一种高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法与流程

本发明涉及蒙皮材料，具体涉及一种高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法。

背景技术：

1、蒙皮材料是指覆盖于物体表面的材料，其材料和形态多样，不同的应用场景需要使用不同的蒙皮材料。现有的蒙皮材料主要包括皮革、塑料、金属、石材等；目前，蒙皮材料被广泛应用于航空航天、工业、建筑、家居产品等领域，其中，航空航天领域是蒙皮材料最常用的领域之一。

2、具体到航空航天领域中的航空飞机上，蒙皮就是包围在航空飞机骨架结构外且用粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成飞机气动力外形的维形构件；航空飞机蒙皮与骨架所构成的蒙皮结构具有较大承载力及刚度，而自重却很轻，起到承受和传递气动载荷的作用。蒙皮承受空气动力作用后将作用力传递到相连的机身机翼骨架上，受力复杂，加之蒙皮直接与外界接触，所以不仅要求蒙皮材料强度高、塑性好，还要求表面光滑，有较高的抗蚀能力。

3、航空飞机上使用的蒙皮材料有碳纤维、玻璃钢、铝合金等，其中，碳纤维材料具有强度高，密度小，耐高温性能和耐低温性能高，导热系数高，耐腐蚀，抗老化的优点，是目前最常使用的蒙皮材料，但是碳纤维材料的抗冲击性能、耐磨性、韧性差，影响了碳纤维材料作为蒙皮材料，在航空航天领域上的进一步推广与使用。

4、为了解决上述问题，最常用的方法为将碳纤维与其他材料进行复合，制成碳纤维复合材料，具体为：将碳纤维与碳化物纤维进行混编或在碳纤维表面包覆碳化物材料，但是碳化物的存在会进一步导致碳纤维复合材料的韧性变差；将碳纤维与陶瓷材料进行复合，但是会导致碳纤维复合材料的密度增加，强度降低；在碳纤维表面包覆金属材料，但是金属材料不耐腐蚀，碳纤维与金属界面的润湿性差，且在高温下，碳纤维与金属会产生反应，从而导致了碳纤维复合材料的耐腐蚀性和耐高温性差。

5、综上所述，研发一种高强高韧轻量化蒙皮材料，能够满足抗冲击性能、耐磨性、韧性好的同时，还能够满足密度小，强度高，耐腐蚀性、耐高温性好，是目前继续解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，能够提高蒙皮材料的抗冲击性能、耐磨性、韧性，同时还能够降低蒙皮材料的密度，提高蒙皮材料的强度、耐腐蚀性、耐高温性。

2、为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，包括：制备超高分子量聚乙烯纺丝液，纺丝，混纺，后处理；

4、所述制备超高分子量聚乙烯纺丝液，将第一份68#白油、超高分子量聚乙烯、改性二氧化钛寡聚体加入混合釜中，将混合釜的温度控制至90-100℃，搅拌速度控制至200-300rpm，搅拌30-40min，加入第二份68#白油，继续搅拌50-60min，得到超高分子量聚乙烯纺丝液；

5、所述制备超高分子量聚乙烯纺丝液中，第一份68#白油、超高分子量聚乙烯、改性二氧化钛寡聚体、第二份68#白油的质量比为330-350:80-85:1.5-2:300-320；

6、所述超高分子量聚乙烯的重均分子量为400-500万；

7、所述改性二氧化钛寡聚体的制备方法，包括：制备二氧化钛寡聚体，改性；

8、所述制备二氧化钛寡聚体，将去离子水、无水乙醇、三甲基十八烷基溴化铵、三乙胺加入反应釜中，将反应釜的温度控制至20-40℃，搅拌速度控制至100-200rpm，搅拌20-40min，加入硫酸钛，继续搅拌20-40min，加入柠檬酸，将反应釜的温度控制至80-90℃，搅拌速度控制至200-300rpm，继续搅拌5-5.5h，过滤，使用3-5倍滤渣质量的去离子水清洗3-4次，置于120-150℃下烘干，得到二氧化钛寡聚体；

9、所述制备二氧化钛寡聚体中，去离子水、无水乙醇、三甲基十八烷基溴化铵、三乙胺、硫酸钛、柠檬酸的质量比为50-53:1800-2000:0.23-0.25:2100-2200:130-150:0.3-0.35；

10、所述改性，将二氧化钛寡聚体、聚乙烯醇2488、去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至60-80℃，搅拌速度控制至200-400rpm，搅拌3-4h，加入氧化石墨烯，继续搅拌22-25h，过滤，使用3-5倍滤渣质量的去离子水清洗3-4次，置于120-150℃下烘干，得到改性二氧化钛寡聚体；

11、所述改性中，二氧化钛寡聚体、聚乙烯醇2488、去离子水、氧化石墨烯的质量比为100-110:25-30:950-1000:2-2.5；

12、所述氧化石墨烯的粒径为10-30nm；

13、所述纺丝，将超高分子量聚乙烯纺丝液加入纺丝箱中进行纺丝，进行25-30℃水浴中冷却，得到冷胶丝条；将冷胶丝条以4-4.5倍的牵伸倍率进行预牵伸后，进行两次热牵伸，第一次热牵伸的牵伸倍率为2.5-3倍，第二次热牵伸的牵伸倍率为1.5-1.6倍，得到超高分子量聚乙烯纤维；

14、所述混纺，取30-32份碳纤维、18-20份超高分子量聚乙烯纤维，分别捻纺成细纱线后，将两种细砂线混纺成纱，再将混纺纱线织成基布；

15、所述后处理，将基布完全浸泡于后处理液中，在60-70℃下完全浸泡4-5h，取出，置于130-150℃下烘干，得到高强高韧轻量化蒙皮材料；

16、所述后处理液的制备方法，将水溶性酚醛树脂、空心酚醛微球、去离子水混合均匀，得到后处理液；

17、所述后处理液的制备中，水溶性酚醛树脂、空心酚醛微球、去离子水的质量比为3-3.5:0.8-1:100-105；

18、所述空心酚醛微球的粒径为0.2-0.3mm。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、（1）本发明的高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，能够提高蒙皮材料的抗冲击性能，本发明制备的蒙皮材料的冲击强度为37.6-38.1kj/cm2；

21、（2）本发明的高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，能够提高蒙皮材料的耐磨性，本发明制备的蒙皮材料的摩擦系数为0.166-0.168；

22、（3）本发明的高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，能够提高蒙皮材料的韧性，本发明制备的蒙皮材料的断裂伸长率为3.1-3.3%；

23、（4）本发明的高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，制备的蒙皮材料的面密度为3.24-3.28kg/m2；

24、（5）本发明的高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，能够提高蒙皮材料的强度，本发明制备的蒙皮材料的拉伸强度为2.8-3.0gpa；

25、（6）本发明的高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，能够提高蒙皮材料的耐腐蚀性，将本发明制备的蒙皮材料完全浸泡于浓度为30wt%的盐酸溶液中，在25℃下完全浸泡100h后，质量损失率为0.01-0.02%；将本发明制备的蒙皮材料完全浸泡于浓度为30wt%的氢氧化钠溶液中，在25℃下完全浸泡100h后，质量损失率为0-0.01%；

26、（7）本发明的高强高韧轻量化蒙皮材料的制备方法，能够提高蒙皮材料的耐高温性，将本发明制备的蒙皮材料置于800℃下静置1h后，冲击强度为37.2-38.0kj/cm2，摩擦系数为0.168-0.170，断裂伸长率为3.0-3.3%，拉伸强度为2.7-2.9gpa。