CN104015917A - 一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板，所述纤维铝锂合金层板由铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板依次互相交替铺层通过底胶粘合制成。或由铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板依次互交替铺层通过底胶粘合而成。本发明采用铝锂合金板（2060或2198）为原料制的纤维铝合金层板，用作飞机壁板具有高强度、高抗损伤容限、高静强度等优点，显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比。本发明采用新型的磷酸或硫酸阳极化处理工艺，使层板的制备更加环保。制备方法简单易行，宜于工业化生产，有较大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料，具体涉及纤维铝锂合金层板，尤其涉及一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板及其制备方法。
背景技术
结构减重和提高飞机使用寿命是当前大型高性能商用客机研制的重点问题，因此，如何研制密度小和具有高损伤容限的材料有重要的意义。
飞机壁板是飞机的重要结构件之一，飞机壁板最早采用的金属材料为2024和7075铝合金，它们具有密度小，加工性能好且价格便宜的特点，但是，疲劳寿命较差和损伤容限性能较差。为克服所述铝合金的缺点，相继开发了适用于蒙皮的新材料。第一类是空客A350和庞巴迪系列飞机将采用的第三代铝锂合金（2198或2060），该系列的铝锂合金相对于铝合金（2024或7075），具有密度小、比强度高、比刚度高、损伤容限好，耐腐蚀等优点。采用用铝锂合金（2198或2060），可以使结构质量减轻15%，刚度提高30%，能显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比，进而显著提高飞行器的载重性能和机动性能。第二类是采用树脂基复合材料，此类材料相对于铝合金材料，具有密度小，疲劳寿命高等优点，但是树脂基复合材料的抗冲击能力较差、加工性能较差且价格昂贵。第三类是采用铝合金薄板（2024或7075铝合金）和纤维复合材料预浸料制备的纤维铝合金层板。该层板同时具备树脂基复合材料和铝合金的优点，与传统的铝合金材料相比，结构减重达25%-30%，疲劳寿命提高10-20倍，已经在波音和空客的机型得到应用。因此，研究采用铝锂合金（2060或2198）替代上述纤铝合金纤维层板中的铝合金（2024或7075）以及进一步优化层板制备工艺，设计一种新型高强度高抗损伤容限的铝锂合金纤维层板，有着重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述不足之处，研究设计一种用作飞机壁板的优化的高强度高损伤容限的纤维铝锂合金层板以及制备方法。
本发明提供了一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板，所述纤维铝锂合金层板由铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板（2/1结构，即2层铝锂合金板与1层纤维预浸料组成）相互交替铺层通过底胶粘合而成，或由铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板（3/2结构，即3层铝锂合金板与2层纤维预浸料组成）互交替铺层通过底胶粘合而成。
本发明纤维铝锂合金层板所述铝锂合金板选自2198或2060铝锂合金板，厚度为0.2~0.5mm。
本发明纤维铝锂合金层板所述纤维预浸料由纤维和树脂基体组成，所述纤维选自碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维预浸料，优选玻璃纤维；树脂基体为环氧树脂。所述纤维在预浸料中的含量为40%-70%V/V。 可以通过市售购得。
所述纤维预浸料中的纤维为单层或双层，所述单层纤维的厚度为0.2~0.5mm。
所述双层纤维之间的方向为0°、45°或90°夹角。
本发明的另一目的是提供了一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板的制备方法，该方法包括下列步骤：
（一）铝锂合金板处理：
（1）铝锂合金板进行磷酸或硫酸阳极化处理：
所述铝锂合金板进行磷酸（H3PO4）阳极化处理：阳极化处理槽液中，磷酸质量百分数为100~160g/L，阳极化温度为15-35℃，阳极化直流电压为10-20V，阳极化时间为15-30min；或
所述铝锂合金板进行硫酸H3SO4阳极化处理：阳极化处理槽液中，硫酸质量百分数为35~65g/L，阳极化温度为15-35℃，阳极化直流电压为10-20V，阳极化时间为15-30min；
（2） 铝锂合金板进行酸阳极化处理后，在水中冲洗5-10min，在50~70℃的烘箱中烘烤15min；
（3）经过阳极化处理的铝锂合金板的一侧表面均匀涂刷一层底胶，烘干；所述底胶为环氧树脂，底胶的使用量为100~300g/铝锂合金板m2，烘干温度为80~100℃，烘干时间为4~8小时；
（二）制备纤维铝锂合金层板
（1）将步骤（一）处理过的铝锂合金板与市售购得的的预浸料依次互相交替铺层，通过底胶环氧树脂粘合，制得纤维铝锂合金层板，保存于真空袋内（真空压差为0.095-0.100MPa，所述底胶的使用量为100~300g/纤维铝锂合金层板m2；
（2）粘合好的纤维铝锂合金层板进行加热加压固化：上述保存纤维铝锂合金层板的真空袋匀速升温到20℃-40℃温度，并保温10-20min，再加压至0.6-1MPa，升温到160-200℃温度并保温1-3小时，固化结束后冷却到室温，除去真空袋，制得纤维铝锂合金层板。
本发明方法所述步骤（一）铝锂合金板进行磷酸或硫酸阳极化处理之前，铝锂合金板按常规方法进行去油污和脱氧处理，然后进行磷酸或硫酸阳极化处理。
本发明有以下积极的效果：
(1) 本发明纤维铝锂合金层板采用铝锂合金（2060或2198）的密度比铝合金（2024或7075）的密度小10-15%，可以进一步降低纤维铝合金层板的密度，从而进一步提高此类层板的比强度。
(2) 铝锂合金（2060或2198）的耐腐蚀性能比铝合金（2024或7075）的耐腐蚀性能好，可以进一步增强纤维铝锂合金层板的耐腐蚀性能。
(3) 铝锂合金（2060或2198）的抗损伤容限性能比铝合金（2024或7075）的抗损伤容限性能高，可以进一步提高纤维铝锂合金层板的抗损伤容限性能。
(4) 铝锂合金（2060或2198）的静强度比铝合金（2024或7075）的静强度高，采用铝锂合金（2060或2198）可以进一步提高纤维铝锂合金层板的静强度。
(5) 本发明提供的纤维铝锂合金层板替代现有的铝合金板用作飞机壁板具有高强度高抗损伤容限等优点。
(6) 本发明提供的纤维铝锂合金层板替代现有的铝合金板用作飞机壁板，能显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比，有利于飞行。
(7) 本发明采用新型环保的磷酸或硫酸阳极化铝锂合金板处理工艺，使层板的制备工艺更加环保。
本发明提供的纤维铝锂合金层板用作飞机壁板具有高强度高抗损伤容限等优点，显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比。本发明制备方法简单易行，宜于工业化生产，有较大的应用价值。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作详细描述。
下面实施例所用2198铝锂合金板通过市售购得（美国铝业公司）。
购得的2198铝锂合金板均需按常规方法处理：先用丙酮洗去油污，再用三酸脱氧（三酸为硝酸、铬酸和氢氟酸酸，按照质量比为3:1:2配三酸溶液）
实施例1
材料：2198铝锂合金层板，厚度0.2mm
玻璃纤维预浸料组成为玻璃纤维（市售，珠海玻纤）和环氧树脂（市售，上海忠康公司），纤维体积含量为50%，玻璃纤维预浸料的层厚为0.3mm。
制备：第一步：将铝锂合金板500×1000mm在阳极化槽内（科普达牌 ）进行磷酸阳极化处理：H3PO4质量百分数为130g/L，阳极化温度为25℃，阳极化直流电压为15V，阳极化时间为20min。阳极化处理之后用净水冲洗铝锂合金板8min，再于60℃的烘箱中烘烤15min。
第二步: 在阳极化处理后的2198铝锂合金层板的一侧表面均匀涂刷一层环氧树脂底胶，底胶的使用量为200g/m2，涂有底胶的铝锂合金板的烘干温度为90℃，烘烤时间为6小时。之后将涂刷有底胶的铝锂合金层板与预浸料相互交替铺层成为一个整体，并利用真空袋将纤维铝合金层板内部形成一个真空系统（真空压差0.095MPa）。
第三步：加热加压固化：将装有纤维铝合金层板的真空袋匀速升温到比底胶的固化温度140℃，并保温15min，再加压至0.8MPa，最后升温到170℃并保温2小时，固化结束后冷却到室温（25℃），移去真空袋，制成纤维铝合金层板。
实施例2
材料：2060铝锂合金层板，厚度0.2mm；
玻璃纤维预浸料，组成为玻璃纤维和环氧树脂，纤维体积含量为50%，玻璃纤维预浸料的层厚为0.3mm。
设备同实施例1.
制备：第一步：将铝锂合金层板进行磷酸阳极化处理：H3PO4质量百分数为135g/L，阳极化温度为25℃，阳极化直流电压为15V，阳极化时间为20min。阳极化处理之后铝锂合金用净水冲洗8min，在60℃的烘箱中烘烤15min。
第二步: 在阳极化处理后的2060铝锂合金层板一侧表面均匀涂刷一层环氧树脂底胶，底胶的使用量为200g/m2，涂有底胶履历合金板的烘干温度为90℃，烘烤时间为6小时。之后将涂刷有底胶的铝锂合金板与预浸料接触并相互交替铺层成为一个整体，并利用真空袋将铺好的层板内部形成一个真空系统（真空压差0.095MPa）。
第三步：加热加压固化：将装有纤维铝合金层板的真空袋匀速升温到比底胶的固化温度140℃，并保温15min，再加压至0.8MPa，最后升温到170℃并保温2小时，固化结束后冷却到室温（25℃）。移去真空袋，制成纤维铝合金层板。
实施例3
材料：2198铝锂合金层板，厚度0.2mm；
玻璃纤维预浸料，组成为玻璃纤维和环氧树脂，纤维体积含量为50%，玻璃纤维预浸料的层厚为0.3mm。
制备：第一步：将下好料的铝锂合金层板进行硫酸阳极化处理：H3SO4质量百分数为50g/L，阳极化温度为25℃，阳极化直流电压为15V，阳极化时间为20min。阳极化处理之后铝锂合金层板用干净水冲洗8min，在60℃的烘箱中烘烤15min。
第二步: 在阳极化处理后的2198铝锂合金层板一侧表面均匀涂刷一层环氧树脂底胶，底胶的使用量为200g/m2，底胶的烘干温度为90℃，烘烤时间为6小时。之后将涂刷有底胶的铝锂合金层板与预浸料相互交替铺层成为一个整体，并利用真空袋将铺好的层板内部形成一个真空系统（真空压差0.095MPa）。
第三步：加热加压固化：将装有纤维铝合金层板的真空袋匀速升温到比底胶的固化温度140℃，并保温15min，再加压至0.8MPa，最后升温到170℃并保温2小时，固化结束后随炉冷却到室温（25℃）。移去真空袋，制成纤维铝合金层板。
实施例4
材料：2060铝锂合金层板，厚度0.2mm；
玻璃纤维预浸料，组成为玻璃纤维和环氧树脂，纤维体积含量为50%，玻璃纤维预浸料的层厚为0.3mm。
制备：第一步：将铝锂合金层板进行硫酸阳极化处理，阳极化工艺为：H3SO4质量百分数为55g/L，阳极化温度为25℃，阳极化直流电压为15V，阳极化时间为20min。阳极化处理之后铝锂合金用净水冲洗8min，在60℃的烘箱中烘烤15min。
第二步: 在阳极化处理后的2060铝锂合金板材一侧表面均匀涂刷一层环氧树脂底胶，底胶的使用量为200g/m2，底胶的烘干温度为90℃，烘烤时间为6小时。之后将涂刷有底胶的铝锂合金板与预浸料相互交替铺层成为一个整体，并利用真空袋将铺好的层板内部形成一个真空系统（真空压差0.095MPa）。
第三步：加热加压固化：将装有纤维铝合金层板的真空袋匀速升温到比底胶的固化温度140℃，并保温15min，再加压至0.8MPa，最后升温到170℃并保温2小时，固化结束后随炉冷却到室温（25℃）。移去真空袋，制成纤维铝合金层板。
Claims (6)
1.一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板，其特征在于，所述纤维铝锂合金层板由铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板依次互相交替铺层通过底胶粘合制成。
2.一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板，其特征在于，所述纤维铝锂合金层板由铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板-纤维预浸料-铝锂合金板结构依次互相交替铺层通过底胶粘合而成。
3.根据权利要求1或2所述的一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板，其特征在于，所述铝锂合金板选自2198或2060铝锂合金板，厚度为0.2~0.5mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板，其特征在于，所述纤维预浸料由纤维和树脂基体制成；所述纤维选自碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维预浸料；所述纤维在预浸料中的含量为50%；所述树脂基体为环氧树脂。
5.根据权利要求1或2所述的一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板，其特征在于，所述纤维预浸料为单层、双层或三层，所述单层纤维预浸料的厚度为0.2~0.5mm；所述双层预浸料之间的纤维方向为方向0°、45°或90°夹角。
6.一种如权利要求1所述用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
（一）铝锂合金层板处理：
（1）铝锂合金板进行酸阳极化处理：
铝锂合金层板按常规方法：先用丙酮洗去油污，再用三酸脱氧处理，所述三酸为硝酸、铬酸和氢氟酸酸，按照质量比为3:1:2配三酸溶液，然后进行酸阳极化处理；
ⅰ、铝锂合金板进行磷酸（H3PO4）阳极化处理：磷酸质量百分数为100~160g/L，阳极化温度为15-35℃，阳极化直流电压为10-20V，阳极化时间为15-30min；或
ⅱ、铝锂合金板进行硫酸H3SO4阳极化处理：硫酸质量百分数为35~65g/L，阳极化温度为15-35℃，阳极化直流电压为10-20V，阳极化时间为15-30min；
铝锂合金板进行酸阳极化处理后，在水中冲洗5-10min，在50~70℃的烘箱中烘烤15min；
（3）经过阳极化处理的铝锂合金板的一侧表面均匀涂刷一层底胶，烘干；所述底胶为环氧树脂底胶的使用量为100~300g/m2，烘干温度为80~100℃，烘干时间为4~8小时；
（二）纤维预浸料制备：
所述纤维预浸料的纤维体积含量为50%，纤维预浸料的层厚度为0.2~0.5mm；
（三）制备纤维铝锂合金层板
（1）将步骤（一）处理过的铝锂合金板与步骤（二）制备的预浸料依次互相交替铺层，通过底胶环氧树脂粘合，制得纤维铝锂合金层板，保存于真空袋内，真空压差为0.095-0.100MPa，所述底胶的使用量为100~300g/m2；
（2）粘合好的纤维铝锂合金层板进行加热加压固化：真空袋匀速升温到20℃-40℃温度，并保温10-20min，再加压至0.6-1MPa，升温到120℃-140℃并保温1-3小时，固化结束后冷却到室温，移去真空袋，制得纤维铝锂合金层板。
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