一种纤维-金属超混杂槽型构件的成形工艺及质检方法

一种纤维-金属超混杂槽型构件的成形工艺及质检方法
1.技术领域
2.本发明涉及复合材料板材成形技术领域，具体涉及纤维-金属超混杂槽型构件的气囊辅助热压成形模具与成形方法。
3.

背景技术：

4.网架、网壳、管桁架等空间结构因其结构体系受力合理、造型优美，在交通枢纽、体育场馆顶部屋盖、海洋平台支承结构、大型仓储设施、军、民用机库等具有重要政治与经济性意义的标志性建筑中得到应用。大体量、大跨度一直是空间结构的重要发展方向，采用轻质高强材料制造空间结构主承力构件也是实现这一目标的关键途径之一。随着大跨空间结构的工程应用日益增加，恐怖袭击、意外事故、施工坠物、风致飞射物、自然灾害等冲击偶然荷载造成的影响逐渐凸显，抗灾防御能力的需求已成为结构工程领域的重要挑战。
5.纤维金属层板（fiber metal laminates，fmls）是将frp与金属材料交替铺层得到的层间混杂复合材料，也称为超混杂层板（super hybrid laminates）。该种材料综合了纤维增强复合材料与金属的优点，具有高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能与抗冲击性能，在提升大跨空间结构承载与防护性能方面具有显著应用潜力。在纤维金属层板受到动态冲击作用时，金属的塑性变形与纤维增强复合材料的变形和断裂能够通过层间界面产生交互作用，改变单一组分的失效模式，使构件的吸能性能产生明显地“正向复合效应”，从而提升整体结构的抗冲击性能。同时，在冲击作用后的结构自由振动过程中，构件良好的耗能能力和大阻尼比特性还有助于减弱结构的振动幅值，有效降低结构发生连续倒塌的风险。
6.创新纤维金属层板制备成形工艺，满足异形截面纤维金属超混杂构件的成形要求，是纤维金属层板在大跨空间结构中实现应用的关键基础环节。槽型截面构件是空间结构中应用最为广泛的构件形式之一，实现纤维金属混杂槽型构件的成形是纤维金属层板在空间结构中成功应用的一大经济高效途径。专利cn201910233720.5曾提出一种基于刚性模热压工艺的纤维金属超混杂槽型构件的制备方法，较好解决了其制备难题，但仍需解决三大问题:一是槽型构件翼缘与腹板尺寸均匀性问题；二是复合材料层内缺陷控制问题；三是复合材料/金属层间界面结合可靠性问题。
7.

技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有刚性模成形技术中的不足，提供一种适用于纤维-金属超混杂槽型构件的新型成形方法，有助于提升构件成形后尺寸精度、降低复合材料层内缺陷、提升复合材料/金属层间界面结合性能。
9.本发明采用的主要技术方案如下：一种纤维金属超混杂槽型构件成形方法，包括以下步骤：
对金属基板分别进行表面处理、表面除污；将经过表面处理与表面除污的金属基板与纤维增强树脂基复合材料预浸料交替铺设，得到纤维金属层板；其中金属基板与纤维增强树脂基复合材料预浸料层之间布置胶黏剂层；将铺设好的纤维金属层板放置在液压机上，通过液压机施加压力，得到半固化纤维金属层板；将半固化纤维金属层板放置在钢制阴模与钢制冲头之间，通过液压机在钢制冲头上施加压力，将半固化纤维金属层板压入钢制阴模中，形成纤维金属超混杂槽型预制件；将阳模取出替换为硅胶充气芯模，并将钢制阴模、硅胶充气芯模与纤维金属超混杂槽型预制件整体放入组合模具中，形成固化工装系统；将固化工装系统放置在热压机上，通过热压机上下顶板进行加热。同时对硅胶气囊内进行充气加压，完成纤维金属超混杂槽型预制件的固化过程；将固化后的纤维金属超混杂槽型预制件取出，通过机械加工去除构件上多余部分，完成纤维金属超混杂槽型构件的成形制备。
10.优选的是，本发明的金属基板包括铝、钛有色金属及其合金制成的基板；所述纤维增强树脂基复合材料中，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的任意一种，树脂为中温环氧树脂。
11.优选的是，本发明金属基板的表面处理包括机械打磨、喷砂、阳极氧化、等离子体处理的任意一种；所述金属基板的表面除污包括丙酮超声波清洗、氢氧化钠溶液清洗的任意一种。
12.优选的是，本发明的金属基板与纤维增强树脂基复合材料预浸料交替铺设层数为3-9层；所述胶黏剂为中温环氧树脂；所述胶黏剂布置方式为在金属基板表面涂刷、喷涂或采用树脂胶膜。
13.优选的是，本发明液压机施加的压力为30-70kn，施加压力的时长为30分钟。
14.优选的是，本发明的硅胶充气芯模包括气囊腔，气囊腔上穿置进气管。
15.优选的是，本发明的组合模具材质为铝合金或45号钢中的任一种；所述组合模具包括与硅胶充气芯模相配合的钢制阴模，钢制阴模的上部设置顶部盖板，位于硅胶充气芯模上进气管的一端设置充气口端部挡块，远离硅胶充气芯模上进气管的一端设置尾部挡块，钢制阴模长度方向的两侧分别设置侧面固定板，侧面固定板通过限位螺栓与钢制阴模连接；所述充气口端部挡块包括充气口端部上挡块与充气口端部下挡块。
16.优选的是，本发明的热压机加热温度为120-130℃，加热时长为60min；所述充气加压气压值为0.6-0.9mpa。
17.一种纤维金属超混杂槽型构件的质检方法，包括如下步骤：制备本发明的纤维金属超混杂槽型构件；选取厚度测量点，测量成形后的纤维金属超混杂槽型构件翼缘、腹板、转角部分沿构件长度方向的厚度分布情况；对成形后的纤维金属超混杂槽型构件进行无损检测，测定构件内空洞、分层等缺陷情况；确定取样点，在成形后的纤维金属超混杂槽型构件上取样，进行短梁层间剪切性
能试验，测定纤维金属超混杂槽型构件层间结合性能。
18.优选的是，本发明的厚度测量点分别为纤维金属超混杂槽型构件翼缘、腹板、过渡转角各自在构件长度方向的四等分线或五等分线与翼缘、腹板、过渡转角横向尺寸等分线的交点。
19.与现有技术相比，采用本发明的技术方案具有如下有益效果：（1）首次将气囊软模成形工艺与刚性模成形工艺相结合应用于纤维金属超混杂槽型构件的成形中，采用先刚性模预成形、后气囊软模加压固化成形的方式，充分发挥刚性模成形与气囊软模成形的优势，克服了单一刚性模成形超混杂槽型构件时，翼缘部分压力不均、转角部分压力不足的问题，改善了超混杂槽型构件成形后的尺寸精度，提升了层间界面的结合强度，同时降低了纤维层内因成形压力不均造成的空洞、孔隙等缺陷；（2）采用组合模具与钢制阴模、硅胶气囊软模共同组成固化工装系统，能够充分限制硅胶气囊在充气加压时沿着模具自由边缘处的扩展，使气囊形状保持稳定，从而使得气囊在固化时能够充分与超混杂槽型构件各部分接触，确保气压均匀传递到构件上；（3）提出的纤维金属超混杂槽型构件的成形质量检测流程，能够通过相对经济地试验方法，全面揭示超混杂槽型构件的尺寸精度、内部缺陷情况与层间结合性能。
20.附图说明
21.图1是本发明实施例提供的一种纤维金属超混杂槽型构件制备流程图；图2是本发明实施例提供的一种纤维金属超混杂槽型构件制备模型流程图；图3是本发明实施例提供的固化工装系统模型图；图4是组成固化工装系统模型的爆炸图；图5是本发明实施例提供的一种纤维金属超混杂槽型构件模型图与实物图；图6是图5所示纤维金属超混杂槽型构件长度方向等分线示意图；图7是图5所示纤维金属超混杂槽型构件的平面展开示意图与层间剪切试验取样点示意图。
22.图中：1、金属基板，2、纤维增强树脂基复合材料预浸料，3、半固化纤维金属层板，4、钢制冲头，5、钢制阴模，6、顶部盖板，7、硅胶充气芯模，8、纤维金属超混杂槽型预制件，9、组合模具外框，10、固化后纤维金属超混杂槽型预制件，11、纤维金属超混杂槽型构件，12、硅胶充气芯模气囊腔，13、硅胶充气芯模进气口，14、充气口端部下挡块，15、充气口端部上挡块，16、尾部挡块，17、侧面固定板，18、限位螺栓，19、固化工装系统，20、槽型构件翼缘，21、槽型构件腹板，22、槽型构件过渡转角，23、槽型构件长度方向四等分线位置，24、层间剪切试验取样点。
23.具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.如图1所示，一种纤维金属超混杂槽型构件成形方法，包括以下步骤：
对金属基板1分别进行表面处理、表面除污；如图2所示，将经过表面处理与表面除污的金属基板1与纤维增强树脂基复合材料预浸料2交替铺设，得到纤维金属层板；其中金属基板与纤维增强树脂基复合材料预浸料层之间布置胶黏剂层；如图2所示，将铺设好的纤维金属层板放置在液压机上，通过液压机施加压力，得到半固化纤维金属层板3；如图2所示，将半固化纤维金属层板3放置在钢制阴模5与钢制冲头4之间，通过液压机在钢制冲头4上施加压力，将半固化纤维金属层板3压入钢制阴模5中，形成纤维金属超混杂槽型预制件8；如图3所示，将阳模取出替换为硅胶充气芯模7，并将钢制阴模5、硅胶充气芯模7与纤维金属超混杂槽型预制件8整体放入组合模具中，形成固化工装系统；将固化工装系统放置在热压机上，通过热压机上下顶板进行加热。同时对硅胶气囊内进行充气加压，完成纤维金属超混杂槽型预制件8的固化过程；将固化后的纤维金属超混杂槽型预制件10取出，通过机械加工去除构件上多余部分，完成纤维金属超混杂槽型构件11的成形制备。
26.本发明的金属基板1包括铝、钛有色金属及其合金制成的基板；所述纤维增强树脂基复合材料中，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的任意一种，树脂为中温环氧树脂。
27.本发明金属基板1的表面处理包括机械打磨、喷砂、阳极氧化、等离子体处理的任意一种；所述金属基板1的表面除污包括丙酮超声波清洗、氢氧化钠溶液清洗的任意一种。
28.本发明的金属基板1与纤维增强树脂基复合材料预浸料2交替铺设层数为3-9层；所述胶黏剂为中温环氧树脂；所述胶黏剂布置方式为在金属基板1表面涂刷、喷涂或采用树脂胶膜。
29.本发明形成半固化纤维金属层板3时液压机施加的压力为30-70kn，施加压力的时长为30分钟；相应的形成纤维金属超混杂槽型预制件8时，液压机施加的压力为30-70kn，施加压力的时长为30分钟。
30.如图2所示，本发明硅胶充气芯模7包括气囊腔12，气囊腔12上穿置进气管13。
31.如图2、图3、图4所示，本发明的组合模具材质为铝合金或45号钢中的任一种；所述组合模具包括与硅胶充气芯模7相配合的钢制阴模5，钢制阴模5的上部设置顶部盖板6，位于硅胶充气芯模7上进气管13的一端设置充气口端部挡块，远离硅胶充气芯模7上进气管13的一端设置尾部挡块16，钢制阴模5长度方向的两侧分别设置侧面固定板17，侧面固定板17通过限位螺栓18与钢制阴模5连接；所述充气口端部挡块包括充气口端部上挡块15与充气口端部下挡块14。充气口端部上挡块15与充气口端部下挡块14上设置有相互配合的进气管定位槽，充气口端部上挡块15上布置有安装定位孔，充气口端部下挡块14上布置有定位凸块。
32.本发明热压机加热温度为120-130℃，加热时长为60min；所述充气加压气压值为0.6-0.9mpa。
33.本发明的机械加工工艺包括但不限于水切割工艺、线切割工艺、铣切工艺、激光切割工艺。
34.一种纤维金属超混杂槽型构件的质检方法，包括如下步骤：制备权利要求1所述的纤维金属超混杂槽型构件；选取厚度测量点，测量成形后的纤维金属超混杂槽型构件翼缘、腹板、转角部分沿构件长度方向的厚度分布情况；对成形后的纤维金属超混杂槽型构件进行无损检测，测定构件内空洞、分层等缺陷情况；确定层间剪切试验取样点，在成形后的纤维金属超混杂槽型构件上取样，进行短梁层间剪切性能试验，测定纤维金属超混杂槽型构件层间结合性能。
35.本发明的厚度测量点分别为纤维金属超混杂槽型构件翼缘、腹板、过渡转角各自在构件长度方向的四等分线或五等分线与翼缘、腹板、过渡转角横向尺寸等分线的交点。
36.本发明的无损检测方法包括超声c扫描与ct扫描；本发明的层间剪切试验取样点24为纤维金属超混杂槽型构件翼缘、腹板在构件长度方向四等分点或五等分点；所述短梁层间剪切性能试验依据标准gb/t 35100-2018《纤维金属层板 短梁法测定层间剪切强度》执行。
37.实施例1：如图1、2所示制备流程，制备3/2结构碳纤维增强复合材料（cfrp）-铝合金（al）超混杂槽型构件（al/cfrp/al）的方法包括如下步骤：选取长为1300 mm，宽为300 mm，厚度为0.3mm的6061铝合金基板1，通过等离子体处理法对铝合金基板进行表面处理后，采用2%浓度的氢氧化钠溶液进行表面除污；采用0.15mm厚环氧树脂胶膜，将0.15mm厚平纹cfrp预浸料2与铝合金基板1交替堆叠，胶膜放置于cfrp预浸料与铝合金基板之间。相邻铝合金基板之间铺设3层0.15mm平纹cfrp预浸料；将叠放好的板材放置于两块钢板之间，通过液压机对钢板施加50kn的压力，并将压力保持30分钟，形成半固化cfrp-al层板3；将半固化cfrp-al层板3置于钢制冲头4与钢制阴模5之间，通过液压机对钢制冲头4施加压力，将半固化cfrp-al层板3压入阴模5内腔后，将液压机压力保持在65kn，持荷时间为45分钟，形成cfrp-al超混杂槽型构件预制件8；如图3、图4所示，卸载液压机压力，将钢制冲头4取出，替换为硅胶充气芯模7，将硅胶充气芯模7、cfrp-al超混杂槽型构件预制件8与钢制阴模5放入组装好的组合模具外框9中，盖上顶部盖板6，形成固化工装系统19；将固化工装系统放置于热压机上下压板之间，热压机在顶部盖板6上施加10kn压力，使之被压紧；将硅胶充气芯模7的进气口13与高压气泵相连接，通过高压气泵对气囊腔13内充气，保持气囊腔内压力值在0.6mpa；开启热压机温度控制开关，设定加热温度为130℃，保温加压时长为60分钟；在保温加压时长达到后，抬起压机压头，让固化工装系统在空气中自然冷却；取出固化后的cfrp-铝合金超混杂槽型构件10，采用铣床切除翼缘部分多余的飞边，得到cfrp-铝合金超混杂槽型构件11。
38.实施例2
本发明还提供了一种纤维金属超混杂槽型构件成形质量检测方法，用于检测实施例1所制备的cfrp-al超混杂槽型构件。如图5、图6、图7所示，首先标定槽型构件长度方向的四等分线位置23与槽型构件翼缘20、槽型构件腹板21及槽型构件过渡转角22横向尺寸等分线的交点，利用游标卡尺依次测量各交点处的厚度情况，检测构件成形尺寸精度；进一步，采用微纳米焦点ct扫描检测纤维层内空洞、孔隙及各层间界面处分层情况，所采用的ct检测电压为90kv，积分时间2000ms，分辨率0.022mm；通过上述检测，筛选取成形质量好的构件；进一步，以上述厚度测量点为中心，分别利用高精度铣床在腹板、翼缘上切割矩形短梁取样，试样长度与宽度依据标准gb/t 35100-2018《纤维金属层板 短梁法测定层间剪切强度》，根据试样实际厚度选取。基于上述标准的要求，进行短梁三点弯曲层间剪切试验，测定构件不同部位的层间结合性能。