[发明专利]碳纤维金属层合板

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维金属层合板。

背景技术

随着航天航空技术的发展，对可减少维护费用和减少飞行器结构重量，且具有更长的耐久性和更好的损伤容限的结构材料的需求越来越强烈。

当前飞行器的结构材料主要包括两类：一类为金属材料，它具有一定的刚度和强度，韧性和可加工性较好，可靠性高。常用的金属材料包括：铝及其合金作为航天航空工业中应用最高的金属材料，具有较高的强度、较高的断裂韧性、较强的阻止纤维断裂处的裂纹扩展能力及较强的抗腐蚀性，且成本低廉。铝合金通常用来制造导弹的蒙皮、弹翼和一些受力构件，如翼梁、桁条、翼肋等。美国铝制品公司为波音公司生产的6.4m长的空射巡航导弹AGM286B，其弹体的五分之四由薄壁铝合金铸件构成。F22战机采用了高性能铝合金705和2124，用作机体内部结构如框架、加强肋、腹板、接头件以及某些蒙皮等，其用量分别占前机身重量的50％、中机身重量的35％、后机身重量的22％、中央翼重量的23％。F-35战机上采用了两种可用于损伤容限设计的2524和71500铝合金，其总用量在30％至50％之间，占机体材料的主体地位。镁及其合金具有密度低、比强度高、具有良好的减振能力、优良的导热性和导电性、尺寸稳定性高且具有电磁屏蔽性，在航空、航天等领域中用量很大，如在GAR-1型隼式空对空导弹中，弹体部分是由镁材做成的。MD600N直升机的变速装置由于采用了镁合金，降低了重量，使其旋翼有了更大的升力。新型高温镁合金-WE43、WE54被广泛用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中，能在振动、沙尘、腐蚀、高温等比较恶劣的环境下服役。西科斯基公司的S-92型直升机和贝尔BA-609型倾旋翼飞机的部件入座椅、踏板等都用的是镁合金。但金属材料的缺点是质量较大，这无疑增加了飞行器的飞行成本，并且金属的疲劳性能也不尽如人意。另一类为复合材料，它具有很高的比刚度和比强度，疲劳性能好，耐腐蚀，阻燃。“科曼奇”直升机的机身有70％是由复合材料制成的。由国内三家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减少质量30％。北京航空制造工程研究所研制并生产的双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的热塑性树脂(PEEK)单向碳纤维预浸料及其复合材料，具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能，适合制造飞机主承力构件，可在120℃条件下长期工作，已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。尽管上述所述复合材料具有高比强度、高比模量的优点，但复合材料是各向异性材料，其高比强度、高比模量的性能是基于其单向层压板的测试数据而言的，即沿纤维铺层方向的纵向性能很高，而垂直于纤维方向的横向性能很低。实际应用时，必须根据构件的承载情况进行铺层设计，将纤维按一定的比例铺设在构件的0°(即纤维的铺设方向与构件的宽度方向一致)、±45°(即纤维的铺设方向与构件的宽度方向成±45°)或90°(即纤维的铺设方向与构件的宽度方向相垂直)等方向上，以同时满足构件的强度、刚度与抗扭、抗失稳的要求。但这样一来，材料的强度和模量大幅度下降。如T300增强环氧648复合材料经正交铺层设计后，其模量值将降低到接近铝合金的相应值。并且复合材料的抗冲击性能，高温性能较差。可见，常规的复合材料很难满足飞行器结构材料的要求。为了不断提高实用复合材料的力学性能，国外相继开发应用了高强度、高模量的碳纤维，Sic纤维及金属基复合材料。但这些材料由于价格昂贵，也很难在我国推广应用。截至目前为止，还没有既有高比强度和高比刚度，又具有较高的断裂韧性和可加工性的飞行器结构材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维金属层合板，以解决截至目前为止还没有既有高比强度和高比刚度，又具有较高的断裂韧性和可加工性，还有良好的疲劳性能的飞行器结构材料的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的层合板由至少两块金属板和至少一层碳纤维复合材料层组成；所述至少两块金属板叠放在一起，相邻两块金属板之间铺设一层与所述相邻两块金属板胶接的碳纤维复合材料层，金属板的厚度为0.2mm～0.4mm，碳纤维复合材料层的厚度为0.15mm。