連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。利用連續(xù)碳纖維和改性聚醚醚酮樹(shù)脂溶液，制備連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料；依次對(duì)金屬板進(jìn)行脫脂處理、酸洗和陽(yáng)極氧化處理；將處理好的金屬板和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料進(jìn)行交替鋪層并置入模具中進(jìn)行熱壓固化成形后，自然冷卻得到碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板。本發(fā)明制備的纖維金屬層板優(yōu)點(diǎn)在于韌性更好，強(qiáng)度高，易加工，環(huán)保無(wú)污染。
【專利說(shuō)明】連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明纖維金屬層板的制備方法，具體講是一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]纖維金屬層板(Fiber Metal Laminates, FMLs),其早期是為民用飛機(jī)高疲勞裂紋區(qū)開(kāi)發(fā)的材料，它是由纖維復(fù)合材料和金屬薄板交替鋪層后，在一定的溫度、壓力下固化一段時(shí)間后形成的一種層間混雜復(fù)合材料，故也叫作超混雜層板(Super HybridLaminates)。
[0003]目前航空航天上應(yīng)用的FMLs—般都是熱固性復(fù)合層板，存在著韌性差、不容易成形等諸多缺陷，從而阻礙了此類材料在大批量產(chǎn)品制造過(guò)程中的應(yīng)用。國(guó)外學(xué)者研究表明，熱塑性FMLs具有較好的韌性、易成形且能回收利用，而且成形工藝簡(jiǎn)單，可用于大批量產(chǎn)品的制造。
[0004]連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板是具有更優(yōu)異的綜合性能的新一代復(fù)合層板。在此類纖維金屬層板中，樹(shù)脂基體聚醚醚酮(PEEK)是一種半結(jié)晶性芳香族熱塑性工程塑料，具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、高強(qiáng)度、高斷裂韌性、易加工等優(yōu)異性能及線膨脹系數(shù)較小、自身阻燃、耐磨性高、絕緣、耐水解等特點(diǎn)，是比較理想的工程材料，也是目前熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。增強(qiáng)纖維碳纖維強(qiáng)度大，模量高，重量輕，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好，能夠保證熱塑性復(fù)合材料具有更高的斷裂韌性，同時(shí)，在發(fā)生分層時(shí)，碳纖維能夠起到橋接界面的作用，減緩裂紋的擴(kuò)展。
[0005]2013年3月27日，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN102991009A公開(kāi)了一種層間增韌的碳纖維-金屬層合板，其選用具有高孔隙率的熱塑性尼龍無(wú)紡布作為層間增韌/隔離層，使樹(shù)脂基體在熱壓成型過(guò)程中能夠順利的在增韌/隔離層中發(fā)生滲透和浸潤(rùn)，但增韌/隔離層與基體樹(shù)脂不發(fā)生溶解和分相，仍然保持了完整的無(wú)紡布結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)而，通過(guò)尼龍無(wú)紡布與基體樹(shù)脂相互貫穿形成非反應(yīng)誘導(dǎo)相分離的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到層間增韌的作用，同時(shí)隔斷了碳纖維增強(qiáng)體與金屬層板之間的接觸，起到了電化學(xué)阻隔作用，消除了碳纖維增強(qiáng)體與金屬層板之間由于電位差的存在而導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。但該發(fā)明專利所選用的熱塑性尼龍無(wú)紡布的熔點(diǎn)在200°C左右，熔點(diǎn)較低限制了其在更高溫度下的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種耐高溫性能好、強(qiáng)度高且易加工的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法。
[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，包括以下步驟:
I)、利用連續(xù)碳纖維和改性聚醚醚酮樹(shù)脂溶液，制備連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料； 2)、依次對(duì)金屬板進(jìn)行脫脂處理、酸洗和陽(yáng)極氧化處理；
3)、將步驟2)處理好的金屬板和步驟I)制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料進(jìn)行交替鋪層并置入模具中；
4)、將步驟3)的模具進(jìn)行熱壓固化成形后，自然冷卻得到碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板。
[0008]本發(fā)明中，所述步驟I)制備過(guò)程為:將連續(xù)碳纖維以15_25m/min的運(yùn)行速度浸潰改性聚醚醚酮樹(shù)脂溶液，然后均勻排布在輥筒上，制成碳纖維體積含量為40%-60%的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料。
[0009]本發(fā)明中，所述步驟2)中脫脂處理采用的有機(jī)溶劑為丙酮或異丙醇。
[0010]本發(fā)明中，所述步驟2)酸洗采用的酸洗液為350g/L硝酸和60g/L氫氟酸配成的混酸溶液，酸洗溫度為40°C，酸洗時(shí)長(zhǎng)40s。
[0011]本發(fā)明中，所述步驟2)陽(yáng)極氧化過(guò)程為:以金屬板作為陽(yáng)極，不銹鋼板作為陰極，在由300g/L氫氧化鈉、65g/L酒石酸鈉、30g/L乙二胺四乙酸，6g/L硅酸鈉組成的電解液中施以10-20V電壓氧化10-20min。
[0012]本發(fā)明中，所述步驟3)中金屬板和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料之間涂刷底膠。
[0013]本發(fā)明中，所述底膠為改性聚醚醚酮氯仿溶液，所述改性聚醚醚酮氯仿溶液配比為105g聚醚醚酮粉末溶于IL氯仿中。
[0014]本發(fā)明中，所述步驟3)中金屬板軋制方向與連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料中的碳纖維排布方向可呈0°、土45°或90°。
[0015]本發(fā)明中，所述步驟4)中的熱壓固形過(guò)程為:首先將模具加熱到240°C、保溫Ih ；隨后將模具升溫至370°C、保溫Ih并施加4-5MPa壓力。
[0016]本發(fā)明中，所述金屬板為T(mén)A1、TA2、TA18或TC4，厚度為0.1-0.5mm。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:(I)、本發(fā)明將輕質(zhì)的金屬和高強(qiáng)度的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料相結(jié)合，其不僅具有金屬易連接加工的特點(diǎn)，還具有碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，與金屬相比密度更低，與碳纖維復(fù)合材料相比韌性更好，強(qiáng)度高，彈性模量高，具有優(yōu)異的耐高溫性；(2)、本發(fā)明步驟簡(jiǎn)單，便于操作，生產(chǎn)成本低，環(huán)保無(wú)污染。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法流程圖；
圖2為實(shí)施例1中鋪層結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖中:1-上模、2-下模、3-金屬薄板、4-預(yù)浸料。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]實(shí)施例1
如圖1所示，實(shí)施例1為一種五層結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板，其由三層0.3mm厚的TA2鈦板3、二層連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4構(gòu)成。
[0022]具體制備方法如下: 第一步，在室溫下連續(xù)碳纖維以15m/min的速度浸潰通過(guò)改性聚醚醚酮氯仿溶液，然后均勻排布在輥筒上制成碳纖維體積含量為50%的單向預(yù)浸料。
[0023]第二步，用蒸餾水對(duì)TA2鈦板3表面沖洗，除去表面污染物；然后用丙酮擦拭TA2薄板3表面，除去表面油脂；再將TA2鈦板3放入由350g/L的硝酸和60g/L的氫氟酸組成的混酸溶液中，在40°C下酸洗40s，除去表面氧化層；最后將TA2鈦板3放入電解槽中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，以TA2鈦板3作為陽(yáng)極，不銹鋼板作為陰極，在由300g/L氫氧化鈉，65g/L酒石酸鈉，30g/L乙二胺四乙酸，6g/L硅酸鈉組成的電解液中施以1V電壓氧化15min，使得TA2鈦板3表面獲得一層均勻致密的氧化膜。
[0024]第三步，以配比為105g聚醚醚酮粉末溶于IL氯仿中的改性聚醚醚酮氯仿溶液作為底膠均勻涂刷在第二步后得到的TA2鈦板3表面，并將TA2鈦板3與碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料按圖1所示的順序交替鋪層，其中碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4中的碳纖維方向與TA2鈦板3的軋制方向夾角為0° ,鋪層后將上模I和下模2合模；
第四步，將模具放在熱壓機(jī)上，將模具加熱到240°C、保溫lh，隨后再將模具升溫至370°C、保溫Ih并施加5MPa壓力使得聚醚醚酮產(chǎn)生交聯(lián)固化，然后自然冷卻得到碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板。
[0025]實(shí)施例2
本實(shí)施例為一種三層結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板，其由二層0.1mm厚的TAl鈦板3、一層連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4構(gòu)成。
[0026]具體制備方法如下:
第一步，在室溫下連續(xù)碳纖維以18m/min的速度浸潰通過(guò)改性聚醚醚酮粉氯仿溶液，然后均勻排布在輥筒上制成碳纖維體積含量為60%的單向預(yù)浸料。
[0027]第二步，用蒸餾水對(duì)TAl鈦板3表面沖洗，除去表面污染物；然后用異丙醇擦拭TAl鈦板3表面，除去表面油脂；再將TAl鈦板3放入由350g/L的硝酸和60g/L的氫氟酸組成的混酸溶液中，在40 0C下酸洗40s，除去表面氧化層；最后將TAl鈦板3放入電解槽中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，以TAl鈦板3作為陽(yáng)極，不銹鋼板作為陰極，在由300g/L氫氧化鈉，65g/L酒石酸鈉，30g/L乙二胺四乙酸，6g/L硅酸鈉組成的電解液中施以15V電壓氧化20min，使得TAl鈦板3表面獲得一層均勻致密的氧化膜。
[0028]第三步，以配比為105g聚醚醚酮粉末溶于IL氯仿中的改性聚醚醚酮氯仿溶液作為底膠均勻涂刷在第二步后得到的TAl鈦板3表面，并將TAl鈦板3與碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4按圖1所示的順序交替鋪層，其中碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4中的碳纖維方向與TAl鈦板3軋制方向夾角為90° ,鋪層后將上模I和下模2合模；
第四步，將模具放在熱壓機(jī)上，將模具加熱到240°C、保溫lh，隨后再將模具升溫至370°C、保溫Ih并施加4.5MPa壓力使得聚醚醚酮產(chǎn)生交聯(lián)固化，然后自然冷卻得到碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板。
[0029]實(shí)施例3
本實(shí)施例為一種五層結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板，其由三層0.5mm厚的TC4鈦板3、二層連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料構(gòu)成。
[0030]第一步，預(yù)浸料的制備:在室溫下連續(xù)碳纖維以20m/min的速度浸潰通過(guò)改性聚醚醚酮氯仿溶液，然后均勻排布在輥筒上制成碳纖維體積含量為60%的單向預(yù)浸料。
[0031]第二步，金屬薄板預(yù)處理:用蒸餾水對(duì)TC4鈦板3表面沖洗，除去表面污染物?’然后用丙酮擦拭鈦板表面，除去表面油脂；再將TC4鈦板3放入由350g/L的硝酸和60g/L的氫氟酸組成的混酸溶液中，在40°C下酸洗40s，除去表面氧化層；最后將TC4鈦板3放入電解槽中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，以TC4鈦板3作為陽(yáng)極，不銹鋼板作為陰極，在由300g/L氫氧化鈉，65g/L酒石酸鈉，30g/L乙二胺四乙酸，6g/L硅酸鈉組成的電解液中施以20V電壓氧化1min,使得TC4鈦板3表面獲得一層均勻致密的氧化膜。
[0032]第三步，以配比為105g聚醚醚酮粉末溶于IL氯仿中的改性聚醚醚酮氯仿溶液作為底膠均勻涂刷在第二步后得到的TC4鈦板3表面，并將TC4鈦板3與碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4如圖1所示進(jìn)行交替鋪層，其中碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4中的碳纖維方向與TAl鈦板3軋制方向夾角為90° ,鋪層后將上模I和下模2合模；
第四步，將模具放在熱壓機(jī)上，將模具加熱到240°C、保溫lh，隨后再將模具升溫至370°C、保溫Ih并施加4MPa壓力使得聚醚醚酮產(chǎn)生交聯(lián)固化，然后自然冷卻得到碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板。
[0033]實(shí)施例4
本實(shí)施例為一種三層結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板，其由二層0.25mm厚的TA18鈦板3、一層連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4構(gòu)成。
[0034]具體制備方法如下:
第一步，在室溫下連續(xù)碳纖維以25m/min的速度浸潰通過(guò)改性聚醚醚酮粉氯仿溶液，然后均勻排布在輥筒上制成碳纖維體積含量為40%的單向預(yù)浸料。
[0035]第二步，用蒸餾水對(duì)TA18鈦板3表面沖洗，除去表面污染物；然后用丙酮擦拭TAl鈦板3表面，除去表面油脂；再將TA18鈦板3放入由350g/L的硝酸和60g/L的氫氟酸組成的混酸溶液中，在40°C下酸洗40s，除去表面氧化層；最后將TAl鈦板3放入電解槽中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，以TA18鈦板3作為陽(yáng)極，不銹鋼板作為陰極，在由300g/L氫氧化鈉，65g/L酒石酸鈉，30g/L乙二胺四乙酸，6g/L硅酸鈉組成的電解液中施以15V電壓氧化15min，使得TA18鈦板3表面獲得一層均勻致密的氧化膜。
[0036]第三步，以配比為105g聚醚醚酮粉末溶于IL氯仿中的改性聚醚醚酮氯仿溶液作為底膠均勻涂刷在第二步后得到的TA18鈦板3表面，并將TA18鈦板3與碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4按圖1所示的順序交替鋪層，其中碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料4中的碳纖維方向與TA18鈦板3軋制方向夾角為45° ,鋪層后將上模I和下模2合模；
第四步，將模具放在熱壓機(jī)上，將模具加熱到240°C、保溫lh，隨后再將模具升溫至370°C、保溫Ih并施加4.3MPa壓力使得聚醚醚酮產(chǎn)生交聯(lián)固化，然后自然冷卻得到碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板。
[0037]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)、利用連續(xù)碳纖維和改性聚醚醚酮樹(shù)脂溶液，制備連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料； 2)、依次對(duì)金屬板進(jìn)行脫脂處理、酸洗和陽(yáng)極氧化處理； 3)、將步驟2)處理好的金屬板和步驟I)制備得到的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料進(jìn)行交替鋪層并置入模具中； 4)、將步驟3)的模具進(jìn)行熱壓固化成形后，自然冷卻得到碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮纖維金屬層板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于所述步驟I)制備過(guò)程為:將連續(xù)碳纖維以15-25m/min的運(yùn)行速度浸潰改性聚醚醚酮樹(shù)脂溶液，然后均勻排布在輥筒上，制成碳纖維體積含量為40%-60%的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于:所述步驟2)中脫脂處理采用的有機(jī)溶劑為丙酮或異丙醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于:所述步驟2)酸洗采用的酸洗液為350g/L硝酸和60g/L氫氟酸配成的混酸溶液，酸洗溫度為40°C，酸洗時(shí)長(zhǎng)40s。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于:所述步驟2)陽(yáng)極氧化過(guò)程為:以金屬板作為陽(yáng)極，不銹鋼板作為陰極，在由300g/L氫氧化鈉、65g/L酒石酸鈉、30g/L乙二胺四乙酸，6g/L硅酸鈉組成的電解液中施以10-20V 電壓氧化 10-20min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中金屬板和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料之間涂刷底膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于:所述底膠為改性聚醚醚酮氯仿溶液，所述改性聚醚醚酮氯仿溶液配比為105g聚醚醚酮粉末溶于IL氯仿中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于:所述步驟3)中金屬板軋制方向與連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料預(yù)浸料中的碳纖維排布方向可呈0°、土45°或90°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于所述步驟4)中的熱壓固形過(guò)程為:首先將模具加熱到240°C、保溫Ih ；隨后將模具升溫至370°C、保溫Ih并施加4-5MPa壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮基體纖維金屬層板的制備方法，其特征在于:所述金屬板為T(mén)A1、TA2、TA18或TC4，厚度為0.1-0.5mm。
【文檔編號(hào)】B32B27/28GK104191753SQ201410426655
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】潘蕾, 胡玉冰, 蔡雷, 陶杰, 汪濤, 王瑋, 朱建平, 柏繼華 申請(qǐng)人:江蘇呈飛精密合金股份有限公司, 南京航空航天大學(xué)