一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法技术

一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法，属于纤维金属层合板制备技术领域，本发明专利技术以不锈钢极薄带为基体材料，碳纤维预浸带为增强体，以聚乙烯粉末钎料为连接增强层进行热压成型，以达到改善不锈钢极薄带/碳纤维层合板层间性能的目的。解决方案为：首先，对不锈钢极薄带进行纳秒激光微织构预处理；然后，将不锈钢极薄带与碳纤维预浸带按照设计目标进行铺层，并在不锈钢极薄带与碳纤维预浸带之间铺设聚乙烯粉末钎料；最后，进行热压成型。本发明专利技术操作简单、经济，所制层合板的层间剪切强度高，是增强不锈钢极薄带/碳纤维层合板层间性能的可行制备方法。间性能的可行制备方法。间性能的可行制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法


[0001]本专利技术属于纤维金属层合板制备
，具体涉及一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法。

技术介绍

[0002]为了应对必须面临的能源衰竭问题，降低能耗，实现“绿色制造”，轻量化设计是最直接、最有效的手段。铝基合金作为一种较为流行的轻量化金属工程材料，主要用于实现汽车产品的轻量化和节能。然而，相关铝基金属纤维层合板（FMLs）产品的“柔软与敏感”的特性限制了其对需要承受冲击载荷和潮湿环境产品的泛用性。与铝合金相比，作为最广泛的工程结构材料，相同厚度的不锈钢具有更高的比拉伸强度、疲劳强度、刚度和耐腐蚀性。因此，欲取代传统高自重金属合金，开展不锈钢基高性能FMLs的相关制备技术研发是时不我待的。
[0003]众所周知，对于FMLs复合结构而言，当受到冲击致使金属基板上出现裂纹时，由于层间树脂基碳纤维层地存在，裂纹不会沿着初始方向快速扩展而导致结构直接被破坏。实际情况为裂纹会向层间进行拓展，使得裂纹将在复合材料结构中保留很长一段时间，从而避免了初始裂纹导致的FMLs早期爆发或失效，这种裂纹的桥接效应是FMLs的最大优势，也是其优异力学性能的来源。例如，与铝/玻璃纤维增强塑料相比，基于镁/碳纤维增强塑料的FMLs具有更强的抗穿孔性。与纯CFRP增强材料相比，Ti/CFRP基FMLs具有更好的冲击损伤和抗压强度。可以认为弯曲和剪切裂纹是FMLs复合材料结构中最薄弱的粘接界面处发生的初始损伤模式。因此，有效改善不锈钢/碳纤维增强层的层间连接性能，进而有效解决不锈钢基碳纤维金属层合板中金属基体材料与树脂基碳纤维增强体的弱连接问题，对推动航天航空工程发展有着重要的意义。
[0004]近些年，有大量学者报道有关FMLs中金属组分的表面改性研究，物理方法主要包括磨损和喷砂，该方法主要从宏观上改变金属合金表面粗糙度，提高表面能，从而提高其对碳纤维增强体中环氧树脂的浸润或结合能力。然而该方法由于喷砂的粒径和工艺的均匀程度，往往会出现表面残余应力，对FMLs的层间结合性能是极为不利的，因此改善程度极为有限。此外，随着不锈钢极薄带（手撕钢）的提出，不锈钢材料的应用不再受制于自重所带来的限制，将其应用于FMLs的开发与应用是及其合理的，但两材料的层间弱连接问题依旧是该类材料的短板，且由于其垂直于轧制方向的“柔软”的力学性能使其无法适应喷砂、打磨等机械处理。因此，开发应用适用于不锈钢极薄带的较为“温和”的表面处理技术于不锈钢极薄带基FMLs的领域是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的不足，针对不锈钢极薄带基FMLs层间弱连接技术问题，本专利技术提供一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法。
[0006]本专利技术的设计构思为：热压共固化工艺前对不锈钢极薄带表面进行激光微织构改
性处理，制备特定方向的微织构；在此基础上，本专利技术还创新性地引入具有高流动性的热塑性树脂作为不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体之间的连接增强层，产生不锈钢
‑
碳纤维预浸带增强体之间的桥接：利用聚乙烯高流动性的特点填充于不锈钢表面的微织构产生机械锁合效应，利用聚乙烯熔体在碳纤维增强体环氧树脂中的分子互穿理论，产生高强度的化学结合，实现不锈钢
‑
碳纤维预浸带增强体之间结合强度的改善。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法，包括以下步骤：S1、不锈钢极薄带待连接面表面处理：首先，去除不锈钢极薄带表面的油污，采用丙酮溶液超声波清洗20分钟后晾干；然后，对超声波清洗后不锈钢极薄带的待连接面进行激光微织构处理，在不锈钢极薄带的待连接面制备网状微织构；其中纳米激光表面微织构改性有如下优势：增大不锈钢表面粗糙度，形成凹槽，提高聚乙烯（PE）与不锈钢表面的接触面积；S2、若干层碳纤维预浸带沿0
°
方向依次叠放组成碳纤维预浸带增强体，将步骤S1制得的不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体依次交错层叠，并且碳纤维预浸带增强体的0
°
纤维方向与不锈钢极薄带轧制方向相一致，在相邻不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体的待连接面之间铺设聚乙烯粉末钎料层，制得层合板坯料，层合板坯料的上下表面均为不锈钢极薄带；通过改变聚乙烯（PE）粉末钎料层的厚度，进而改变不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体对钎料的浸润与渗透作用，使层合板坯料增强连接；引入聚乙烯（PE）连接增强层有如下优势：一、有助于提高其与不锈钢薄带表面的嵌合作用；二、PE与碳纤维预浸带增强体中的环氧树脂形成较强化学键合，最终PE在不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体之间形成桥接，进而提高层合板的层间结合强度；S3、将步骤S2制得的层合板坯料置于热压模具中热压成型，热压成型全程在0.6MPa压力条件下进行：第一阶段：从室温升温至80℃，保温30分钟，升温速率为3.0℃/分钟；第二阶段：从80℃升温至100℃，保温30分钟，升温速率为3.0℃/分钟；第三阶段：从100℃升温至120℃，保温30分钟，升温速率为3.0℃/分钟；第四阶段：从120℃冷却至室温，冷却速率为0.5 ℃/分钟；制得不锈钢极薄带/碳纤维层合板。
[0008]进一步地，所述不锈钢极薄带的厚度为0.015mm~0.02mm，不锈钢极薄带的材质为304L不锈钢，304L不锈钢具体化学组分及重量配比为：Cr：17wt.%
‑
18wt.%，Ni：8wt.%
‑
11wt.%，Mn＜2wt.%，Si＜1 wt.%，其余为Fe及不可避免的杂质。
[0009]单层所述碳纤维预浸带的厚度为0.125mm，由环氧树脂和T700单向连续碳纤维（0
°
）增强材料热压成型制得，其中碳纤维的体积分数为40 %，单位面积纤维质量为100g/m2，单位面积预浸料质量为185g/m2，挥发成分含量＜1 wt.%。
[0010]所述聚乙烯粉末钎料层的厚度为碳纤维预浸带增强体厚度的0.05~0.30倍，聚乙烯粉末钎料的粒径为0.01mm~0.02mm，平均粒径为10μm，粒径过大则铺层时由于尺寸效应产生钎料间的不均匀搭接，使得钎料层出现疏松的现象，熔化时由于不是完全的流动性，而不利于形成均匀的连接层，最终导致连接层出现应力集中的缺陷，不利于层合板性能的提高；且粉末熔化时具有较高的流动性，120℃、0.6MPa条件下熔融指数MI（流动性）为1.5g /min~
2.0g/min。高的流动性可以保障钎料可以更好地在不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体表面形成浸润效果，大大提高钎料与表面的接触面积，进而改善不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体的层间结合特性。
[0011]进一步地，在所述步骤S1中，激光微织构处理过程中激光束与不锈钢极薄带的待连接面相互垂直，激光束的焦点位于不锈钢极薄带的待连接表面上。
[0012]进一步地，在所述步骤S1中，激光微织构处理的激光功率为50W
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、不锈钢极薄带待连接面表面处理：首先，去除不锈钢极薄带表面的油污，采用丙酮溶液超声波清洗20分钟后晾干；然后，对超声波清洗后不锈钢极薄带的待连接面进行激光微织构处理，在不锈钢极薄带的待连接面制备网状微织构；S2、若干层碳纤维预浸带沿0
°
方向依次叠放组成碳纤维预浸带增强体，将步骤S1制得的不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体依次交错层叠，并且碳纤维预浸带增强体的0
°
纤维方向与不锈钢极薄带轧制方向相一致，在相邻不锈钢极薄带与碳纤维预浸带增强体的待连接面之间铺设聚乙烯粉末钎料层，制得层合板坯料，层合板坯料的上下表面均为不锈钢极薄带；S3、将步骤S2制得的层合板坯料置于热压模具中热压成型，热压成型全程在0.6MPa压力条件下进行：第一阶段：从室温升温至80℃，保温30分钟，升温速率为3.0℃/分钟；第二阶段：从80℃升温至100℃，保温30分钟，升温速率为3.0℃/分钟；第三阶段：从100℃升温至120℃，保温30分钟，升温速率为3.0℃/分钟；第四阶段：从120℃冷却至室温，冷却速率为0.5 ℃/分钟；制得不锈钢极薄带/碳纤维层合板。2.根据权利要求1所述的一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法，其特征在于：所述不锈钢极薄带的厚度为0.015mm~0.02mm，不锈钢极薄带的材质为304L不锈钢，304L不锈钢具体化学组分及重量配比为：Cr：17wt.%
‑
18wt.%，Ni：8wt.%
‑
11wt.%，Mn＜2wt.%，Si＜1 wt.%，其余为Fe及不可避免的杂质。3.单层所述碳纤维预浸带的厚度为0.125mm，由环氧树脂和单向连续碳纤维增强材料热压成型制得；所述聚乙烯粉末钎料层的厚度为碳纤维预浸带增强体厚度的0.05~0.30倍，聚乙烯粉末钎料的粒径为0.01mm~0.02mm，120℃、0.6MPa条件下熔融指数MI为1.5g/min~2.0g/min。4.根据权利要求1所述的一种采用不锈钢极薄带与碳纤维钎焊制备层合板的方法，其特征在于：在所述步骤S1中，激光微织构处理过程中激光束与不锈...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘翠荣，王亚珂，李岩，樊涛，赵为刚，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：