本發(fā)明涉及航天材料，具體涉及一種超混雜纖維增強(qiáng)金屬層合板材及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、纖維金屬層合板(fiber?metal?laminates，fmls)源于航空航天工業(yè)，是一種由金屬薄板和纖維復(fù)合材料交替鋪設(shè)以后，在一定的溫度和壓力下固化形成的層間混雜復(fù)合材料，也成超混雜層板(super?hybrid?laminates)。fmls綜合了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料和金屬材料的性能特點(diǎn)，不但具有金屬的延展性和可加工性，同時(shí)具備較高的斷裂韌性、優(yōu)良的抗沖擊、耐疲勞性能以及阻燃、抗雷擊等優(yōu)點(diǎn)。隨著復(fù)合材料的不斷推廣，以及結(jié)構(gòu)輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化要求的不斷提高，其顯著優(yōu)勢(shì)在航空航天領(lǐng)域中的發(fā)展呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2、第一代纖維金屬層板被稱為arral，由芳綸纖維(kevlar-49)和鋁合金構(gòu)成，最初被設(shè)計(jì)用于機(jī)翼，但是由于芳綸纖維與鋁合金的熱膨脹系數(shù)差異較大，固化冷卻過(guò)程會(huì)造成層板殘余應(yīng)力大且難以調(diào)整，此外，芳綸纖維的斷裂應(yīng)變較小，也造成層板的成形性較差，僅能應(yīng)用于平板結(jié)構(gòu)或小曲率構(gòu)件的生產(chǎn)。1987年，第二代玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板——glare問(wèn)世，具有極高的疲勞強(qiáng)度(較2024鋁增加3倍以上)和損傷容限(較2024鋁增加1-2倍)，較高的抗沖擊性(glare?5-2/1-0.4比相同厚度的2024-t3高出近86％)以及較大的減重潛力(較2024鋁減重15-30％)，對(duì)于大型飛機(jī)減重并提高長(zhǎng)周期壽命和安全性具有重要意義成為大型航空制造業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)。第三代層板主要是碳纖維增強(qiáng)鋁合金層板carall，由于碳纖維和鋁合金易形成電位差，從而導(dǎo)致層板的電化學(xué)腐蝕，目前常常通過(guò)對(duì)纖維或鋁板進(jìn)行表面處理如涂層或在碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料兩側(cè)鋪排玻纖等纖維層來(lái)隔離與鋁板的直接接觸，但是難以徹底避免兩者的接觸如試樣的切割或服役期間層板的損傷等，同時(shí)會(huì)增加工藝復(fù)雜性。第四代層板為石墨增強(qiáng)鈦合金層板——tigr，鈦合金密度比鋁合金高，與石墨纖維不存在電化學(xué)腐蝕，且石墨纖維具有更高的強(qiáng)度、比模量、高損傷容限以及顯著的高溫性能，這種層板有著更高的力學(xué)性能和耐高溫性能，目前已應(yīng)用于b787的機(jī)翼前緣和機(jī)身蒙皮以及v-22直升機(jī)的引擎艙門(mén)上，但是鈦合金和石墨纖維的價(jià)格高昂且層板的制備溫度較高，制備成本遠(yuǎn)高于glare層板。

3、鈦的化學(xué)活性很強(qiáng)，在常溫下極易與氧、氮等元素作用，在表面生成一層致密的惰性氧化膜；另外，鈦合金表面存在油脂幾乎是不可避免的現(xiàn)象，因此金屬鈦板與纖維復(fù)合材料粘接性能受工藝影響較大，往往會(huì)導(dǎo)致兩者粘接界面強(qiáng)度不理想。

4、目前高超聲速飛行器由于具有較高的突防成功率，在國(guó)防軍事以及民用等方面具有非常大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在高超速飛行器以高速飛行時(shí)，飛行器表面因?yàn)榕c空氣摩擦產(chǎn)生大量的熱量，使得飛行器表面的溫度迅速升高，例如當(dāng)巡航導(dǎo)彈飛行速度為680m/s～1020m/s時(shí)，彈體和彈翼蒙皮的表面溫度高達(dá)200℃～300℃，這對(duì)fmls提出了更高的要求。常規(guī)的高強(qiáng)鋁合金(如2219、7050等)和熱固性環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料就不能滿足上述要求，而且固化過(guò)程需要對(duì)材料進(jìn)行保溫保壓，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率。

5、總結(jié)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的纖維金屬層合板：(1)采用的樹(shù)脂基體多為熱固性環(huán)氧樹(shù)脂，無(wú)法在高溫下長(zhǎng)期服役，燒蝕防護(hù)能力低，而且固化過(guò)程需要對(duì)材料進(jìn)行保溫保壓，制約了生產(chǎn)效率；(2)石墨纖維價(jià)格昂貴，制備成本高；(3)鋁合金作為金屬基板，與碳纖維之間存在電位腐蝕，高溫下發(fā)生的時(shí)效行為也會(huì)使其斷裂韌性和疲勞性能嚴(yán)重下降；(4)鈦合金層板與纖維復(fù)合材料粘接性能受工藝影響大。

6、故針對(duì)纖維金屬層合板還需要作進(jìn)一步的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀提出一種具有燒蝕防護(hù)和抗高速?zèng)_擊雙重功能的超混雜纖維增強(qiáng)金屬層合板材。

2、本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提出一種制備上述超混雜纖維增強(qiáng)金屬層合板材的制備方法。

3、本發(fā)明解決第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種超混雜纖維增強(qiáng)金屬層合板材，其特征在于，所述層合板材包括鈦合金板、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和泡沫鈦復(fù)合材料，所述層合板材的鋪層中鈦合金板數(shù)量為x，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料數(shù)量為y，泡沫鈦復(fù)合材料數(shù)量為z，x≥2，y≥1，z≥1，相同材料之間至少間隔一其他材料鋪貼，最外層鋪貼鈦合金板。

4、優(yōu)選地，所述碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由碳纖維和酚酫樹(shù)脂復(fù)合而成，所述泡沫鈦復(fù)合材料由泡沫鈦和酚醛樹(shù)脂復(fù)合而成。酚醛樹(shù)脂可以保證層合板在高溫下長(zhǎng)期服役，燒蝕防護(hù)能力強(qiáng)，且生產(chǎn)效率更高。

5、優(yōu)選地，所述層合板材的鋪層按鈦合金板、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、泡沫鈦復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鈦合金板進(jìn)行鋪貼。

6、優(yōu)選地，所述層合板材的鋪層按鈦合金板、泡沫鈦復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、泡沫鈦復(fù)合材料、鈦合金板進(jìn)行鋪貼。

7、優(yōu)選地，所述層合板材的鋪層按鈦合金板、泡沫鈦復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鈦合金板、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、泡沫鈦復(fù)合材料、鈦合金板進(jìn)行鋪貼。

8、優(yōu)選地，所述層合板材的鋪層按鈦合金板、泡沫鈦復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、泡沫鈦復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、泡沫鈦復(fù)合材料、鈦合金板進(jìn)行鋪貼。

9、本發(fā)明解決第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種超混雜纖維增強(qiáng)金屬層合板材的制備方法，其特征在于，用于制備上述的超混雜纖維增強(qiáng)金屬層合板材，包括以下步驟：

10、步驟一，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備：采用模壓成型工藝，將碳纖維與樹(shù)脂混合裝入平板模具內(nèi)，鋪平預(yù)壓實(shí)，放置于壓機(jī)上加壓進(jìn)行階梯升溫固化，最后卸模清理，得到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；

11、步驟二：鈦合金板的表面處理：將清洗后的鈦合金板在等離子體表面處理設(shè)備上進(jìn)行等離子處理，然后對(duì)處理后的鈦合金板表面進(jìn)行樹(shù)脂防護(hù)處理；

12、步驟三：泡沫鈦復(fù)合材料的制備：將鈦粉與造孔劑混合均勻，然后裝入sps燒結(jié)設(shè)備中加壓燒結(jié)。然后將造孔劑清洗干凈，獲得泡沫鈦材料。然后通過(guò)rtm注射工藝得到泡沫鈦復(fù)合材料。

13、步驟四：按照不同鋪層設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋪貼，采用熱壓罐一次成型制造得到所述層合板材。

14、優(yōu)選地，所述步驟一中的加壓固化方式，將預(yù)混料放入經(jīng)預(yù)熱脫模劑處理好的平板模具內(nèi)，鋪平預(yù)壓實(shí)，然后放置于50t壓機(jī)上以接觸壓進(jìn)行程控加熱，根據(jù)凝膠狀態(tài)及時(shí)加壓5mpa，按照90℃/1h、120℃/1h、160℃/1h、180℃/2h進(jìn)行階梯升溫固化，最后卸模清理，得到碳纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料。

15、優(yōu)選地，所述步驟二中的鈦合金等離子處理工藝，工藝參數(shù)如下：處理功率為800w，處理環(huán)境為空氣，等離子槍距試驗(yàn)件表面為100mm，處理速率為5m/min，等離子處理兩次，在等離子體處理后，對(duì)鈦板表面進(jìn)行樹(shù)脂防護(hù)處理。

16、作為優(yōu)選，所述制備方法中所用的樹(shù)脂全部為高殘?zhí)挤尤?shù)脂。選用熱塑性高殘?zhí)挤尤?shù)脂代替?zhèn)鹘y(tǒng)fmls所采用的熱固性環(huán)氧樹(shù)脂，高殘?zhí)挤尤?shù)脂擁有更高的熱分解溫度和高溫殘?zhí)悸?，是一種更為高效的燒蝕防熱材料，可在較短的時(shí)間內(nèi)完成制備及成形，顯著提高層板的制備效率，降低其生產(chǎn)成本；而且在高速氣體的作用下，碳酚醛材料發(fā)生酚醛樹(shù)脂分解和碳化，高速氣流沖刷產(chǎn)生的熱量被酚醛樹(shù)脂分解而吸收，防熱效果顯著。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

18、(1)開(kāi)孔泡沫鈦的引入，既可以在保持輕量化的基礎(chǔ)上增加層合板的強(qiáng)度，又可以在燒蝕過(guò)程中耗散氧元素來(lái)提高層合板的抗燒蝕性能；

19、(2)選用鈦合金為基板，鈦合金比鋁合金密度大、強(qiáng)度高，而且與碳纖維不存在電化學(xué)腐蝕；

20、(3)對(duì)鈦合金表面進(jìn)行等離子處理，解決鈦板與復(fù)合材料的粘接問(wèn)題，大大提高鈦板與復(fù)合材料的界面強(qiáng)度；

21、(4)碳纖維代替價(jià)格昂貴、制作成本高的石墨纖維，而且高速氣流沖刷產(chǎn)生的熱量會(huì)促使碳化層向石墨轉(zhuǎn)變，同時(shí)引發(fā)部分碳分子升華熱，該過(guò)程可以吸收大量熱達(dá)到防熱目的。