纤维金属层板制备成形的研究现状及发展趋势
贾新强;郎利辉
【摘 要】随着航空航天和汽车等结构领域对轻量化的要求越来越高,纤维金属层板作为一种新型混杂复合材料得到广泛的关注.综述了纤维金属层板的最新研究进展,主要对纤维金属层板进行了3种不同类型的分类,并对其在飞机和汽车上的应用做了分析,介绍了纤维金属层板制备成形的国内外研究现状,以及针对纤维增强树脂体系的不同而采用的纤维金属层板的2种成形制备工艺:层压固化制备工艺(包括滚弯成形、喷丸成形)和金属塑性成形工艺(冲压成形、充液成形等),最后对纤维金属层板的特性及其在未来航空航天和汽车制造上的生产应用进行了展望.
【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2017(009)002
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】纤维金属层板;层压固化制备工艺;纤维增强树脂;充液成形
【作 者】贾新强;郎利辉
【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191
【正文语种】中 文
【中图分类】TG306
20世纪50年代以来，随着航空航天事业的快速发展，为了满足工业上的需求，结构材料的整体性能需要不断提高。随着在航空航天和汽车等结构领域轻量化的需求和越来越多板材复杂结构的出现，同时随着新产品的不断提出，零件整体性能的要求越来越高，因而对零件的强度性能、抗疲劳、抗温、抗蚀、减重等能力要求越来越高，这就需要一种新型材料的产生来取代传统材料[1]。纤维金属层板（Fiber Metal Laminates, FMLs）是一类经过薄的金属层板和纤维树脂材料依次铺贴之后，并在特定的温度和压力下固化而成的夹层复合材料[2]，其模型见图1。
纤维金属层板作为一种新型复合材料，不仅具有铝合金材料的加工性好、抗冲击性强的优点，
而且具备纤维增强复合材料的较高的抗疲劳特性，可以完美的结合2种不同材料的性能。通常这类材料具有良好的损伤容限性能，比强度高、比模量高、疲劳性能好、抗磨、减振、高导电、尺寸稳定、不吸潮等诸多理想性能，其中有些性能比基体金属材料高几倍[3]。纤维金属层板是由金属和纤维材料复合而成，在其制备过程中要综合考虑金属材料的成形加工工艺和纤维增强复合材料的固化成型工艺[4]。文中综合论述了纤维金属层板的制备成形工艺，通过国内外研究现状的梳理，展望了纤维金属层板的发展趋势。
纤维金属层板是经过纤维增强材料层和薄的金属层交替铺设而成的一种复合结构体系，按照增强纤维和金属薄板的不同种类来划分，主要包括ARALL(Aramid Reinforced Aluminum Laminates，芳纶纤维增强铝合金层板)、GLARE(Glass Reinforced Aluminum Laminates，玻璃纤维增强铝合金层板)、CARE（Carbon Reinforced Aluminum Laminates，碳纤维增强铝合金层板）和TIGR(Titanium/Graphite Hybrid Laminates，石墨纤维增强钛合金层板）等4种类型，由于增强基体的不同，纤维金属层板的性质也不同。
1.1 芳纶纤维增强金属层板
20世纪70年代末，荷兰代尔夫特大学和福克飞机公司将单向芳纶纤维粘接在铝合金层板而获
得的一种新型复合结构材料——芳纶纤维增强铝合金层板，实现了铝合金层板向纤维金属层板的跨越，这种具有夹层结构的纤维金属层板被称为芳纶纤维金属层板ARALL[5—6]。与铝合金相比，ARALL的密度要低10%到18%；与同等复合材料相比，其成本只占了1/3左右；同时与铝合金材料相比，芳纶纤维金属层板具有更加优异的抗疲劳性能、抗冲击性能和易加工性能，因此引起了各大飞机公司的广泛关注[7—9]。与此同时，Delft大学继续对ARALL的疲劳性能和裂纹扩展行为、耐久性和耐环境性、加工制造、冲击损伤、结构设计等性能进行研究，同时对其在飞机和汽车等其他制造领域进行了应用研究。Fokker公司对层板的机加工工艺进行研究，研究发现由于芳纶纤维金属层板夹层中的纤维在裂纹的端口部位具有“桥接”作用，因此该层板结构兼具铝合金和纤维增强材料的优势，弥补了各自的不足之处，尤其是具有极高的抗疲劳强度和损伤容限性[10]。
20世纪80年代，为达到轻量化的要求，在军用运输机C-17的设计中，军方研究员拟采用ARALL层板设计机身和机翼等多个部位，仅有尺寸规格为9.6 m×5.6 m的后货舱门蒙皮的研制达到了要求，重量减轻26%，C-17的后舱门见图2。U.S.A.F的C-130襟翼采用ARALL层板作卜蒙皮，在经过2000 h以上的飞行测试之后，该层板均未出现任何撞击破坏或声疲劳裂纹，相比较而言，对铝合金蒙皮进行飞行测试，发现超过200 h该蒙皮机构就出现了疲劳裂
纹[11]，C-130襟翼下蒙皮（内侧）见图3。
总体来说，与传统铝合金结构相比，芳纶纤维铝合金层板具有抗疲劳断裂扩展性能好，断裂韧性低，剥离强度较低的性能，所以芳纶纤维金属层板基本应用在飞机结构中的平板结构或单曲面小曲率构件，应用非常有限。
1.2 玻璃纤维增强金属层板
20世纪90年代初，在研究ARALL层板性能过程中，为了避免其较低的断裂延伸率，人们提出了在芳纶纤维层板中用R-玻璃纤维取代芳纶纤维，形成了一种新型纤维金属层板材料-GLARE(Glass Reinforced Aluminum Laminates)。玻璃纤维金属层板不仅具有芳纶纤维金属层板强度高阻尼性能好等优异性能，而且还对ARALL的缺口强度、断裂韧性、抗冲击性能和疲劳性能进行了改善，在航空工业的生产领域，GLARE具有极其广泛的应用。玻璃纤维的裂纹开裂“桥接”能力使得玻璃纤维金属层板具有良好的抗疲劳性能。ARALL层板中的芳纶纤维处于某些受力条件下会失效，但GLARE层板中的玻璃纤维则不会产生失效[12]。相比较芳纶纤维来说，玻璃纤维的热膨胀系数更接近于铝合金的热膨胀系数，加温固化后玻璃纤维的残余应力比芳纶纤维低，因此固化成型后玻璃纤维金属层板具有较低的残余应力，较高的极限
3d走视图拉伸强度和缺口强度；另外玻璃纤维的抗冲击性能、压缩性能高于芳纶纤维，且内层纤维不易断裂，但密度要略高于芳纶纤维，而且由于玻璃纤维具有较高的断裂延伸率，因此玻璃纤维金属层板具有优异的抗拉-压疲劳性能和较强的缺口断裂性能，满足了机身蒙皮双向受载的使用需求[13]。
德国的Airbus率先应用GLARE层板在A330/-A340的机身桶段拱处进行飞行试验，研究发现经过10万次的试验，机身处的GLARE层板并没有出现损伤，试验结果相当成功。A380客机大量采用GLARE材料，大约占飞机总重约4%，其中飞机的机身拱顶、垂尾、整流罩以及整流板等都大面积应用，上机身壁板有约400～500 m2的蒙皮，重量减轻25%以上，A380客机拱机见图4。B777采用GLARE层板改造机舱地板，重量减轻约23%[14]。
1.3 碳纤维增强金属层板
碳纤维增强金属层板主要包括碳纤维-钛合金层板(Titanium/Graphite Hybrid Laminates, TIGR)和碳纤维-铝合金层板(Carbon reinforced aluminum laminate, CARE)。碳纤维铝合金金属层板具有较大的破坏变形和非常高的强度和刚度，但由于碳纤维和铝合金之间存在电位腐蚀，因此在工程上未得到广泛应用。其制造的纤维金属层板性能要比玻璃/芳纶纤维金属层
板要好的多，但是在使用过程中由于碳纤维和铝之间有电流通过，因此会发生电化学腐蚀，而且相对而言铝腐蚀的速度要快一些，这是使用碳纤维金属层板所不能忽视的问题[15]。为了防止电化学腐蚀，在使用碳纤维作为增强体时，选择钛合金作为基体的TIGR层板便应运而生，TIGR不仅能提高层板的比强度和高温性能、不存在电位腐蚀，而且具有较高的疲劳强度和较高的韧性。随着纤维金属层板技术的不断发展，TIGR必定是纤维金属层板未来的发展方向。
20世纪90年代开始，为解决超音速飞机构件材料的耐高温和抗疲劳问题，国外开始考虑TIGR层板的耐高温特性，经过数十年的研究，取得了重大突破，TIGR在欧洲大型民机上的应用见图5—6。现在TIGR在B787的机翼和机身蒙皮和已经制造的V-22发动机的舱门上的应用见图7[16]。
纤维金属层板属于纤维和金属层板交替铺设得来的混杂复合材料，按其树脂增强基体的不同，其成形方式也会有所不同，常用的纤维金属层板树脂增强基体可分为热固性树脂和热塑性树脂。
热固性纤维金属层板具有较高的比强度和比刚度，但其不容易成形，固化周期长，因此零件
制造周期长、效率低、成本高，大批量生产较困难。热塑性纤维金属层板韧性高，可成形性好，能够回收利用，适合大批量的生产[17]。对于热固性树脂成形，国外做了许多尝试，例如直接成形用树脂固化的碳纤维材料（CFRP）或者是先用热压罐来制备纤维金属层板然后放在模具上成形零件。在整个成形的过程中对于固化温度、真空状态、压力和固化时间的控制对于成形普通零件并不经济实用，大多数情况下热压罐技术用来成形具有简单外形轮廓和大型零件。固化过程中受到固化板料的厚度，种类和固化所用的树脂种类的影响，并且在成形过程中受到许多可控的人为因素和不可控的设备、环境因素影响[18—19]。利用热压罐成形技术成形热固性纤维金属层板主要应用于成形形状比较大，结构简单，费用昂贵的零件。如果制造形状相对较小且结构复杂，质量高的零件如无人机的机翼，侧支索等，或者质量相对要求不高，结构简单的小型零件如杯子，桶等热压罐成形方法并不适用。
这就需要应用热塑性树脂的塑性成形方法成形纤维金属层板，含有热塑性树脂的纤维金属层板在受热时软化，当不受热时可以再次固化，但是成形条件非常苛刻。在成形前，金属层和含有增强树脂的短纤维层必须提前加热到一定的温度，并且在极短的时间内加热成形，成形完毕后迅速取出冷却，防止温度过高对成形后的零件造成不利影响[20—21]。在成形方面，Chen[22]等人为分析纤维金属层板变形的影响因素，分别对其温度、成形速度、以及边界条
件进行研究，研究结果表明，温度的调整对于材料成形的影响最为显著。澳大利亚学者Hou[23]研究了含有聚丙烯增强树脂的单向玻璃纤维材料的拉深性能。实验过程中，在提前加热的实验材料在刚性模具作用下拉深成形，实验结果表明，单向纤维拉深时，在与纤维方向±45°存在“shear-buckling”现象，并且可以通过拉深前后的面积比（t=A1/A2）判断纤维拉深的性能。北京航空航天大学郎利辉教授和Rizwan[24]等人提出用2层金属层板加橡胶板成形的方法。橡皮板的作用是预留填充纤维的间隙，然后应用真空袋-热压罐技术来成形小型且形状相对复杂的零件。澳大利亚学者Luke[25]研究了成形温度和成形速度对于热塑性纤维材料成形的影响。实验结果表明，根据树脂的使用性能要求，热塑性纤维材料成形温度应该控制在125～140 ℃之间，预热温度应控制在160 ℃左右，模具温度应在80 ℃，成形时间控制在1 s对于成形比较有利。陕西飞机制造有限公司黄世民[26]系统介绍了纤维增强铝合金胶接层板的发展情况，性能特点和应用现状并且认为这是一种比较有发展前景的新型材料。同济大学梁中全[27]等人联合沈阳飞机设计研究所研究了GLARE层板的力学性能及其在A380客机上的应用，提出了采用测定线缠绕来设计弯管的圆环面的方式。Nowacki[28]等人通过研究纤维增强热塑性复合材料的拉深成形工艺，发现模具的几何尺寸、凸凹模圆角和拉深系数等都对材料的成形产生重要影响。我国在纤维金属层板成形方面的研究较少，工艺实施方面还缺乏标准的规范。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。