一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：S1、选择与金属层板热膨胀系数相近的纤维预浸料；S2、将金属板与纤维预浸料进行裁剪；S3、将金属板进行砂纸打磨、脱脂处理、碱洗、酸洗、干燥；S4、对金属板表面进行电解

【技术实现步骤摘要】
一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法


[0001]本专利技术涉及复合新材料制备
，特别涉及一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，轻量化是目前汽车、航空、航天工业的发展趋势，轻量化材料的运用是解决轻量化的重要途径。FMLs又称超混杂层板(super hybridlaminates)，是一种层间混杂的复合材料，即将轻金属和纤维增强复合材料两种层状材料以叠层形式，在一定的温度和压强下复合成的层间复合材料。FMLs综合了传统金属材料和纤维复合材料的特点，具有轻量化、耐火、耐腐蚀、高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能以及高的损伤容限。目前技术较为成熟的芳纶纤维/铝合金层板(ARALL)、玻璃纤维/铝合金层板(GLARE)、碳纤维/铝合金层板(CARALL)和石墨纤维/钛合金层板(TiGr)已经应用于交通工具和航空航天领域。
[0003]目前由于金属与纤维树脂之间热膨胀系数不同，导致在热力学作用下难以协调成形，易产生界面连接不牢和纤维断裂等问题，同时，由于纤维金属板长时间暴漏在空气里，金属与纤维电位差较大易造成电化学腐蚀，这些因素制约了纤维金属层板这种新材料在航空航天领域和陆上交通领域更广泛应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，结合超声波与胶接连接特点，可以有效解决纤维与金属板材连接界面分层、耐久性、疲劳性差等问题，通过该方法制得的纤维金属层板具有连接性能好、重量轻、耐疲劳、耐冲击的优点。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、选择与金属层板热膨胀系数相近的纤维预浸料，同时预浸料中的树脂应具有良好的润湿能力和流动性；
[0008]S2、将金属板与步骤S1的纤维预浸料裁剪成与液压机模具相同的大小；
[0009]S3、将金属板进行机械打磨和清洗处理；
[0010]S4、对步骤S3处理后的金属板表面进行电解
‑
化学改性处理；
[0011]S5、在步骤S4处理后的金属板表面涂抹上一层改性聚丙烯热融膜(厚度为30
‑
50μm)充当胶粘剂，同时将金属板与步骤S2纤维预浸料交替铺层放入液压机模具中；
[0012]S6、在模具下模中心位置放置一个超声波探头；
[0013]S7、对步骤S5的模具进行升温
‑
保温
‑
冷却三个阶段固化成型；
[0014]S8、固化结束后将纤维金属层板放入恒温干燥箱中，在80
‑
120℃保温20
‑
40min条件下即可得到纤维金属层板。
[0015]进一步优选的，步骤S1中的纤维预浸料的纤维可为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨纤维中的一种，纤维预浸料厚度为0.25
‑
0.6mm，树脂为环氧树脂。
[0016]进一步优选的，步骤S2中的金属板可为铝合金、镁合金、钛合金等轻量化金属的一种。
[0017]进一步优选的，步骤S2中的金属板厚度为0.3
‑
1mm。
[0018]进一步优选的，步骤S3的过程为：砂纸打磨、脱脂处理、碱洗、酸洗、干燥。
[0019]进一步优选的，步骤S3中的机械打磨采用的是120
‑
180#砂纸打磨。
[0020]进一步优选的，步骤S3中的脱脂处理采用的溶剂为丙酮。
[0021]进一步优选的，步骤S3中的碱洗过程为：将脱脂后的金属板放入浓度为40
‑
60g/L磷酸钠、浓度为10
‑
25g/L碳酸钠和浓度为20
‑
30g/L水玻璃混合组成的碱洗溶液中，在水浴加热温度为70
‑
80℃条件下，碱洗3
‑
5min，之后拿出用去离子水冲洗。
[0022]进一步优选的，步骤S3中的酸洗过程为：将碱洗后的金属板放入30ml/L磷酸和60ml/L硝酸混合组成的酸洗溶液中，在常温条件下酸洗1min，之后拿出用去离子水冲洗。
[0023]进一步优选的，步骤S4中的电解
‑
化学改性处理过程为：将金属板接入10
‑
20V直流电源的正极，不锈钢板接入电源的阴极，金属板与不锈钢板大小相同，之后将接入电源的金属板和不锈钢板一同浸入浓度为20
‑
27g/L磷酸、5
‑
8g/L氧化锌、1.5
‑
3.7g/L硝酸锌、2
‑
3.5g/L氟化钠、1.5g/L钼酸钠以及2.5
‑
4.0g/L酒石酸混合改性液中，溶液高度没过金属板，在水浴恒温25
‑
30℃条件下，电解
‑
化学改性处理4
‑
5min，之后拿出用去离子水冲洗，干燥。
[0024]进一步优选的，步骤S5金属与纤维预浸料交替铺层结构为n/(n
‑
1)(n为金属板层数，n≥2)，且金属板轧制方向与纤维预浸料中纤维夹角可为0
°
、90
°
、
±
45
°
。
[0025]进一步优选的，所述步骤S6超声波探头以0.1
‑
0.5MPa作用在下模具表面上，向下模具施加超声波震动，超声波震动频率20
‑
50KHz，超声波振幅为10
‑
50μm，超声波处理时间为5
‑
15s。
[0026]虽然本专利技术中超声波仅为辅助作用，但是由于施加超声波也会产生很高的热量，对超声频率、振幅以及时间的控制可以避免树脂和胶粘剂被过度加热而产生裂解。
[0027]进一步优选的，所述步骤S7中的热压固化成型工艺流程为：首先将模具加热到160
‑
170℃，保温20
‑
30min，随后将模具冷却至室温，在模具保温阶段，启动超声波仪器对纤维金属板进行超声波处理，在纤维金属板成型过程中对叠层板施加约0.3
‑
0.6MPa的压力。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0029]其一、本专利技术金属板在改性处理后表面形成了一层“峰
‑
谷”的蜂窝状结构，保证了熔融状态下的环氧树脂和改性聚丙烯在压力和超声波的共同作用下，更好的渗透到金属表面的微纳孔内，使得树脂与金属的接触比表面积和成键数量最大化，进而增加了纤维增强环氧树脂复合材料与金属的机械锁合力和粘接强度，因此具有更高的强度。
[0030]其二、本专利技术在热压和超声波的协同作用下，可以加速环氧树脂内及改性聚丙烯热融膜与金属板之间气泡的排出，显著降低纤维金属层板的孔隙率，改善纤维与金属板连接界面分层情况；
[0031]其三、本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选择与金属层板热膨胀系数相近的纤维预浸料，其中纤维预浸料中的树脂应具有良好的润湿能力和流动性；S2、将金属板与步骤S1的纤维预浸料裁剪成与液压机模具相同的大小；S3、将金属板进行砂纸打磨、脱脂处理、碱洗、酸洗、干燥；S4、对步骤S3处理后的金属板表面进行电解
‑
化学改性处理；S5、在步骤S4处理后的金属板表面涂抹上一层改性聚丙烯热融膜充当胶粘剂，同时将金属板与步骤S2得到的纤维预浸料交替铺层放入液压机模具中；S6、在模具下模中心位置放置一个超声波探头，向下模具施加超声波震动，超声波震动频率20
‑
50KHz，超声波振幅为10
‑
50μm；S7、对步骤S5的模具进行升温
‑
保温
‑
冷却三个阶段固化成型；S8、固化结束后将纤维金属层板放入恒温干燥箱中，在80
‑
120℃保温20
‑
40min条件下即可得到纤维金属层板。2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，其特征在于：步骤S1中的纤维预浸料的纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨纤维中的一种，纤维预浸料厚度为0.25
‑
0.6mm，树脂为环氧树脂。3.根据权利要求1所述的一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，其特征在于：步骤S2中的金属板可为铝合金、镁合金、钛合金的一种，金属板厚度为0.3
‑
1mm。4.根据权利要求1所述的一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，其特征在于：步骤S3中砂纸打磨采用的是120
‑
180#砂纸打磨。5.根据权利要求1所述的一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，其特征在于：步骤S3中脱脂处理采用的溶剂为丙酮。6.根据权利要求1所述的一种超声波辅助纤维金属层板的制备方法，其特征在于：步骤S3中碱洗过程为：将脱脂后的金属板放入浓度为40
‑
60g/L磷酸钠、浓度为10
‑
25g/L碳酸钠和浓度为20
‑
30g/L水玻璃混合组成的碱洗溶液中，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐世伟，袁泉，蒋彬辉，秦云，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：