一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板及其製備方法
2023-07-25 23:49:01 2
一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板及其製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板，所述纖維鋁鋰合金層板由鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板依次互相交替鋪層通過底膠粘合製成。或由鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板依次互交替鋪層通過底膠粘合而成。本發明採用鋁鋰合金板（2060或2198）為原料制的纖維鋁合金層板，用作飛機壁板具有高強度、高抗損傷容限、高靜強度等優點，顯著降低飛行器的結構重量，增大飛行器的推重比。本發明採用新型的磷酸或硫酸陽極化處理工藝，使層板的製備更加環保。製備方法簡單易行，宜於工業化生產，有較大的應用價值。
【專利說明】一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及複合材料，具體涉及纖維鋁鋰合金層板，尤其涉及一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板及其製備方法。
【背景技術】
[0002]結構減重和提高飛機使用壽命是當前大型高性能商用客機研製的重點問題，因此，如何研製密度小和具有高損傷容限的材料有重要的意義。
[0003]飛機壁板是飛機的重要結構件之一，飛機壁板最早採用的金屬材料為2024和7075鋁合金，它們具有密度小，加工性能好且價格便宜的特點，但是，疲勞壽命較差和損傷容限性能較差。為克服所述鋁合金的缺點，相繼開發了適用於蒙皮的新材料。第一類是空客A350和龐巴迪系列飛機將採用的第三代鋁鋰合金(2198或2060)，該系列的鋁鋰合金相對於鋁合金(2024或7075)，具有密度小、比強度高、比剛度高、損傷容限好，耐腐蝕等優點。採用用鋁鋰合金(2198或2060)，可以使結構質量減輕15%，剛度提高30%，能顯著降低飛行器的結構重量，增大飛行器的推重比，進而顯著提高飛行器的載重性能和機動性能。第二類是採用樹脂基複合材料，此類材料相對於鋁合金材料，具有密度小，疲勞壽命高等優點，但是樹脂基複合材料的抗衝 擊能力較差、加工性能較差且價格昂貴。第三類是採用鋁合金薄板(2024或7075鋁合金)和纖維複合材料預浸料製備的纖維鋁合金層板。該層板同時具備樹脂基複合材料和鋁合金的優點，與傳統的鋁合金材料相比，結構減重達25%-30%，疲勞壽命提高10-20倍，已經在波音和空客的機型得到應用。因此，研究採用鋁鋰合金(2060或2198)替代上述纖鋁合金纖維層板中的鋁合金(2024或7075)以及進一步優化層板製備工藝，設計一種新型高強度高抗損傷容限的鋁鋰合金纖維層板，有著重要的意義。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題在於克服上述不足之處，研究設計一種用作飛機壁板的優化的高強度高損傷容限的纖維鋁鋰合金層板以及製備方法。
[0005]本發明提供了一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板，所述纖維鋁鋰合金層板由鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板(2/1結構，即2層鋁鋰合金板與I層纖維預浸料組成)相互交替鋪層通過底膠粘合而成，或由鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板(3/2結構，即3層鋁鋰合金板與2層纖維預浸料組成)互交替鋪層通過底膠粘合而成。
[0006]本發明纖維鋁鋰合金層板所述鋁鋰合金板選自2198或2060鋁鋰合金板，厚度為
0.2^0.5mm。
[0007]本發明纖維鋁鋰合金層板所述纖維預浸料由纖維和樹脂基體組成，所述纖維選自碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維預浸料，優選玻璃纖維；樹脂基體為環氧樹脂。所述纖維在預浸料中的含量為40%_70%V/V。可以通過市售購得。
[0008]所述纖維預浸料中的纖維為單層或雙層，所述單層纖維的厚度為0.2^0.5mm。[0009]所述雙層纖維之間的方向為0°、45°或90°夾角。
[0010]本發明的另一目的是提供了一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板的製備方法，該方法包括下列步驟:
(一)鋁鋰合金板處理:
(1)鋁鋰合金板進行磷酸或硫酸陽極化處理:
所述鋁鋰合金板進行磷酸(H3PO4)陽極化處理:陽極化處理槽液中，磷酸質量百分數為10(Tl60g/L，陽極化溫度為15-35°C，陽極化直流電壓為10-20V，陽極化時間為15_30min ；或
所述鋁鋰合金板進行硫酸H3S04陽極化處理:陽極化處理槽液中，硫酸質量百分數為35~65g/L，陽極化溫度為15-35°C，陽極化直流電壓為10-20V，陽極化時間為15_30min ；
(2)鋁鋰合金板進行酸陽極化處理後，在水中衝洗5-10min，在5(T70°C的烘箱中烘烤15min ；
(3)經過陽極化處理的鋁鋰合金板的一側表面均勻塗刷一層底膠，烘乾；所述底膠為環氧樹脂，底膠的使用量為IOOlOOg/鋁鋰合金板m2，烘乾溫度為80-100?，烘乾時間為4-8小時；
(二)製備纖維鋁鋰合金層板
(1)將步驟(一)處理過的鋁鋰合金板與市售購得的的預浸料依次互相交替鋪層，通過底膠環氧樹脂粘合，製得纖維鋁鋰合金層板，保存於真空袋內(真空壓差為
0.095-0.lOOMPa，所述底膠的使用量為10(T300g/纖維鋁鋰合金層板m2 ；
(2)粘合好的纖維鋁鋰合金層板進行加熱加壓固化:上述保存纖維鋁鋰合金層板的真空袋勻速升溫到20°C _40°C溫度，並保溫10-20min，再加壓至0.6_lMPa，升溫到160_200°C溫度並保溫1-3小時，固化結束後冷卻到室溫，除去真空袋，製得纖維鋁鋰合金層板。
[0011]本發明方法所述步驟(一)鋁鋰合金板進行磷酸或硫酸陽極化處理之前，鋁鋰合金板按常規方法進行去油汙和脫氧處理，然後進行磷酸或硫酸陽極化處理。
[0012]本發明有以下積極的效果:
(I)本發明纖維鋁鋰合金層板採用鋁鋰合金(2060或2198)的密度比鋁合金(2024或7075)的密度小10-15%，可以進一步降低纖維鋁合金層板的密度，從而進一步提高此類層板的比強度。
[0013](2)鋁鋰合金(2060或2198)的耐腐蝕性能比鋁合金(2024或7075)的耐腐蝕性
能好，可以進一步增強纖維鋁鋰合金層板的耐腐蝕性能。
[0014](3)鋁鋰合金(2060或2198)的抗損傷容限性能比鋁合金(2024或7075)的抗損傷容限性能高，可以進一步提高纖維鋁鋰合金層板的抗損傷容限性能。
[0015](4)鋁鋰合金(2060或2198)的靜強度比鋁合金(2024或7075)的靜強度高，採用鋁鋰合金(2060或2198)可以進一步提高纖維鋁鋰合金層板的靜強度。
[0016](5)本發明提供的纖維鋁鋰合金層板替代現有的鋁合金板用作飛機壁板具有高強度聞抗損傷容限等優點。
[0017](6)本發明提供的纖維鋁鋰合金層板替代現有的鋁合金板用作飛機壁板，能顯著降低飛行器的結構重量，增大飛行器的推重比，有利於飛行。
[0018](7)本發明採用新型環保的磷酸或硫酸陽極化鋁鋰合金板處理工藝，使層板的製備工藝更加環保。
[0019]本發明提供的纖維鋁鋰合金層板用作飛機壁板具有高強度高抗損傷容限等優點，顯著降低飛行器的結構重量，增大飛行器的推重比。本發明製備方法簡單易行，宜於工業化生產，有較大的應用價值。
【具體實施方式】
[0020]以下通過具體的實施例對本發明的技術方案作詳細描述。
[0021]下面實施例所用2198鋁鋰合金板通過市售購得(美國鋁業公司)。
[0022]購得的2198鋁鋰合金板均需按常規方法處理:先用丙酮洗去油汙，再用三酸脫氧(三酸為硝酸、鉻酸和氫氟酸酸，按照質量比為3:1:2配三酸溶液)
實施例1
材料:2198鋁鋰合金層板，厚度0.2mm
玻璃纖維預浸料組成為玻璃纖維(市售，珠海玻纖)和環氧樹脂(市售，上海忠康公司)，纖維體積含量為50%，玻璃纖維預浸料的層厚為0.3mm。
[0023]製備:第一步:將鋁鋰合金板500X IOOOmm在陽極化槽內(科普達牌)進行磷酸陽極化處理=H3PO4質量百分數為130g/L，陽極化溫度為25°C，陽極化直流電壓為15V，陽極化時間為20min。陽極化處理之後用淨水衝洗鋁鋰合金板8min，再於60°C的烘箱中烘烤15min。
[0024]第二步:在陽極化處理後的2198鋁鋰合金層板的一側表面均勻塗刷一層環氧樹脂底膠，底膠的使用量為200g/m2，塗有底膠的鋁鋰合金板的烘乾溫度為90°C，烘烤時間為6小時。之後將塗刷有底膠的鋁鋰合金層板與預浸料相互交替鋪層成為一個整體，並利用真空袋將纖維鋁合金層板內部形成一個真空系統(真空壓差0.095MPa)。
[0025]第三步:加熱加壓固化:將裝有纖維鋁合金層板的真空袋勻速升溫到比底膠的固化溫度140°C，並保溫15min，再加壓至0.8MPa，最後升溫到170°C並保溫2小時，固化結束後冷卻到室溫(25°C)，移去真空袋，製成纖維鋁合金層板。
[0026]實施例2
材料:2060鋁鋰合金層板，厚度0.2mm ；
玻璃纖維預浸料，組成為玻璃纖維和環氧樹脂，纖維體積含量為50%，玻璃纖維預浸料的層厚為0.3mm。
[0027]設備同實施例1.製備:第一步:將鋁鋰合金層板進行磷酸陽極化處理=H3PO4質量百分數為135g/L，陽極化溫度為25°C，陽極化直流電壓為15V，陽極化時間為20min。陽極化處理之後鋁鋰合金用淨水衝洗8min，在60°C的烘箱中烘烤15min。
[0028]第二步:在陽極化處理後的2060鋁鋰合金層板一側表面均勻塗刷一層環氧樹脂底膠，底膠的使用量為200g/m2，塗有底膠履歷合金板的烘乾溫度為90°C，烘烤時間為6小時。之後將塗刷有底膠的鋁鋰合金板與預浸料接觸並相互交替鋪層成為一個整體，並利用真空袋將鋪好的層板內部形成一個真空系統(真空壓差0.095MPa)。
[0029]第三步:加熱加壓固化:將裝有纖維鋁合金層板的真空袋勻速升溫到比底膠的固化溫度140°C，並保溫15min，再加壓至0.8MPa，最後升溫到170°C並保溫2小時，固化結束後冷卻到室溫(25 °C )。移去真空袋，製成纖維鋁合金層板。
[0030]實施例3
材料:2198鋁鋰合金層板，厚度0.2mm ；
玻璃纖維預浸料，組成為玻璃纖維和環氧樹脂，纖維體積含量為50%，玻璃纖維預浸料的層厚為0.3mm。
[0031]製備:第一步:將下好料的鋁鋰合金層板進行硫酸陽極化處理:H3S04質量百分數為50g/L，陽極化溫度為25°C，陽極化直流電壓為15V，陽極化時間為20min。陽極化處理之後鋁鋰合金層板用乾淨水衝洗8min，在60°C的烘箱中烘烤15min。
[0032]第二步:在陽極化處理後的2198鋁鋰合金層板一側表面均勻塗刷一層環氧樹脂底膠，底膠的使用量為200g/m2，底膠的烘乾溫度為90°C，烘烤時間為6小時。之後將塗刷有底膠的鋁鋰合金層板與預浸料相互交替鋪層成為一個整體，並利用真空袋將鋪好的層板內部形成一個真空系統(真空壓差0.095MPa)。
[0033]第三步:加熱加壓固化:將裝有纖維鋁合金層板的真空袋勻速升溫到比底膠的固化溫度140°C，並保溫15min，再加壓至0.8MPa，最後升溫到170°C並保溫2小時，固化結束後隨爐冷卻到室溫(25°C)。移去真空袋，製成纖維鋁合金層板。
[0034]實施例4
材料:2060鋁鋰合金層板，厚度0.2mm ；
玻璃纖維預浸料，組成為玻璃纖維和環氧樹脂，纖維體積含量為50%，玻璃纖維預浸料的層厚為0.3mm。
[0035]製備:第一步:將鋁鋰合金層板進行硫酸陽極化處理，陽極化工藝為:H3S04質量百分數為55g/L，陽極化溫度為25°C，陽極化直流電壓為15V，陽極化時間為20min。陽極化處理之後鋁鋰合金用淨水衝洗8min，在60°C的烘箱中烘烤15min。
[0036]第二步:在陽極化處理後的2060鋁鋰合金板材一側表面均勻塗刷一層環氧樹脂底膠，底膠的使用量為200g/m2，底膠的烘乾溫度為90°C，烘烤時間為6小時。之後將塗刷有底膠的鋁鋰合金板與預浸料相互交替鋪層成為一個整體，並利用真空袋將鋪好的層板內部形成一個真空系統(真空壓差0.095MPa)。
[0037]第三步:加熱加壓固化:將裝有纖維鋁合金層板的真空袋勻速升溫到比底膠的固化溫度140°C，並保溫15min，再加壓至0.8MPa，最後升溫到170°C並保溫2小時，固化結束後隨爐冷卻到室溫(25°C)。移去真空袋，製成纖維鋁合金層板。
【權利要求】
1.一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板，其特徵在於，所述纖維鋁鋰合金層板由鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板依次互相交替鋪層通過底膠粘合製成。
2.一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板，其特徵在於，所述纖維鋁鋰合金層板由鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板-纖維預浸料-鋁鋰合金板結構依次互相交替鋪層通過底膠粘合而成。
3.根據權利要求1或2所述的一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板，其特徵在於，所述鋁鋰合金板選自2198或2060鋁鋰合金板，厚度為0.2^0.5mm。
4.根據權利要求1或2所述的一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板，其特徵在於，所述纖維預浸料由纖維和樹脂基體製成；所述纖維選自碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維預浸料；所述纖維在預浸料中的含量為50% ;所述樹脂基體為環氧樹脂。
5.根據權利要求1或2所述的一種用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板，其特徵在於，所述纖維預浸料為單層、雙層或三層，所述單層纖維預浸料的厚度為0.2^0.5mm ;所述雙層預浸料之間的纖維方向為方向0°、45°或90°夾角。
6.一種如權利要求1所述用作飛機壁板的纖維鋁鋰合金層板的製備方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟: (一)鋁鋰合金層板處理: (I)鋁鋰合金板進行酸陽極化處理: 鋁鋰合金層板按常規方法:先用丙酮洗去油汙，再用三酸脫氧處理，所述三酸為硝酸、鉻酸和氫氟酸酸，按照質量比為3:1:2配三酸溶液，然後進行酸陽極化處理； i、鋁鋰合金板進行磷酸(H3PO4)陽極化處理:磷酸質量百分數為10(Tl60g/L，陽極化溫度為15-35°C，陽極化直流電壓為10-20V，陽極化時間為15_30min ;或 ii、鋁鋰合金板進行硫酸H3S04陽極化處理:硫酸質量百分數為35飛5g/L，陽極化溫度為15-35°C，陽極化直流電壓為10-20V，陽極化時間為15_30min ； 鋁鋰合金板進行酸陽極化處理後，在水中衝洗5-10min，在5(T70 °C的烘箱中烘烤.15min ； (3)經過陽極化處理的鋁鋰合金板的一側表面均勻塗刷一層底膠，烘乾；所述底膠為環氧樹脂底膠的使用量為10(T300g/m2，烘乾溫度為80-100?，烘乾時間為4~8小時； (二)纖維預浸料製備: 所述纖維預浸料的纖維體積含量為50%，纖維預浸料的層厚度為0.2^0.5mm ； (三)製備纖維鋁鋰合金層板 (1)將步驟(一)處理過的鋁鋰合金板與步驟(二)製備的預浸料依次互相交替鋪層，通過底膠環氧樹脂粘合，製得纖維鋁鋰合金層板，保存於真空袋內，真空壓差為.0.095-0.lOOMPa，所述底膠的使用量為10(T300g/m2 ； (2)粘合好的纖維鋁鋰合金層板進行加熱加壓固化:真空袋勻速升溫到20°C_40°C溫度，並保溫10-20min，再加壓至0.6_lMPa，升溫到120°C _140°C並保溫1_3小時，固化結束後冷卻到室溫，移去真空袋，製得纖維鋁鋰合金層板。
【文檔編號】C25D11/04GK104015917SQ201410264847
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優先權日:2014年6月16日
【發明者】鄭興偉, 陳潔, 陳磊, 劉紅兵, 孫中剛, 何雪婷, 吳宏亮 申請人:上海飛機製造有限公司