一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法

本发明属于超混杂复合材料结构设计领域，具体涉及一种面向航空材料领域的高性能耐冲击纤维金属层合板及制造方法。

背景技术：

1、在复合材料的结构设计中，抗冲击性能是一个至关重要的因素，特别对纤维增强树脂基复合材料（frp）而言。飞行器在飞行、滑行和维护过程中不可避免的会经历冲击载荷，这些冲击可能会导致frp复合材料出现分层、开裂及纤维断裂等严重损伤情况从而影响航行安全。对于机舱、油箱以及储气罐等具有密封性要求的筒体结构，除了要求用于制造的材料具有良好的强度性能外，还要求在结构发生碰撞或者冲击时材料尽可能完整，不出现贯穿伤，确保整体结构仍然具有密封性。纤维金属混杂结构是一种将金属与树脂基复合材料按照特定要求混合铺放、热压成型的超混杂复合结构，最初由荷兰delft大学的研究人员提出。这种结构通过金属与树脂基复合材料的界面桥接，有效地缓解了金属疲劳裂纹的扩展。同时，它还具备高强度和高模量等特点，成为了航空航天领域的研究重点。

2、通过将金属材料与frp材料进行复合制备成纤维金属层合板(fiber metallaminates,fmls)，已被证明能够有效提升整体材料的抗冲击性能，且fmls的能量耗散机制与损伤演变和塑性变形密切相关。但是，目前现有技术中的fmls，在受到冲击时底层金属容易破损出现裂纹，将此类材料作为航空器舱体的制造材料时，在起飞或降落过程中遇到磕碰或撞击的情况下，容易导致舱体材料出现贯穿性的破损，进而影响航空安全。因此，如何进一步优化fmls的抗冲击性能，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于进一步提高纤维金属层合板的抗冲击性能，并提供一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法，使层合板在冲击过程中展现出更好的吸能效果，具有更高的最低穿透能，同时让层合板在结构设计中更具有灵活性和可设计性。

2、本发明的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其由钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层交替铺放热压而成，其中钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，相邻两层钛合金金属层之间夹持一层树脂基纤维增强复合材料层，每一层树脂基纤维增强复合材料层由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放得到；构成层合板的各钛合金金属层在原始厚度相同的钛合金板材基础上经过不同次数的轧制形成不同厚度，且在沿层合板厚度方向上，各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减；构成层合板的所有树脂基纤维增强复合材料层以位于中间的钛合金金属层为中心面呈镜像对称分布。

4、作为上述第一方面的优选，所述钛合金金属层的材料采用ta1钛合金、ta2钛合金、ta3钛合金、ta4钛合金或tc4钛合金。

5、作为上述第一方面的优选，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。

6、作为上述第一方面的优选，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。

7、作为上述第一方面的优选，所述钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间通过在金属层预喷涂树脂进行粘接，防止贫胶区域的出现，界面粘接强度不小于20 mpa。

8、第二方面，本发明提供了一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法，其包括：

9、s1、将厚度相同的钛合金板材经过不同次数的轧制，形成厚度等差递减的不同钛合金金属层；对各钛合金金属层进行表面清洁除油并去除氧化层后，进一步通过表面刻蚀方法增加粗糙度；

10、s2、将钛合金金属层与碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带进行交替铺放，形成梯度铺层结构；其中，钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，层合板的顶部和底部均为钛合金金属层，在沿层合板厚度方向上各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减，相邻两层钛合金金属层之间由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放形成一层树脂基纤维增强复合材料层；在钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间需在钛合金金属层一侧喷涂一层树脂；

11、s3、对完成铺放后的梯度铺层结构进行真空预压实，再在不超过280 ℃的温度下进行热压固化，得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。

12、作为上述第二方面的优选，所述钛合金金属层的材料采用ta1钛合金、ta2钛合金、ta3钛合金、ta4钛合金或tc4钛合金。

13、作为上述第二方面的优选，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。

14、作为上述第二方面的优选，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。

15、作为上述第二方面的优选，所述表面刻蚀方法为：将钛合金金属层置于由乙二醇、氟化铵和水配制而成的电解液中，对钛合金表面进行电解刻蚀，完成电解刻蚀并清洗后再置于马弗炉中进行热处理。

16、相对于现有技术而言，本发明至少具有以下有益效果：

17、针对纤维金属层合板的抗冲击性能，本发明提出了一种梯度结构设计，通过使用厚度递减及不同力学性能的钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层组成梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。一方面，当将此类层合板结构厚度较厚的一面金属层靠近冲击侧时，该结构表现出较好的吸能效果，适合作为冲击吸能构件使用；另一方面，当将此类层合板结构厚度较薄强度较高的金属层靠近冲击一侧时，该结构表现出较高的最低穿透能，可以在较大能量冲击下确保结构不被贯穿，背部金属不出现大的裂纹。因此，相较传统结构fmls而言，本发明的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板在冲击过程中展现出更好的吸能效果或具有更高的最低穿透能，而且让fmls在设计上更加灵活，可以有效提升结构整体的抗冲击性能。

技术特征：

1.一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，由钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层交替铺放热压而成，其中钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，相邻两层钛合金金属层之间夹持一层树脂基纤维增强复合材料层，每一层树脂基纤维增强复合材料层由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放得到；构成层合板的各钛合金金属层在原始厚度相同的钛合金板材基础上经过不同次数的轧制形成不同厚度，且在沿层合板厚度方向上，各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减；构成层合板的所有树脂基纤维增强复合材料层以位于中间的钛合金金属层为中心面呈镜像对称分布。

2.如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述钛合金金属层的材料采用ta1钛合金、ta2钛合金、ta3钛合金、ta4钛合金或tc4钛合金。

3.如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。

4.如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。

5. 如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间通过在金属层预喷涂树脂进行粘接，界面粘接强度不小于20 mpa。

6.一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述钛合金金属层的材料采用ta1钛合金、ta2钛合金、ta3钛合金、ta4钛合金或tc4钛合金。

8.如权利要求6所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。

9.如权利要求6所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。

10.如权利要求6所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述表面刻蚀方法为：将钛合金金属层置于由乙二醇、氟化铵和水配制而成的电解液中，对钛合金表面进行电解刻蚀，完成电解刻蚀并清洗后再置于马弗炉中进行热处理。

技术总结本发明公开了一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法，属于复合材料制造领域。该层合板由钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层交替铺放热压而成，构成层合板的各钛合金金属层在原始厚度相同的钛合金板材基础上经过不同次数的轧制形成不同厚度，且在沿层合板厚度方向上，各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减。当层合板较厚金属层的一侧靠近冲击方向时，材料整体结构刚度和金属层变形范围较大，具有较强的吸能效果；而将层合板较薄金属层一侧置于冲击方向时，冲击过程中金属层产生的裂纹相对较少，具有更好的抗冲击性能。这种层合板材料适用于制造航空器上的吸能部件，能避免航空器舱体材料在受到冲击时出现贯穿性破损。技术研发人员：叶竟,王朋飞,赛霆,王欢,彭华新受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15