一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板制造技术

本发明专利技术公开了一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板，属于板材复合材料领域。该结构可以有效地改善纤维金属层板金属表面传统处理方式的不足，解决固化后层板金属基体与纤维增强预浸料易分层的缺陷。该结构由与金属基体表面呈一定角度且与金属基体形成机械锁扣结构的微米级内、外“八”字形主孔洞及与主孔洞相连的借鉴节肢昆虫腿部倒刺结构的纳米级副孔洞组成的微纳复合结构，与金属基体表面呈一定倾斜角度的纳米级空间倾斜密集孔洞结构或纳米级空间网状密集孔洞结构构成。该结构主要用于纤维增强金属层板金属基体表面处理，该层板主要用于航空制造领域大飞机的机身、蒙皮、机翼前缘、整流罩及飞机尾翼等零件的制造。整流罩及飞机尾翼等零件的制造。整流罩及飞机尾翼等零件的制造。

【技术实现步骤摘要】
一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板

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[0001]本专利技术提出一种仿生微结构增强纤维金属层板，属于板材复合材料领域。

技术介绍
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[0002]纤维金属层板自问世以来就成为航空航天制造领域的重要功能材料，近年来更是成为大型客机制造中多个部件的重要选材，发展较为成熟的GLARE层板已广泛应用于波音747、787的上机舱拱顶、机身、机翼前缘及尾翼等零件。随着我国C919大飞机及运20大型运输机等装机制造，对纤维金属层板构件的需求愈加强烈，对层板力学性能及成形行为的研究也更加迫切。
[0003]我国在相关领域起步较晚，对纤维金属层板的研究仍然处于基础阶段。大型客机、军用运输机等关键部件纤维金属层板材料使用程度较低。因此，加大对纤维金属层板材料的研发与创新具有重大科学意义和工程应用价值。层板零件在制备和成形的过程中最突出的问题就是各组分的分层。由于金属和纤维的成形极限、膨胀系数、应变准则等均不相同，因此在制备和成形过程中层板各组分间极易发生分层、脱粘和断裂。传统的金属表面处理如砂纸打磨、喷砂、阳极氧化等虽然可以在一定程度上增加金属表面粗糙度改善树脂和金属基体的粘结性能，但仍然无法有效解决层板在制备与成形过程中的分层、脱粘问题。如何改善纤维金属层板的层间结合性能，有效防止层板构件的分层缺陷，成为纤维金属层板今后相当一个时期研究的热点。

技术实现思路
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[0004]为改善层板构件制备和成形过程中易分层的不足，本专利技术公开了一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板。该仿生微结构借鉴节肢昆虫腿部末端“倒刺”结构和壁虎脚掌吸盘脚趾处的“刚毛”结构，并结合机械的摩擦自锁原理和树脂浸润微小孔洞的毛细现象提出这种表面微细结构。
[0005]本专利技术公开的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板：该层板由具有表面仿生微结构的金属基体、树脂、增强纤维等按照一定的铺层结构和纤维铺设角度经加压固化而成。其特征在于与树脂接触的金属基体表面微结构由微米级内、外“八”字型主孔洞和分布于主孔洞圆周外侧的纳米级空间微细副孔洞构成，其“八”字型主孔洞与金属基体表面呈一定角度密排均布阵列分布于金属基体表面，该表面为金属与树脂接触一侧。主孔洞圆周外侧纳米级微细副孔洞靠近主孔洞一侧与主孔洞相通，在主孔洞圆周外侧呈空间分布。微米级主孔洞与纳米级副孔洞间根据零件实际需要设置为“顺刺”或“倒刺”结构。微米级内、外“八”字型主孔洞与金属基体呈一定角度，其角度由树脂流入微米级内、外“八”字型主孔洞后，树脂与内、外“八”字型主孔洞壁所产生的摩擦及综合树脂浸润微细孔洞所产生的“毛细”现象而最终形成的机械摩擦自锁效应所需倾角确定。
[0006]本专利技术公开的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板，该层板金属基体表面与层板水平方向成一定角度的空间均布排列的微米级内、外“八”字型孔洞与层板固化
过程中所流入的树脂在层板分层趋势方向形成机械锁扣结构。该结构可以有效地改善纤维金属层板金属表面传统处理方式的不足，解决固化后层板金属基体与纤维增强预浸料易分层的缺陷。同时，与层板表面呈一定角度的内、外“八”字型孔洞浸润树脂并待层板固化后，可以有效改善层板零件成形过程中拉伸、剪切性能，进一步降低层板成形过程中的分层。位于微米级“八”字型主孔洞圆周密集分布的纳米级空间副孔洞，借鉴节肢昆虫腿部末端“倒刺”结构，金属层表面纳米级微小孔洞空间密集阵列结构及纳米级微小孔洞空间网状密集阵列结构借鉴壁虎脚掌吸盘脚趾末端密集分布的“刚毛”结构；该结构可以进一步改善层板金属基体表面与纤维树脂预浸料的结合性能，改善金属基体与树脂的粘结强度。
[0007]本专利技术公开的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板，该层板表面仿生微结构除模仿节肢昆虫腿部末端“倒刺”结构的“八”字型主孔洞与其所属副孔洞之外。该微结构还包括金属基体表面与层板水平方向呈一定角度的纳米级微小孔洞空间密集阵列结构或金属基体表面未见“八”字型孔洞处的点阵、花纹或其它可以增强纤维金属层板金属表面处理性能的微处理结构。金属基体表面与层板水平方向呈一定角度的纳米级微小孔洞空间密集阵列结构，其孔洞孔径和长度均明显小于与树脂形成机械锁扣结构的空间均布“八”字型孔洞结构，达到纳米级。其孔洞长度和相对层板金属基体的倾斜角度由所制备纤维金属层板金属与树脂的最佳粘结区间特性所确定。
[0008]本专利技术公开的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板，该层板表面仿生微结构其孔洞加工方式为激光加工或其他满足尺寸和精度要求的加工方法获得。层板制备过程可采用一定频率、振幅和强度的超声辅助或机械波震荡，促进树脂在此仿生微结构中获得良好的浸润。层板所用树脂为热固性树脂或热塑性树脂，加压固化过程应根据树脂类型分别采取热固性树脂加热固化、热塑性树脂加热至树脂粘流态降温固化的方式。层板所用增强纤维为芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维或其他适于纤维金属层板制备的纤维增强体材料，金属为铝合金、钛合金、镁合金或其他适于纤维金属层板制备的轻合金材料。本专利技术公开的纤维金属层板采用金属层/纤维层n+1/n的铺层结构，纤维铺设角度为0
°
、90
°
、
±
45
°
等，其中具体构件纤维角度根据所制备构件实际服役环境所承担的载荷确定。具体纤维层可以为单层也可以根据实际需要铺设为双层或多层结构。
附图说明：
[0009]图1是本专利技术提供的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板结构原理示意图。
[0010]图2是本专利技术提供的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板金属基体表面不同实施例处理方式示意图；其中a为微米级“八”字形主孔洞，b为“八”字形主孔洞和纳米级副孔洞组成的微纳复合结构，c、d为主、副孔洞构成的微纳复合结构及与金属层表面呈一定角度的纳米级微小孔洞空间密集阵列结构，e为主、副孔洞构成的微纳复合结构及金属层表面纳米级微小孔洞空间网状密集阵列结构。
[0011]图3是本专利技术提供的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板实施例2，仿生微结构及与金属基体表面呈一定角度的纳米级微小孔洞空间密集阵列结构层板示意图，对应图2中的c和d。
[0012]图4是本专利技术提供的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板实施例2，仿
生微结构及金属基体表面纳米级微小孔洞空间网状密集阵列结构层板示意图，对应图2中的e。
[0013]图中：1、3、7金属基体；2纤维树脂层；4微米级“八”字形主孔洞；5、6纳米级副孔洞；8、11金属层上、下表面；9“八”字形孔洞密集区；10“八”字形孔洞稀疏区；12、13纳米级微小孔洞空间密集阵列结构；14纳米级微小孔洞空间网状密集阵列结构。
具体实施方式：
[0014]下面结合附图对本专利技术具体实施方式做详细说明，以下实施例旨在更加清晰的说明本专利技术所涉及的技术方案而不应成为限制本专利技术保护范围的依据。
[0015]实施例1
[0016]与纤维增强树脂预浸料相接触一侧金属基体表面仿生微结构如图2中a、b所示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板其特征在于：该层板由具有表面仿生微结构的金属基体与树脂、增强纤维等按照一定的铺层结构和纤维铺设角度在一定温度、一定压强、一定真空度下经加压固化而成。2.一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板其特征在于：金属表面仿生微结构借鉴节肢昆虫小腿末端处“倒刺”结构和壁虎脚掌“刚毛”结构由微米级内、外“八”字型主孔洞和分布于主孔洞圆周外侧的纳米级空间微细副孔洞构成，其“八”字型主孔洞与金属基体表面呈一定角度密排均布阵列分布于金属基体表面，该表面为金属与树脂接触一侧：主孔洞圆周外侧纳米级微细副孔洞靠近主孔洞一侧与主孔洞相通，在主孔洞圆周外侧呈空间分布；微米级主孔洞与纳米级副孔洞间根据零件实际需要设置为“顺刺”或“倒刺”结构；除模仿节肢昆虫腿部末端“倒刺”结构的“八”字型主孔洞与其所属副孔洞之外。该微结构还包括金属基体表面与层板水平方向呈一定角度的纳米级微小孔洞空间密集结构和或金属基体表面未见“八”字型孔洞处的点阵、花纹或其它可以增强纤维金属层板金属表面处理性能的微处理结构。3.一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板其特征在于：微米级内、外“八”字型主孔洞与金属基体呈一定角度，其角度由树脂流入微米级内、外“八”字型主孔洞后，树脂与内、外“八”字型主孔洞壁所产生的摩擦及综合树脂浸润微细孔洞所产...

【专利技术属性】
技术研发人员：王耀，侯迎朝，范树杰，张泉达，胡宁，魏强，杨超，宋国鹏，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：