一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板的製作方法
2023-04-28 15:42:01 1
專利名稱：一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，屬於航天材料領域。
背景技術：
在近空間眾多的飛行器中，高超聲速飛行器具有高超聲速、高機動的遠程精確打擊能力，因此已成為世界軍事熱點，將引發未來戰爭概念和模式的革命，也將對人類生活產生極為深遠的影響。眾所周知，當巡航飛彈飛行速度為680 m/ s I 020 m/ s時，彈體和彈翼蒙皮的表面溫度高達200 °C 300 °C ,常規的高強鋁合金(如2219、7050等)和環氧樹脂基複合材料就不能滿足上述要求。材料技術是近空間高超聲速飛行器研發的關鍵。「熱」是關係高超聲速飛行器成敗的關鍵，「輕」是航空太空飛行器追求的永恆主題。近空間中的大氣密度雖然比地面小，但由於速度高帶來的氣動熱和氧化問題十分突出，近空間高超聲速飛行器需要在有氧和高溫環境下飛行數千秒，長時間的氣動加熱使得頭部和翼緣等迎風面部位的表面溫度超過1500°C，背風面溫度則在300°C以上。目前高超聲速飛行器大多採用外層熱結構和內層冷結構的形式，這就要求外層的放熱層具有一定的厚度，而內層材料必須具有輕質、高的高溫強度的性能特點。目前內層主結構如蒙皮、框架、桁條等基本採用鋁合金結構，但傳統的鋁合金材料在溫度大於120°C後其材料屬性有明顯降低。為適應未來航天運載器的發展需要，研發高溫環境下更高比強度和比模量、低密度新型蒙皮和內層結構材料是必然的選擇。由聚醯亞胺為基體製得的連續纖維複合材料，廣泛用於航天、航空器及火箭的結構部件及發動機零件，在380°C或更高的溫度下可以使用數百小時，短時間可以經受400-500°C的高溫。與鈦合金相比，整流罩和尾翼的質量可分別減輕約67 %和53 %。美國戰斧巡航飛彈的進氣道和整流罩就是採用石墨纖維增強聚醯亞胺複合材料。但由於聚醯亞胺的脆性較大，從而影響其廣泛應用。到目前為止，國內沒有適用於超聲速飛行器內層結構減重和高溫性能的應用需求的結構材料。
發明內容本實用新型的目的是提供一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，適用於超聲速飛行器內層結構減重和高溫性能的應用。為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，所述金屬板至少兩層，相鄰金屬板之間鋪設至少一層碳纖維複合材料層，金屬板為TC4鈦合金板,厚度為0.2-0.4mm,碳纖維複合材料層為碳纖維/聚醯亞胺複合材料，厚度為0.1-0.2mm。所述金屬板為2 3層，碳纖維複合材料層為f 4層，碳纖維複合材料層的碳纖維排布方向與金屬板的長度方向之間的夾角為0° 45°。所述不同層的碳纖維複合材料層的碳纖維的排布方向相同或者相反。有益效果:1、本實用新型提供的輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板綜合了鈦合金和碳纖維/聚醯亞胺複合材料的優點，其比強度與鋁、鈦相比可減輕重量25% 35%、疲勞壽命及高溫強度遠高於單鈦合金板，且成本遠低於纖維增強的複合材料，並具有耐腐蝕、阻燃、耐衝擊等優點，還能象常規金屬一樣進行加工和修補，是理想的高音速飛行器結構材料。2、本實用新型所用TC4鈦合金具有良好的高溫強度，可用於500°C的高溫；與鋁合金相比，具有高的比強度可降低外層防熱層的厚度，降低結構重量。3、本實用新型提供的纖維金屬混雜層板除了具有輕質、耐高溫的性能特點外，還具有優異的抗疲勞性能。由於當裂紋沿鈦合金層擴展時，受複合材料層中碳纖維搭橋的影響，使得混雜層板的鈦合金層內裂紋尖端的實際應力場強度因子低於承受相同外載荷作用的單一鈦合金板，因此層板的疲勞裂紋擴展速率低於單一鈦合金板。4、本實用新型所用的碳纖維/聚醯亞胺複合材料，熱固性聚酞亞胺為PMR型，如PMR-15和KH-304系列，其熱膨脹係數在2X 10_5 — 3 X 10_5°C，其開始分解溫度一般都在500°C左右，相對密度1.39 1.45，長期工作溫度可達316°C。因而碳纖維增強聚醯亞胺複合材料具有優異的耐熱氧化穩定性能、高溫下突出的力學性能、耐輻射性能以及很好的化學物理穩定性。5、本實用新型所提供的纖維金屬混雜層板可用於高超聲速飛行器的內層結構材料，如蒙皮、框架、桁條等。也可用來作為面板材料製備三明治結構，用於輕型防彈裝甲和船艦等。
圖1:實施例1輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意圖；圖2:實施例2輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意圖；圖3:實施例3輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意圖；圖4:實施例4輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意圖；圖5:實施例5輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意圖；圖6:實施例6輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意圖；圖7:實施例7輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意圖；其中:1-金屬板，2-碳纖維複合材料層。
具體實施方式
實施例1:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，如圖1所不，金屬板I為兩層，碳纖維複合材料層2為一層,一層碳纖維複合材料層2的碳纖維的排布方向與金屬板I的長度之間的夾角為0°。碳纖維複合材料層為碳纖維增強聚酞亞胺(PMR-15)。由於沿碳纖維方向的複合材料層的抗拉強度較高，因此，此實施方案提供的層板具有較高比強度，同時又具有較高的沿碳纖維複合材料層2中碳纖維方向的斷裂強度以及高疲勞強度，適用於單向承載的場合。實施例2:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，如圖2所示，金屬板I為兩層，碳纖維複合材料層2為兩層，兩層碳纖維複合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維複合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為0°。碳纖維複合材料層為碳纖維增強聚酞亞胺(KH — 304)。由於具有這種垂直交叉排布的複合材料層具有優異的抗衝擊和疲勞性能，以及各向同性的特徵。因此，此實施方案提供的層板具有較高比強度、高衝擊韌性以及高疲勞強度，適用於各個方向受力均勻的場合。實施例3:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，如圖3所示，金屬板I為兩層，碳纖維複合材料層2為兩層，兩層碳纖維複合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維複合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為45°。由於具有這種45°垂直交叉排布的複合材料層具有優異的剪切及偏軸性能，以及各向同性的特徵。因此，此實施方案提供的層板具有較高比強度、高剪切強度、高的偏軸性能，適用於各個方向受力均勻的場合。實施例4:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，如圖4所示，金屬板I為三層，碳纖維複合材料層2為兩層，兩層碳纖維複合材料層2的碳纖維的排布方向相同，每層碳纖維複合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為0°。和實施例1比較，此實施方案多鋪設了一層鈦合金，因而提供的層板具有較高的抗衝擊性能、較高比強度，同時又具有較高的沿碳纖維複合材料層2中碳纖維方向的斷裂強度以及高疲勞強度，適用於單向承載的場合。實施例5:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，如圖5所示，金屬板I為三層，碳纖維複合材料層2為兩層，兩層碳纖維複合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維複合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為0°。和實施例2比較，此實施方案多鋪設了一層鈦合金，因而提供的層板具有優異的抗衝擊韌性、較高比強度以及高疲勞強度，適用於各個方向受力均勻的場合。實施例6:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，如圖6所示，金屬板I為三層，碳纖維複合材料層2為四層，兩層相鄰碳纖維複合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維複合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為0°。和實施例2比較，此實施方案多鋪設了一層鈦合金及一層垂直交叉排布的複合材料層，因而提供的層板具有優異的抗衝擊韌性、較高比強度以、高的剪切強度以及良好的偏軸性能，適用於各個方向均勻受力的場合。實施例7:一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，如圖7所示，金屬板I為三層，碳纖維複合材料層2為四層，兩層相鄰碳纖維複合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維複合材料層2的碳纖維排布方向與金屬板I的長度方向之間的夾角為45°。和實施例3比較，此實施方案多鋪設了一層鈦合金及一層45°垂直交叉排布的複合材料層因此，此實施方案提供的層板具有更高的剪切強度，更好的偏軸性能、較高比強度以及較高的抗衝擊韌性，適用於各個方向受力均勻的場合。
權利要求1.一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板(I)和碳纖維複合材料層(2)組成，其特徵在於:所述金屬板(I)至少兩層，相鄰金屬板(I)之間鋪設至少一層碳纖維複合材料層(2)，金屬板(I)為TC4鈦合金板，厚度為0.2-0.4_，碳纖維複合材料層(2)為碳纖維/聚醯亞胺複合材料，厚度為0.1-0.2mm。
2.根據權利要求1所述的輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，其特徵在於:所述金屬板(I)為2 3層，碳纖維複合材料層(2)為1 4層，碳纖維複合材料層(2)的碳纖維排布方向與金屬板(I)的長度方向之間的夾角為0° 45°。
3.根據權利要求2所述的輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，其特徵在於:所述不同層的碳纖維複合材料層(2)的碳纖維的排布方向相同或者相反。
專利摘要一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維複合材料層組成，金屬板至少兩層，相鄰金屬板之間鋪設至少一層碳纖維複合材料層，金屬板為TC4鈦合金板，厚度為0.2-0.4mm，碳纖維複合材料層為碳纖維/聚醯亞胺複合材料，厚度為0.1-0.2mm。金屬板為2~3層，碳纖維複合材料層為1~4層，碳纖維複合材料層的碳纖維排布方向與金屬板的長度方向之間的夾角為0o~45o。本實用新型輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，比強度與鋁、鈦相比可減輕重量25%～35%，疲勞壽命及高溫強度遠高於單鈦合金板，且成本遠低於纖維增強的複合材料，並具有耐腐蝕、阻燃、耐衝擊等優點，是理想的高音速飛行器結構材料。
文檔編號B32B27/04GK203032022SQ20122064891
公開日2013年7月3日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者潘蕾, 陶傑, 汪濤, 蔣建輝, 徐鳳娟, 楊棟棟 申請人:南京航空航天大學