CN106891584B - 一种金属复合板材及其制备方法 - Google Patents

一种金属复合板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属复合材料领域，公开了一种金属复合板材及其制备方法，该金属复合板材由两片金属板夹持结合泡沫金属纤维层而成，其中，所述泡沫金属纤维层由泡沫金属、纤维以及填料形成，所述纤维穿插于所述泡沫金属的两个端面，且所述泡沫金属的至少部分孔隙被填料填充。本发明提供的金属复合板材，上下金属板与中间层的层间结合力较高。

Description

一种金属复合板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属复合板材及其制备方法。
背景技术
目前，金属复合板材通常是将金属板、预浸纤维布和金属板进行叠合，然后进行热压而形成。但是，通过上述方法得到的金属复合板材，其上下金属板与中间层的层间结合力还有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种上下金属板与中间层的层间结合力较高的金属复合板材及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种金属复合板材，其中，该金属复合板材由两片金属板夹持结合泡沫金属纤维层而成，其中，所述泡沫金属纤维层由泡沫金属、纤维以及填料形成，所述纤维穿插于所述泡沫金属的两个端面，且所述泡沫金属的至少部分孔隙被填料填充。
本发明还提供上述金属复合板材的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
1)使所述纤维穿插于所述泡沫金属的两个端面；
2)在所述泡沫金属的至少部分孔隙填充所述填料，得到泡沫金属纤维层；
3)使上下金属板和所述泡沫金属纤维层通过振动摩擦焊的扣合，成为一体。
通过上述技术方案，使用泡沫金属纤维层代替树脂预浸纤维布层，同时将其间的空洞进行填塞，泡沫金属及填料起到抗压作用和增强层间结合力作用，泡沫金属及填料在一定程度上保护了纤维层在压合的情况下出现的断裂现象，进而通过振动摩擦焊增强了金属板之间的结合强度，冲击时不易出现层间的滑动，从而加强了金属复合板材整体的力学性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种金属复合板材，其中，该金属复合板材由两片金属板夹持结合泡沫金属纤维层而成，其中，所述泡沫金属纤维层由泡沫金属、纤维以及填料形成，所述纤维穿插于所述泡沫金属的两个端面，且所述泡沫金属的至少部分孔隙被填料填充。
在本发明中，所述纤维可以在同一平面上对所述泡沫金属进行穿插，也可以在不同的平面上对所述泡沫金属进行穿插。
在本发明中所述纤维可以为一条，也可以为多条，优选为多条。
更优选地，同一平面的多条纤维不相交；进一步优选地，多条纤维大致平行。在此，所述“多条纤维大致平行”是指多条纤维均以大致相同的方向进行穿插，且多条纤维均不相交。
在本发明中，在同一平面，相邻两条纤维之间的间距可以根据泡沫金属孔径与孔隙率来适当地进行选择，优选地，在同一平面，相邻两条纤维之间的间距为0.1-2.5mm，更优选为1-2.5mm。
根据本发明，优选地，所述纤维穿插于所述泡沫金属长度方向上的两个端面，或者所述纤维穿插于所述泡沫金属宽度方向上的两个端面，或者所述纤维穿插于所述泡沫金属厚度方向上的两个端面。
进一步优选地，所述纤维位于同一平面上，且位于同一平面上的纤维大致平行；
更进一步优选地，所述纤维位于同一平面上，且位于同一平面上的纤维大致平行，在同一平面，相邻两条纤维之间的间距为0.1-2.5mm。
特别优选地，所述纤维位于多个平面上，多个平面上的纤维大致平行，且位于同一平面上的相邻的两条纤维之间的间距为0.1-2.5mm，相邻两层平面之间的垂直间距为0.1-0.9mm(优选为0.4-0.8mm，更优选为0.6-0.7mm)。
根据本发明，所述纤维优选为玻璃纤维和/或碳纤维。
另外，在本发明中，所述纤维通常是以一束纤维的形式使用，纤维束的直径根据所述泡沫金属的孔径来选择，只要能够穿插所述泡沫金属即可(通常为小于所述泡沫金属的孔径即可，优选小于所述泡沫金属的孔径的2倍以上)。例如，在所述泡沫金属的孔径为0.5-5mm时，所述纤维束的直径可以为0.05-0.1mm。
根据本发明，所述泡沫金属可以为本领域常规使用的各种泡沫金属。优选地，所述泡沫金属的材质为铝合金、钛合金、镁合金、合金钢或铜合金。
作为上述泡沫金属的孔隙率优选为80-98％，更优选为90-98％。
所述泡沫金属的孔径为0.5-5mm；优选为0.5-2.5mm。
在本发明中，泡沫金属的孔隙率是指泡沫金属中所有孔隙的体积与泡沫金属总体积之比。
根据本发明，所述泡沫金属纤维层(也即泡沫金属的厚度)的厚度没有特别的限定，例如可以为0.8-50mm，优选为0.8-30mm，更优选为0.8-10mm，进一步优选为0.8-5mm。
根据本发明，优选地，所述填料为树脂、无机填料或两者的组合。
作为所述树脂可以为热塑性树脂和热固性树脂中的一种或多种。优选地，所述热塑性树脂例如可以为聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、环氧树脂和酚醛树脂中的一种或多种。
另外，作为上述无机填料为陶瓷粉末、金属颗粒、石英砂、玻璃粉末和玻璃纤维中的一种或多种。
在本发明中，在所述填料为粉末状或颗粒状时，其平均粒度优选为10-1000μm，更优选为10-500μm，进一步优选为10-100μm。在所述填料为棒状(例如为玻璃纤维)时，其直径可以为1-300μm，优选为3-80μm；其长度可以为100-1000μm，优选为100-300μm。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述填料为玻璃纤维和聚苯硫醚，所述玻璃纤维的含量为15-35重量％，优选为28-32重量％。为该填料时，可以通过模内镶嵌注塑工艺将填料填充到所述泡沫金属中。
在本发明的另一个优选的实施方式中，通过将所述填料灌入所述泡沫金属中后，进行抽真空干燥得到所述泡沫金属纤维层。所述填料例如可以为玻璃纤维和环氧树脂，所述玻璃纤维的含量为15-35重量％，优选为28-32重量％。为该填料时，可以将泡沫金属置于器皿中，使用混合有玻璃纤维的液态环氧树脂灌入泡沫金属中，将器皿放置真空干燥箱内，抽真空，然后待其气泡消散后，在15-40℃的条件下进行固化2-6h，得到泡沫金属纤维层。
在本发明的另一个优选的实施方式中，所述填料为陶瓷粉末。为该填料时，可以通过冷压工艺将填料填充到所述泡沫金属中。
另外，为了进一步提高得到的金属复合板材的强度，优选所述泡沫金属的孔隙的至少90％以上被填料填充；更优选所述泡沫金属的孔隙被填料填充满。
根据本发明，所述金属板的材质为铝合金、镁合金、钛合金、铜或合金钢。优选地，所述金属板的材质为铝合金或镁合金。所述金属板的厚度可以为0.15-5mm，优选为0.2-2mm。
根据本发明，优选地，上下金属板和所述泡沫金属纤维层通过振动摩擦焊的扣合，成为一体。
在本发明中，上下金属板和所述泡沫金属纤维层通过振动摩擦焊的扣合，成为一体，具有显著加强层间结合力的效果。
本发明还提供上述金属复合板材的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
1)使所述纤维穿插于所述泡沫金属的两个端面；
2)在所述泡沫金属的至少部分孔隙填充所述填料；
3)使上下金属板和所述泡沫金属纤维层通过振动摩擦焊的扣合，成为一体。
本发明的方法用于制备上述的上述金属复合板材，所述金属板、纤维、填料以及泡沫金属与上述相同。另外，所述纤维的穿插方向等也与上述相同。
根据本发明，优选地，步骤2)，在所述泡沫金属的90％以上的孔隙填充所述填料，更优选地，在所述泡沫金属的孔隙填充满所述填料。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述填料为玻璃纤维和聚苯硫醚，所述玻璃纤维的含量为15-35重量％，优选为28-32重量％。为该填料时，可以通过模内镶嵌注塑工艺将填料填充到所述泡沫金属中。所述镶嵌注塑工艺为将泡沫金属加工成特定形状，嵌于空穴中，然后进行合模注塑的工艺。
在本发明的另一个优选的实施方式中，通过将所述填料灌入所述泡沫金属中后，进行抽真空干燥得到所述泡沫金属纤维层。所述填料例如可以为玻璃纤维和环氧树脂，所述玻璃纤维的含量为15-35重量％，优选为28-32重量％。为该填料时，可以将泡沫金属置于器皿中，使用混合有玻璃纤维的液态环氧树脂灌入泡沫金属中，将器皿放置真空干燥箱内，抽真空，然后待其气泡消散后，在15-40℃的条件下进行固化2-6h，得到泡沫金属纤维层。在本发明的另一个优选的实施方式中，所述填料为陶瓷粉末。为该填料时，可以通过热压工艺将填料填充到所述泡沫金属中。所述热压工艺为加热加压固化工艺。
根据本发明，步骤3)中，振动摩擦焊通常是将金属板、泡沫金属纤维层和金属板的顺序进行叠合，然后对上方的金属板实施振动摩擦焊。作为振动摩擦焊的条件没有特别的限定，可以为本领域的常规条件。例如：震动的频率可以为100-300HZ，振幅可以为1-2mm，时间可以为30s-180s。
所述振动摩擦焊可以在本领域公知的设备上进行。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
1)将玻璃纤维束(直径为0.05-0.1mm)纵向(也即长度方向上)贯穿于泡沫铝(长度为200mm，宽度为100mm，厚度为2mm，具有通孔结构，孔径为0.5mm-5.0mm，孔隙率为95％)中，其中，纵向贯穿的纤维束相互平行地位于泡沫铝厚度方向上的中间平面上，另外，纵向贯穿的纤维束均匀地分布在泡沫铝的宽度方向上，且相邻的纤维束之间的间距均为1mm。
2)将贯穿好纤维的泡沫铝放置在器皿内，然后将混合有玻璃纤维(直径为3-80μm，长度为100-300μm)的液态环氧树脂(购于美国标乐Buehler公司，牌号为20-8136-128)灌入泡沫铝内，将器皿放置真空干燥箱内，抽真空，然后待其气泡消散后，在25℃的条件下进行固化4h，得到泡沫金属纤维层，厚度为2mm；其中，混合有玻璃纤维的液态环氧树脂中的玻璃纤维的含量为30重量％。
3)使用两片铝合金金属板(厚度为2mm)夹持得到的泡沫金属纤维层，通过振动摩擦焊的扣合，成为一体，得到金属复合板材A1。其中，振动摩擦焊的条件为震动的频率为200HZ，振幅为1mm，时间为60s。
实施例2
按照实施例1的方法进行，不同的是，同一平面相邻的纤维束之间的间距为2.5mm。同样地得到金属复合板材A2。
实施例3
按照实施例1的方法进行，不同的是，同一平面相邻的纤维束之间的间距为1.5mm，纵向贯穿的纤维束相互平行且位于泡沫铝厚度方向上的两个平面上，且该两个平面在泡沫铝的厚度方向上将泡沫铝平分为3等分。同样地得到金属复合板材A3。
对比例1
按照实施例1的方法进行，不同的是，泡沫铝未贯穿玻璃纤维，得到金属复合板材D1。
测试例1
采用万能拉拔试验机，按照GB/T228.1-2010的标准对上述得到的金属复合板材A1-A3和D1进行拉拔强度测试，其结果表示在表1中。
表1
金属复合板材 拉拔强度(Mpa)
A1 438.7
A2 410.4
A3 452.5
D1 384.8
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (17)

1.一种金属复合板材，其特征在于，该金属复合板材由两片金属板夹持结合泡沫金属纤维层而成，且上下金属板和所述泡沫金属纤维层通过振动摩擦焊的扣合，成为一体，其中，所述泡沫金属纤维层由泡沫金属、纤维以及填料形成，所述纤维穿插于所述泡沫金属的两个端面，且所述泡沫金属的至少部分孔隙被填料填充，所述纤维为多条，且同一平面的多条纤维不相交。
2.根据权利要求1所述的金属复合板材，其中，多条纤维大致平行。
3.根据权利要求1所述的金属复合板材，其中，同一平面相邻的纤维的间距为0.1-2.5mm。
4.根据权利要求1所述的金属复合板材，其中，所述纤维穿插于所述泡沫金属长度方向上的两个端面，或者所述纤维穿插于所述泡沫金属宽度方向上的两个端面，或者所述纤维穿插于所述泡沫金属厚度方向上的两个端面。
5.根据权利要求4所述的金属复合板材，其中，所述纤维位于同一平面上，且位于同一平面上的纤维大致平行。
6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的金属复合板材，其中，所述纤维为玻璃纤维和/或碳纤维。
7.根据权利要求1-5中的任意一项所述的金属复合板材，其中，所述泡沫金属的材质为铝合金、钛合金、镁合金、合金钢或铜合金。
8.根据权利要求7所述的金属复合板材，其中，所述泡沫金属的孔隙率为80-98％。
9.根据权利要求7所述的金属复合板材，其中，所述泡沫金属的孔径为0.5-5mm。
10.根据权利要求1-5中的任意一项所述的金属复合板材，其中，所述填料为树脂、无机填料或两者的组合。
11.根据权利要求10所述的金属复合板材，其中，所述树脂为聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚苯二甲酸丁二醇酯、环氧树脂和酚醛树脂中的一种或多种；所述无机填料为陶瓷粉末、金属颗粒、石英砂、玻璃粉末和玻璃纤维中的一种或多种。
12.根据权利要求10所述的金属复合板材，其中，所述泡沫金属的孔隙被填料填充满。
13.根据权利要求1-5中的任意一项所述的金属复合板材，其中，所述金属板的材质为铝合金、镁合金、钛合金、铜或合金铜。
14.根据权利要求13所述的金属复合板材，其中，所述金属板的厚度为0.15-5mm。
15.根据权利要求1-5中的任意一项所述的金属复合板材，其中，所述泡沫金属纤维层的厚度为0.8-50mm。
16.一种权利要求1-15中的任意一项所述的金属复合板材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)使所述纤维穿插于所述泡沫金属的两个端面；
2)在所述泡沫金属的至少部分孔隙填充所述填料，得到泡沫金属纤维层；
3)使上下金属板和所述泡沫金属纤维层通过振动摩擦焊的扣合，成为一体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，步骤2)中，在所述泡沫金属的孔隙填充满所述填料。
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