纤维金属层板界面增强机理研究

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纤维金属层板(Fiber Metal Laminate,FMLs)具有高强度、良好的抗疲劳性等多种理想的机械性能,以及能够针对不同的负载条件进行定制。除了航空航天,复合材料在汽车、体育、石油、天然气、船舶以及建筑等行业也越来越流行。纤维金属层板由金属层和纤维增强层铺设制备,由于金属和纤维增强层的分子结构不同,对应的物理和机械性能差异较大,两者相容性较差。纤维增强层和金属板之间的层间界面是纤维金属板材最脆弱的部位之一。纤维金属层板层间破坏失效是纤维金属层板在制造以及服役过程最主要的失效形式之一。制造过程中的机械加工,冲击损伤(由于工具掉落和鸟撞等)以及结构的不连续性(例如层间掉落和螺栓连接)都是产生层间破坏的原因。层间破坏会显着降低复合结构的承载能力。提高纤维金属层板层间区域的抗破坏能力可以更深一步的挖掘纤维金属层板的潜力。纤维金属层板层间界面问题始终是生产制备以及服役过程中一个关键的问题。本文中,对纤维金属层板的界面进行插层设计,将预浸带中同种型号的树脂和铝合金板堆叠进行轧制,制备成的树脂/铝合金板与10层正交铺层的预浸带叠层通过热压罐制备纤维金属层板。研究树脂/铝合金预轧制对纤维金属层板层间性能的影响,以及经过树脂/铝合金预轧制,铝合金板经过机械打磨、碱洗和凹痕的不同预处理方式形成的微观到宏观的结构对纤维金属层板层间性能的影响。在辊缝和铝合金板厚之比达到0.95时生产的纤维金属层板得到最高的层间剪切强度和三点弯曲强度。树脂和铝合金的轧制不仅可以改善树脂和铝合金之间的浸润性问题,而且铝合金表面在轧制过程中发生塑性流动形成有助于和树脂相互机械嵌合的结构。通过碱洗铝合金表面探讨微坑结构在树脂/铝合金预轧制工序下对纤维金属层间机械性能的影响,发现碱洗降低试样的层间剪切强度。通过电子扫描电镜观察结果发现碱洗破坏铝合金表面上易形成机械嵌合的结构。通过在铝合金表面设计刻痕探讨宏观结构在树脂/铝合金预轧制的工序下对纤维金属板层间机械性能的影响,发现刻痕有效阻断层间分层行为的扩展。发现与纤维增强层最外层增强纤维法向方向一致的刻痕可以改善纤维金属层间的热残余应力。正交45°刻痕可以极大的优化纤维金属层板表面质量。正交45°刻痕将铝合金表面分为若干“菱形”结构,有助于协调铝合金和纤维增强层的热变形行为。本文采用实验与理论相结合的方法,利用树脂层/铝合金预轧制增强纤维金属层板界面性能,并对预轧制增强层板界面的增强机理进行分析和研究,针对纤维金属层板界面薄弱问题给出技术思想和有效解决途径。
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