CN102991009B - 一种层间增韧的碳纤维-金属层合板 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤维-金属层合结构复合材料制造技术领域，涉及一种层间增韧的碳纤维-金属层合板。本发明选用具有高孔隙率的热塑性尼龙无纺布作为层间增韧/隔离层，使树脂基体在热压成型过程中能够顺利的在增韧/隔离层中发生渗透和浸润，但增韧/隔离层与基体树脂不发生溶解和分相，仍然保持了完整的无纺布结构形式。进而，通过尼龙无纺布与基体树脂相互贯穿形成非反应诱导相分离的三维网络结构，起到层间增韧的作用，同时隔断了碳纤维增强体与金属层板之间的接触，起到了电化学阻隔作用，消除了碳纤维增强体与金属层板之间由于电位差的存在而导致的电化学腐蚀问题，使具有优异力学性能的碳纤维可用于制备纤维-金属层合板复合材料。
Description
技术领域
本发明属于纤维-金属层合结构复合材料制造技术领域，涉及一种层间增韧的碳纤维-金属层合板。
背景技术
纤维-金属层合板是一类新型的混杂增强结构复合材料，国际上统称为FML（Fiber-Metal Laminate）层合板，其典型代表是铝合金-芳纶纤维叠层复合材料层合板，国际上称为ARALL（ARAamid-ALuminum Laminate），以及铝合金-玻璃纤维叠层复合材料层合板，国际上称为GLARE（GLAss-Reinforce aluminum）。参考文献（Vogelesang,L.,Development of a New Hybrid Material(ARALL)for AircraftStructure,Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev.,1983,pp.492-496）和美国发明专利（US.5,039,571,US.5,547,735和US.5,219,629）都详细研究了FML叠层复合材料层合板的制备方法，力学性能及优点和潜在的应用领域。目前，GLARE已大面积地应用在A380飞机的上机身壳体结构上，是A380飞机材料技术的一个显著的创新点。
目前，国内外的FML复合材料均选择不导电的芳纶纤维或玻璃纤维等而不选择具有更好力学性能及界面性能的碳纤维作为增强、增韧材料，其原因在于碳纤维与铝、钛、钢等金属材料的电位差将会形成电化学腐蚀，影响这种材料的长期使用和服役性能，最终导致层合结构的结构失效而无法应用于航空结构的制造。
发明内容
本发明的目的是提出一种使用高性能碳纤维预浸料作为增强体，且不存在电化学腐蚀问题的层间增韧的碳纤维-金属层合板。
本发明的技术方案是所述的碳纤维-金属层合板至少包括两层金属层板和一层碳纤维预浸料，在碳纤维预浸料与金属层板之间均夹入一层面密度为15~20g/m2，厚度为30~40μm的尼龙无纺布作为增韧/隔离层，其中尼龙分子量为4~6，纤维直径为10~15μm。层合板的铺贴顺序为金属层板-增韧/隔离层-碳纤维预浸料-增韧/隔离层-金属层板，其它更多层数的碳纤维-金属层合板的叠放顺序依此类推，完成层合板铺贴后，利用热压罐成型工艺固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
所述的碳纤维预浸料中的纤维增强体为T300级碳纤维或T700级碳纤维或T800级碳纤维。
所述的碳纤维预浸料中的基体树脂为高韧性环氧树脂。
所述的金属层板是铝合金层板或钛合金层板或合金钢层板。
所述的增韧/隔离层尼龙无纺布所用的热塑性高分子为尼龙6或尼龙66或尼龙1010。
本发明的优点是选用具有高孔隙率的热塑性尼龙无纺布作为层间增韧/隔离层，使树脂基体在热压成型过程中能够顺利的在增韧/隔离层中发生渗透和浸润，但增韧/隔离层与基体树脂不发生溶解和分相，仍然保持了完整的无纺布结构形式。进而，通过尼龙无纺布与基体树脂相互贯穿形成非反应诱导相分离的三维网络结构，起到层间增韧的作用，同时隔断了碳纤维增强体与金属层板之间的接触，起到了电化学阻隔作用，消除了碳纤维增强体与金属层板之间由于电位差的存在而导致的电化学腐蚀问题，使具有优异力学性能的碳纤维可用于制备纤维-金属层合板复合材料。
附图说明
图1是本发明层间增韧的碳纤维-金属层合板结构示意图，图中：1是金属层板，2是增韧/隔离层，3是碳纤维预浸料。
具体实施方式
如图1所示，所述的碳纤维-金属层合板至少包括两层金属层板1和一层碳纤维预浸料3，在碳纤维预浸料与金属层板之间均夹入一层面密度为15~20g/m2，厚度为30~40μm的尼龙无纺布作为增韧/隔离层2，其中尼龙分子量为4~6万，纤维直径为10~15μm。层合板的铺贴顺序为金属层板-增韧/隔离层-碳纤维预浸料-增韧/隔离层-金属层板，其它更多层数的碳纤维-金属层合板的叠放顺序依此类推，完成层合板铺贴后，利用热压罐成型工艺固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
其制备方法如下：
a)对金属层板进行表面毛化、溶剂擦洗去脂、酸洗及阳极化处理；
b)将碳纤维预浸料所用的环氧树脂基体溶解中溶剂中，配制为树脂重量含量为40%~50%的环氧树脂底胶；
c)在经过表面处理后的金属层板表面均匀的刷涂一层环氧树脂底胶，在40℃~60℃下干燥6h~8h，溶剂挥发后底胶厚度为15μm~20μm；
d)在一张金属层板涂覆了环氧树脂底胶的一面依次铺贴与金属层板等尺寸的增韧/隔离层、碳纤维环氧树脂预浸料、增韧/隔离层，将另一张等尺寸的金属层板涂覆底胶的一面与上述最上层的增韧/隔离层贴合，完成碳纤维-金属层合板的铺贴预制过程；
e)将完成铺贴的层合板预制体封入真空袋，在热压罐中完成固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
根据HB/Z 197-1991标准所规定的方法对铝合金层板进行表面毛化、去脂、酸洗及阳极化处理。在经过表面处理后的铝合金层板表面均匀的刷涂一层环氧树脂底胶，在60℃下干燥6h，溶剂挥发后底胶厚度为15μm。在一张铝合金层板涂覆了环氧树脂底胶的一面依次铺贴与铝合金层板等尺寸的尼龙6无纺布、T300级碳纤维环氧树脂预浸料、尼龙6无纺布，将另一张等尺寸的铝合金层板涂覆环氧树脂底胶的一面与上述最上层的尼龙6无纺布贴合，完成碳纤维-金属层合板的铺贴预制过程，将完成铺贴的层合板预制体封入真空袋，在热压罐中完成固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
实施例2：
根据HB/Z 197-1991标准所规定的方法对钛合金层板进行表面毛化、去脂、酸洗及阳极化处理。在经过表面处理后的钛合金层板表面均匀的刷涂一层环氧树脂底胶，在40℃下干燥8h，溶剂挥发后底胶厚度为15μm。在一张钛合金层板涂覆了环氧树脂底胶的一面依次铺贴与钛合金层板等尺寸的尼龙66无纺布、T700级碳纤维环氧树脂预浸料、尼龙66无纺布，将另一张等尺寸的钛合金层板涂覆环氧树脂底胶的一面与上述最上层的尼龙66无纺布贴合，完成碳纤维-金属层合板的铺贴预制过程，将完成铺贴的层合板预制体封入真空袋，在热压罐中完成固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
实施例3：
根据HB/Z 197-1991标准所规定的方法对合金钢层板进行表面毛化、去脂、酸洗及阳极化处理。在经过表面处理后的合金钢层板表面均匀的刷涂一层环氧树脂底胶，在50℃下干燥7h，溶剂挥发后底胶厚度为20μm。在一张合金钢层板涂覆了环氧树脂底胶的一面依次铺贴与合金钢层板等尺寸的尼龙1010无纺布、T700级碳纤维环氧树脂预浸料、尼龙1010无纺布，将另一张等尺寸的合金钢层板涂覆环氧树脂底胶的一面与上述最上层的尼龙1010无纺布贴合，完成碳纤维-金属层合板的铺贴预制过程，将完成铺贴的层合板预制体封入真空袋，在热压罐中完成固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
实施例4：
根据HB/Z 197-1991标准所规定的方法对铝合金层板进行表面毛化、去脂、酸洗及阳极化处理。在经过表面处理后的铝合金层板表面均匀的刷涂一层环氧树脂底胶，在60℃下干燥6h，溶剂挥发后底胶厚度为20μm。在一张铝合金层板涂覆了环氧树脂底胶的一面依次铺贴与铝合金层板等尺寸的尼龙66无纺布、T800级碳纤维环氧树脂预浸料、尼龙66无纺布，将另一张等尺寸的铝合金层板涂覆环氧树脂底胶的一面与上述最上层的尼龙66无纺布贴合，完成碳纤维-金属层合板的铺贴预制过程，将完成铺贴的层合板预制体封入真空袋，在热压罐中完成固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
实施例5：
根据HB/Z 197-1991标准所规定的方法对合金钢层板进行表面毛化、去脂、酸洗及阳极化处理。在经过表面处理后的合金钢层板表面均匀的刷涂一层环氧树脂底胶，在50℃下干燥7h，溶剂挥发后底胶厚度为20μm。在一张合金钢层板涂覆了环氧树脂底胶的一面依次铺贴与合金钢层板等尺寸的尼龙6无纺布、T300级碳纤维环氧树脂预浸料、尼龙6无纺布，将另一张等尺寸的合金钢层板涂覆环氧树脂底胶的一面与上述最上层的尼龙6无纺布贴合，完成碳纤维-金属层合板的铺贴预制过程，将完成铺贴的层合板预制体封入真空袋，在热压罐中完成固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
实施例6：
根据HB/Z 197-1991标准所规定的方法对钛合金层板进行表面毛化、去脂、酸洗及阳极化处理。在经过表面处理后的钛合金层板表面均匀的刷涂一层环氧树脂底胶，在40℃下干燥8h，溶剂挥发后底胶厚度为15μm。在一张钛合金层板涂覆了环氧树脂底胶的一面依次铺贴与钛合金层板等尺寸的尼龙1010无纺布、T300级碳纤维环氧树脂预浸料、尼龙1010无纺布，将另一张等尺寸的钛合金层板涂覆环氧树脂底胶的一面与上述最上层的尼龙1010无纺布贴合，完成碳纤维-金属层合板的铺贴预制过程，将完成铺贴的层合板预制体封入真空袋，在热压罐中完成固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
Claims (5)
1.一种层间增韧的碳纤维-金属层合板，其特征在于，所述的碳纤维-金属层合板至少包括两层金属层板和一层碳纤维预浸料，在碳纤维预浸料与金属层板之间均夹入一层面密度为15~20g/m2，厚度为30~40μm的尼龙无纺布作为增韧/隔离层，其中尼龙分子量为4~6万，纤维直径为10~15μm；层合板的铺贴顺序为金属层板-增韧/隔离层-碳纤维预浸料-增韧/隔离层-金属层板，其它更多层数的碳纤维-金属层合板的叠放顺序依此类推，完成层合板铺贴后，利用热压罐成型工艺固化得到层间增韧的碳纤维-金属层合板。
2.如权利要求1所述的一种层间增韧的碳纤维-金属层合板，其特征在于，所述的碳纤维预浸料中的纤维增强体为T300级碳纤维或T700级碳纤维或T800级碳纤维。
3.如权利要求1所述的一种层间增韧的碳纤维-金属层合板，其特征在于，所述的碳纤维预浸料中的基体树脂为高韧性环氧树脂。
4.如权利要求1所述的一种层间增韧的碳纤维-金属层合板，其特征在于，所述的金属层板是铝合金层板或钛合金层板或合金钢层板。
5.如权利要求1所述的一种层间增韧的碳纤维-金属层合板，其特征在于，所述的增韧/隔离层尼龙无纺布所用的热塑性高分子为尼龙6或尼龙66或尼龙1010。
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