CN105538745A - 一种铝合金纤维层板结构件的成形方法及其层板结构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于铝合金纤维层板结构件的成形方法，该成形方法包括如下步骤：预处理，铝合金薄板进行预成形；前处理，对于待加工的铝合金薄板进行磷酸阳极化处理；入模，把铝合金薄板放入模具中；铝合金纤维交替铺贴，按照上下交替铺贴铝合金薄板和纤维的顺序依次铺贴铝合金薄板和纤维，形成铝合金纤维板层结构；固化成形，密封抽真空，然后加压升温和保温，使得铝合金纤维层板结构固化成形；脱模，得到最终的铝合金纤维层板结构件。此成形方法具有成本低、步骤简单、易于工业化生产的优点。本发明还涉及一种由此成形方法获得的铝合金纤维层板结构件，具有高强度和高抗损伤容限，使用寿命较长，比重较轻的优点。

Description

一种铝合金纤维层板结构件的成形方法及其层板结构件
技术领域
本发明涉及一种铝合金纤维层板结构件的成形方法及采用此成形方法获得的层板结构件，尤其是用作飞机变曲率前缘和机身壁板的铝合金纤维层板结构件成形方法及采用此成形方法获得的铝合金纤维层板结构。
背景技术
铝合金纤维层板结构件(也称为纤维铝合金层板结构件)，包括铝合金薄板与预浸后的纤维，铝合金薄板和纤维上下交替层压并在一定工艺条件下固化而成。铝合金纤维层板结构件既有铝合金材料较高的比强度、比刚度以及良好的塑性、断裂性能、抗冲击性能等优点，又保留了纤维增强材料良好的耐疲劳性能，并且密度比铝合金还要小10％以上，因此在航天航空领域有重要的应用潜力。此外，铝合金纤维层板结构件还具有良好的隔音和吸收噪声的能力，因此该材料在汽车领域也有重要的应用价值。
国外对于铝合金纤维层板结构件的制备和加工技术已有了广泛的研究，并实现铝合金纤维层板结构件在航空航天上的应用。目前铝合金纤维层板结构件主要采用先制备铝合金纤维层板，然后通过滚弯或拉形的方法制备铝合金纤维层板结构件，通常为采用滚弯方法加工单曲率的铝合金纤维结构件；采用拉形方法加工双曲率铝合金纤维层板结构件，但由于铝合金纤维层板的纤维的破坏应变小于4％，采用拉伸成形工艺时，纤维极易断裂，同时由于树脂和铝合金之间的变形不协调，所以在拉形时极易出现分层缺陷，因此拉形在加工变曲率铝合金纤维结构件时成品率极低，且加工出铝合金纤维层板结构件内部存在较大的拉应力，因此如何加工高质量变曲率形状铝合金纤维层板结构件是该领域的一个研究重点，如发明专利CN103861932提出了一种热塑性玻璃铝合金纤维层板的成形装置和方法。该方法具有生产效率高，适合大批量生产铝合金纤维层板结构件，但该方法也有其本身的局限性，主要表现在：该方法仅适用于采用热塑性复合材料制备的铝合金纤维层板结构件，而目前在航空、航天以及汽车领域广泛使用的都属于采用热固性复合材料制备的铝合金纤维层板，从而导致该方法的适用性受到很大的局限性。
发明内容
针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种铝合金纤维层板结构的成形件方法，此成形方法具有成本较低、步骤简单、易于工业化生产的优点。本发明还提供一种采用此成形方法获得的铝合金纤维层板结构件，此铝合金纤维层板结构件具有高强度和高抗损伤容限，使用寿命较长，同时其比重较轻，能够显著降低结构重量，特别适用于航天、航空以及汽车领域。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于铝合金纤维层板结构件的成形方法，该成形方法包括如下步骤：
预成形，对铝合金薄板进行预成形；
前处理，对于待加工的所述铝合金薄板进行磷酸阳极化处理；
入模，把所述铝合金薄板放入模具中，所述模具为阴模或阳模，所述模具能够与真空袋形成密闭空间；
铝合金纤维交替铺贴，按照上下交替铺贴所述铝合金薄板和纤维的顺序依次铺贴所述铝合金薄板和所述纤维，形成铝合金纤维板层结构；
固化成形，用所述真空袋将铺贴好的所述铝合金纤维层板结构密封好并抽真空，然后加压升温和保温，使得所述铝合金纤维层板结构固化成形；
脱模，当固化成形完成后并冷却到室温，移去所述真空袋，并得到最终的铝合金纤维层板结构件。
较优选地，所述预成形使得预成形后的所属铝合金薄板与模具之间的间隙小于4mm。
较优选地，在所述铝合金纤维交替铺贴步骤中，每层纤维包括1至4层的上下铺贴的单向带，所述相邻单向带的纤维方向夹角为0°、45°或90°。
较优选地，每铺贴完一层铝合金薄板和纤维，抽一次真空，铝合金薄板和纤维累计厚度小于10mm。
较优选地，所述单向带是碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维单向带中的一种。
较优选地，所述单向带中的碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的含量为40-70％，所述单向带中还包括树脂，所述树脂是酚醛树脂、环氧树脂或聚酰亚胺中的一种，所述单向带的厚度为0.1-0.5mm之间。
较优选地，在所述前处理步骤中，对经过磷酸阳极化处理后的所述铝合金薄板的一侧表面均匀涂刷、喷涂或铺贴一层底胶。
较优选地，其中所述底胶的成分和所述纤维的成分相同，所述底胶的使用量为100-300g/m2，烘干温度为80-100℃，烘干时间为4-8小时。
较优选地，其中所述底胶的成分为树脂，所述底胶的使用量为100-300g/m2，烘干温度为80-100℃，烘干时间为4-8小时。。
较优选地，在所述固化成形步骤中，所述固化成形是用所述真空袋将铺贴好的所述铝合金纤维层板结构密封好并抽真空，真空压差为0.095-0.100MPa；随后使温度匀速升高到110-150℃之间，并保温10-30分钟，保温同时，加压至0.6-1MPa；接着升温到170-230℃，并保温1-3小时进行，使得所述铝合金纤维层板结构固化成形。
与此同时，本发明还提供了一种铝合金纤维层板结构件，其采用上述的用于铝合金纤维层板结构件的成形方法制成。
本发明具有的如下的有益技术效果：
(a)本发明提供的铝合金纤维层板结构件成形方法不仅适用于采用热塑性复合材料制备的纤维金属层板，同时也适用于目前广泛使用的热固性复合材料制备的纤维金属层板，适用范围广。
(b)本发明提供的铝合金纤维层板结构件成形方法实现纤维金属层板制备和成形同时进行，减少了成形工序，降低纤维金属层板结构件的成本。
(c)本发明提供的铝合金纤维层板结构件成形方法免去了层板制备后的塑形成形，可以减少成形后层板结构件的内在拉应力，可以有效的提高纤维金属层板结构件的疲劳寿命。
(d)本发明提供的铝合金纤维层板结构件替代现有的铝合金结构，可以显著改善结构的抗损伤容性能。
(e)本发明提供的铝合金纤维层板结构件替代现有的铝合金结构，能显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比，有利于飞行。
综上所述，本发明提供方法制备的铝合金纤维层板结构件具有高强度高抗损伤容限、比重小，成本低，方法简单等优点，采用该方法制备纤维金属层板结构件替代现有的铝合金结构件可以实现显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比。本发明制备方法简单易行，宜于工业化生产，有较大的应用价值。
附图说明
图1A是本发明中的一种模具(阴模)的俯视示意图。
图1B是图1A中的模具的立体示意图。
图2是本发明中的铝合金纤维交替铺贴步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
为了更好地示意本发明的用于铝合金纤维层板结构件的成形方法的特点，如附图2所示，具体实施方式中着重讲述了如何对于平面形状的铝合金纤维层板结构的成形过程，本领域技术人员容易理解，对于用于飞机的变曲率的铝合金纤维层板结构也能够采用此种成形方法。
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作详细描述。选取美国铝业公司市售的2024铝合金薄板，厚度0.3mm。选取珠海玻纤公司市售的玻璃纤维。选取上海忠康公司市售的环氧树脂。单向带经过预浸处理，其中，玻璃纤维体积含量为50％，其余为环氧树脂，单向带的厚度为0.3mm。
预成形：根据采用拉形方法，将2024铝合金薄板预成形到所需要的形状(附图2中示出的是平面形状)，根据需要，可以是变曲率形状。
前处理：用三酸脱氧(三酸为硝酸、铬酸和氢氟酸酸，推荐按照质量比为3∶1∶2配三酸溶液)，将2024铝合金薄板放置在阳极化槽内(科普达牌)进行磷酸阳极化处理：H3PO4质量百分数为130g/L，阳极化温度为25℃，阳极化直流电压为15V，阳极化时间为20分钟。阳极化处理之后用净水冲洗铝合金薄板8分钟，再于60℃的烘箱中烘烤15分钟。在阳极化处理后的2024铝合金层薄板的一侧表面均匀涂刷一层环氧树脂底胶，底胶的使用量为200g/m2，涂有底胶的铝合金板的烘干温度为90℃，烘烤时间为6小时。
入模：将涂刷有底胶的铝合金薄板铺贴在模具上，作为最底层。如附图1A和附图1B所示，是一种阴模的是俯视示意图和立体示意图。其中，阴模中间凹槽部位用于铺贴铝合金薄板，完成铝合金薄板铺贴之后，沿着铝合金薄板边缘铺贴市售真空袋即可形成密闭真空。附图1A和附图1B中的阴模是示意性的，也可以是其他形状或种类的模具，比如各种阴模或阳模，都可以适用于本发明中。
铝合金纤维交替铺贴：如附图2所示，按照铝合金薄板-纤维-铝合金薄板顺序，交替铺贴纤维和铝合金薄板，其中每层纤维由1-4层单向带组成，相邻单向带之间的纤维夹角为可以为0°、45°或90°。较优选地，如附图2所示，其中的一层纤维包括两层单向带，这两层单向带分别为0°单向带和90°单向带，也就是说，这两层单向带的纤维方向相互垂直。因此，在所述铝合金纤维层板结构的厚度方向上，交替铺贴纤维和铝合金薄板，具体的交替铺设层数可以根据需要确定。对于其中的每层纤维，其中包括若干层单向带，具体的单向带层数可以根据需要确定。对于其中的每层单向带的纤维方向，可以有多种选择，比如可以包括45°单向带(图中未示出)，其与0°单向带成45°夹角，其同时也与90°单向带也成45°夹角。为了保证贴模，每铺贴完一层铝合金薄板和纤维，抽一次真空，铝合金薄板和纤维累计厚度小于10mm。
固化成形：利用真空袋使铝合金纤维层板结构内部形成一个真空***，比如真空压差为0.095MPa，将装有铝合金纤维层板结构的真空袋匀速升温到140℃，并保温15分钟，保温同时，加压至0.8MPa；接着升温到180℃，并保温2小时，使得所述铝合金纤维层板结构固化成形。
脱模：当固化成形完成后并冷却到25℃室温，移去所述真空袋，并得到最终的铝合金纤维层板结构件。
综上所述，仅为发明的最佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (11)

1.一种用于铝合金纤维层板结构件的成形方法，该成形方法包括如下步骤：
预成形，对铝合金薄板进行预成形；
前处理，对于待加工的所述铝合金薄板进行磷酸阳极化处理；
入模，把所述铝合金薄板放入模具中，所述模具为阴模或阳模，所述模具能够与真空袋形成密闭空间；
铝合金纤维交替铺贴，按照上下交替铺贴所述铝合金薄板和纤维的顺序依次铺贴所述铝合金薄板和所述纤维，形成铝合金纤维板层结构；
固化成形，用所述真空袋将铺贴好的所述铝合金纤维层板结构密封好并抽真空，然后加压升温和保温，使得所述铝合金纤维层板结构固化成形；
脱模，当固化成形完成后并冷却到室温，移去所述真空袋，并得到最终的铝合金纤维层板结构件。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述预成形使得预成形后的所属铝合金薄板与模具之间的间隙小于4mm。
3.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在所述铝合金纤维交替铺贴步骤中，每层纤维包括1至4层的上下铺贴的单向带，所述相邻单向带的纤维方向夹角为0°、45°或90°。
4.根据权利要求3所述的成形方法，其特征在于，每铺贴完一层铝合金薄板和纤维，抽一次真空，铝合金薄板和纤维累计厚度小于10mm。
5.根据权利要求3或4所述的成形方法，其特征在于，所述单向带是碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维单向带中的一种。
6.根据权利要求5所述的成形方法，其特征在于，所述单向带中的碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的含量为40-70％，所述单向带中还包括树脂，所述树脂是酚醛树脂、环氧树脂或聚酰亚胺中的一种，所述单向带的厚度为0.1-0.5mm之间。
7.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在所述前处理步骤中，对经过磷酸阳极化处理后的所述铝合金薄板的一侧表面均匀涂刷、喷涂或铺贴一层底胶。
8.根据权利要求7所述的成形方法，其特征在于，其中所述底胶的成分和所述纤维的成分相同，所述底胶的使用量为100-300g/m2，烘干温度为80-100℃，烘干时间为4-8小时。
9.根据权利要求7所述的成形方法，其特征在于，其中所述底胶的成分为树脂，所述底胶的使用量为100-300g/m2，烘干温度为80-100℃，烘干时间为4-8小时。
10.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在所述固化成形步骤中，所述固化成形是用所述真空袋将铺贴好的所述铝合金纤维层板结构密封好并抽真空，真空压差为0.095-0.100MPa；随后使温度匀速升高到110-150℃之间，并保温10-30分钟，保温同时，加压至0.6-1MPa；接着升温到170-230℃，并保温1-3小时进行，使得所述铝合金纤维层板结构固化成形。
11.根据权利要求1-10所述的任一种成形方法获得的铝合金纤维层板结构件。
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