[发明专利]一种连续纤维增强金属基复合材料的补强方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的补强方法。

背景技术

碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维等纤维增强铝合金、镁合金等金属基复合材料是一种新型的结构材料，具有比强度高、比刚度大、材料性能可设计等优点。但是纤维增强金属基复合材料的制备方法通常是逐层缠绕、逐层铺层或二维编织成型，这种复合材料构件具有固有的难以克服的各向异性的弱点：厚度方向的刚度和强度性能低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限水平低，这些是人们多年来一直希望解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决二维纤维增强金属基复合材料构件在厚度方向的刚度和强度性能低、面内剪切和层间剪切强度低、易分层、冲击韧性和损伤容限水平低的问题，提供一种连续纤维增强金属基复合材料的补强方法。

本发明的连续纤维增强金属基复合材料的补强方法是这样完成的：将纤维预制件制备完成后，在纤维预制件中加入金属丝，纤维预制件携带金属丝通过加热后进行金属液浸渗，冷却后即完成对连续纤维增强金属基复合材料的补强。

本发明的优点是：由于本发明的金属丝是在纤维预制件制备完毕之后金属液浸渗之前引入的，在后续的金属液浸渗过程中，金属丝将与液态基体金属发生界面反应，形成一定厚度的界面反应层，金属丝本身具有高强度高韧性而且与基体有较强的结合力，因而金属丝的存在有效地增强了纤维复合材料层间或厚度等薄弱方向上的强度，提高了纤维复合材料的层间强度、冲击韧性和损伤容限，有效地防止了复合材料分层开裂和剪切破坏。

附图说明

图1是本发明采用补强处理后的金属基复合材料横截面结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法是这样实现的：将纤维预制件2制备完成后，在纤维预制件2中加入金属丝1，纤维预制件2与复合材料基体3通过加热进行金属液浸渗，冷却后即完成对连续纤维增强金属基复合材料的补强。这样设计使高强度的金属丝1与复合材料基体3形成强界面结合，提高了纤维增强金属基复合材料厚度或层间等薄弱方向上的性能。由于金属丝1具有较高的刚度，可将其手工插入纤维预制件中，同时，纤维预制件中致密的纤维排布可使金属丝固定在纤维预制件中，不发生脱落；该工艺方法操作简便，无需特殊设备，避免了复杂的三维编织工艺，节省了材料制备成本。金属丝直径和数量可根据所需层间剪切强度来调整，同时，该工艺不受纤维预制件的形状及大小限制，适合于复杂结构的补强。金属丝1与纤维长度方向的夹角应不小于10°。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式在纤维预制件2中的厚度方向插入金属丝1。这样设计使金属丝1与复合材料基体3形成强界面结合，提高了纤维增强金属基复合材料厚度或层间等薄弱方向上的性能。由于金属丝1具有较高的刚度，可将其手工插入纤维预制件中，同时，纤维预制件中致密的纤维排布可使金属丝固定在纤维预制件中，不发生脱落。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的金属丝1沿着纤维预制件的纤维层间的垂直方向插入。利用金属丝本身高强度以及与复合材料基体发生强界面结合的物理特性，就像“钉钉子”一样在金属基复合材料纤维层间的垂直(薄弱)方向上“钉入”金属丝，金属丝的引入在纤维预制件二维铺设之后，在铺层的垂直方向上直接插入，由于在后续的金属液浸渗过程中，金属丝将与液态基体金属发生界面反应，形成一定厚度的界面反应层4，导致金属丝与基体有适当的结合力，同时金属丝的高强度有效地增强了复合材料薄弱方向上的力学性能，防止了复合材料分层开裂。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式在纤维预制件的多维缝合过程中将金属丝1缝合进去。传统的三维缝合方法是在三维缝合织物增强体中纤维束或纱线贯穿材料的长、宽、高三个方向，形成一个不分层的三维整体网状结构因而从根本上消除了层合复合材料的“层”，解决了层合复合材料的缺陷，为复合材料应用于结构件提供了广阔的前景。随着缝合技术的快速发展，已经出现四向、五向、七向和十一向增强织物结构。传统三维缝合结构复合材料由于其具有一系列无法替代的优点，广泛地应用于航空航天等高科技领域，但是从目前技术水平看，多向缝合预制件的缝合成本高、制备周期长、复杂结构无法缝合，是其进一步发展的主要障碍。本发明在纤维多维缝合的过程中将金属丝1缝合进去，是为了在后续的金属液浸渗过程中，金属丝1能与液态基体金属发生界面反应，形成一定厚度的界面反应层4，导致金属丝与基体有较强的结合力，同时金属丝的高强度有效地增强了复合材料薄弱方向上的力学性能，防止了复合材料分层开裂，同时解决了多向缝合预制件的缝合成本高、制备周期长、复杂结构无法缝合的问题。