專利名稱：一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，屬于航天材料領域。
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，當巡航導彈飛行速度為680 m/ s I 020 m/ s吋，彈體和彈翼蒙皮的表面溫度高達200で 300 0C ,常規的高強鋁合金(如2219、7050等)和環氧樹脂基復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”是關系高超聲速飛行器成敗的關鍵，“輕”是航空航天器追求的永恒主題。近空間中的大氣密度雖然比地面小，但由于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采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、桁條等基本采用鋁合金結構，但傳統的鋁合金材料在溫度大于120°C后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。由聚酰亞胺為基體制得的連續纖維復合材料，廣泛用于航天、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 %。美國戰斧巡航導彈的進氣道和整流罩就是采用石墨纖維增強聚酰亞胺復合材料。但由于聚酰亞胺的脆性較大，從而影響其廣泛應用。到目前為止，國內沒有適用于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
本發明的目的是提供ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，適用于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，本發明采用的技術方案為ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，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復合材料層，金屬板為TC4鈦合金板,厚度為0. 2-0. 4mm,碳纖維復合材料層為碳纖維/聚酰亞胺復合材料，厚度為0. 1-0. 2mm。所述金屬板為2 3層，碳纖維復合材料層為f 4層，碳纖維復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復合材料層的碳纖維的排布方向相同或者相反。有益效果1、本發明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/聚酰亞胺復合材料的優點，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于單鈦合金板，且成本遠低于纖維增強的復合材料，并具有耐腐蝕、阻燃、耐沖擊等優點，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、本發明所用TC4鈦合金具有良好的高溫強度，可用于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、本發明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。由于當裂紋沿鈦合金層擴展時，受復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于承受相同外載荷作用的單ー鈦合金板，因此層板的疲勞裂紋擴展速率低于單ー鈦合金板。4、本發明所用的碳纖維/聚酰亞胺復合材料，熱固性聚酞亞胺為PMR型，如PMR-15和KH-304系列，其熱膨脹系數在2X 10_5 — 3X 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。因而碳纖維增強聚酰亞胺復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、本發明所提供的纖維金屬混雜層板可用于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制備三明治結構，用于輕型防弾裝甲和船艦等。
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2 :實施例2輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意 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4 :實施例4輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意 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6 :實施例6輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板結構示意 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-碳纖維復合材料層。
具體實施例方式實施例1 :
ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，如圖1所不，金屬板I為兩層，碳纖維復合材料層2為ー層，一層碳纖維復合材料層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°。碳纖維復合材料層為碳纖維增強聚酞亞胺(PMR-15)。由于沿碳纖維方向的復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復合材料層2中碳纖維方向的斷裂強度以及高疲勞強度，適用于單向承載的場合。實施例2
ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，如圖2所示，金屬板I為兩層，碳纖維復合材料層2為兩層，兩層碳纖維復合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復合材料層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°。碳纖維復合材料層為碳纖維增強聚酞亞胺(KH — 304)。由于具有這種垂直交叉排布的復合材料層具有優異的抗沖擊和疲勞性能，以及各向同性的特征。因此，此實施方案提供的層板具有較高比強度、高沖擊韌性以及高疲勞強度，適用于各個方向受カ均勻的場合。實施例3:
ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，如圖3所示，金屬板I為兩層，碳纖維復合材料層2為兩層，兩層碳纖維復合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復合材料層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°。由于具有這種45°垂直交叉排布的復合材料層具有優異的剪切及偏軸性能，以及各向同性的特征。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，適用于各個方向受カ均勻的場合。實施例4:
ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，如圖4所示，金屬板I為三層，碳纖維復合材料層2為兩層，兩層碳纖維復合材料層2的碳纖維的排布方向相同，姆層碳纖維復合材料層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ー層鈦合金，因而提供的層板具有較高的抗沖擊性能、較高比強度，同時又具有較高的沿碳纖維復合材料層2中碳纖維方向的斷裂強度以及高疲勞強度，適用于單向承載的場合。實施例5:
ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，如圖5所示，金屬板I為三層，碳纖維復合材料層2為兩層，兩層碳纖維復合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復合材料層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O。。和實施例2比較，此實施方案多鋪設了ー層鈦合金，因而提供的層板具有優異的抗沖擊韌性、較高比強度以及高疲勞強度，適用于各個方向受カ均勻的場合。實施例6:
ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，如圖6所示，金屬板I為三層，碳纖維復合材料層2為四層，兩層相鄰碳纖維復合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復合材料層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ー層鈦合金及ー層垂直交叉排布的復合材料層，因而提供的層板具有優異的抗沖擊韌性、較高比強度以、高的剪切強度以及良好的偏軸性能，適用于各個方向均勻受カ的場合。實施例7:
ー種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，如圖7所示，金屬板I為三層，碳纖維復合材料層2為四層，兩層相鄰碳纖維復合材料層2的碳纖維的排布方向相反，其中一層碳纖維復合材料層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ー層鈦合金及ー層45°垂直交叉排布的復合材料層因此，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沖擊韌性，適用于各個方向受カ均勻的場合。
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)和碳纖維復合材料層(2)組成，其特征在于所述金屬板(I)至少兩層，相鄰金屬板(I)之間鋪設至少一層碳纖維復合材料層(2)，金屬板(I)為TC4鈦合金板，厚度為O. 2-0. 4_，碳纖維復合材料層(2)為碳纖維/聚酰亞胺復合材料，厚度為O. 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，其特征在于所述金屬板(I)為2 3層，碳纖維復合材料層(2)為1 4層，碳纖維復合材料層(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，其特征在于所述不同層的碳纖維復合材料層(2)的碳纖維的排布方向相同或者相反。
全文摘要
一種輕質耐高溫碳纖維金屬混雜層板，由金屬板和碳纖維復合材料層組成，金屬板至少兩層，相鄰金屬板之間鋪設至少一層碳纖維復合材料層，金屬板為TC4鈦合金板，厚度為0.2-0.4mm，碳纖維復合材料層為碳纖維/聚酰亞胺復合材料，厚度為0.1-0.2mm。金屬板為2~3層，碳纖維復合材料層為1~4層，碳纖維復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。本發明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于單鈦合金板，且成本遠低于纖維增強的復合材料，并具有耐腐蝕、阻燃、耐沖擊等優點，是理想的高音速飛行器結構材料。
文檔編號B32B9/04GK103009717SQ2012105031
公開日2013年4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, 陶杰, 汪濤, 蔣建輝, 徐鳳娟, 楊棟棟 申請人:南京航空航天大學