一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板及其制备方法

本发明涉及先进复合材料制备，尤其涉及一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板及其制备方法。

背景技术：

1、纤维金属层板是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料，其综合了传统金属材料和纤维复合材料的优点，在航空航天领域具有巨大的应用前景。但由于不同材料之间物理性能的差异，导致层板界面处易产生分层，该类问题对纤维金属层板的广泛应用产生了一定程度的限制。

2、在自然界中，许多动植物物种的生物组织中，已经进化出有效的结构来合成、构建和整合具有特殊机械性能的复合材料。其中，铁定甲虫这种沙漠昆虫的外骨骼具有极其耐冲击和抗压的鞘翅，这种鞘翅中的缝合线结构由复杂而分级的界面产生，该种结构可用于解决塑料和金属之间的界面强韧问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板及其制备方法，能够有效解决异种材料之间的界面强韧问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明所提出的一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板，包括金属层和纤维层；所述金属层分别对应设置在纤维层的上表面和下表面；所述金属层和纤维层的界面处之间通过缝合线仿生结构机械锁合；

4、所述缝合线仿生结构根据铁定甲虫鞘翅缝合线结构设计；所述缝合线仿生结构由椭圆形圆弧槽和椭圆形圆弧凸起依次相切而成。

5、进一步的，所述金属层和纤维层界面处的缝合线仿生结构的尺寸相同。

6、进一步的，所述椭圆形圆弧槽和椭圆形圆弧凸起的短轴和长轴的比例均为1：1.8。

7、进一步的，所述金属层和纤维层的缝合线仿生结构中，相邻的椭圆形圆弧槽和椭圆形圆弧凸起之间的偏置角为θ为20-30°。

8、一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：

9、步骤s1、仿生结构设计：根据铁定甲虫鞘翅缝合线结构，设计层板界面缝合线仿生结构；

10、步骤s2、金属层和纤维层的结构制备；

11、步骤s3、金属表面处理；

12、步骤s4、热压固化成型：采用热压罐工艺制备纤维金属层板。

13、进一步的，所述步骤s2包括：金属层和纤维层均采用3d打印制备；金属层选用铝合金材料，制备完成后根据打印要求做相应的退火处理，以消除残余应力；纤维层选用onyx耗材和连续碳纤维耗材，其中onyx耗材由热塑性树脂基体和短切碳纤维构成。

14、进一步的，所述步骤s3包括：将制备完毕的铝合金板放入浓度为100g/l的naoh溶液中碱洗1.5-2.5min，然后放入盛放有去离子水的超声清洗机中超声清洗2.5-3.5min，去除表面黑色沉积物。

15、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

16、1、本发明具有适用范围广、结构简单等特点；

17、2、本发明通过在纤维金属层板界面处设置铁定甲虫鞘翅缝合线仿生结构，使层板在未进行热压复合之前便产生机械锁合，有利于层板的复合成型；

18、3、本发明通过铁定甲虫鞘翅缝合线仿生结构的互锁原理，增强纤维金属层板金属层和纤维层之间的界面韧性，从而有效减少纤维金属层板服役过程中的分层；

19、4、本发明利用铁定甲虫鞘翅缝合线仿生结构，能够有效阻止纤维金属层板界面处的裂纹生长。

技术特征：

1.一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板，包括金属层和纤维层；所述金属层分别对应设置在纤维层的上表面和下表面；其特征在于：所述金属层和纤维层的界面处之间通过缝合线仿生结构机械锁合；

2.根据权利要求1所述的一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板，其特征在于：所述金属层和纤维层界面处的缝合线仿生结构的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板，其特征在于：所述椭圆形圆弧槽和椭圆形圆弧凸起的短轴和长轴的比例均为1：1.8。

4.根据权利要求3所述的一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板，其特征在于：所述金属层和纤维层的缝合线仿生结构中，相邻的椭圆形圆弧槽和椭圆形圆弧凸起之间的偏置角为θ为20-30°。

5.根据权利要求4所述的一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板的制备方法，其特征在于，所述步骤s2包括：金属层和纤维层均采用3d打印制备；金属层选用铝合金材料，制备完成后根据打印要求做相应的退火处理，以消除残余应力；纤维层选用onyx耗材和连续碳纤维耗材，其中onyx耗材由热塑性树脂基体和短切碳纤维构成。

7.根据权利要求6所述的一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板的制备方法，其特征在于，所述步骤s3包括：将制备完毕的铝合金板放入浓度为100g/l的naoh溶液中碱洗1.5-2.5min，然后放入盛放有去离子水的超声清洗机中超声清洗2.5-3.5min，去除表面黑色沉积物。

技术总结本发明涉及一种具有仿生界面强韧结构的纤维金属层板及其制备方法，包括金属层和纤维层；所述金属层分别对应设置在纤维层的上表面和下表面；其特征在于：所述金属层和纤维层的界面处之间通过缝合线仿生结构机械锁合；所述缝合线仿生结构根据铁定甲虫鞘翅缝合线结构设计；所述缝合线仿生结构由椭圆形圆弧槽和椭圆形圆弧凸起依次相切而成。所述制备方法包括仿生结构设计、金属层和纤维层的结构制备、金属表面处理和热压固化成型。本发明可有效解决纤维金属层板服役过程中界面易分层等问题，且可阻止纤维金属层板界面处的裂纹生长，同时具有结构简单、适用范围广等特点。技术研发人员：王健,王皑冬,丁梓峻,熊浪,王重阳,任仲骞,王奥运受保护的技术使用者：海安太原理工大学先进制造与智能装备产业研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/18