專利名稱：一種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，屬于航天材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在近空間眾多的飛行器中，高超聲速飛行器具有高超聲速、高機(jī)動(dòng)的遠(yuǎn)程精確打擊能力，因此已成為世界軍事熱點(diǎn)，將引發(fā)未來戰(zhàn)爭(zhēng)概念和模式的革命，也將對(duì)人類生活產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。眾所周知，當(dāng)巡航導(dǎo)彈飛行速度為680 m/ s I 020 m/ s吋，彈體和彈翼蒙皮的表面溫度高達(dá)200で 300 0C ,常規(guī)的高強(qiáng)鋁合金(如2219、7050等)和環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料就不能滿足上述要求。材料技術(shù)是近空間高超聲速飛行器研發(fā)的關(guān)鍵?！盁帷笔顷P(guān)系高超聲速飛行器成敗的關(guān)鍵，“輕”是航空航天器追求的永恒主題。近空間中的大氣密度雖然比地面小，但由于速度高帶來的氣動(dòng)熱和氧化問題十分突出，近空間高超聲速飛行器需要在有氧和高溫環(huán)境下飛行數(shù)千秒，長時(shí)間的氣動(dòng)加熱使得頭部和翼緣等迎風(fēng)面部位的表面溫度超過1500°C，背風(fēng)面溫度則在300°C以上。目前高超聲速飛行器大多采用外層熱結(jié)構(gòu)和內(nèi)層冷結(jié)構(gòu)的形式，這就要求外層的放熱層具有一定的厚度，而內(nèi)層材料必須具有輕質(zhì)、高的高溫強(qiáng)度的性能特點(diǎn)。目前內(nèi)層主結(jié)構(gòu)如蒙皮、框架、桁條等基本采用鋁合金結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)的鋁合金材料在溫度大于120°C后其材料屬性有明顯降低。為適應(yīng)未來航天運(yùn)載器的發(fā)展需要，研發(fā)高溫環(huán)境下更高比強(qiáng)度和比模量、低密度新型蒙皮和內(nèi)層結(jié)構(gòu)材料是必然的選擇。由聚酰亞胺為基體制得的連續(xù)纖維復(fù)合材料，廣泛用于航天、航空器及火箭的結(jié)構(gòu)部件及發(fā)動(dòng)機(jī)零件，在380°C或更高的溫度下可以使用數(shù)百小時(shí)，短時(shí)間可以經(jīng)受400-500°C的高溫。與鈦合金相比，整流罩和尾翼的質(zhì)量可分別減輕約67 %和53 %。美國戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈的進(jìn)氣道和整流罩就是采用石墨纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料。但由于聚酰亞胺的脆性較大，從而影響其廣泛應(yīng)用。到目前為止，國內(nèi)沒有適用于超聲速飛行器內(nèi)層結(jié)構(gòu)減重和高溫性能的應(yīng)用需求的結(jié)構(gòu)材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，適用于超聲速飛行器內(nèi)層結(jié)構(gòu)減重和高溫性能的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，所述金屬板至少兩層，相鄰金屬板之間鋪設(shè)至少一層碳纖維復(fù)合材料層，金屬板為TC4鈦合金板,厚度為0. 2-0. 4mm,碳纖維復(fù)合材料層為碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料，厚度為0. 1-0. 2mm。所述金屬板為2 3層，碳纖維復(fù)合材料層為f 4層，碳纖維復(fù)合材料層的碳纖維排布方向與金屬板的長度方向之間的夾角為0° 45°。所述不同層的碳纖維復(fù)合材料層的碳纖維的排布方向相同或者相反。有益效果1、本發(fā)明提供的輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板綜合了鈦合金和碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，其比強(qiáng)度與鋁、鈦相比可減輕重量25% 35%、疲勞壽命及高溫強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單鈦合金板，且成本遠(yuǎn)低于纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，并具有耐腐蝕、阻燃、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，還能象常規(guī)金屬一樣進(jìn)行加工和修補(bǔ)，是理想的高音速飛行器結(jié)構(gòu)材料。2、本發(fā)明所用TC4鈦合金具有良好的高溫強(qiáng)度，可用于500°C的高溫；與鋁合金相比，具有高的比強(qiáng)度可降低外層防熱層的厚度，降低結(jié)構(gòu)重量。3、本發(fā)明提供的纖維金屬混雜層板除了具有輕質(zhì)、耐高溫的性能特點(diǎn)外，還具有優(yōu)異的抗疲勞性能。由于當(dāng)裂紋沿鈦合金層擴(kuò)展時(shí)，受復(fù)合材料層中碳纖維搭橋的影響，使得混雜層板的鈦合金層內(nèi)裂紋尖端的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子低于承受相同外載荷作用的單ー鈦合金板，因此層板的疲勞裂紋擴(kuò)展速率低于單ー鈦合金板。4、本發(fā)明所用的碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料，熱固性聚酞亞胺為PMR型，如PMR-15和KH-304系列，其熱膨脹系數(shù)在2X 10_5 — 3X 10_5°C，其開始分解溫度一般都在500°C左右，相對(duì)密度1. 39 1. 45，長期工作溫度可達(dá)316°C。因而碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐熱氧化穩(wěn)定性能、高溫下突出的力學(xué)性能、耐輻射性能以及很好的化學(xué)物理穩(wěn)定性。5、本發(fā)明所提供的纖維金屬混雜層板可用于高超聲速飛行器的內(nèi)層結(jié)構(gòu)材料，如蒙皮、框架、桁條等。也可用來作為面板材料制備三明治結(jié)構(gòu)，用于輕型防弾裝甲和船艦等。


圖1 :實(shí)施例1輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板結(jié)構(gòu)示意 圖2 :實(shí)施例2輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板結(jié)構(gòu)示意 圖3 :實(shí)施例3輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板結(jié)構(gòu)示意 圖4 :實(shí)施例4輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板結(jié)構(gòu)示意 圖5 :實(shí)施例5輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板結(jié)構(gòu)示意 圖6 :實(shí)施例6輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板結(jié)構(gòu)示意 圖7 :實(shí)施例7輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板結(jié)構(gòu)示意圖；其中1_金屬板，2-碳纖維復(fù)合材料層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 :
ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，如圖1所不，金屬板I為兩層，碳纖維復(fù)合材料層2為ー層，一層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維的排布方向與金屬板I的長度之間的夾角為0°。碳纖維復(fù)合材料層為碳纖維增強(qiáng)聚酞亞胺(PMR-15)。由于沿碳纖維方向的復(fù)合材料層的抗拉強(qiáng)度較高，因此，此實(shí)施方案提供的層板具有較高比強(qiáng)度，同時(shí)又具有較高的沿碳纖維復(fù)合材料層2中碳纖維方向的斷裂強(qiáng)度以及高疲勞強(qiáng)度，適用于單向承載的場(chǎng)合。實(shí)施例2
ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，如圖2所示，金屬板I為兩層，碳纖維復(fù)合材料層2為兩層，兩層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為0°。碳纖維復(fù)合材料層為碳纖維增強(qiáng)聚酞亞胺(KH — 304)。由于具有這種垂直交叉排布的復(fù)合材料層具有優(yōu)異的抗沖擊和疲勞性能，以及各向同性的特征。因此，此實(shí)施方案提供的層板具有較高比強(qiáng)度、高沖擊韌性以及高疲勞強(qiáng)度，適用于各個(gè)方向受カ均勻的場(chǎng)合。實(shí)施例3:
ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，如圖3所示，金屬板I為兩層，碳纖維復(fù)合材料層2為兩層，兩層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為45°。由于具有這種45°垂直交叉排布的復(fù)合材料層具有優(yōu)異的剪切及偏軸性能，以及各向同性的特征。因此，此實(shí)施方案提供的層板具有較高比強(qiáng)度、高剪切強(qiáng)度、高的偏軸性能，適用于各個(gè)方向受カ均勻的場(chǎng)合。實(shí)施例4:
ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，如圖4所示，金屬板I為三層，碳纖維復(fù)合材料層2為兩層，兩層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維的排布方向相同，姆層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為0°。和實(shí)施例1比較，此實(shí)施方案多鋪設(shè)了ー層鈦合金，因而提供的層板具有較高的抗沖擊性能、較高比強(qiáng)度，同時(shí)又具有較高的沿碳纖維復(fù)合材料層2中碳纖維方向的斷裂強(qiáng)度以及高疲勞強(qiáng)度，適用于單向承載的場(chǎng)合。實(shí)施例5:
ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，如圖5所示，金屬板I為三層，碳纖維復(fù)合材料層2為兩層，兩層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為O。。和實(shí)施例2比較，此實(shí)施方案多鋪設(shè)了ー層鈦合金，因而提供的層板具有優(yōu)異的抗沖擊韌性、較高比強(qiáng)度以及高疲勞強(qiáng)度，適用于各個(gè)方向受カ均勻的場(chǎng)合。實(shí)施例6:
ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，如圖6所示，金屬板I為三層，碳纖維復(fù)合材料層2為四層，兩層相鄰碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為0°。和實(shí)施例2比較，此實(shí)施方案多鋪設(shè)了ー層鈦合金及ー層垂直交叉排布的復(fù)合材料層，因而提供的層板具有優(yōu)異的抗沖擊韌性、較高比強(qiáng)度以、高的剪切強(qiáng)度以及良好的偏軸性能，適用于各個(gè)方向均勻受カ的場(chǎng)合。實(shí)施例7:
ー種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，如圖7所示，金屬板I為三層，碳纖維復(fù)合材料層2為四層，兩層相鄰碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復(fù)合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為45°。和實(shí)施例3比較，此實(shí)施方案多鋪設(shè)了ー層鈦合金及ー層45°垂直交叉排布的復(fù)合材料層因此，此實(shí)施方案提供的層板具有更高的剪切強(qiáng)度，更好的偏軸性能、較高比強(qiáng)度以及較高的抗沖擊韌性，適用于各個(gè)方向受カ均勻的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板(I)和碳纖維復(fù)合材料層(2)組成，其特征在于所述金屬板(I)至少兩層，相鄰金屬板(I)之間鋪設(shè)至少一層碳纖維復(fù)合材料層(2)，金屬板(I)為TC4鈦合金板，厚度為O. 2-0. 4_，碳纖維復(fù)合材料層(2)為碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料，厚度為O. 1-0. 2mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，其特征在于所述金屬板(I)為2 3層，碳纖維復(fù)合材料層(2)為1 4層，碳纖維復(fù)合材料層(2)的碳纖維排布方向與金屬板(I)的長度方向之間的夾角為0° 45°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，其特征在于所述不同層的碳纖維復(fù)合材料層(2)的碳纖維的排布方向相同或者相反。
全文摘要
一種輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復(fù)合材料層組成，金屬板至少兩層，相鄰金屬板之間鋪設(shè)至少一層碳纖維復(fù)合材料層，金屬板為TC4鈦合金板，厚度為0.2-0.4mm，碳纖維復(fù)合材料層為碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料，厚度為0.1-0.2mm。金屬板為2~3層，碳纖維復(fù)合材料層為1~4層，碳纖維復(fù)合材料層的碳纖維排布方向與金屬板的長度方向之間的夾角為0o~45o。本發(fā)明輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，比強(qiáng)度與鋁、鈦相比可減輕重量25%～35%，疲勞壽命及高溫強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單鈦合金板，且成本遠(yuǎn)低于纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，并具有耐腐蝕、阻燃、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，是理想的高音速飛行器結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號(hào)B32B9/04GK103009717SQ2012105031
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者潘蕾, 陶杰, 汪濤, 蔣建輝, 徐鳳娟, 楊棟棟 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)