具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構及方法
【專利摘要】本發明提供了一種具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其使用短纖維在復合材料和金屬材料之間進行增韌。在復合材料和金屬材料之間形成纖維“橋”，提供額外的連接。通過在裂紋尖端區域中纖維的橋連作用，提高材料的臨界斷裂強度。根據實驗觀測和理論建模，纖維界面增韌及其橋連作用可提高材料的抗分層、斷裂能力，即臨界應力強度因子、臨界斷裂強度、臨界能量釋放率等參數，減小分層及裂紋擴展的概率，進而提高整體結構的抗彎強度、能量吸收、沖擊韌性等能力。
【專利說明】具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復合材料與金屬材料組成的層合結構，尤其是碳纖維與金屬鋁材粘接良好，進而整體材料的抗彎強度、能量吸收、沖擊韌性等能力均有提高的層合結構及制備方法。
【背景技術】
[0002]目前公知的復合材料-金屬材料層合結構，由復合材料層和金屬材料層組成。其中復合材料層承受載荷的主要部分；金屬材料層主要選用金屬薄板、蜂窩或泡沫材料，提高整體層合結構的疲勞韌性、抗沖擊、熱力學或聲學功能性。然而，在工程應用中，復合材料和金屬材料的粘接部位經常發生破壞，使得整體結構的性能無法充分發揮，影響材料以及結構的使用。
[0003]對于復合材料，傳統的解決辦法是使用纖維束進行縫紉、“Z-PIN”等方式將材料從厚度方向上進行固定，但對于復合材料與金屬材料組成的層合結構，纖維束無法穿過金屬部分，造成這類厚度方向上的增韌無法實施，需尋求其他的增韌方法。

【發明內容】

[0004]發明目的:本發明提供一種具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構及方法，其目的是解決以往的復合材料與金屬材料組成的層合結構中在厚度方向上增韌無法實施的問題。
[0005]技術方案:本發明是通過以下技術方案實現的:
一種具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其特征是:由一層或多層復合材料層、金屬材料層和纖維增韌層構成，纖維增韌層設置在復合材料層與金屬材料層之間。
[0006]纖維增韌層材料使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料其中的一種或多種制成的微觀或納米纖維層；纖維增韌層的纖維直徑為3納米至100微米；纖維增韌層材料為連續纖維或不連續纖維；纖維增韌層面密度為不小于0.5克每平方米至100克每平方米。
[0007]纖維增韌層為隨機分布的纖維氈、墊或薄膜。
[0008]復合材料層可使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料制成的微觀或納米纖維；復合材料層可使用熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為粘接基體。
[0009]金屬材料使用各種幾何外形和曲率的光滑表面金屬材料、紋理表面金屬材料、金屬泡沫材料、多孔金屬材料中的一種或幾種。
[0010]增韌層纖維會在復合材料層與金屬層之間形成橋，提高粘接強度和韌性；對使用多孔金屬材料的結構，增韌層纖維還會搭載在多孔金屬的孔壁上，形成額外的圓角增韌結構。
[0011]制備上述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構的方法，其特征是:首先將增韌纖維剪切至2-30毫米長度，之后將低密度增韌纖維在空氣或液體中攪拌至均勻，之后等待纖維自然沉降或手工分布成均勻的氈、墊或薄膜。
[0012]將制成的纖維氈、墊或薄膜與熱固性樹脂或熱塑性樹脂擠壓制成纖維增韌層預浸料，再與復合材料預浸料、金屬材料一同按結構需要組裝成型；或將纖維氈、墊或薄膜與復合材料一同制成具有纖維增韌的預浸料，再與金屬材料組裝成型。
[0013]增韌用纖維與復合材料使用相同的樹脂，共固化成型，加工過程與現有層合材料加工過程無明顯區別，根據樹脂和結構尺寸按規范進行固化；采用共固化工藝使復合材料、纖維增韌材料和金屬材料緊密連接。
[0014]優點效果:本發明提供了一種具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其使用短纖維在復合材料和金屬材料之間進行增韌。在復合材料和金屬材料之間形成纖維“橋”，提供額外的連接。通過在裂紋尖端區域中纖維的橋連作用，提高材料的臨界斷裂強度。根據實驗觀測和理論建模，纖維界面增韌及其橋連作用可提高材料的抗分層、斷裂能力，即臨界應力強度因子、臨界斷裂強度、臨界能量釋放率等參數，減小分層及裂紋擴展的概率，進而提高整體結構的抗彎強度、能量吸收、沖擊韌性等能力。而且，采用3 - 12克每平方米的短纖維進行增韌，即可取得較好的效果，相比于單層纖維增強材料的重量(大于200克每平方米)，整體結構的重量增加很小，對材料比強度和比剛度不會造成影響。同時，增韌用纖維可與復合材料使用相同的樹脂作為基體、或直接在復合材料預浸料上添加纖維增韌層，全部材料使用相同的樹脂，可以共固化成型，加工過程與現有層合材料加工過程無明顯區別，因此方便在現有設計基礎上進行改進。
[0015]本發明的具體有益效果是:
1、與傳統復合材料-金屬材料組成的層合結構相比，本發明使用纖維在復合材料和金屬材料之間進行增韌。在復合材料和金屬材料之間形成纖維“橋”，提供額外的連接。通過在裂紋尖端區域中纖維的橋連作用，提高材料的臨界斷裂強度。
[0016]2、本發明全部材料可使用相同的樹脂，可以共固化成型，加工過程與現有層合結構加工過程無明顯區別，可根據樹脂和結構尺寸按規范進行固化，方便在現有設計基礎上進行改進。
[0017]3、本發明的適用范圍較廣，各種尺寸和形狀的層合結構均可適用。根據結構尺寸、載荷水平和對結構功能性的要求，可進行層合結構的設計，選用適當的纖維如碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等，以及不同的金屬材料形式如蜂窩、泡沫、型材等，使結構剛度、強度和功能性滿足要求。
[0018]4、本發明采用復合材料-金屬材料組成的層合結構，該結構疲勞韌性較好，可滿足長時間服役的需求。
[0019]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1是本發明纖維增韌層使用的纖維氈示意圖。
[0020]圖中:黑色為襯底，白色為增韌纖維。
[0021]圖2是本發明層合結構組裝/裝配示意圖。
[0022]圖中:黑色層為復合材料層，灰色多孔層為金屬材料層，兩層中間的為纖維增韌層。
[0023]圖3是本發明纖維增韌層橋聯作用示意圖。
[0024]圖中:上方黑色層為復合材料層，下方灰色層為金屬材料層，中間為纖維橋聯增韌區域。
[0025]圖4是本發明纖維增韌層對多孔材料的圓角增韌示意圖。
[0026]圖中:上方黑色層為復合材料層，下方無色層為多孔金屬材料層，中間區域和曲線為纖維圓角增韌區域。
[0027]【具體實施方式】:
如圖1所示，本發明提供一種具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，由一層或多層復合材料層、金屬材料層和纖維增韌層構成，纖維增韌層設置在復合材料層與金屬材料層之間。 [0028]纖維增韌層材料使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料其中的一種或多種制成的微觀或納米纖維層；纖維增韌層的纖維直徑為3納米至100微米；纖維增韌層材料為連續纖維或不連續纖維；纖維增韌層面密度為不小于0.5克每平方米至100克每平方米。
[0029]纖維增韌層為隨機分布的纖維氈、墊或薄膜；
復合材料層可使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料制成的微觀或納米纖維；復合材料層可使用熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為粘接基體。
[0030]金屬材料使用各種幾何外形和曲率的光滑表面金屬材料、有紋理表面金屬材料、金屬泡沫材料、多孔金屬材料中的一種或幾種。
[0031]一種具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構的制備方法，將制成的纖維氈、墊或薄膜與熱固性樹脂或熱塑性樹脂一同制成纖維增韌層預浸料，再與復合材料預浸料、金屬材料一同按結構需要組裝成型，或將纖維氈、墊或薄膜與復合材料一同制成具有纖維增韌的預浸料，再與金屬材料組裝成型。
[0032]增韌用纖維可與復合材料使用相同的樹脂作為基體、或直接在復合材料預浸料上添加纖維增韌層，全部材料可使用相同的樹脂，可以共固化成型，加工過程與現有層合材料加工過程無明顯區別，可根據樹脂和結構尺寸按規范進行固化。采用共固化工藝可以使復合材料、纖維增韌材料和金屬材料緊密連接。
[0033]如圖1，圖中為使用6毫米長度Kevlar纖維制成的纖維氈，其密度為3克每平方米。纖維氈制作方法為:在空氣或液體中攪拌低密度纖維至均勻，之后等待自然沉降或手工分布。
[0034]如圖2，圖中:黑色層為復合材料層，黃色層為纖維增韌層，灰色層為金屬材料層，層合材料組裝/裝配后進行共固化。
[0035]如圖3，圖中:上方黑色層為復合材料層，下方灰色層為金屬材料層，中間為纖維橋聯增韌區域。橋聯纖維存在于裂紋尖端部分直至裂紋張開較大部分。
[0036]如圖4，圖中:上方灰色層為復合材料層，下方無色層為多孔金屬材料層，中間黃色區域和曲線為纖維圓角增韌區域。增韌層纖維可搭載在多孔金屬的孔壁上，形成額外的“圓角增韌”，進而提高粘接強度。
[0037]根據試驗結果，無增韌層的碳纖維/環氧樹脂-6061鋁合金層合的界面臨界能量釋放率為174焦耳每平方米，采用本發明方式增韌(14毫米長、12克每平方米的Kevlar纖維氈)的層合結構臨界能量釋放率可達到441焦耳每平方米，臨界能量釋放率提高153%，結構重量僅增加0.01%。對碳纖維/環氧樹脂-Alporas泡沫鋁層合結構的實驗結果顯示 無增韌層的碳纖維/環氧樹脂-Alporas泡沫鋁層合結構的界面臨界能量釋放率為1518焦耳每平方米，采用本發明方式增韌(6毫米長、6克每平方米的Kevlar纖維氈)的層合結構臨界能量釋放率可達到2753焦耳每平方米，臨界能量釋放率提高81%，結構重量僅增加0.18%。同時，可提高層合結構在三點彎曲載荷下的極限載荷36%、總能量吸收性能80%。
【權利要求】
1.一種具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其特征是:由一層或多層復合材料層、金屬材料層和纖維增韌層構成，纖維增韌層設置在復合材料層與金屬材料層之間。
2.根據權利要求1所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其特征是:纖維增韌層材料使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料其中的一種或多種制成的微觀或納米纖維層；纖維增韌層的纖維直徑為3納米至100微米；纖維增韌層材料為連續纖維或不連續纖維；纖維增韌層面密度為不小于0.5克每平方米至100克每平方米。
3.根據權利要求1所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其特征是:纖維增韌層為隨機分布的纖維氈、墊或薄膜。
4.根據權利要求1所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其特征是:復合材料層可使用金屬、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料制成的微觀或納米纖維；復合材料層可使用熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為粘接基體。
5.根據權利要求1所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其特征是:金屬材料使用各種幾何外形和曲率的光滑表面金屬材料、紋理表面金屬材料、金屬泡沫材料、多孔金屬材料中的一種或幾種。
6.根據權利要求1所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構，其特征是:增韌層纖維會在復合材料層與金屬層之間形成橋，提高粘接強度和韌性；對使用多孔金屬材料的結構，增韌層纖維還會搭載在多孔金屬的孔壁上，形成額外的圓角增韌結構。
7.制備權利要求1所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構的方法，其特征是:首先將增韌纖維剪切至2-30毫米長度，之后將低密度增韌纖維在空氣或液體中攪拌至均勻，之后等待纖維自然沉降或手工分布成均勻的氈、墊或薄膜。
8.根據權利要求7所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構的制備方法，其特征是:將制成的纖維氈、墊或薄膜與熱固性樹脂或熱塑性樹脂擠壓制成纖維增韌層預浸料，再與復合材料預浸料、金屬材料一同按結構需要組裝成型；或將纖維氈、墊或薄膜與復合材料一同制成具有纖維增韌的預浸料，再與金屬材料組裝成型。
9.根據權利要求7所述的具有纖維界面增韌的復合材料-金屬材料層合結構的制備方法，其特征是:增韌用纖維與復合材料使用相同的樹脂，共固化成型，加工過程與現有層合材料加工過程無明顯區別，根據樹脂和結構尺寸按規范進行固化；采用共固化工藝使復合材料、纖維增韌材料和金屬材料緊密連接。
【文檔編號】B32B15/14GK103625040SQ201310532821
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月4日 優先權日:2013年11月4日
【發明者】孫直, 胡曉智 申請人:孫直, 胡曉智