一种逆向蜂窝夹层结构的纤维-金属混杂层板及制备方法技术

一种逆向蜂窝夹层结构的纤维

【技术实现步骤摘要】
一种逆向蜂窝夹层结构的纤维
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金属混杂层板及制备方法


[0001]本专利技术属于高性能复合材料的设计及制备
，特别是涉及一种轻质且具有多功能结构特征的纤维增强金属混杂层板复合材料的设计及制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代社会的发展，机动性更加灵活，隐身性更加优越的飞行器的大量使用成为空天领域制胜的法宝，这就要求飞行器质量更轻，功能更加多样化，其中，轻质且兼具多功能特征的材料及材料结构技术是实现上述目标的关键。
[0003]在轻质材料研究进展方面，由树脂基纤维增强复合材料和薄的金属板交替铺层的一种混杂型材料结构体系
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纤维增强金属层板(Fiber metal Laminates,FMLs)，作为一种新型、高效、低成本复合结构材料，兼取了金属和先进复合材料的双重优势，与铝合金相比具有更好的损伤容限(特别是冲击和疲劳)、更好的抗腐蚀性、更好的防火性以及更低的密度，与复合材料相比具有更好的抗冲击性能，更好的导电性能、可回收利用性能以及很强的可设计性，是新一代飞行器结构件中非常有前景的备选材料，在航天工业中具有巨大的应用潜力。其中，玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)制造成本和复杂性高于铝合金板材,但是与金属结构相比面密度更低,使用寿命更长,服役期间检测和维护简便，纤维金属层板构件与等体积铝合金构件相比减质25％以上，而成本仅为等体积纤维增强复合材料构件的1/3左右，广泛应用于飞行器的机身蒙皮、垂直和水平尾翼前缘等部位，极大地提升了飞行器的续航能力和机动性，使得GLARE层板是目前发展最为成熟、应用最广泛的FMLs。在轻质复合材料结构方面，传统的轻质结构多为泡沫和蜂窝夹芯结构，夹芯结构是一种轻质多功能结构，主要由上、下面板及中间的夹层构成。夹层结构在减重、吸能、降低成本及其生产时间等方面都表现出优越性能，相比传统单层板，以夹层结构作为中间芯层加上上下两层面板组成的夹芯结构，因其具有较高孔隙率而使得整体结构重量更轻，夹层结构的高孔隙率和低相对密度使其表现出更好的力学性能，是实现轻量化设计的优质选择。但是这些芯子的内部空间是封闭的，不易实现预埋、传热等多功能要求，限制了该材料结构的广泛采用。
[0004]因此，采用创新的制备技术，将蜂窝夹芯结构设计方法与玻璃纤维增强铝合金层板结合起来，研制具有夹层结构的新型玻璃纤维增强铝合金层板，将会进一步降低GLARE层板的重量，同时采用夹层内部填充的方案，将实现多功能(如承载与热控、隐身、吸能、作动、储能、阻尼于一体的多功能特性)的集成，同时弥补因为材料的减重而引起的强度和刚度的弱化，达到轻量化、小型化、多样化、结构功能一体化的最终目的，从而扩大该在航空航天、国防等诸多领域的应用范围，提升飞行器的服役能力。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种逆向蜂窝夹层结构的纤维
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金属混杂层板及制备方法，涵盖材料结构设计、精密加工技术、表面工程、热处理技术，可实现轻质、多功能纤维增强金属层板的设计制造一体化。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供的一种逆向蜂窝夹层结构的纤维
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金属混杂层板及制备方法按顺序包括如下步骤：
[0007]1)首先，将多层铝合金板材通过边线对齐的方式进行整理、摆放，在多层铝合金板的内表面相同位置刻画出六边形加工轨迹，采用减材机械加工的方式，加工刀具沿着加工轨迹运动的同时，沿着板料的厚度进行一定加工量的切削加工，形成内凹六边形结构。根据板料使用工况的要求，加工区域多呈现聚集分布形式，减材区域与未减材区连通，即未加工材料形成支撑部分，与内凹六边形结构组合形成了内凹的逆向蜂窝夹层结构，厚度方向的切削量根据切削后板料的强度及耐冲击性的使用要求进行计算获得。
[0008]2)对经过机械加工的铝合金板材内表面进行表面化学处理，用丙酮去除经过机械加工的金属件表面油污，然后进行表面磷酸阳极氧化处理，按照顺序包含为碱洗、酸洗、磷酸阳极化。磷酸阳极氧化处理后的铝合金表面形成了凸凹不平的结构，表面粗糙度增加，有效提高了铝合金板料与纤维预浸料的接触面积，从而提高了铝合金板与树脂之间的机械锁合力。
[0009]3)将高温膨胀剂与多物理特性填充物进行混合，添加环氧树脂形成粘稠状混合物，填充到步骤2)得到的铝合金板材内凹六边形结构中。添加高温膨胀剂，目的是纤维
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金属混杂层板进行热固化处理时，膨胀剂发生膨胀、流动，充分填充上下层板的内凹六边形结构，形成泡沫状缓震效应。添加物理特性填充物，目的是增加纤维
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金属混杂层板的功能多样性，添加环氧树脂是为了将高温膨胀剂与物理特性填充物很好地混合在一起，形成粘稠状易于填充和固定在铝合金层板的内凹六边形结构中。
[0010]4)根据实际使用工况，设计、制定纤维
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金属混杂层板结构方案以及纤维预浸料的铺层方式，利用人工铺放的形式进行纤维层与金属层的胶接和组合，获得预制纤维
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金属混杂层板。纤维
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金属混杂层板结构形式可以是1/2、2/3、3/4和5/6四种，纤维预浸料的铺层方式可以是单向层板(0
°
/0
°
铺层)、正交层板(0
°
/90
°
铺层)和正交层板(+45
°
/－45
°
)。
[0011]5)将步骤4)获得的预制纤维
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金属混杂层板，制作成真空袋系统，然后置于热压罐中，通过设置合适的温度T和压力P，纤维预浸料发生固化，与铝合金层板牢固粘接，形成致密的纤维
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金属混杂层板。在温度T的环境中，膨胀剂受热发生膨胀，填充铝合金层板内凹的逆向蜂窝结构，形成蜂窝夹层结构，起到减重、吸能的作用。
[0012]本专利技术提供的一种逆向蜂窝夹层结构的纤维
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金属混杂层板及制备方法是按照提供航空航天飞行器轻质、多功能材料的原则，将材料结构设计、轻质合金精密加工技术、表面工程技术、异质复合材料制备技术进行多维度优化组合得到的一种先进材料供应技术，参考复合材料蜂窝中空结构的特点和优异功能，在纤维
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金属混杂层板中通过机械加工的方式，根据减材技术原理，获得逆向蜂窝夹层结构，同时在内凹结构中添加填充物。目的在于设计并制备一种带有逆向蜂窝夹层结构的纤维
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金属混杂层板，进一步降低纤维
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金属混杂层板的重量，同时内凹蜂窝结构中具有多种物理性能的混合填充物通过热固化处理后以泡沫形态充分填充蜂窝夹层，保证了纤维
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金属混杂层板的结构一致性和性能的多样性，同时泡沫形态提升了材料整体的吸能和抗冲击性，推动该轻质、多功能材料在航空航天特殊用途的广泛使用。
[0013]定义为：首先，突破传统蜂窝夹层结构的增材制备方式，创新性利用减材制备技术，加工刀具沿着加工轨迹运动的同时，沿着板料的厚度进行一定加工量的切削，形成内凹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种逆向蜂窝夹层结构的纤维
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金属混杂层板及制备方法，其特征在于：所述的材料结构设计、轻质合金精密加工技术、表面工程技术、异质复合材料制备技术多维度优化组合得到的先进材料供应技术包括按顺序进行的下列步骤：1)首先，将铝合金上层板(1)和铝合金下层板(2)通过边线对齐的方式进行整理、摆放，在多层铝合金板的内表面相同位置刻画出六边形加工轨迹，采用减材机械加工的方式，加工刀具沿着加工轨迹运动的同时，沿着板料的厚度进行一定加工量的切削加工，形成内凹六边形结构(6)，得到带有内凹六边形结构的铝合金上层板(3)和带有内凹六边形结构的铝合金下层板(4)；2)对经过机械加工的铝合金板材内表面进行表面化学处理，用丙酮去除经过机械加工的金属件表面油污，然后进行表面磷酸阳极氧化处理，按照顺序包含为碱洗(7)、酸洗(8)和磷酸阳极化(9)，目的是获得铝合金表面凸凹不平的结构(12)，增加表面粗糙度，从而提高铝合金板与树脂之间的机械锁合力；3)将高温膨胀剂与多物理特性填充物进行混合，添加环氧树脂形成粘稠状混合物(14)，填充到经过表面处理的铝合金上层板(10)和经过表面处理的铝合金下层板(11)的内凹六边形结构(6)中；4)根据实际使用工况，设计、制定纤维
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金属混杂层板结构方案以及纤维预浸料(13)的铺层方式，利用人工铺放的形式进行纤维层与金属层的胶接和组合，获得预制纤维
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金属混杂层板(15)；5)将步骤4)获得的预制纤维
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金属混杂层板(15)，制作成真空袋系统(16)，然后置于热压罐(17)中，通过设置合适的温度T和压力P，纤维预浸料发生固化，与铝合金层板牢固粘接，形成致密的纤维
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金属混杂层板。2.根据权利要求1所述的一种逆向蜂窝夹层结构的纤维

【专利技术属性】
技术研发人员：张泉达，孙福臻，吉日格勒，李蕙宇，李晓旭，
申请(专利权)人：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司烟台分公司，
类型：发明
国别省市：