CN114103303B - 一种增强复合界面连接的纤维金属层板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强复合界面连接的纤维金属层板及其制备方法，包括金属层板和纤维预浸带层；金属基体表面微结构由类似于人体小肠绒毛结构和壁虎足上刚毛结构的微米级双向波纹和与波纹相连的纳米级腐蚀孔洞组成。该结构可以改善以往传统的纤维金属层板金属基体物理表面处理方式的不足之处，增强金属层板与纤维预浸带之间的复合界面连接性能，解决纤维金属层板在制备及成形过程中容易出现的分层及脱胶问题。本发明借鉴了人体小肠绒毛结构和壁虎足上刚毛结构，利用微米级凸起，在与任何表面接触时可实现大面积分子接触，将微弱的范德华相互作用转化为巨大的粘附力，从而提高金属层板与纤维树脂层之间的复合界面连接性能，有效改善开胶或分层缺陷。

Description

一种增强复合界面连接的纤维金属层板及其制备方法
技术领域
本发明涉及板材复合材料技术领域，尤其涉及一种增强复合界面连接的纤维金属层板及其制备方法。
背景技术
与单一的金属材料和传统的纤维复合材料相比较，纤维金属层板具有轻质量和良好的导电性，还具有更高的比强度和比刚度、优良的疲劳和抗冲击性能以及高损伤容限等优点。由于具有优良的综合性能，纤维金属层板是航空航天工业中备受青睐的先进复合材料，其在航空航天领域中的应用，降低了飞行器结构的重量，提高了疲劳寿命。纤维金属层板目前已经成为大型飞机机身、机翼蒙皮结构的重要选择材料之一。另外，随着汽车及轨道交通等工业对材料损伤容限能力以及轻量化程度的要求越来越高，对纤维金属层板类材料的需求也越来越迫切。
金属层板与纤维树脂层之间的开胶或分层是FMLs制备及成形过程中经常出现的缺陷形式。其原因是由于金属层板和纤维树脂层的力学性能差异较大，在制备及成形过程中会导致金属层板与纤维树脂层之间的界面剪切应力增大，从而出现层与层之间的开胶或分层。虽然传统的纤维金属层板金属板物理表面处理方式例如砂纸打磨、钢丝刷打磨、喷砂处理使金属层板表面形成了不规则的锯齿状微观沟壑，增大了金属层板与纤维树脂层之间的接触面积，提升了粘接强度，但是并不能有效地改善纤维金属层板在制备及成形过程中出现的开胶或分层缺陷。因此，通过在金属层板表面设计加工怎样的微结构可以提高属层板与纤维树脂层之间的复合界面连接性能，有效改善开胶或分层缺陷，成为国内外针对FMLs的研究方向之一。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种增强复合界面连接的纤维金属层板及其制备方法，通过借鉴人体小肠的绒毛结构和壁虎足上的刚毛结构，利用微米级的凸起，在与任何表面接触时可以实现大面积分子接触，将微弱的范德华相互作用转化为巨大的粘附力，从而提高金属层板与纤维树脂层之间的复合界面连接性能，有效改善开胶或分层缺陷。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种增强复合界面连接的纤维金属层板，包括金属层板和纤维预浸带层；所述金属层板分别设置在纤维预浸带层的上下两侧；所述金属层板与纤维预浸带连接的一侧表面均设置有微米级双向波纹仿生结构，且所述双向波纹的表面均设置有纳米级的腐蚀孔洞；所述微米级双向波纹和纳米级腐蚀孔洞共同组成金属层板表面的微结构。
进一步的，所述微米级双向波纹仿生结构采用正弦函数或余弦函数的形式设置，与人体小肠的绒毛结构和壁虎足上的刚毛结构相似。
进一步的，所述微米级双向波纹的波峰和波谷在金属层板的表面上呈均匀规则的点阵式排列。
进一步的，所述微米级双向波纹的波峰和波谷的大小、密度由金属层板与纤维预浸带的复合界面连接性能确定，并通过改变正弦函数或余弦函数的振幅和频率来进行调节。
进一步的，所述金属层板的材料为高强钢或不锈钢或铝合金或镁合金或钛合金。
进一步的，所述纤维预浸带的材料为芳纶纤维或玻璃纤维或碳纤维或石墨纤维或含硼纤维或晶须。
进一步的，所述纤维金属层板包括结构设计和铺层设计；根据承载要求，按金属层/纤维层数可制造n/(n-1)结构的层板，其中n≥2；根据每层纤维预浸带的纤维方向可以进行铺层设计，纤维方向为0°或±45°或90°。
一种增强复合界面连接的纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：
S1、金属层板准备：利用数控电火花线切割机，切割出长方形或正方形尺寸的板材，并对板材表面进行清理；
S2、初步除污：利用酒精消毒液对板材表面进行清洗处理，初步清除掉其表面的污染物和杂质，酒精处理完毕以后，再用清水清洗板材的表面，最后用加热烘箱对板材表面进行干燥处理，60℃下烘干12分钟；
S3、双向波纹轧制：将S2处理好的板材放入超精密波纹辊中进行双向轧制；波纹辊的波纹为正弦波或余弦波；第一道次波纹轧制方向设定为平行于板材的一个边，轧制完成后将板材旋转90°进行第二道次轧制；轧制结束后，板材表面会残留一定量的金属颗粒，使用丙酮擦拭金属层板表面，再用无水乙醇擦拭，最后用超声波振荡清洗5min，彻底去除表面的残留物质；
S4、碱洗：将S3处理好的板材放入装有浓度为100g/L的NaOH溶液的碱洗槽中进行碱洗，时间为5min；碱洗后的板材利用超声波继续清洗5min，最后在干燥箱内干燥处理10min；
S5、酸洗：将S4处理好的板材放入装有浓度为100g/L的HCl溶液的酸洗槽中进行酸洗，时间为5min；酸洗后的板材利用超声波继续清洗5min，最后在干燥箱内干燥处理10min；
S6、阳极氧化：对S5处理好的板材进行阳极氧化处理，使用的溶液为100g/L的磷酸溶液，电压为25V，电流为0.5～0.8A，氧化时间为20min；将阳极氧化处理后的板材放入干燥箱中干燥处理10min，得到金属层板；
S7、纤维预浸带准备：将纤维预浸带裁剪成与金属层板样品一致的尺寸大小；热固性纤维预浸带使用前需要在室温环境下解冻并干燥6小时；热塑性纤维预浸带可直接使用；
S8、层板结构以及铺层设计：根据承载要求，按金属层/纤维层数可制造n/(n-1)结构的层板，其中n≥2；根据每层纤维预浸带的纤维方向可以进行铺层设计，纤维方向为0°或±45°或90°；
S9、热压固化：热固性纤维预浸带的纤维金属层板热压固化需要在热压罐进行，压力0.6MPa，温度135℃固化90min；最后，随炉降温至40℃后停止加压并取出纤维金属层板；热塑性纤维预浸带的纤维金属层板通过热模冲压工艺获得，压力0.8MPa，温度240℃固化30min；随炉冷却至室温后卸载压力去除纤维金属层板。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明对金属基体表面的处理改变了以往传统的纤维金属层板金属基体物理表面处理方式的不足之处，例如金属基体表面多为不规则形貌，容易产生较大的蚀坑和凸起，且容易产生应力集中，在与树脂结合时因受热不均容易产生气泡和裂纹等，从而降低金属层板与纤维树脂层之间的复合界面连接性能。本发明的金属基体表面采用具有一定规则形状、点阵分布式的双向波纹微结构来增强金属层板与纤维树脂层之间的复合界面连接性能。
本发明层板的金属基体表面微结构由仿生人体小肠绒毛结构和壁虎足上刚毛结构的微米级正弦函数或余弦函数形式的双向波纹和与波纹相连的纳米级腐蚀孔洞组成。由机械粘合理论可得当金属基体表面有一定的粗糙度时，聚合物胶液容易渗入凹孔中，固化后在表面生成无数的小胶钩，起钉扎作用。该结构与传统的纤维金属层板金属基体物理表面处理方式相比较，通过双向波纹能够更加显著的增加金属基体的表面粗糙度，树脂与金属基体在连接界面处发生物理作用的实际面积也增大，金属层板与纤维树脂层之间的界面剪切强度也增大，从而增强属层板与纤维树脂层之间的复合界面连接性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中金属基体表面***斜视图；
图3是图2的俯视结构示意图；
图4是图2的正视结构示意图。
其中，附图标记：1-上层金属层板；2-纤维预浸带层；3-下层金属层板；4-微米级双向波纹仿生结构；41-X方向波纹；42-Y方向波纹；5-纳米级腐蚀孔洞。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
参见附图1至4，给出了本发明所提出的一种增强复合界面连接的纤维金属层板的一个实施例的具体结构。所述纤维金属层板包括金属层板和纤维预浸带层2；所述纤维金属层板包括结构设计和铺层设计，根据承载要求，按金属层/纤维层数可制造n/(n-1)结构的层板，其中n≥2，本实施例中，金属层板的层数n为2，分别为上层金属层板1和下层金属层板3；根据每层纤维预浸带2的纤维方向可以进行铺层设计，纤维方向为0°或±45°或90°。
所述上层金属层板1和下层金属层板3分别对应设置在纤维预浸带层2的上下两侧；所述上层金属层板1和下层金属层板3与纤维预浸带层2连接的一侧表面均设置有微米级双向波纹仿生结构4，所述微米级双向波纹仿生结构4由X方向波纹41和Y方向波纹42构成；且所述微米级双向波纹仿生结构4的表面均设置有纳米级腐蚀孔洞5；所述微米级双向波纹仿生结构4和纳米级腐蚀孔洞5共同组成金属层板表面的微结构。由机械粘合理论可得当金属基体表面有一定的粗糙度时，聚合物胶液容易渗入凹孔中，固化后在表面生成无数的小胶钩，起钉扎作用。该结构层板与传统的纤维金属层板金属基体物理表面处理方式相比较，通过双向波纹能够更加显著的增加金属基体的表面粗糙度，树脂与金属基体在连接界面处发生物理作用的实际面积也增大，金属层板与纤维树脂层之间的界面剪切强度也增大，从而增强属层板与纤维树脂层之间的复合界面连接性能。
其中，所述微米级双向波纹仿生结构4的X方向波纹41和Y方向波纹42均采用正弦函数或余弦函数的形式设置，与人体小肠的绒毛结构和壁虎足上的刚毛结构相似；所述X方向波纹41和Y方向波纹42的波峰和波谷在金属层板的表面上呈均匀规则的点阵式排列。
所述X方向波纹41和Y方向波纹42的波峰和波谷的大小、密度具有一定的范围，由上层金属层板1和下层金属层板3与纤维预浸带2的复合界面连接性能确定，并可通过改变正弦函数或余弦函数的振幅和频率来进行调节。
所述上层金属层板1和下层金属层板3的材料为高强钢或不锈钢或铝合金或镁合金或钛合金。
所述纤维预浸带层2包含增强纤维和树脂基体，其纤维材料为芳纶纤维或玻璃纤维或碳纤维或石墨纤维或含硼纤维或晶须；其树脂材料为热固性树脂或热塑性树脂。
一种增强复合界面连接的纤维金属层板的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、金属层板准备：利用数控电火花线切割机，切割出长方形或正方形尺寸的板材，切割后的金属层板表面有很多的油污和金属颗粒，为了保证两种异质材料之间界面的粘接性能。需要对金属层板表面进行清理。
S2、初步除污：利用酒精消毒液对金属层板的表面进行清洗处理，初步清除掉其表面的污染物和杂质，用酒精处理完毕以后，再用清水清洗金属层板的表面，最后用加热烘箱对金属层板表面进行干燥处理，60℃下烘干12分钟。
S3、双向波纹轧制：将前面处理好的金属层板放入超精密波纹辊中进行双向轧制。其波纹辊的波纹为正弦波或余弦波。第一道次波纹轧制方向设定为平行于所述金属层板的一个边，轧制完成后将所述金属层板旋转90°进行第二道次轧制。轧制结束后，金属层板表面会残留一定量的金属颗粒，使用丙酮擦拭金属层板表面，再用无水乙醇擦拭，再用超声波振荡清洗5min，去除表面的残留物质。
S4、碱洗：将前面处理好的金属层板放入浓度为100g/L的NaOH溶液中进行碱洗，碱洗的时间为5min，将碱洗槽放入热水中可以促进NaOH溶解和化学反应速率。碱洗后的金属层板用超声波继续清洗5min，最后在干燥箱内干燥处理10min。
S5、酸洗：将前面处理好的金属层板板放入浓度为100g/L的HCl溶液中进行酸洗，酸洗的时间为5min，将酸洗槽放在20℃至50℃温度下即可。酸洗后的金属层板用超声波继续清洗5min，最后在干燥箱内干燥处理10min。
S6、阳极氧化：使用的溶液为100g/L的磷酸溶液，电压为25V，电流为0.5～0.8A，氧化时间为20min。将阳极氧化处理后的金属层板放入干燥箱中干燥处理10min。
S7、纤维预浸带准备：将纤维预浸带手工裁剪成与金属层板样品一样的尺寸大小，裁剪时需要注意保持洁净，避免双手油污操作。热固性纤维预浸带使用前需要在室温环境下解冻并干燥6小时。热塑性纤维预浸带可直接使用。
S8、层板结构以及铺层设计：根据承载要求，按金属层/纤维层数可制造n/(n-1)结构的层板，其中n≥2；根据每层纤维预浸带的纤维方向可以进行铺层设计，纤维方向为0°或±45°或90°。
S9、热压固化：热固性纤维预浸带的纤维金属层板热压固化需要在热压罐进行，压力0.6MPa，温度135℃固化90min。最后，随炉降温至40℃后停止加压并取出纤维金属层板。热塑性纤维预浸带的纤维金属层板通过热模冲压工艺获得，压力0.8MPa，温度240℃固化30min。随炉冷却至室温后卸载压力去除纤维金属层板。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种增强复合界面连接的纤维金属层板的制备方法，其特征在于：所述层板包括金属层板和纤维预浸带层；所述金属层板分别设置在纤维预浸带层的上下两侧；所述金属层板与纤维预浸带连接的一侧表面均设置有微米级双向波纹仿生结构，且所述双向波纹的表面均设置有纳米级的腐蚀孔洞；所述微米级双向波纹和纳米级腐蚀孔洞共同组成金属层板表面的微结构；
所述微米级双向波纹仿生结构采用正弦函数或余弦函数的形式设置，与人体小肠的绒毛结构或壁虎足上的刚毛结构相似；
所述微米级双向波纹的波峰和波谷在金属层板的表面上呈均匀规则的点阵式排列；
所述微米级双向波纹的波峰和波谷的大小、密度由金属层板与纤维预浸带的复合界面连接性能确定，并通过改变正弦函数或余弦函数的振幅和频率来进行调节；
所述纤维金属层板包括结构设计和铺层设计；根据承载要求，按金属层/纤维层数制造n/(n-1)结构的层板，其中n≥2；根据每层纤维预浸带的纤维方向进行铺层设计，纤维方向为0°或±45°或90°；
所述纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：
S1、金属层板准备：利用数控电火花线切割机，切割出长方形或正方形尺寸的板材，并对板材表面进行清理；
S2、初步除污：利用酒精消毒液对板材表面进行清洗处理，初步清除掉其表面的污染物和杂质，酒精处理完毕以后，再用清水清洗板材的表面，最后用加热烘箱对板材表面进行干燥处理，60℃下烘干12分钟；
S3、双向波纹轧制：将S2处理好的板材放入超精密波纹辊中进行双向轧制；波纹辊的波纹为正弦波或余弦波；第一道次波纹轧制方向设定为平行于板材的一个边，轧制完成后将板材旋转90°进行第二道次轧制；轧制结束后，板材表面会残留一定量的金属颗粒，使用丙酮擦拭金属层板表面，再用无水乙醇擦拭，最后用超声波振荡清洗5min，彻底去除表面的残留物质；
S4、碱洗：将S3处理好的板材放入装有浓度为100g/L的NaOH溶液的碱洗槽中进行碱洗，时间为5min；碱洗后的板材利用超声波继续清洗5min，最后在干燥箱内干燥处理10min；
S5、酸洗：将S4处理好的板材放入装有浓度为100g/L的HCl溶液的酸洗槽中进行酸洗，时间为5min；酸洗后的板材利用超声波继续清洗5min，最后在干燥箱内干燥处理10min；
S6、阳极氧化：对S5处理好的板材进行阳极氧化处理，使用的溶液为100g/L的磷酸溶液，电压为25V，电流为0.5～0.8A，氧化时间为20min；将阳极氧化处理后的板材放入干燥箱中干燥处理10min，得到金属层板；
S7、纤维预浸带准备：将纤维预浸带裁剪成与金属层板样品一致的尺寸大小；热固性纤维预浸带使用前需要在室温环境下解冻并干燥6小时；热塑性纤维预浸带可直接使用；
S8、层板结构以及铺层设计：根据承载要求，按金属层/纤维层数制造n/(n-1)结构的层板，其中n≥2；根据每层纤维预浸带的纤维方向进行铺层设计，纤维方向为0°或±45°或90°；
S9、热压固化：热固性纤维预浸带的纤维金属层板热压固化需要在热压罐进行，压力0.6MPa，温度135℃固化90min；最后，随炉降温至40℃后停止加压并取出纤维金属层板；热塑性纤维预浸带的纤维金属层板通过热模冲压工艺获得，压力0.8MPa，温度240℃固化30min；随炉冷却至室温后卸载压力去除纤维金属层板。
2.根据权利要求1所述一种增强复合界面连接的纤维金属层板，其特征在于：所述金属层板的材料为高强钢或不锈钢或铝合金或镁合金或钛合金。
3.根据权利要求1所述一种增强复合界面连接的纤维金属层板，其特征在于：所述纤维预浸带的材料为芳纶纤维或玻璃纤维或碳纤维或石墨纤维或含硼纤维或晶须。
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