一种纤维金属层板复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种纤维金属层板复合材料及其制备方法 (Fiber metal laminate composite material and preparation method thereof ) 是由 葛增如 刘建光 彭俊阳 王卫东 陈鑫 张嘉振 于 2021-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纤维金属层板复合材料及其制备方法,属于先进复合材料的制备及成形领域。该方法包括：取金属薄板,对其表面依次进行脱脂处理、酸洗、阳极氧化处理以及喷涂底胶；通过超声波辅助辊压设备在工作平台上交替铺设金属薄板和纤维树脂层,铺叠过程中逐层进行超声和辊压,铺设完成后对成型纤维金属层板进行冷却；待成型纤维金属层板冷却至室温后,打开工作平台,取出制备的纤维金属层板复合材料。本发明采用独创的超声波辅助辊压设备通过超声波振动对纤维金属层板进行超声处理,超声固结增材制造方法无需热压罐工序,缩短制备时间,提高了制备效率。(The invention discloses a fiber metal laminate composite material and a preparation method thereof, belonging to the field of preparation and forming of advanced composite materials. The method comprises the following steps: taking a metal sheet, and sequentially carrying out degreasing treatment, acid cleaning, anodic oxidation treatment and primer spraying on the surface of the metal sheet; alternately laying metal sheets and fiber resin layers on a working platform through ultrasonic-assisted rolling equipment, carrying out ultrasonic and rolling layer by layer in the laying process, and cooling a formed fiber metal laminate after laying is finished; and opening the working platform after the formed fiber metal laminate is cooled to room temperature, and taking out the prepared fiber metal laminate composite material. The invention adopts the original ultrasonic auxiliary rolling equipment to carry out ultrasonic treatment on the fiber metal laminate through ultrasonic vibration, and the ultrasonic consolidation material increase manufacturing method does not need the autoclave process, shortens the preparation time and improves the preparation efficiency.)
技术领域
本发明具体涉及一种纤维金属层板复合材料及其制备方法，属于先进复合材料的制备及成形领域。本发明利用热辊压配合超声波震动方法制备热塑性树脂基纤维金属层板，可以在提高制备效率的同时显著提升层板层间性能。
背景技术
现有热塑性FMLs的制备方法按使用的设备可以分为两类，热压罐方法和非热压罐方法。前者，利用罐体内部均匀的温度场和空气压力对复合材料进行加热加压，该方法成型的纤维增强热塑性复合材料孔隙率较低，树脂含量均匀、内部结构致密。但是，由于热塑性复合材料熔点较高、粘度较大，对热压罐的温度和压力都提出了较高的要求，且空气加热效率低下，成型周期长，高温辅助材料价格昂贵，生产成本较高。采用非热压罐法制备热塑性复合材料成为近年来研究的热点。其中，采用热模压法尤其是热辊压法成为重点发展方向，相继提出了多种采用热辊压法制备热塑性纤维金属层板方法。
如何提高纤维金属层板的层间强度一直是纤维金属层板制备的核心问题。
中国发明专利CN201710500700.0公开了一种快速制备镁基纤维金属层板的粉末层压工艺方法，将镁合金板、热塑性树脂粉末、无碱玻璃纤维平纹编织布按顺序叠层堆垛放入热压模具中，将模具压实后放入电加热空气循环箱式炉中加热固化制备出FMLs，极大地降低了制备成本。但该工艺并没有专门对金属板进行物理方法(阳极氧化)的处理，且没有采用专门的方法来排出气体，仅施加压力使热塑性树脂固结，其层间胶接性能较低。
中国发明专利CN201710998704.6公开了一种利用金属配合物提高金属胶接强度的方法。该设计方法是先在洁净的金属板上通过阳极氧化方法刻蚀构建微纳结构；然后金属板表面羟基化；制备双水杨醛希夫碱配体及其金属配合物；希夫碱金属配合物自组装于金属板表面；通过机械啮合力、化学键、分子缠绕等作用提高金属与树脂之间的界面强度。该方法仅仅通过通过物理方法(阳极氧化)、化学方法(表面改性及制备其金属配合物)提高界面胶接强度，并没有在模压工艺方面进行改进降低层板孔隙率。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种纤维金属层板复合材料及其制备方法，针对热塑性树脂基纤维金属层板，采用独创的超声波辅助辊压设备通过超声波振动对纤维金属层板进行超声处理。通过超声波振动，可以加速热塑树脂内部气泡的排出，显著降低层板的孔隙率；另一方面有利于树脂与金属板微纳结构表面形成机械啮合，提高界面胶接强度。同时，辊压的同时进行超声处理还可以纤维分布更加均匀，降低辊压压力，缩短辊压时间。此外，超声固结增材制造方法无需热压罐工序，缩短制备时间，提高了制备效率。
本发明通过热辊压过程中的超声振动处理，解决了金属层板层间强度不足的问题，制备工艺简单，制备周期短，成本低，适合大规模生产。
根据本发明的第一方面，提供一种纤维金属层板复合材料的制备方法，包括：
步骤1：取金属薄板，对其表面依次进行脱脂处理、酸洗、阳极氧化处理以及喷涂底胶；
步骤2：通过超声波辅助辊压设备在工作平台上交替铺设金属薄板和纤维树脂层，铺叠过程中逐层进行超声和辊压，铺设完成后对成型纤维金属层板进行冷却；
步骤3：待成型纤维金属层板冷却至室温后，打开工作平台，取出制备的纤维金属层板复合材料。
进一步的，所述步骤1中，脱脂处理采用的有机溶剂为酒精或是丙酮。
进一步的，所述步骤1中，酸洗采用的是硝酸和氢氟酸配成的混酸溶液，室温下清洗3mins。
进一步的，所述步骤1中，阳极氧化处理过程：将金属薄板浸入磷酸或者络酸溶液，以金属薄板作为阳极材料，以铅板作为阴极材料，在1min内接通电源，然后在2min内将极板间直流电压0V至15±1V，持续20min，阳极化过程结束后，在1min内将金属薄板自溶液中取出。
进一步的，所述步骤1中，底胶材料：D-12；底胶厚度控制10μm。
进一步的，所述步骤2中，所述超声波辅助辊压设备包括铺放控制器、加热辊、加热辊控制器、工作平台、第一压力辊、超声波单元、冷却辊、冷却水通道。
进一步的，所述超声波辅助辊压设备中：
铺放控制器位于工作平台上方，能够沿铺放方向移动并调整铺放角度和铺放速度，并固定连接加热辊、第一压力辊、超声波单元以及冷却辊；
加热辊位于已铺放在工作平台上的金属薄板/纤维树脂层和待铺放的纤维树脂层/金属薄板之间；
加热辊控制器位于加热辊内部，用于控制加热辊的加热温度以进行加热；
第一压力辊位于待铺放的纤维树脂层/金属薄板上并施加压力；
超声波单元在铺放方向上位于第一压力辊后方；
冷却辊在铺放方向上位于超声波单元后方，内部设有冷却水通道。
进一步的，所述铺放控制器能够沿铺放方向移动并调整铺放角度和铺放速度。
进一步的，所述铺放控制器包括铺放夹头和与铺放夹头连接的机械控制手臂。
进一步的，所述机械控制手臂内置加热装置与铺放定位装置。
进一步的，所述超声波单元由超声控制器和超声波发生器、第二压力辊组成，超声控制器和超声波发生器位于第二压力辊内部，通过超声控制器控制超声波发生器以调整第二压力辊振动频率。
进一步的，所述超声波发生器连接有工具头、机械压力手臂。
进一步的，所述超声波单元能够随铺放控制器移动。
进一步的，所述冷却辊内部设有冷却水通道。
进一步的，所述加热辊内部设有加热辊控制器，用于控制加热辊的加热温度以进行加热。
进一步的，加热辊控制器由加热开关和机械压力手臂组成。
进一步的，所述步骤2包括：
步骤21：在工作平台上铺放金属薄板/纤维树脂层；
步骤22：取待铺放的纤维树脂层/金属薄板放置在已铺放的金属薄板/纤维树脂层上，通过加热辊控制器控制加热辊的加热温度对纤维树脂层进行预热并铺放，形成铺放层；
步骤23：启动超声波单元，对所述铺放层进行超声处理，使所述铺放层的树脂进一步融化，填充密实并排出内部气体；
步骤24：通过第一压力辊对所述铺放层施加压力，使得所述铺放层填充紧密；
步骤25：重复步骤21至24，将形成的成型纤维金属层板进行冷却。
进一步的，所述步骤24中，所述第一压力辊保持恒定压力。
进一步的，胶液使用前充分搅拌摇匀，底部无沉淀物后倒出胶液。
进一步的，经磷酸阳极化表面处理后的铝合金薄板须在8h内涂底胶保护，底胶厚度：10μm；底胶喷涂后，在环境温度下放置10～20min，在60℃烘30min；
进一步的，所述金属薄板包括铝合金薄板、钛合金薄板、铝锂合金薄板、不锈钢薄板。
进一步的，所述纤维树脂层为热塑性树脂复合材料预浸料，或由纤维层和热塑性树脂薄膜构成。
进一步的，纤维材料包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维；热塑性树脂包括PA、PS、PEEK、PCBT、PP、PE、PI树脂。
根据本发明的第二方面，提供一种纤维金属层板复合材料，所述纤维金属层板复合材料通过以上任一方面所述的方法制备获得，所述纤维金属层板复合材料由交替铺设金属薄板和纤维树脂层构成。
本发明的有益效果：
针对现有技术的上述不足，本发明提出一种全新的热塑性纤维金属层板制造方法—超声固结增材制造，在铺叠过程中采用独创的超声波辅助辊压设备通过超声波振动对纤维金属层板进行超声处理，可以加速热塑树脂内部气泡的排出，显著降低层板的孔隙率；另一方面有利于树脂与金属板微纳结构表面形成机械啮合，提高界面胶接强度。此外，该超声波辅助辊压设备结构简单，操作方便，使得超声固结增材制造方法无需热压罐工序，缩短制备时间，提高了制备效率。
本发明提出的热压辊配合超声固结的增材制造方法，解决了纤维金属层板层间强度不足的问题，且制备工艺简单，制备周期短，成本低，适合大规模生产。
附图说明
图1a至图1b示出根据本发明实施例的热塑性纤维金属层板超声波辅助辊压设备示意图；
图2a至图2b示出根据本发明一个实施例的纤维金属层板结构；
图3a至图3b示出根据本发明另一实施例的纤维金属层板结构；
图4出根据本发明实施例的热塑性树脂基纤维金属层板制备工艺流程图。
其中，1-铺放控制器，2-待铺放的纤维预浸料/金属薄板，3-加热辊，4-加热辊控制器，5-已铺放的金属薄板/纤维预浸料，6-工作平台，7-第一压力辊，8-超声波单元，9-冷却辊，10-冷却水通道。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
多个，包括两个或者两个以上。
和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本发明提供一种纤维金属层板复合材料及其制备方法，首先对金属板进行阳极氧化处理，金属薄板与热塑性复合材料预浸料交替铺叠，然后在铺放过程中通过大功率推挽式超声波发生器对纤维金属层板进行一定时间的超声处理，一方面有助于排除树脂内部微小气泡，降低孔隙率，一方面有利于树脂与金属板微纳结构表面形成机械啮合，提高界面胶接强度。最后进行冷却成型层板制品。该工艺过程主要包括金属薄板表面处理、铺叠、预热、超声处理、加压、冷却等步骤。
如图4所示，上述的热塑性纤维金属层板制备工艺，具体包括如下步骤：
1)金属薄板表面处理：对金属薄板依次进行，脱脂处理，酸洗，阳极氧化处理，喷涂底胶。
2)依次铺放：根据设计要求将金属薄板和纤维树脂复合材料依次交替铺叠。
a)加热：在铺放的过程中，利用加热辊和热风枪辅助加热，使预浸料中的树脂预热至T1温度完全熔化。
b)超声固结：在铺放过程中启动超声波发生控制器，使超声波组件振动，以对模具内的纤维金属层板超声处理，增加树脂流动性，使树脂进一步填充密实并排出内部气体。
c)加压：在铺放过程中采用压力辊加压压力至P，使金属薄板与纤维预浸料填充紧密。同时，使所述压力辊保持压力P。
3)步骤2中铺放完成后，空气冷却，取出纤维金属层板。
图1a至图1b中示出了一种热塑性纤维金属层板超声波辅助成型装置，包括：铺放控制器1、金属薄板或纤维预浸料2、加热辊3、加热辊控制器4、纤维金属层板5、工作平台6、第一压力辊7、超声波单元8、冷却辊9以及冷却水通道10。其中纤维金属层板直接铺叠在工作平台6上由夹具固定；铺放控制器1位于工作平台6上方，可调整铺放角度和铺放速度；加热辊3位于铺放的预浸料上方，可随铺放控制器1移动，通过加热控制器4控制加热温度给预浸料加热；第一压力辊7位于金属薄板或纤维预浸料2上方，可随铺放控制器1移动，给予纤维金属层板压力使其更紧密结合；超声波单元8位于第一压力辊后方(铺放方向)，由超声控制器和超声波发生器、第二压力辊组成，超声波发生器相连有工具头(辊)、机械压力手臂，超声控制器和超声波发生器位于第二压力辊内部，通过超声控制器控制超声波发生器以调整第二压力辊振动频率，可随铺放控制器1移动；冷却辊9位于超声波单元8后方(铺放方向)，由冷却水通道10通过冷却水，对纤维金属层板进行冷却，并对其施加一定压力，可随铺放控制器1移动。
铺放控制器1包括铺放夹头和与铺放夹头连接的机械控制手臂，该机械控制手臂内置加热装置与铺放定位装置，通过程序控制其铺放角度和速度。
加热辊控制器4由加热开关和与加热开关连接的机械压力手臂组成，可通过程序控制其加热温度和辊压压力。
实施例1
本发明实施例1中所用的金属板为铝合金(2024)薄板，热塑复合材料用的是玻璃纤维增强的聚苯硫醚(GF/PPS)预浸料，纤维方式为编织。采用的是2/1或者3/2铺层结构，即两层铝合金薄板中间加一层GF/PPS预浸料。
具体由如下步骤组成：
1、铝合金表面处理工艺流程如下：
a)初步准备：用无水酒精或者丙酮擦去试件表面的油污；
b)碱清洗：用碱洗液在温度60℃下清洗90s；
c)漂洗：在溢流的清洁自来水中漂洗2min；
d)酸清洗：将试件放在酸洗液中酸洗3min；
e)漂洗：在溢流的自来水中漂洗至少5min；
f)磷酸阳极化：将零件浸入磷酸溶液，以铅板作为阴极材料，在1min内接通电源，然后在2min内将极板间直流电压0V至15±1V，持续20min。阳极化过程结束后，在1min内将试件自磷酸溶液中取出；
g)漂洗：在溢流的清洁自来水中漂洗，漂洗水的温度应为43℃以下，漂洗时间至少5min；
h)沸水封孔：封孔液采用离子水或者蒸馏水，温度在95℃以上，PH值在5.5—6.5，用醋酸和氨水调节，封孔时间20—30min；
i)烘干：烘干温度不高于60℃，充分干燥。时间不超过2h。
g)喷涂底胶：底胶材料：D-12；底胶厚度控制10μm。
胶液使用前充分搅拌摇匀，底部无沉淀物方可倒出胶液，经磷酸阳极化表面处理后的铝合金薄板须在8h内涂底胶保护，底胶厚度：10μm；底胶喷涂后，在环境温度下放置10～20min，在60℃烘30min；在20℃下，相对湿度不大于65％可放置1个月。
2)逐层铺叠-增材制造过程
a)金属层铺叠
将加热辊预热至320℃，使聚苯硫醚树脂完全熔化；同时保持压头施加的压力为0.5MPa；在铺放加压过程中启动大功率推挽式超声波发生控制器，频率为20kHz，振幅为40μm。按照设计铺放方向，将铝合金薄板与下层材料铺叠在一起。
b)预浸料层铺叠
在铺放加压过程中启动大功率推挽式超声波发生控制器，频率为20kHz，振幅为40μm。同时保持压头施加的压力为0.1MPa；按照设计铺放方向，将铝合金薄板与下层材料铺叠在一起。
按照设计铺层顺序2/1铺层或者3/2铺层，将铝合金薄板与GF/PPS复合材料预浸料进行交替铺叠在一起。
3)铺放完成，待纤维金属板冷却至室温后，取出纤维金属层板。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，所采用的玻璃纤维增强聚苯硫醚树脂层为交替排列的玻璃纤维与聚苯硫醚薄膜叠层。制备层板时，将了铝合金薄板、玻璃纤维与热塑树脂(聚苯硫醚)薄膜交替叠层铺叠。步骤2中，增加热塑树脂薄膜铺层过程：在铺放过程中保持压头施加的压力为0.1MPa；启动大功率推挽式超声波发生控制器，频率为20kHz，振幅为40μm，按照设计铺放方向，将热塑树脂薄膜与下层材料铺叠在一起。
同时对金属层铺放时施加的压力为1MPa，以实现聚苯硫醚树脂对玻璃纤维的充分浸润。其它工艺过程及工艺条件与实施例1相同。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
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