結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板，由三層0.3mm厚的鈦合金tc4薄板1’和二層0.3mm厚的uhmwpe纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基預(yù)浸料2組成，其中鈦合金tc4薄板1’和uhmwpe纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基預(yù)浸料2交替鋪層，且鈦合金tc4薄板1’和預(yù)浸料2之間有一層厚度為0.05mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂膠黏層3’。

如圖3和圖4所示，本超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的制備過(guò)程是：

(1)預(yù)浸料制備：將連續(xù)的單向uhmwpe纖維在室溫下以10m/min的速度浸漬通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂溶液中，然后取出室內(nèi)靜置，制成uhmwpe纖維體積含量為60％，厚度為0.3mm的單向uhmwpe纖維布增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料2。待預(yù)浸料2表面樹(shù)脂稍干燥后收卷。

(2)金屬薄板表面處理：使用噴砂對(duì)鈦合金tc4薄板1’表面進(jìn)行處理，構(gòu)造粗糙表面，然后將金屬表面除油清洗完畢，最后將鈦合金tc4薄板1’收卷；

(3)噴膠：將預(yù)浸料2和鈦合金tc4薄板1’按照鋪層結(jié)構(gòu)放置在層板輥壓機(jī)上后，利用噴槍在鈦合金tc4薄板1’需要粘接的表面噴涂環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑3’，膠黏層的厚度控制在0.05mm；

(4)預(yù)熱：將預(yù)浸料2和噴膠后鈦合金tc4薄板1’送入預(yù)熱爐4中加熱，加熱溫度110℃,時(shí)間60s；

(5)輥壓：將完成預(yù)熱的預(yù)浸料2和噴膠的鈦合金tc4薄板1’送入多組熱壓輥5進(jìn)行熱壓復(fù)合；熱壓輥5的溫度控制在120℃，輥壓間隙控制在1.6mm。鈦合金tc4薄板1’與熱壓輥5接觸時(shí)間保持60s,輥壓壓力保持在18mpa；

(6)校平：使用輥式矯平機(jī)6將經(jīng)過(guò)輥壓后的纖維金屬層板進(jìn)行表面校平，提高表面平整度；

(7)剪切：使用剪切機(jī)7將制備的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板裁剪成所需規(guī)格。

實(shí)施例3

本發(fā)明為一種4/3結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板，由四層0.3mm厚的鋁合金2024-t8薄板1”和三層0.3mm厚的uhmwpe纖維無(wú)紡布增強(qiáng)的聚氨酯基預(yù)浸料2組成，其中鋁合金2024-t8薄板1”和uhmwpe纖維無(wú)紡布增強(qiáng)的聚氨酯基預(yù)浸料2交替鋪層，且鋁合金和預(yù)浸料之間有一層厚度為0.05mm厚的聚氨酯膠黏層3”。

如圖5和圖6所示，本超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板的制備過(guò)程是：

(1)預(yù)浸料制備：將單向的uhmwpe纖維織布以10mm/min的速度在室溫下浸漬通過(guò)改性的聚氨酯溶液，然后0°和90°兩個(gè)方向交替鋪層熱壓，待樹(shù)脂冷卻后裁剪，制成uhmwpe纖維體積含量為60％，厚度為0.3mm的uhmwpe纖維無(wú)紡布增強(qiáng)的聚氨酯基預(yù)浸料2，最后收卷；

(2)金屬薄板表面處理：使用陽(yáng)極氧化工藝對(duì)鋁合金2024-t8薄板1”表面進(jìn)行處理，構(gòu)造粗糙表面，之后將表面處理完畢的2024-t8金屬薄板1”收卷；

(3)噴膠：將預(yù)浸料2和2024-t8金屬薄板1”按照鋪層結(jié)構(gòu)放置在層板輥壓機(jī)上后，利用噴槍在鋁合金2024-t8薄板1”需要粘接的表面噴涂聚氨酯膠黏劑3”，膠黏層的厚度控制在0.05mm；

(4)預(yù)熱：將預(yù)浸料2和噴膠后的2024-t8金屬薄板1”送入預(yù)熱爐4中，利用自動(dòng)控制紅外加熱，加熱溫度100℃,時(shí)間30s；

(5)輥壓：將完成預(yù)熱的預(yù)浸料2和噴膠后的鋁合金2024-t8薄板1”送入多組熱壓輥5進(jìn)行熱壓復(fù)合；熱壓輥的溫度控制在120℃，輥壓間隙控制在2.3mm。鋁合金2024-t8薄板1”與熱壓輥4接觸時(shí)間保持30s,輥壓壓力保持在20mpa；

(6)校平：使用輥式矯平機(jī)6將經(jīng)過(guò)輥壓后的纖維金屬層板進(jìn)行表面校平，提高表面平整度；

(7)剪切：使用剪切機(jī)7將制備的超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)的纖維金屬層板裁剪成所需規(guī)格。

本發(fā)明采用超高分子量聚乙烯纖維的優(yōu)越性能是由于其具有亞甲基相連(—ch2—ch2—)的超分子鏈結(jié)構(gòu)，沒(méi)有側(cè)基，結(jié)構(gòu)對(duì)稱、規(guī)整，單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘低，柔性好。在－150℃的環(huán)境，該纖維仍保持良好的耐撓曲性，無(wú)脆化點(diǎn)；本發(fā)明方案設(shè)計(jì)的層板輥壓機(jī)是自動(dòng)化流水操作，輥壓效率高，可一次性放置大量的卷材后無(wú)需二次開(kāi)模鋪放材料，制備效率遠(yuǎn)高于使用熱壓機(jī)進(jìn)行層板的熱壓制備工藝。

以上是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種變換或改進(jìn)，在不脫離本發(fā)明總的構(gòu)思的前提下，這些變換或改進(jìn)都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。