本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備成形方法，特別涉及一種超混雜纖維鎂合金層板構(gòu)件的應(yīng)力釋放成形方法，屬于復(fù)合材料的制備和成形領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

纖維金屬層板(Fiber Metal Laminates，F(xiàn)MLs)是一種由金屬薄板和纖維預(yù)浸料交替鋪層后，在一定的溫度和壓力下固化而成的層間混雜復(fù)合材料，也稱為超混雜層板(Super Hybrid Laminates)。超混雜層板綜合了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料和金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的疲勞性能、抗沖擊性能、機(jī)加性能、耐腐蝕性能、防火性能和防雷擊性能。這些優(yōu)勢(shì)使得超混雜層板在航空航天等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。作為第二代超混雜層板，Glare層板是由0.3～0.5mm的鋁合金薄板與0.2～0.3mm的玻璃纖維預(yù)浸料交替層壓而成，具有密度低、抗拉-壓疲勞性能優(yōu)秀及較高的缺口斷裂性能，可使結(jié)構(gòu)減重25％-30％，同時(shí)抗疲勞壽命提高10-15倍。Glare層板因其優(yōu)異的性能，在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并成為大型客機(jī)鈑金零件的主要選材之一。

目前Glare層板(US4500589、US5039571)中的金屬為2024或7075鋁合金。相對(duì)鋁合金而言，鎂合金的密度僅為其2/3，是當(dāng)前最輕的結(jié)構(gòu)材料，特別是近些年隨著新型高強(qiáng)度耐腐蝕的變形鎂合金相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)，目前絕大部分變形鎂合金的力學(xué)性能都已超越了2024或7075，特別是含稀土的變形鎂合金(WE43、GW83等)；另一方面，Glare層板構(gòu)件傳統(tǒng)成形方法為：先制備Glare層板平板，之后采用拉形或輥彎的塑性成形方法成形Glare層板結(jié)構(gòu)件，但由于Glare層板中纖維的破壞應(yīng)變小于4％，采用拉形或輥彎成形時(shí)，纖維極易斷裂。同時(shí)由于樹(shù)脂和鋁合金之間物性參數(shù)相差甚遠(yuǎn)，兩者變形存在不協(xié)調(diào)性，在拉形或輥彎過(guò)程中金屬和纖維結(jié)合面極易出現(xiàn)分層缺陷，因此采用輥彎和拉形方法不僅存在鋁合金纖維層板結(jié)構(gòu)件成品率較低也無(wú)法成形復(fù)雜曲面的Glare層板的成形，而且由于輥彎或拉形后Glare層板塑性變形都幾乎到達(dá)該材料變形極限，因此加工后結(jié)構(gòu)件內(nèi)部存在較大的殘余拉應(yīng)力，也會(huì)影響Glare層板的使用壽命。綜上，采用鎂合金替代Glare層板中鋁合金(2024或7075)，可以設(shè)計(jì)出一種比強(qiáng)度更高，高抗損傷容限更好的纖維鎂合金層板；同時(shí)克服金屬纖維層板傳統(tǒng)成形方式的缺點(diǎn)，比如提高成品率以及消除成形后的殘余應(yīng)力，對(duì)于進(jìn)一步推廣纖維金屬層板在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述缺陷，開(kāi)發(fā)一種比強(qiáng)度更高的新型超混雜纖維鎂合金層板，同時(shí)提供一種層板的應(yīng)力釋放成形方法，此方法具有工藝簡(jiǎn)單、適宜加工復(fù)雜曲面層板結(jié)構(gòu)件、產(chǎn)品合格率高及成形后零件殘余應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明提供超混雜纖維鎂合金層板構(gòu)件的應(yīng)力釋放成形方法，包括以下步驟：

1)預(yù)處理，對(duì)與預(yù)浸料接觸的鎂合金板料表面進(jìn)行預(yù)處理；

2)鋪貼入模，準(zhǔn)備并凈化鋪貼模具，將預(yù)處理后的鎂合金、膠膜和預(yù)浸料按照鎂合金-膠膜-預(yù)浸料-膠膜-鎂合金的結(jié)構(gòu)依次互相交替鋪層次序鋪貼在已經(jīng)凈化的模具，同時(shí)將鋪貼的層板置于真空袋或等效真空系統(tǒng)內(nèi)抽真空；

3)固化和應(yīng)力釋放成形，對(duì)入模后的超混雜纖維鎂合金層板施加均勻壓力，使其與模具型面貼合，將貼膜后的超混雜纖維鎂合金層板加熱到預(yù)浸料固化溫度和鎂合金應(yīng)力釋放成形所需溫度，對(duì)層板進(jìn)行保溫，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂固化的同時(shí)對(duì)鎂合金板材進(jìn)行應(yīng)力釋放成形，達(dá)到超混雜纖維鎂合金層板制備和成形一體化；

4)脫模，當(dāng)纖維鎂合金層板中預(yù)浸料固化和鎂合金板材應(yīng)力釋放都已經(jīng)完成，將超混雜纖維鎂合金層板隨爐冷卻到室溫，移除真空裝置，并得到低殘余應(yīng)力的纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件。

1.本發(fā)明中，所述步驟1)中鎂合金預(yù)處理可為微弧氧化、化學(xué)腐蝕、噴砂、磷酸陽(yáng)極化等類似提高鎂合金表面和樹(shù)脂結(jié)合力的預(yù)處理方法中的一種；

2.本發(fā)明中，所述步驟2)中層板的鋪層結(jié)構(gòu)為2/1結(jié)構(gòu)、3/2結(jié)構(gòu)、4/3結(jié)構(gòu)……，其中前面一個(gè)數(shù)字是層板中鎂合金層數(shù)，第二個(gè)數(shù)字是指層板中復(fù)合材料層數(shù)，層板中的鎂合金和復(fù)合材料層數(shù)按照層板總厚度確定，且層板中預(yù)浸料鋪層方式可為單向或正交。

3.本發(fā)明中，所述的步驟2)中真空度小于等于-0.1MPa。

4.本發(fā)明中，所述的步驟3)中均勻壓力，壓力大小為使層板與模具型面完全貼合，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)施加0.5-5MPa壓力

5.本發(fā)明中，所述的步驟3)中超混雜纖維鎂合金層板應(yīng)力釋放成形所需溫度為0.4T_m-0.6T_m，其中T_m為鎂合金熔點(diǎn)。保溫時(shí)間為1-5h，升溫速度小于15℃/min。

6.本發(fā)明中，所述的鎂合金可為AZ系列、AM系列及Mg-RE(RE指添加Gd、Y、Nd、Ce單一或多元稀土變形鎂合金)系列變形鎂合金。

7.本發(fā)明中，所述的預(yù)浸料可為碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維單向帶中的一種。

8.本發(fā)明中，所述的樹(shù)脂可為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂等常見(jiàn)的樹(shù)脂，所述的膠膜和預(yù)浸料的樹(shù)脂種類一致。

本發(fā)明具有如下的有益技術(shù)效果：

(a)本發(fā)明提供的超混雜纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件應(yīng)力釋放成形方法，同時(shí)也適用于目前廣泛使用的Glare層板成形，具有適用范圍廣。

(b)本發(fā)明提供的超混雜纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件應(yīng)力釋放成形方法，原材料的鎂合金板材無(wú)需預(yù)成型，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超混雜纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件制備和成形一體化，減少了成形工序，降低纖維金屬層板結(jié)構(gòu)件的成本。

(c)本發(fā)明提供的超混雜纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件應(yīng)力釋放成形方法過(guò)程中可以有效消除鎂合金貼膜過(guò)程在鎂合金內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，降低成形后結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，可以有效的提高纖維金屬層板結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。

(d)本發(fā)明提供的超混雜纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件替代現(xiàn)有的鎂合金、鋁合金及鈦合金構(gòu)建結(jié)構(gòu)，可以顯著改善結(jié)構(gòu)的抗損傷容性能和比強(qiáng)度。

(e)本發(fā)明提供的超混雜纖維鎂合金層板中的鎂合金密度只有Glare層板中鋁合金密度的2/3，因此相對(duì)Glare層板密度降低20-30％，從而進(jìn)一步提高層板的比強(qiáng)度，能顯著降低飛行器的結(jié)構(gòu)重量，增大飛行器的推重比。

綜上所述，本發(fā)明提供方法制備的纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件具有高強(qiáng)度高抗損傷容限、比強(qiáng)度高，成本低，方法簡(jiǎn)單、成形殘余應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，采用該方法制備纖維金屬層板結(jié)構(gòu)件替代現(xiàn)有的鋁合金結(jié)構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)顯著降低飛行器的結(jié)構(gòu)重量，增大飛行器的推重比。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單易行，易于工業(yè)化生產(chǎn)，有較大的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明超混雜纖維鎂合金層板應(yīng)力釋放成形方法流程圖

圖2為本發(fā)明應(yīng)力釋放成形過(guò)程示意圖

圖2中中數(shù)字和字母的含義如下：

P-施加載荷，T-應(yīng)力釋放成形溫度

1-成形模具，2-超混雜纖維鎂合金層板

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施流程見(jiàn)圖1，下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)例1

第一步、選擇400mm×400mm×0.3mm的AZ31-T3鎂合金板材，并對(duì)需要與樹(shù)脂接觸的表面進(jìn)行微弧氧化表面處理，使鎂合金表面獲得有利于樹(shù)脂粘結(jié)的表面形貌；

第二步、選用并裁剪400mm×400mm×0.15mm玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，樹(shù)脂含量為40wt％；

第三步、采用2/1單向?qū)影褰Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按以下順序鋪設(shè)復(fù)合層板：AZ31-T3鎂合金/0°玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料/0°玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料/AZ31-T3鎂合金，每層AZ31-T3鎂合金與玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料間鋪設(shè)30g/m²的環(huán)氧樹(shù)脂膠膜；

第四步、將鋪設(shè)的超混雜纖維鎂合金層板置于已經(jīng)清潔的成形模具上，進(jìn)行抽真空處理，其真空度要求小于等于-0.1MPa；

第五步、對(duì)抽真空后的層板施加均勻壓力，使得超混雜層板與成形模具型面貼合繼續(xù)施加1MPa壓力。

第六步、保持貼膜壓力，將超混雜纖維鎂合金層板加熱到150℃(0.46T_m)，升溫速度為10℃/min，保持溫度和壓力3h，在上述工藝條件下實(shí)現(xiàn)超混雜層板固化成形，同時(shí)使得處于彎曲受力狀態(tài)下AZ31鎂合金的拉應(yīng)力得以釋放(如圖2所示)。應(yīng)力釋放成形后將超混雜纖維鎂合金層板隨爐冷卻到室溫，卸除壓力并取出超混雜纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件。

實(shí)例2

第一步、選擇400mm×400mm×0.3mm的WE43-T3鎂合金板材，并對(duì)×需要與樹(shù)脂接觸的表面進(jìn)行磷酸陽(yáng)極化表面處理，使鎂合金表面獲得有利于樹(shù)脂粘結(jié)的表面形貌；

第二步、選用并裁剪400mm×400mm×0.15mm碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺樹(shù)脂預(yù)浸料，樹(shù)脂含量為40wt％；

第三步、采用2/1正交層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按以下順序鋪設(shè)復(fù)合層板：WE43-T3鎂合金/0°碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺樹(shù)脂預(yù)浸料/90°碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺樹(shù)脂預(yù)浸料/WE43-T3鎂合金，每層WE43-T3鎂合金與碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺樹(shù)脂預(yù)浸料間鋪設(shè)30g/m²的聚酰亞胺樹(shù)脂膠膜；

第四步、將鋪設(shè)完畢的超混雜纖維鎂合金層板防止在已經(jīng)清潔的成形模具上，進(jìn)行抽真空處理，其真空度要求小于等于-0.1MPa；

第五步、對(duì)抽真空后的層板施加均勻壓力，使得超混雜層板與成形模具型面貼合繼續(xù)施加1MPa壓力。

第六步、保持貼膜壓力，將超混雜纖維鎂合金層板加熱到230℃(0.55T_m)230℃，升溫速度為10℃/min，保持溫度和壓力4h，在上述工藝條件下實(shí)現(xiàn)超混雜層板固化成形，同時(shí)使得處于彎曲受力狀態(tài)下WE43鎂合金的拉應(yīng)力得以釋放(如圖2所示)。應(yīng)力釋放成形結(jié)束后將超混雜纖維鎂合金層板隨爐冷卻到室溫，卸除壓力并取出超混雜纖維鎂合金層板結(jié)構(gòu)件。