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CN118322670B - 一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法 - Google Patents

一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法 Download PDF

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CN118322670B CN202410766268.XA CN202410766268A CN118322670B CN 118322670 B CN118322670 B CN 118322670B CN 202410766268 A CN202410766268 A CN 202410766268A CN 118322670 B CN118322670 B CN 118322670B
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Abstract

本发明公开了一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法，属于复合材料制造领域。该层合板由钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层交替铺放热压而成，构成层合板的各钛合金金属层在原始厚度相同的钛合金板材基础上经过不同次数的轧制形成不同厚度，且在沿层合板厚度方向上，各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减。当层合板较厚金属层的一侧靠近冲击方向时，材料整体结构刚度和金属层变形范围较大，具有较强的吸能效果；而将层合板较薄金属层一侧置于冲击方向时，冲击过程中金属层产生的裂纹相对较少，具有更好的抗冲击性能。这种层合板材料适用于制造航空器上的吸能部件，能避免航空器舱体材料在受到冲击时出现贯穿性破损。

Description

一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法
技术领域
本发明属于超混杂复合材料结构设计领域，具体涉及一种面向航空材料领域的高性能耐冲击纤维金属层合板及制造方法。
背景技术
在复合材料的结构设计中，抗冲击性能是一个至关重要的因素，特别对纤维增强树脂基复合材料（FRP）而言。飞行器在飞行、滑行和维护过程中不可避免的会经历冲击载荷，这些冲击可能会导致FRP复合材料出现分层、开裂及纤维断裂等严重损伤情况从而影响航行安全。对于机舱、油箱以及储气罐等具有密封性要求的筒体结构，除了要求用于制造的材料具有良好的强度性能外，还要求在结构发生碰撞或者冲击时材料尽可能完整，不出现贯穿伤，确保整体结构仍然具有密封性。纤维金属混杂结构是一种将金属与树脂基复合材料按照特定要求混合铺放、热压成型的超混杂复合结构，最初由荷兰Delft大学的研究人员提出。这种结构通过金属与树脂基复合材料的界面桥接，有效地缓解了金属疲劳裂纹的扩展。同时，它还具备高强度和高模量等特点，成为了航空航天领域的研究重点。
通过将金属材料与FRP材料进行复合制备成纤维金属层合板(fiber metallaminates,FMLs)，已被证明能够有效提升整体材料的抗冲击性能，且FMLs的能量耗散机制与损伤演变和塑性变形密切相关。但是，目前现有技术中的FMLs，在受到冲击时底层金属容易破损出现裂纹，将此类材料作为航空器舱体的制造材料时，在起飞或降落过程中遇到磕碰或撞击的情况下，容易导致舱体材料出现贯穿性的破损，进而影响航空安全。因此，如何进一步优化FMLs的抗冲击性能，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于进一步提高纤维金属层合板的抗冲击性能，并提供一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板及其制造方法，使层合板在冲击过程中展现出更好的吸能效果，具有更高的最低穿透能，同时让层合板在结构设计中更具有灵活性和可设计性。
本发明的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其由钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层交替铺放热压而成，其中钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，相邻两层钛合金金属层之间夹持一层树脂基纤维增强复合材料层，每一层树脂基纤维增强复合材料层由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放得到；构成层合板的各钛合金金属层在原始厚度相同的钛合金板材基础上经过不同次数的轧制形成不同厚度，且在沿层合板厚度方向上，各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减；构成层合板的所有树脂基纤维增强复合材料层以位于中间的钛合金金属层为中心面呈镜像对称分布。
作为上述第一方面的优选，所述钛合金金属层的材料采用TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金或TC4钛合金。
作为上述第一方面的优选，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。
作为上述第一方面的优选，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。
作为上述第一方面的优选，所述钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间通过在金属层预喷涂树脂进行粘接，防止贫胶区域的出现，界面粘接强度不小于20 MPa。
第二方面，本发明提供了一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法，其包括：
S1、将厚度相同的钛合金板材经过不同次数的轧制，形成厚度等差递减的不同钛合金金属层；对各钛合金金属层进行表面清洁除油并去除氧化层后，进一步通过表面刻蚀方法增加粗糙度；
S2、将钛合金金属层与碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带进行交替铺放，形成梯度铺层结构；其中，钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，层合板的顶部和底部均为钛合金金属层，在沿层合板厚度方向上各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减，相邻两层钛合金金属层之间由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放形成一层树脂基纤维增强复合材料层；在钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间需在钛合金金属层一侧喷涂一层树脂；
S3、对完成铺放后的梯度铺层结构进行真空预压实，再在不超过280 ℃的温度下进行热压固化，得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。
作为上述第二方面的优选，所述钛合金金属层的材料采用TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金或TC4钛合金。
作为上述第二方面的优选，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。
作为上述第二方面的优选，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。
作为上述第二方面的优选，所述表面刻蚀方法为：将钛合金金属层置于由乙二醇、氟化铵和水配制而成的电解液中，对钛合金表面进行电解刻蚀，完成电解刻蚀并清洗后再置于马弗炉中进行热处理。
相对于现有技术而言，本发明至少具有以下有益效果：
针对纤维金属层合板的抗冲击性能，本发明提出了一种梯度结构设计，通过使用厚度递减及不同力学性能的钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层组成梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。一方面，当将此类层合板结构厚度较厚的一面金属层靠近冲击侧时，该结构表现出较好的吸能效果，适合作为冲击吸能构件使用；另一方面，当将此类层合板结构厚度较薄强度较高的金属层靠近冲击一侧时，该结构表现出较高的最低穿透能，可以在较大能量冲击下确保结构不被贯穿，背部金属不出现大的裂纹。因此，相较传统结构FMLs而言，本发明的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板在冲击过程中展现出更好的吸能效果或具有更高的最低穿透能，而且让FMLs在设计上更加灵活，可以有效提升结构整体的抗冲击性能。
附图说明
图1为实施例1中层合板的梯度铺层结构示意图；
图2为实施例2中层合板的梯度铺层结构示意图；
图3为实施例1中的不同厚度钛合金拉伸测试应力-应变曲线；
图4为钛合金金属板厚度相同的传统结构层合板梯度铺层结构示意图；
图5为不同结构层合板在70 J能量低速冲击测试中的力-时间曲线；
图6为不同结构层合板在70 J能量低速冲击测试中的力-位移曲线；
图7为不同结构层合板在70 J能量低速冲击测试中的能量吸收曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，该层合板由钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层交替铺放热压而成。其中，钛合金金属层的层数为单数且至少为三层。相邻两层钛合金金属层之间夹持一层树脂基纤维增强复合材料层。为了便于后续描述，记钛合金金属层的层数为N，则N≥3。由此，树脂基纤维增强复合材料层的层数为N-1。整个层合板的顶层和底层均为钛合金金属层。
在该层合板中，每一层树脂基纤维增强复合材料层由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放得到。在该层合板中，构成层合板的各钛合金金属层在原始厚度相同的钛合金板材基础上经过不同次数的轧制形成不同厚度，且在沿层合板厚度方向上，各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减。另外，构成层合板的所有树脂基纤维增强复合材料层以位于中间的钛合金金属层为中心面呈镜像对称分布。
需要说明的是，本发明的层合板中，各钛合金金属层的厚度在沿层合板厚度方向上满足等差递增或等差递减，是指沿着从顶层到底层的方向或者从底层到顶层的方向上钛合金金属层厚度是等差递增或等差递减的。具体而言，在沿层合板厚度方向上，N层钛合金金属层中任意两层相邻钛合金金属层的厚度需满足以下规律：|di+1-di|=d，式中di+1和di分别为第i+1层和第i层钛合金金属层的厚度，d为预设的钛合金金属层厚度差，0<i<N。
需要说明的是，本发明的层合板中，构成层合板的所有树脂基纤维增强复合材料层以位于中间的钛合金金属层为中心面呈镜像对称分布，是指预浸料单向带的铺层顺序是以中心面镜像对称的。例如，对称的一组树脂基纤维增强复合材料层中，若一层树脂基纤维增强复合材料层中含有M层预浸料单向带，则另一层树脂基纤维增强复合材料层也需要含有M层预浸料单向带，且这两组M层预浸料单向带之间的铺层方式需要呈镜像。假如M=2，且一层树脂基纤维增强复合材料层中的2层预浸料单向带按照[0/90]进行铺层，则另一层树脂基纤维增强复合材料层中的2层预浸料单向带按照[90/0]进行铺层。同样的，假设M=4，且一层树脂基纤维增强复合材料层中的4层预浸料单向带按照[0/90/0/90]进行铺层，则另一层树脂基纤维增强复合材料层中的4层预浸料单向带按照[90/0/90/0]进行铺层。
需要说明的是，本发明的每一层树脂基纤维增强复合材料层中两层预浸料单向带可以单向铺层也可以垂直交错铺层。优选的，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。
另外，本发明的层合板中，钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层的具体材质可以根据实际情况选择优化。在本发明的实施例中，钛合金金属层的材料可以采用TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金或TC4钛合金等延展性较好的钛合金，钛合金板材经过轧制工艺制备成不同厚度的钛合金金属层。而在本发明的实施例中，碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类可以是玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂可以是环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。
需要说明的是，本发明中钛合金金属层的厚度是以等差递增或等差递减形式梯度变化的，而且这种厚度并非直接通过控制切削厚度来调节的，而是通过控制轧制工艺的轧制次数调整的，轧制次数越多厚度越小。构成层合板的各钛合金金属层，其原始厚度都是相同的，相同厚度的钛合金板材经过不同次数的轧制形成了不同厚度。在该轧制过程中，金属层的厚度及机械性能可以通过轧制工艺的轧制次数进行调节，钛合金板材在不断轧制的过程中其厚度减小，进而强度会上升但韧性会降低。因此，本发明的层合板中不同钛合金金属层并非仅仅是厚度上的变化，而是结合了对钛合金金属层的结构及力学性能的设计调控，以便于有效地调控层合板在冲击过程的刚度及塑性形变范围。
另外，本发明的层合板中，钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间存在异质材料的连接界面，该连接界面对层板试样抗剪切性能及失效模式存在一定的影响。为了保证层合板整体的强度，钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间需要保证具有足够的界面粘接强度。在本发明的实施例中，钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间通过在金属层预喷涂树脂进行粘接，防止贫胶区域的出现，界面粘接强度不小于20MPa。喷涂所用的树脂最好与树脂基纤维增强复合材料层中所含的树脂类型一致。
综上，本发明的核心是将经历不同轧制次数的钛合金金属板与树脂基纤维增强复合材料层组合成梯度结构，由此通过调节冲击侧及远离冲击侧金属层的厚度及机械性能，可以获得具有不同抗冲击属性的纤维金属层合板，大幅度增加了结构的可设计性。该层合板结构的优势在于当将厚度较薄强度较好的金属层放置于受冲击一侧时，该结构可以获得较高的最低穿透能，可以最大限度确保底层金属在冲击过程中不被贯穿。当将该梯度结构倒置过来，将厚度较厚韧性较好的金属层放置于靠近冲击一侧时，该结构金属层展现出较大塑性变形范围，具有较好的吸能效果。
另外，本发明还提供了一种针对上述梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法，其具体步骤如下：
S1、将厚度相同的钛合金板材经过不同次数的轧制，形成厚度等差递减的不同钛合金金属层；对各钛合金金属层进行表面清洁除油并去除氧化层后，进一步通过表面刻蚀方法增加粗糙度。
S2、将钛合金金属层与碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带进行交替铺放，形成梯度铺层结构；其中，钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，层合板的顶部和底部均为钛合金金属层，在沿层合板厚度方向上各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减，相邻两层钛合金金属层之间由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放形成一层树脂基纤维增强复合材料层；在钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间需在钛合金金属层一侧喷涂一层树脂（金属层上喷涂的树脂需要与树脂基纤维增强复合材料层中所含的树脂一致），防止贫胶区域的产生。
S3、对完成铺放后的梯度铺层结构进行真空预压实，再在不超过280 ℃的温度下进行热压固化，得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。
在本发明的上述制造方法中，钛合金金属层表面的氧化层去除，可以通过酸蚀等方法来实现，能去除氧化层即可。
需要说明的是，在本发明的上述制造方法中，钛合金金属层以及树脂基纤维增强复合材料层的平面尺寸，可以根据实际加工的层合板尺寸确定，预先对钛合金板材和树脂基复合材料预浸料进行裁切来调控。
需要说明的是，上述表面刻蚀方法的目的是通过对钛合金金属层进行表面处理，提高金属表面粗糙度以及与树脂的粘接强度，其具体的刻蚀工艺可以通过电解刻蚀来实现。在本发明的实施例中，上述表面刻蚀方法具体如下：将钛合金金属层置于由乙二醇、氟化铵和水配制而成的电解液中，对钛合金表面进行电解刻蚀，完成电解刻蚀并清洗后再置于马弗炉中进行热处理。其中，电解刻蚀的具体参数以及热处理的具体参数，可根据实际进行优化。
下面通过若干实施例，来进一步展示上述梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的具体制造方法以及相应的技术效果，以佐证本发明所能达到的优点。
实施例1
在本实施例中，梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法如下：
（1）通过控制轧机的轧制次数，将原始厚度为0.5 mm的TA2钛合金板材进一步轧制成0.1 mm和0.3 mm厚度，由此共得到0.1 mm、0.3 mm和0.5 mm三种钛合金金属板。
（2）对（1）中轧制得到的钛合金金属板的表面进行清洁除油，并使用含氢氟酸和硝酸的混合酸清除表面的氧化膜。
（3）配置质量比为乙二醇：氟化铵：水=97:1:2的电解液，基于该电解液对三种钛合金金属板分别进行电解刻蚀，刻蚀过程电压为30 V，刻蚀时间为5 min。电解刻蚀完毕后，对钛合金金属板表面进行清洗，然后置于马弗炉中在500℃下热处理10小时，从而提高金属表面粗糙度以及与树脂的粘接强度。
（4）将碳纤维增强环氧树脂基复合材料的预浸料单向带裁切成与钛合金金属板相同的尺寸。
（5）将三种热处理后的钛合金金属板与碳纤维增强环氧树脂基复合材料的预浸料单向带按照[Ti/0/90/Ti/90/0/Ti]顺序进行交替铺放，其中Ti表示热处理后的TA2钛合金金属板，顶层、中层、底层的钛合金金属板的厚度分别为0.1 mm、0.3 mm和0.5 mm；0和90分别代表相邻两层钛合金金属层之间的两层预浸料单向带的铺层角度为0°和90°。且在铺层过程中，钛合金金属板与预浸料单向带的界面需要喷一层环氧树脂，以强化界面粘接强度。以M1~M3来代表三层钛合金金属板，CFRP-1~ CFRP-4来代表4层预浸料单向带，则完成交替铺放后形成的梯度铺层结构如图1所示，对该梯度铺层结构使用真空袋进行预压实。
（6）将预压实过的梯度铺层结构放入热压罐中进行热压固化，固化温度180 ℃，固化时间2小时，从而得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。
实施例2
在本实施例中，梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法如下：
（1）通过控制轧机的轧制次数，将原始厚度为0.5 mm的TA1钛合金板材进一步轧制成0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm厚度，由此共得到0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5mm五种钛合金金属板。
（2）对（1）中轧制得到的钛合金金属板的表面进行清洁除油，并使用含氢氟酸和硝酸的混合酸清除表面的氧化膜。
（3）配置质量比为乙二醇：氟化铵：水=97:1:2的电解液，基于该电解液对五种钛合金金属板分别进行电解刻蚀，刻蚀过程电压为30 V，刻蚀时间为5 min。电解刻蚀完毕后，对钛合金金属板表面进行清洗，然后置于马弗炉中在500℃下热处理10小时，从而提高金属表面粗糙度以及与树脂的粘接强度。
（4）将玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的预浸料单向带裁切成与钛合金金属板相同的尺寸。
（5）将五种热处理后的钛合金金属板与玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的预浸料单向带按照[Ti/0/90/Ti/0/90/Ti/90/0/Ti/90/0/Ti]顺序进行交替铺放，其中Ti表示热处理后的TA1钛合金金属板，按照从顶层朝向底层的顺序，五层钛合金金属板的厚度分别为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm；0和90分别代表相邻两层钛合金金属层之间的两层预浸料单向带的铺层角度为0°和90°。且在铺层过程中，钛合金金属板与预浸料单向带的界面需要喷一层环氧树脂，以强化界面粘接强度。以M1~M5来代表五层钛合金金属板，CFRP-1~ CFRP-8来代表8层预浸料单向带，则完成交替铺放后形成的梯度铺层结构如图2所示，对该梯度铺层结构使用真空袋进行预压实。
（6）将预压实过的梯度铺层结构放入热压罐中进行热压固化，固化温度180 ℃，固化时间2小时，从而得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。
实施例3
在本实施例中，梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法如下：
（1）通过控制轧机的轧制次数，将原始厚度为0.5 mm的TC4钛合金板材进一步轧制成0.1 mm和0.3 mm厚度，由此共得到0.1 mm、0.3 mm和0.5 mm三种钛合金金属板。
（2）对（1）中轧制得到的钛合金金属板的表面进行清洁除油，并使用含氢氟酸和硝酸的混合酸清除表面的氧化膜。
（3）配置质量比为乙二醇：氟化铵：水=97:1:2的电解液，基于该电解液对三种钛合金金属板分别进行电解刻蚀，刻蚀过程电压为30 V，刻蚀时间为5 min。电解刻蚀完毕后，对钛合金金属板表面进行清洗，然后置于马弗炉中在500℃下热处理10小时，从而提高金属表面粗糙度以及与树脂的粘接强度。
（4）将碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的预浸料单向带裁切成与钛合金金属板相同的尺寸。
（5）将三种热处理后的钛合金金属板与碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料的预浸料单向带按照[Ti/0/90/Ti/90/0/Ti]顺序进行交替铺放，其中Ti表示热处理后的TC4钛合金金属板，顶层、中层、底层的钛合金金属板的厚度分别为0.1 mm、0.3 mm和0.5 mm；0和90分别代表相邻两层钛合金金属层之间的两层预浸料单向带的铺层角度为0°和90°。且在铺层过程中，钛合金金属板与预浸料单向带的界面需要喷一层聚酰亚胺树脂，以强化界面粘接强度。以M1~M3来代表三层钛合金金属板，CFRP-1~ CFRP-4来代表4层预浸料单向带，则完成交替铺放后形成的梯度铺层结构也如图1所示（但与实施例1的区别在于CFRP层的材质不同），对该梯度铺层结构使用真空袋进行预压实。
（6）将预压实过的梯度铺层结构放入热压罐中进行热压固化，固化温度180 ℃，固化时间2小时，从而得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。
通过上述三个实施例均能制造出具有较好抗冲击性能的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。下面以实施例1中的铺层设计为例，其制备层合板过程中，厚度分别为0.1mm、0.3 mm和0.5 mm的TA2钛合金拉伸测试的应力-应变曲线如图3所示。从图3中可见，厚度最厚的0.5 mm钛合金金属板的强度低但韧性好，厚度最薄的0.1 mm钛合金金属板的强度高但韧性差。将实施例1中制备的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板进行冲击测试，其中由于该层合板具有两个面，因此分别将两个面作为冲击面进行70 J能量低速冲击测试。为了便于描述，将最薄的0.1 mm钛合金金属板作为冲击面时的测试结构命名为FMLs-135；将最厚的0.5 mm钛合金金属板作为冲击面时的测试结构命名为FMLs-531。也就是说，FMLs-135表示将0.1 mm厚度钛合金金属板作为靠近冲头一侧的最外层，将0.3 mm钛合金金属板作为中间层，0.5 mm钛合金金属板作为远离冲头一侧的最外层而制造的层板结构。FMLs-531则是将FMLs-135的构型颠倒过来，将0.5 mm厚度的钛合金金属板作为最靠近冲头的一侧，将0.1 mm厚度的钛合金金属板作为远离冲头一侧的梯度层板。
另外，为了以示对比，本发明还设置了层合板结构与实施例1相同但是三层钛合金金属板的厚度均设置为相同的0.3 mm的传统结构层合板作为对照，其结构如图4所示。为了便于描述，将该对照的传统结构层合板结构命名为FMLs-333，FMLs-333也进行70 J能量低速冲击测试。
不同结构层合板在70 J能量低速冲击测试中的力-时间曲线、力-位移曲线和能量吸收曲线分别如图5、图6和图7所示。图5表明，FMLs-135与FMLs-333的曲线形状较为相似，均为峰值力后载荷出现骤降，然后力值稳定在一个平台上小幅波动，达到一定时间后冲头回弹载荷下降；FMLs-531试样的曲线不同之处在于其达到峰值载荷前刚度已经开始折减，峰值载荷前树脂基体或界面层损伤就已经开始。因此，FMLs-333结构在冲击中峰值力最高，而FMLs-135结构冲击过程耗时最长。图6表明，FMLs-333的初始刚度较高，这与其抗弯刚度较高有关，所有试样峰值载荷与最大位移出现在不同位置，说明结构在冲击过程中损伤较为严重，金属塑性形变量大；FMLs-135试样冲头位移最大，整体形变量也相应最大。图7表明，FMLs-531、FMLs-135、FMLs-333的能量吸收值分别为64 J、63 J和56 J，FMLs-135虽然形变量最大但能量吸收值略低于FMLs-531。综合可以发现，传统结构层合板FML-333的刚度较高，峰值载荷较高，整体形变量较小，吸能效果最差；而本发明中实施例1中制备的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板变量较大，吸能效果较好。
另外，通过对不同构型层合板70 J冲击后钛合金金属层的实物损伤情况进行目视探查亦可发现，FMLs-333与FMLs-531的正面和背面均出现贯穿裂纹，而FMLs-135背面金属并没有贯穿损伤，该构型具有更高的最小穿透能。这种特性对于舱段或油箱等有密封要求部件的抗冲击性设计至关重要，可以确保结构在受到较高能量冲击后不发生破损泄露。
综上可见，通过力学试验发现梯度结构虽然在强度和刚度方面相较传统结构的层板存在一定劣势，但是在抗冲击性方面存在优势。特别是FMLs-135构型，通过将较薄的钛合金金属层作为迎向冲击一侧的面层材料，将较厚的且韧性较好的钛合金金属层作为远离冲击一侧的底层材料，其在70 J能量的冲击下仍能保持底层结构完好不出现裂纹。这是由于0.5 mm厚度的钛合金屈服强度较低而延伸率较高，使得其在冲击过程中率先进入塑性形变阶段，该层在梯度材料冲击过程中损伤范围最大贡献了最大的能量吸收值。这种材料在用于制造舱体或箱体结构时具有一定的优势，可以确保箱体在一定能量的冲击下不发生泄露，适合于作为吸能部件的制造材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，由钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层交替铺放热压而成，其中钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，相邻两层钛合金金属层之间夹持一层树脂基纤维增强复合材料层，每一层树脂基纤维增强复合材料层由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放得到；构成层合板的各钛合金金属层在原始厚度相同的钛合金板材基础上经过不同次数的轧制形成不同厚度，且在沿层合板厚度方向上，各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减；构成层合板的所有树脂基纤维增强复合材料层以位于中间的钛合金金属层为中心面呈镜像对称分布；
所述梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法如下：
S1、将厚度相同的钛合金板材经过不同次数的轧制，形成厚度等差递减的不同钛合金金属层；对各钛合金金属层进行表面清洁除油并去除氧化层后，进一步通过表面刻蚀方法增加粗糙度；
S2、将钛合金金属层与碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带进行交替铺放，形成梯度铺层结构；其中，钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，层合板的顶部和底部均为钛合金金属层，在沿层合板厚度方向上各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减，相邻两层钛合金金属层之间由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放形成一层树脂基纤维增强复合材料层；在钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间需在钛合金金属层一侧喷涂一层树脂；
S3、对完成铺放后的梯度铺层结构进行真空预压实，再在不超过280 ℃的温度下进行热压固化，得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。
2.如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述钛合金金属层的材料采用TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金或TC4钛合金。
3.如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。
4.如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。
5. 如权利要求1所述的梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板，其特征在于，所述钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间通过在金属层预喷涂树脂进行粘接，界面粘接强度不小于20 MPa。
6.一种梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板的制造方法，其特征在于，包括：
S1、将厚度相同的钛合金板材经过不同次数的轧制，形成厚度等差递减的不同钛合金金属层；对各钛合金金属层进行表面清洁除油并去除氧化层后，进一步通过表面刻蚀方法增加粗糙度；
S2、将钛合金金属层与碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带进行交替铺放，形成梯度铺层结构；其中，钛合金金属层的层数为单数且至少为三层，层合板的顶部和底部均为钛合金金属层，在沿层合板厚度方向上各钛合金金属层的厚度满足等差递增或等差递减，相邻两层钛合金金属层之间由至少两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带交替铺放形成一层树脂基纤维增强复合材料层；在钛合金金属层与树脂基纤维增强复合材料层之间需在钛合金金属层一侧喷涂一层树脂；
S3、对完成铺放后的梯度铺层结构进行真空预压实，再在不超过280 ℃的温度下进行热压固化，得到梯度结构抗冲击钛基纤维金属层合板。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述钛合金金属层的材料采用TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金或TC4钛合金。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，每一层树脂基纤维增强复合材料层由两层碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带按照90°夹角铺层得到。
9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述碳纤维增强树脂基复材的预浸料单向带中，所含纤维为连续纤维，纤维种类为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维，所含树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂。
10.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述表面刻蚀方法为：将钛合金金属层置于由乙二醇、氟化铵和水配制而成的电解液中，对钛合金表面进行电解刻蚀，完成电解刻蚀并清洗后再置于马弗炉中进行热处理。
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