碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，屬于復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】。碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法包括以下步驟：將金屬板與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料裁剪成所需大?。粚⒔饘侔宀倪M行清洗處理；對金屬板進行陽極氧化處理；在經(jīng)處理后的金屬板表面涂刷底膠并將涂好底膠后的金屬板與預(yù)浸料交替鋪層放入模具中；對鋪層后的金屬板與預(yù)浸料加溫加壓進行固化；固化結(jié)束后自然降溫得到碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板。本發(fā)明方法制備出的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板，具有優(yōu)良的耐高溫耐疲勞特性，并且成本遠低于碳纖維增強的復(fù)合材料，并具有耐腐蝕、阻燃、耐沖擊等有點，能夠廣泛應(yīng)用與航空航天領(lǐng)域。
【專利說明】碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種纖維金屬層板制備方法，具體講是一種碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，屬于復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]纖維金屬層合板(Fiber-Metal Laminates,簡稱FMLs)是一種由金屬薄板層和纖維復(fù)合材料層交替鋪設(shè)后，在一定溫度和壓力下形成的一種層間混雜復(fù)合材料體系。FMLs綜合了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料和金屬材料的特點，彌補了單一復(fù)合材料和金屬材料的不足，不但具有高比剛度和比強度，還具有金屬材料的韌性和可加工性，而FMLs的優(yōu)良的疲勞和損傷容限性能，更使其成為飛機結(jié)構(gòu)所需材料的理想選擇。
[0003]FMLs是由金屬薄板層和纖維復(fù)合材料層交替鋪設(shè)而成的，實際上是一個材料體系。通過改變金屬種類、纖維體系、樹脂體系、纖維取向、鋪疊次序、表面處理及固化后預(yù)拉伸的程度等，可以得到多種組合。正因為設(shè)計性如此之強，可供開發(fā)的層合板種類也就非常之多，而其中成功產(chǎn)品化、商業(yè)化的Arall(芳綸纖維-鋁合金層板)和Glare(玻璃纖維-鋁合金層板)層合板已經(jīng)廣泛用于航空航天領(lǐng)域。
[0004]現(xiàn)階段，應(yīng)用最廣泛的是第二代纖維金屬層板Glare層板。而Glare層板中所采用的樹脂基體為環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂在高溫下易分解，導(dǎo)致Glare層板在高溫下性能不穩(wěn)定，且其增強纖維玻纖的模量不高，限制了 Glare的進一步應(yīng)用及發(fā)展。針對這一問題，各國繼續(xù)開展纖維金屬層板的研發(fā)工作。在第31屆國際航天科學(xué)研討和展示上，美國伊利諾伊大學(xué)發(fā)表了一篇名為“Al/石墨一環(huán)氧混雜材料試樣的設(shè)計和制作”的論文，報道中表明其研制成功了具有更高模量、更低密度的Al/石墨一環(huán)氧混雜材料。這意味著纖維金屬層板中的玻纖將逐漸被強度和模量更高的碳纖維甚至石墨纖維所取代。
[0005]為了滿足高溫服役條件的要求，耐高溫樹脂基層板的制備與性能亟待研究。聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料因其優(yōu)異的耐高溫性能和良好的力學(xué)性能在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2012年11月30日，中國發(fā)明專利申請CN103009717公開了一種輕質(zhì)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，本發(fā)明輕質(zhì)耐高溫碳纖維金屬混雜層板，比強度與鋁、鈦相比可減輕重量25%?35%，疲勞壽命及高溫強度遠高于單鈦合金板，且成本遠低于纖維增強的復(fù)合材料。傳統(tǒng)方法制備的纖維金屬層板適用溫度低，層間結(jié)合耐久性能較差，導(dǎo)致成品纖維金屬層板抗沖擊和耐疲勞性能較差且制備過程繁瑣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種制備方便、成品耐高溫、耐疲勞、耐沖擊特性好的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，包括以下步驟: 1)、將金屬板與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料裁剪成所需大小；
2)、將金屬板進行清洗處理；
3)、對步驟2)清洗后金屬板表面進行陽極氧化處理；
4)、在步驟3)處理后的金屬板表面涂刷粘連劑，并將金屬板與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料交替鋪層放入模具中；
5)、對鋪層后的金屬板與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料加溫加壓進行固化處理；
6)、固化結(jié)束后自然降溫得到碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板。
[0008]本發(fā)明中，所述金屬板可為TA^TA2、TA18或TC4。
[0009]本發(fā)明中，所述金屬板的厚度為0.2-0.5mm ；
本發(fā)明中，所述步驟2)清洗過程依次為:超聲波清洗、丙酮擦洗、堿洗和酸洗。
[0010]本發(fā)明中，所述堿洗過程為:將金屬板浸入濃度為25-30g/L的氫氧化鈉和濃度為25-30g/L的碳酸鈉組成的堿液中，清洗0.5-lmin，溫度50_60°C，之后用清水漂洗2_5min。
[0011]本發(fā)明中，所述酸洗方法為將金屬板浸入濃度為350g/L的硝酸和濃度為60g/L的氫氟酸組成的酸液中浸泡2-5min,后用清水漂洗2_5min ；
本發(fā)明中，所述步驟3)中陽極氧化處理過程為將金屬板連接電源的正極，電解槽作對電極連接電源的負極，在電解槽中加入電解液，通電對金屬板進行陽極氧化。
[0012]本發(fā)明中，所述步驟4)中預(yù)浸料鋪層方向與金屬板材軋制方向夾角為0°、±45° 或 90°。
[0013]本發(fā)明中，所述步驟5)中的固化過程為:
1)、將模具升溫到80°C，保溫Ih；
2)、將模具升溫到120°C，保溫Ih；
3)、將模具升溫到160°C，保溫Ih；
4)、將模具升溫到200°C，保溫lh，同時施加接觸壓；
5)、將模具升溫到280°C，同時施加1.5-3MPa的壓力，保溫保壓30min ；
6)、將模具升溫到320°C，保溫保壓2h。
[0014]本發(fā)明有益效果在于:(1)、本發(fā)明方法制得的纖維金屬層板，具有優(yōu)良的耐高溫耐疲勞特性，并且成本遠低于碳纖維增強的復(fù)合材料,并具有耐腐蝕、阻燃、耐沖擊等有點，能夠廣泛應(yīng)用與航空航天領(lǐng)域；(2)、本發(fā)明方法操作方便，裝置結(jié)構(gòu)簡單，其纖維金屬層板生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，具有重要的工程應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法流程圖；
圖2為本發(fā)明金屬板與預(yù)浸料鋪層順序示意圖1 ;
圖3為本發(fā)明金屬板與預(yù)浸料鋪層順序示意圖2 ；
圖中:1_上模、2-金屬板、3-預(yù)浸料、4-下模。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步介紹。
[0017]實施例1 如圖1、2所示，本發(fā)明碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法如下:
第一步:將0.3mm厚的TA2 2板材與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3均裁剪成300mmX 300mm 大??；
第二步:用超聲波清洗除去TA22表面雜質(zhì)，用丙酮擦洗去除表面油污雜質(zhì)，將金屬板浸入濃度為25-30g/L的NaOH (氫氧化鈉)和濃度為25_30g/L的Na2CO3 (碳酸鈉)組成的堿液中，清洗0.5-lmin，溫度50_60°C，之后用清水漂洗2_5min，將TA2放入濃度為300_500g/L的HN03 (硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2_5min ；
第三步:將TA22連接電源的正極，不銹鋼片作對電極連接電源的負極，將NaOH (氫氧化鈉)300 g/L、酒石酸鈉65g/L、EDTA (乙二胺四乙酸)30g/L、Na2Si03 (硅酸鈉)6g/L作為電解液倒入電解槽內(nèi)，通電對內(nèi)外管進行陽極氧化，以獲取與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3結(jié)合緊密的表面結(jié)構(gòu)，陽極氧化結(jié)束將TA22清洗晾干待用；
第四步:在第三步得到的TA22表面涂刷底膠，并與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3按圖2所示的順序交替鋪層，其中纖維方向與TA22板材軋制方向夾角為0°，之后將模具的上模I與下模4合模；
第五步:將模具升溫到80°C、保溫lh，隨后將模具升溫至120°C、保溫lh，隨后將模具升溫至160°C、保溫lh，隨后將模具升溫至200°C、施加接觸壓并保溫lh，隨后將模具升溫至280°C、施加1.5MPa壓力并保溫30min，隨后將模具升溫至320°C，保持1.5MPa壓力并保溫2h ；
第六步:固化結(jié)束后自然降溫得到碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板。
[0018]實施例2
如圖1、2所示，本發(fā)明碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法如下:
第一步:將0.4mm厚的TAf板材與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3裁剪成300mmX 300mm大?。?br> 第二步:用超聲波清洗除去TAf表面雜質(zhì)，用丙酮擦洗去除表面油污雜質(zhì)，將金屬板浸入濃度為25-30g/L的NaOH (氫氧化鈉)和濃度為25_30g/L的Na2CO3 (碳酸鈉)組成的堿液中，清洗0.5-lmin，溫度50_60°C，之后用清水漂洗2_5min，將TA2放入濃度為300_500g/L的HN03 (硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2_5min ；
第三步:將TA1I連接電源的正極，不銹鋼片作對電極連接電源的負極，將NaOH (氫氧化鈉)300 g/L、酒石酸鈉65g/L、EDTA (乙二胺四乙酸)30g/L、Na2Si03 (硅酸鈉)6g/L作為電解液倒入電解槽內(nèi)，通電對內(nèi)外管進行陽極氧化，以獲取與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3結(jié)合緊密的表面結(jié)構(gòu)，陽極氧化結(jié)束將TAf清洗晾干待用；
第四步:在第三步得到的TAf表面涂刷底膠，并與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3按圖2所示的順序交替鋪層，其中纖維方向與TAf板材軋制方向夾角為90°，之后將模具的上模I與下模4合模；
第五步:將模具升溫到80°C、保溫lh，隨后將模具升溫至120°C、保溫lh，隨后將模具升溫至160°C、保溫lh，隨后將模具升溫至200°C、施加接觸壓并保溫lh，隨后將模具升溫至280°C、施加3MPa壓力并保溫30min，隨后將模具升溫至320°C，保持3MPa壓力并保溫2h ；第六步:固化結(jié)束后自然降溫得到碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板。
[0019]實施例3 如圖1、2所示，本發(fā)明碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法如下:
第一步:將0.2mm厚的TC4 2板材與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3裁剪成10mmX 10mm大??；
第二步:用超聲波清洗除去TC4 2表面雜質(zhì)，用丙酮擦洗去除表面油污雜質(zhì)，將金屬板浸入濃度為25-30g/L的NaOH (氫氧化鈉)和濃度為25_30g/L的Na2CO3 (碳酸鈉)組成的堿液中，清洗0.5-lmin，溫度50_60°C，之后用清水漂洗2_5min，將TC4放入濃度為300_500g/L的HN03 (硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2_5min ；
第三步:將TC4 2連接電源的正極，不銹鋼片作對電極連接電源的負極，將NaOH (氫氧化鈉)300 g/L、酒石酸鈉65g/L、EDTA (乙二胺四乙酸)30g/L、Na2Si03 (硅酸鈉)6g/L作為電解液倒入電解槽內(nèi)，通電對內(nèi)外管進行陽極氧化，以獲取與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3結(jié)合緊密的表面結(jié)構(gòu)，陽極氧化結(jié)束將TC4 2清洗晾干待用；
第四步:在第三步得到的TC4 2表面涂刷底膠，并與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3按圖2所示的順序交替鋪層，其中纖維方向與TC4 2板材軋制方向夾角為45°，之后將模具的上模I與下模4合模；
第五步:將模具升溫到80°C、保溫lh，隨后將模具升溫至120°C、保溫lh，隨后將模具升溫至160°C、保溫lh，隨后將模具升溫至200°C、施加接觸壓并保溫lh，隨后將模具升溫至280°C、施加2.2MPa壓力并保溫30min，隨后將模具升溫至320°C，保持1.5MPa壓力并保溫2h ；
第六步:固化結(jié)束后自然降溫得到碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板。
[0020]實施例4
如圖1、3所示，本發(fā)明碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法如下:
第一步:將0.3mm厚的TA182板材與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料3裁剪成300mmX300mm大??；
第二步:用超聲波清洗除去TA182表面雜質(zhì)，用丙酮擦洗去除表面油污雜質(zhì)，將金屬板浸入濃度為25-30g/L的NaOH (氫氧化鈉)和濃度為25_30g/L的Na2CO3 (碳酸鈉)組成的堿液中，清洗0.5-lmin，溫度50_60°C，之后用清水漂洗2_5min，將TA2放入濃度為300_500g/L的HN03 (硝酸)中浸泡2-5min，然后用清水漂洗2_5min ；
第三步:將TA182連接電源的正極，不銹鋼片作對電極連接電源的負極，將NaOH (氫氧化鈉)300 g/L、酒石酸鈉65g/L、EDTA (乙二胺四乙酸)30g/L、Na2Si03 (硅酸鈉)6g/L作為電解液倒入電解槽內(nèi)，通電對內(nèi)外管進行陽極氧化，以獲取與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料結(jié)合緊密的表面結(jié)構(gòu)，陽極氧化結(jié)束將TA182清洗晾干待用；
第四步:在第三步得到的TA182表面涂刷底膠，并與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料2按圖3所示的順序交替鋪層，其中纖維方向與TA182板材軋制方向夾角為0°，之后將模具的上模I與下模4合模；
第五步:將模具升溫到80°C、保溫lh，隨后將模具升溫至120°C、保溫lh，隨后將模具升溫至160°C、保溫lh，隨后將模具升溫至200°C、施加接觸壓并保溫lh，隨后將模具升溫至280°C、施加1.5MPa壓力并保溫30min，隨后將模具升溫至320°C，保持1.5MPa壓力并保溫2h ；
第六步:固化結(jié)束后自然降溫得到碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)、將金屬板與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料裁剪成所需大小； 2)、將金屬板進行清洗處理； 3)、對步驟2)清洗后金屬板表面進行陽極氧化處理； 4)、在步驟3)處理后的金屬板表面涂刷粘連劑，并將金屬板與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料交替鋪層放入模具中； 5)、對鋪層后的金屬板與碳纖維增強聚酰亞胺預(yù)浸料加溫加壓進行固化處理； 6)、固化結(jié)束后自然降溫得到碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于:所述金屬板可為TA^ TA2、TA18或TC4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于:所述金屬板的厚度為0.2-0.5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于:所述步驟2)清洗過程依次為:超聲波清洗、丙酮擦洗、堿洗和酸洗。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于所述堿洗過程為:將金屬板浸入濃度為25-30g/L的氫氧化鈉和濃度為25-30g/L的碳酸鈉組成的堿液中，清洗0.5-lmin，溫度50_60°C，之后用清水漂洗2_5min。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于所述酸洗方法為:將金屬板浸入濃度為350g/L的硝酸和濃度為60g/L的氫氟酸組成的酸液中浸泡2-5min，后用清水漂洗2_5min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于:所述步驟3)中陽極氧化處理過程為將金屬板連接電源的正極，電解槽作對電極連接電源的負極，在電解槽中加入電解液，通電對金屬板進行陽極氧化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于:所述步驟4)中預(yù)浸料鋪層方向與金屬板材軋制方向夾角為0°、土45°或90°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項所述的碳纖維增強聚酰亞胺基體纖維金屬層板制備方法，其特征在于:所述步驟5)中的固化過程為: 1)、將模具升溫到80°C，保溫Ih； 2)、將模具升溫到120°C，保溫Ih； 3)、將模具升溫到160°C，保溫Ih； 4)、將模具升溫到200°C，保溫lh，同時施加接觸壓； 5)、將模具升溫到280°C，同時施加1.5-3MPa的壓力，保溫保壓30min ； 6)、將模具升溫到320°C，保溫保壓2h。
【文檔編號】B32B37/10GK104191796SQ201410426478
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】陶杰, 胡玉冰, 潘蕾, 段理想, 駱心怡, 蔡雷, 朱建平 申請人:江蘇呈飛精密合金股份有限公司, 南京航空航天大學(xué)