[发明专利]具有纤维界面增韧的复合材料-金属材料层合结构及方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种复合材料与金属材料组成的层合结构，尤其是碳纤维与金属铝材粘接良好，进而整体材料的抗弯强度、能量吸收、冲击韧性等能力均有提高的层合结构及制备方法。

背景技术

目前公知的复合材料-金属材料层合结构，由复合材料层和金属材料层组成。其中复合材料层承受载荷的主要部分；金属材料层主要选用金属薄板、蜂窝或泡沫材料，提高整体层合结构的疲劳韧性、抗冲击、热力学或声学功能性。然而，在工程应用中，复合材料和金属材料的粘接部位经常发生破坏，使得整体结构的性能无法充分发挥，影响材料以及结构的使用。

对于复合材料，传统的解决办法是使用纤维束进行缝纫、“Z-PIN”等方式将材料从厚度方向上进行固定，但对于复合材料与金属材料组成的层合结构，纤维束无法穿过金属部分，造成这类厚度方向上的增韧无法实施，需寻求其他的增韧方法。

发明内容

发明目的：本发明提供一种具有纤维界面增韧的复合材料-金属材料层合结构及方法，其目的是解决以往的复合材料与金属材料组成的层合结构中在厚度方向上增韧无法实施的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有纤维界面增韧的复合材料-金属材料层合结构，其特征是：由一层或多层复合材料层、金属材料层和纤维增韧层构成，纤维增韧层设置在复合材料层与金属材料层之间。 

纤维增韧层材料使用金属、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料其中的一种或多种制成的微观或纳米纤维层；纤维增韧层的纤维直径为3纳米至100微米；纤维增韧层材料为连续纤维或不连续纤维；纤维增韧层面密度为不小于0.5克每平方米至100克每平方米。

纤维增韧层为随机分布的纤维毡、垫或薄膜。

复合材料层可使用金属、碳、玻璃、陶瓷或高分子材料制成的微观或纳米纤维；复合材料层可使用热固性树脂或热塑性树脂作为粘接基体。

金属材料使用各种几何外形和曲率的光滑表面金属材料、纹理表面金属材料、金属泡沫材料、多孔金属材料中的一种或几种。

增韧层纤维会在复合材料层与金属层之间形成桥，提高粘接强度和韧性；对使用多孔金属材料的结构，增韧层纤维还会搭载在多孔金属的孔壁上，形成额外的圆角增韧结构。

制备上述的具有纤维界面增韧的复合材料-金属材料层合结构的方法，其特征是：首先将增韧纤维剪切至2-30毫米长度，之后将低密度增韧纤维在空气或液体中搅拌至均匀，之后等待纤维自然沉降或手工分布成均匀的毡、垫或薄膜。

将制成的纤维毡、垫或薄膜与热固性树脂或热塑性树脂挤压制成纤维增韧层预浸料，再与复合材料预浸料、金属材料一同按结构需要组装成型；或将纤维毡、垫或薄膜与复合材料一同制成具有纤维增韧的预浸料，再与金属材料组装成型。

增韧用纤维与复合材料使用相同的树脂，共固化成型，加工过程与现有层合材料加工过程无明显区别，根据树脂和结构尺寸按规范进行固化;采用共固化工艺使复合材料、纤维增韧材料和金属材料紧密连接。

优点效果：本发明提供了一种具有纤维界面增韧的复合材料-金属材料层合结构，其使用短纤维在复合材料和金属材料之间进行增韧。在复合材料和金属材料之间形成纤维“桥”，提供额外的连接。通过在裂纹尖端区域中纤维的桥连作用，提高材料的临界断裂强度。根据实验观测和理论建模，纤维界面增韧及其桥连作用可提高材料的抗分层、断裂能力，即临界应力强度因子、临界断裂强度、临界能量释放率等参数，减小分层及裂纹扩展的概率，进而提高整体结构的抗弯强度、能量吸收、冲击韧性等能力。而且，采用3 – 12 克每平方米的短纤维进行增韧，即可取得较好的效果，相比于单层纤维增强材料的重量（大于200 克每平方米），整体结构的重量增加很小，对材料比强度和比刚度不会造成影响。同时，增韧用纤维可与复合材料使用相同的树脂作为基体、或直接在复合材料预浸料上添加纤维增韧层，全部材料使用相同的树脂，可以共固化成型，加工过程与现有层合材料加工过程无明显区别，因此方便在现有设计基础上进行改进。

本发明的具体有益效果是：

1、与传统复合材料-金属材料组成的层合结构相比，本发明使用纤维在复合材料和金属材料之间进行增韧。在复合材料和金属材料之间形成纤维“桥”，提供额外的连接。通过在裂纹尖端区域中纤维的桥连作用，提高材料的临界断裂强度。

2、本发明全部材料可使用相同的树脂，可以共固化成型，加工过程与现有层合结构加工过程无明显区别，可根据树脂和结构尺寸按规范进行固化，方便在现有设计基础上进行改进。