本发明涉及复合材料技术领域，特别地，涉及一种制备纤维金属层板的方法。
背景技术：
纤维金属层板是由纤维增强复合材料和金属薄板交替铺层后经一定的温度和压力环境作用固化成型的一类新型超混合复合材料。纤维金属层板形式的混杂材料产生协同效应，可以提供更好的抗疲劳特性、损伤容限、机械/热性能，已成为航空航天领域的热门材料。
但是由于纤维金属层板的成型过程处于一个温度和压力随时间变化的过程中，其在任一方向上组分材料的热膨胀系数和模量都有差异，当异质界面形成后，这种差异会通过界面对纤维复合材料和金属层发生作用，从而在制件的层间产生层间应力。此外，纤维金属层板的纤维桥接作用，虽然降低了裂纹扩展的速率，但又使其在界面处产生层间剪切应力从而使得层板出现分层扩展。若由于组分材料的差异、制件所处服役环境以及其他元素的综合作用使得最大层间应力超过临界值，纤维金属层板可能会出现分层，开裂或剥离等危险状况导致重大事故，危及人生和财产安全。
目前降低纤维金属层板层间残余应力的方法较多，但是大多数都是通过在层间加入其他物质来降低残余应力；而从纤维金属层板材料属性入手，改变固化工艺参数的来降低残余应力的研究却较少。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种制备得到低层间残余应力的纤维金属层板的方法，以解决采用现有技术制备的纤维金属层板易出现分层、开裂或剥离等危险状况的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种制备得到低层间残余应力的纤维金属层板的方法，所述纤维金属层板由金属层和纤维增强复合材料层交替铺层后经固化成形制得，所述纤维金属层板的上面层和下面层均为金属层；所述方法包括固化工艺，所述固化工艺包括以下阶段：
第一阶段：先以1.5-2.5℃/min的升温速率由室温升温至所述纤维金属层板的层间界面开始形成时的温度，紧接着以1.2-2℃/min的降温速率降温40-60℃；
第二阶段：再以0.8-1.2℃/min的升温速率升温至所述纤维金属层板的层间界面完全形成时的温度，并继续保温0.5小时以上，优选保温1.5-2.5h；所述金属层与纤维增强复合材料层固化结合为一个纤维金属层板整件；
第三阶段：将所述纤维金属层板整件先以0.8-1.5℃/min的降温速率降温至40～80℃，再自然降至室温，即得所述纤维金属层板。
进一步的，所述纤维金属层板的上面层上以及上面层与与其相邻的纤维增强复合材料层之间设置有光纤光栅传感器和k型热电偶，所述光纤光栅传感器的设置方向与所述纤维增强复合材料层的纤维方向垂直；所述方法包括先使用光纤光栅传感器和k型热电偶获得所述纤维金属层板固化成形时纤维增强复合材料层中的环氧树脂的应变数据，再根据应变数据和热电偶温度得到纤维金属层板界面结合状态的相关信息，然后根据该相关信息得到下一批纤维金属层板固化成形时的固化工艺参数；并根据该固化工艺参数进行下一批纤维金属层板在受控状态下的固化成形。
进一步的，当纤维金属层板开始固化成形时，通过所述光纤光栅传感器采集到应变值δλb，所述k型热电偶采集到温度变化值δt，应变值δλb与温度变化值δt之间的关系为：
δλb＝ε·kε δt·kt
式中ε为纤维增强复合材料层固化过程中树脂体积变化而引起的应变量，kε和kt分别为光纤光栅传感器基于波长漂移的应变和温度的敏感度系数；由上式即可得到整个固化过程中去除温度影响后的纤维增强复合材料层中树脂随温度的应变量ε。
进一步的，所述纤维金属层板的层间界面开始形成时的温度为130-150℃；所述纤维金属层板的层间界面完全形成时的温度为170-185℃。
进一步的，所述金属层板为2024铝合金板，所述金属层板的厚度为0.2～0.5mm。
进一步的，所述纤维增强复合材料层为t800/x850碳纤维增强环氧树脂预浸料，所述纤维增强复合材料层的厚度为0.15～0.225mm。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明采用光纤光栅传感器测得纤维金属层板在固化成形过程中各层的热膨胀系数的变化。界面开始形成阶段，复合材料层内环氧树脂受金属层影响，其热膨胀系数会有一定的变化；界面完全形成阶段，金属层与复合材料层结合为一个整体，即此时环氧树脂的热膨胀系数应与金属层热膨胀系数一致。本发明观察分析光纤光栅传感器数据，即可以得到界面开始形成与完全形成的相关温度信息，并基于此结果调整纤维金属层板的固化工艺曲线。
(2)、本发明的方法，利用树脂固化反应过程的自催化放热特性，当固化温度升温至纤维金属层板的界面开始形成温度时，将固化温度降低一定温度，而纤维金属层板中树脂的固化反应放热会继续推动树脂固化，即利用树脂的固化放热(而不是外界温度)来完成界面形成，该界面形成时的板内温度会显著降低，从而达到降低由温度引起的残余应力的目的。本发明方法通过有效降低界面完全形成时的板内温度以降低成形温差，从而达到降低残余应力的目的，具有成本较低，准确高等优点，适于纤维金属层板的批量生产。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种纤维金属层板的主视结构示意图；
图2是图1中纤维金属层板的仰视图；
图3是图1中纤维金属层板的a处放大结构示意图；
图4是图1中纤维金属层板的立体结构示意图；
图5是本发明中纤维金属层板的测试层的热膨胀系数变化图；
图6是图5中热膨胀系数变化图的局部放大结构示意图；
图7是本发明一种制备得到低层间残余应力的纤维金属层板的方法中固化工艺温度控制示意图；
图8是现有技术制备纤维金属层板的方法中固化工艺温度控制结构示意图；
其中：1-光纤光栅传感器，2-金属层，3-纤维增强复合材料层，4-k型热电偶，5-光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1至图6，本发明实施例提供一种制备得到低层间残余应力的纤维金属层板的方法，其中，纤维金属层板由金属层2和纤维增强复合材料层3交替铺层形成纤维金属层板后再经固化工艺得到，且该纤维金属层板的上面层和下面层均为金属层2。具体地，在纤维金属层板铺层时，将光纤光栅传感器1和k型热电偶4埋设于上面层与与其相邻的纤维增强复合材料层3之间以上面层上，且光纤光栅传感器1的设置方向与纤维增强复合材料层3的纤维方向垂直，光纤光栅传感器1与光纤5连接。
在本发明较佳的实施例中，先使用光纤光栅传感器1和k型热电偶4研究纤维金属层板固化成形时的环氧树脂的应变数据，再根据应变数据和热电偶温度得到纤维金属层板界面结合状态的相关信息，然后根据该相关信息得到下一批纤维金属层板固化工艺参数；根据该固化工艺参数进行下一批纤维金属层板在受控状态下的固化成形。具体地，当纤维金属层板开始固化成形时，通过光纤光栅传感器采集到应变值δλb，k型热电偶采集到温度变化值δt，应变值δλb与温度变化值δt之间的关系为：
δλb＝ε·kε δt·kt
式中ε为纤维增强复合材料层固化过程中树脂体积变化而引起的应变量，kε和kt分别为光纤光栅传感器基于波长漂移的应变和温度的敏感度系数；由上式即可得到整个固化过程中去除温度影响后的纤维增强复合材料层中树脂随温度的应变量ε。
结合参见图3和图4，将所测得的应变量与温度作为纵横坐标作图，所得曲线斜率即为测试层的热膨胀系数变化情况。其中：0-t0阶段：树脂受热膨胀，粘度逐渐降低，热膨胀系数略有减小，金属层与纤维增强复合材料层未形成界面，二者之间无法相互作用；t0-t1阶段：纤维增强复合材料层中的环氧树脂粘度降至最低，应变释放一部分，热膨胀系数呈负数，环氧树脂开始浸润金属层表面，该阶段为纤维金属层板界面结合质量好坏的关键阶段；t1-t2阶段：环氧树脂粘度开始增大，模量开始增加，金属层与纤维增强复合复合材料开始形成弱界面，应力应变低；t2-tc阶段：t2点(凝胶点)之后，纤维金属层板的热膨胀系数与降温阶段(完全固化)热膨胀系数一致，说明形成了纤维金属层板界面，可以传递应力影响变形。通过以上研究可知当纤维金属层板内的固化温度达到t1时，纤维金属层板中金属层板2与纤维增强复合材料层3之间的界面开始形成，由此得到纤维金属层板界面结合状态的相关信息。
如图7所示，依次上述相关信息调整批量生产纤维金属层板时的固化工艺参数，优选该固化工艺包括以下阶段：
第一阶段：先以1.5-2.5℃/min的升温速率由室温升温至纤维金属层板的层间界面开始形成时的温度，紧接着以1.2-2℃/min的降温速率降温40-60℃；
第二阶段：再以0.8-1.2℃/min的升温速率升温至纤维金属层板的层间界面完全形成时的温度，并继续保温0.5小时以上，优选保温1.5-2.5h；经此阶段后，金属层与纤维增强复合材料层固化结合为一个纤维金属层板整件；
第三阶段：将纤维金属层板整件先以0.8-1.5℃/min的降温速率降温至60℃，再自然降至室温，即得纤维金属层板。
本发明实施通过合理设置固化工艺参数，使得纤维金属层板的界面利用树脂的固化放热来完成界面形成，该固化温度明显低于如图8的原有固化工艺的温度，因此极大的降低纤维金属层板的层间残余应力，适于批量生产纤维金属层板。
本发明纤维金属层板的固化成形过程中，金属层与纤维增强复合材料层随着温度从室温到固化温度，层间会经历从无相互作用——界面开始形成——界面完全形成三个阶段。而纤维金属层板的层间残余应力的产生便是由于界面完全形成时的板内温度与室温的温差导致的。因此本发明通过有效的降低界面完全形成时的板内温度便可以降低成形温差，从而达到降低残余应力的目的。
实施例
本实施例中以金属层2为2024铝合金和纤维增强复合材料层3为t800/x850碳纤维增强环氧树脂预浸料为例：其中金属层板的长度为150mm、宽度为50mm、厚度为0.3mm；纤维增强复合材料层的长度为150mm、宽度为50mm、厚度为0.188mm，并采用3/2铺层。采用布拉格光纤光栅1、k型热电偶4分别安装在金属层2的上表面和与纤维增强复合材料层3的接触面处，然后用通过光纤光栅采集仪显示、采集并储存数据。光纤光栅传感器的应变敏感度系数kε为0.0012，温度敏感度系数kt为0.0095。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种制备得到低层间残余应力的纤维金属层板的方法，所述纤维金属层板由金属层(2)和纤维增强复合材料层(3)交替铺层后经固化成形制得，所述纤维金属层板的上面层和下面层均为金属层(2)；其特征在于，所述方法包括固化工艺，所述固化工艺包括以下阶段：
第一阶段：先以1.5-2.5℃/min的升温速率由室温升温至所述纤维金属层板的层间界面开始形成时的温度，紧接着以1.2-2℃/min的降温速率降温40-60℃；
第二阶段：再以0.8-1.2℃/min的升温速率升温至所述纤维金属层板的层间界面完全形成时的温度，并继续保温0.5小时以上，优选保温1.5-2.5h；所述金属层与纤维增强复合材料层固化结合为一个纤维金属层板整件；
第三阶段：将所述纤维金属层板整件先以0.8-1.5℃/min的降温速率降温至40～80℃，再自然降至室温，即得所述纤维金属层板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维金属层板的上面层上以及上面层与与其相邻的纤维增强复合材料层(3)之间设置有光纤光栅传感器(1)和k型热电偶(4)，所述光纤光栅传感器(1)的设置方向与所述纤维增强复合材料层(3)的纤维方向垂直；所述方法包括先使用光纤光栅传感器(1)和k型热电偶(4)获得所述纤维金属层板固化成形时纤维增强复合材料层(3)中的环氧树脂的应变数据，再根据应变数据和热电偶温度得到纤维金属层板界面结合状态的相关信息，然后根据该相关信息得到下一批纤维金属层板固化成形时的固化工艺参数；并根据该固化工艺参数进行下一批纤维金属层板在受控状态下的固化成形。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述纤维金属层板开始固化成形时，通过所述光纤光栅传感器采集到应变值δλb，所述k型热电偶采集到温度变化值δt，应变值δλb与温度变化值δt之间的关系为：
δλb＝ε·kε δt·kt
式中ε为纤维增强复合材料层固化过程中树脂体积变化而引起的应变量，kε和kt分别为光纤光栅传感器基于波长漂移的应变和温度的敏感度系数；由上式即可得到整个固化过程中去除温度影响后的纤维增强复合材料层中树脂随温度的应变量ε。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维金属层板的层间界面开始形成时的温度为130-150℃；所述纤维金属层板的层间界面完全形成时的温度为170-185℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属层板为2024铝合金板，所述金属层板的厚度为0.2～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维增强复合材料层为t800/x850碳纤维增强环氧树脂预浸料，所述纤维增强复合材料层的厚度为0.15～0.225mm。
技术总结