R.Fü?EL，M.GUDE，A.LANGKAMP，W.HUFENBACH

(德累斯頓工業(yè)大學輕型結(jié)構(gòu)與合成材料研究所，德國德累斯頓 D-01307)

為了不斷開發(fā)更加節(jié)能環(huán)保的交通工具，需要采用更具競爭力的輕型結(jié)構(gòu)材料。在航空、航天器，汽車等制造領(lǐng)域，采用纖維增強和織物增強的復合材料來制造高效輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的零部件具有重要的作用。

為了實現(xiàn)不同功能和結(jié)構(gòu)要求，越來越多的高負荷承載件是由傳統(tǒng)金屬材料與纖維增強復合材料(FKV)結(jié)合起來進行制造的。纖維增強復合材料特別適用于制造那些需要承受水平張力的拉伸結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。選用時需根據(jù)要制造的零部件的結(jié)構(gòu)對單體材料組成(基體材料和纖維材料)和復合材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)(纖維角度、纖維體積含量、堆積態(tài)等)進行特定選擇。利用纖維增強復合材料的優(yōu)異性能，可實現(xiàn)對零部件結(jié)構(gòu)受力狀況的調(diào)整，同時對阻尼特性進行優(yōu)化。金屬材料適用于承受區(qū)域應力或復雜幾何外形的結(jié)構(gòu)或承受較高集中載荷的零部件［1］。

對零部件的附加功能要求，例如在擴散層密度、抗溶劑性以及抗流體磨損性或者抗腐蝕性等方面，纖維增強復合材料都很難滿足，這成為大量高效輕型結(jié)構(gòu)使用纖維增強復合材料(FKV)的一大障礙，不過混合多層復合材料(HMSV)可解決這一問題。有針對性地將纖維增強復合材料與金屬材料功能層結(jié)合，纖維增強復合材料的特性將得到優(yōu)化，從而使這種混合多層復合材料的特性能夠滿足各自的內(nèi)應力要求和摩擦要求。

1 應用案例

現(xiàn)在，有關(guān)機構(gòu)正在研究將纖維增強復合材料和金屬材料相結(jié)合，制造混合多層復合材料，以薄板的形態(tài)用于新型輕型結(jié)構(gòu)零部件的制造。例如，在現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的風扇葉片和導流葉片的表面涂覆金屬鈦(如圖1(a)所示)。此外，混合多層復合材料也嘗試用于制造旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，例如軸。在非旋轉(zhuǎn)部分，尤其是易破裂部件，也逐漸采用混合多層復合材料制造(如圖1(b)所示)。

圖1 在風扇和風扇葉片上涂覆金屬鈦做表面保護層

一個典型的例子是，由輕型結(jié)構(gòu)和合成材料技術(shù)研究所(ILK)開發(fā)的一個非常輕的液壓執(zhí)行機構(gòu)，將原先的油缸套替換成金屬纖維增強復合材料，成功使用在航空飛行器上(如圖2所示)。這個圓柱形的高壓管由一個卷繞起來的碳纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)套和一個薄壁金屬內(nèi)膽構(gòu)成。碳纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)套承受機械負荷;薄壁金屬內(nèi)膽作為滑動面，用于活塞密封以及作為擴散阻擋層，抵擋液壓油對復合材料的腐蝕［1］。

圖2 金屬-纖維增強復合材料制造的液壓執(zhí)行機構(gòu)

2 借助嵌入法制造混合多層復合材料

迄今為止，制造混合多層復合材料的方法是根據(jù)材料特性確定連接工藝，在最后一道工序涂覆金屬保護層，或者更確切地說是用昂貴的涂裝法。這種制造模式的難度在于:需要大量復雜的過程參數(shù)相互配合，其中包括定位、固定、粘合劑的涂覆以及出現(xiàn)的熱感應耦合。特別是在復雜的幾何外形上涂覆金屬保護層，不但對涂覆過程本身提出了很高的質(zhì)量要求，而且對于被涂覆的結(jié)構(gòu)，在它的制造、準備和預處理過程中，也有很高的質(zhì)量要求。當使用物理氣相沉積法(PVD)或者化學氣相沉積法(CVD)時，涂覆層在與基底復合后通常會產(chǎn)生很大的熱應力。使用物理氣相沉積法(PVD)對纖維增強復合材料進行涂覆時，雖然熱應力會小一些，但是只能用于具有簡單幾何外形的復合材料。此外，無論是物理氣相沉積法還是化學氣相沉積法，都只局限于制造涂層厚度小于0.1mm的零件，因此這種方法通常不適合制造有耐磨要求的零件。只有通過開發(fā)和使用新的、有效的制造方法，才能明顯降低現(xiàn)有的涂覆模式的成本［4］。

嵌入法是在材料合成的初始階段，就將纖維增強復合材料(FKV)和薄壁金屬構(gòu)件進行結(jié)合(如圖3所示)。

圖3 嵌入法制造混合多層復合材料流程示意圖［5］

于是，在合成材料的強化階段，就可實現(xiàn)金屬和聚合物的牢固黏結(jié)。嵌入法的優(yōu)勢在于:在金屬構(gòu)件與合成材料幾何外形相互匹配時消耗明顯降低，同時也可取消根據(jù)材料特性確定連接工藝這一額外步驟。由于化學上和物理上的相互影響，在這個高效而又十分復雜的制造過程中，注意力都會特別集中到纖維增強復合材料(FKV)與金屬功能層的結(jié)合上［5］。

這個過程中所出現(xiàn)的課題有，從各個組分不同的熱膨脹系數(shù)到在滲透階段樹脂-金屬-邊界層的物理化學相互作用以及邊界層的形成和固化。

2.1 混合多層復合材料(HMSV)中的熱感應內(nèi)應力

用嵌入法制造混合多層復合材料(HMSV)(特別是使用熱固性環(huán)氧樹脂)，在復合材料冷卻時，由于碳纖維增強復合材料(CFK)和金屬面的熱膨脹系數(shù)不同，會由于溫度差而導致在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)內(nèi)應力。由此在生產(chǎn)階段，就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件翹曲或者在兩個組分間出現(xiàn)邊界層翹曲［6］。

圖4所示是非對稱復合材料制造成HMSV板的典型例子，利用樹脂傳遞模塑工藝(RTM)和平板模具，制作一塊體積為300mm×300mm×2.5mm的測試板。CFK由一塊斜紋2/2織物和一種通用的環(huán)氧樹脂基上的滲透樹脂制成，金屬覆板為0.5mm厚度的不銹鋼板。

圖4 在脫模后出現(xiàn)熱翹曲的HMSV板(CKF/鋼)

在120℃的條件下，保溫8h，完成反應樹脂的時效硬化(如圖5，6所示)。復合材料的詳細規(guī)格見表1。

在脫模后，由于金屬材料和纖維增強復合材料之間的熱不均衡以及整個復合材料(HMSV)的各向異性結(jié)構(gòu)，測試板出現(xiàn)了嚴重的翹曲。熱翹曲程度可以利用非接觸的光學測量系統(tǒng)ATOS進行測定。與水平面的偏差最高可達21mm(如圖6(b)所示)。為了測定上述在金屬覆板和CFK-襯底之間的內(nèi)層扭應力，可利用程序設計系統(tǒng)ABAQUS對耦合溫度變化進行計算，以此可以得出合成材料的熱應力以及時效硬化溫度與室溫的溫度差。計算時需要的合成材料的熱參數(shù)和機械參數(shù)可從表2獲得。

圖5 用滲透工藝制造的HMSV板

圖6 HMSV板的硬化周期

表1 HMSV測試板(CKF/鋼)復合材料規(guī)格

表2 用于數(shù)值計算的織物增強CFK單層和金屬覆蓋層材料的熱參數(shù)和機械參數(shù)

將測量所得的翹曲和計算所得的翹曲進行比對，顯示出高度的一致性(如圖7，8所示)。與樹脂系統(tǒng)抗剪強度(53MPa)相比，計算得出的從CFK到金屬的邊界層的內(nèi)層扭應力為25MPa，占了邊界層近50%的負荷強度。

圖7 計算所得的HMSV板(CFK/鋼)熱翹曲

圖8 測量所得的HMSV板(CFK/鋼)熱翹曲

2.2 減小熱感應內(nèi)應力的解決方案

為減小引起翹曲的扭應力和拉應力，嘗試在金屬合成材料邊界層中采用加入抗翹曲的柔性過渡層的方法，如圖9所示。柔性過渡層的材料為各種傳統(tǒng)的、熱塑性的彈性塑料(TPE)。在實驗中，使用巴斯夫(BASF)公司生產(chǎn)的熱塑性聚氨酯(TPU)作為過渡層材料。因為在預實驗中，要借助滾動剝離試驗證實它對環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的附著強度。此外，選擇TPU還基于這樣一個觀點，即在功能層被磨損的情況下，可以通過對支承結(jié)構(gòu)的局部加熱，磨損部位得到修復并形成一個新的功能層。

圖9 有柔性過渡層的混合多層復合材料(HMSV)剖視圖

因此，在HMSV內(nèi)部使用TPU有助于改善循環(huán)利用性和適當降低維修成本。

為了詳細地研究TPU涂層和滲入纖維增強復合材料之間的附著強度，首先要研究TPU涂層和未使用纖維增強的環(huán)氧樹脂之間的粘附特征，以此得出不同的TPU類型和環(huán)氧樹脂在同一個RTM平板模具中的溢出。使用反射式顯微鏡對邊界層進行分析，在雙方襯底中均可發(fā)現(xiàn)膨脹的擴散層(如圖10所示)。

兩個聚合物交錯在一起的擴散層，可以通過傅里葉-變換-紅外線光譜測量法(FTIR)或者通過

圖10 TPU和環(huán)氧樹脂之間的擴散層區(qū)域在反射式顯微鏡下拍到的照片

微壓痕機械分析法得以確認(如圖11所示)。

圖11 使用FTIR-分析和微壓痕法測定擴散層強度

從圖11中可見，無論是化學分析法還是機械分析法，分析結(jié)果幾乎是一致的。

借助反射式放大鏡或者入射式放大鏡對涂層強度進行判斷。測得的涂層強度的數(shù)據(jù)見表3。通過對擴散區(qū)的邊界層和主要強度分布的機械分析，將強度參數(shù)變化包括在混合多層復合材料的一系列計算中，既是可行的也是必要的。

表3 與時效硬化溫度和使用的TPU-原料相對應的擴散層強度

為了驗證彈性過渡層在減少混合多層復合材料(HMSV)中熱內(nèi)應力的效果，按照章節(jié)2.1的方法，再制造一塊HMSV板，然后接著測量熱翹曲。本次HMSV板的金屬覆板內(nèi)涂覆0.1mm厚度的TPU層，而整個復合材料的厚度保持不變。TPU彈性內(nèi)應力通過實驗測定，其數(shù)值的計算，在FE-系統(tǒng)ABAQUS使用VAN-DER-WAALS材料模式對實驗數(shù)據(jù)進行調(diào)整。在此使用的模量參數(shù)μ0(原始強度)，λmax(最大可伸展性)，以及自由參數(shù)α和β，可以在表4中獲得。

計算結(jié)果和實驗結(jié)果都清楚地表明(如圖12，13所示)，通過使用TPU作為過渡層，熱翹曲和層間扭應力大約可以降低系數(shù)15%。同樣清楚表明的是，聚氨酯的材料性能體現(xiàn)出高度的時間依賴性，所以計算得出的最大變形值和實驗得出的最大變形值之間會有20%的差異。這歸于熱塑性彈性體的蠕變，在今后更精確的模量計算中應將這一點考慮進去。

表4 用于TPU的VAN-DER-WAALS材料模式的模量參數(shù)

圖12 HMSV數(shù)值結(jié)果比較

圖13 HMSV實驗結(jié)果比較

3 結(jié)束語

混合金屬材料-纖維增強復合材料，由于它可調(diào)節(jié)的性能特征，比起常規(guī)的各種金屬材料以及單純纖維增強復合材料具有很大的優(yōu)勢。首先，有針對性地使用纖維增強復合材料作為支承結(jié)構(gòu)，并且以金屬層作為功能層的功能組件，可以保證在輕型結(jié)構(gòu)組件中有效地使用纖維增強復合材料，并且此結(jié)構(gòu)組件也能在腐蝕介質(zhì)和摩擦環(huán)境中使用。

從通常的連接法與涂層法發(fā)展出來的制造混合多層復合材料(HMSV)的嵌入法，通過選擇使用適當?shù)腡PU過渡層，可以明顯降低熱感應翹曲和會導致產(chǎn)品失效的內(nèi)應力。

通過將熱時效增強的環(huán)氧樹脂滲入到熱塑性聚氨酯，可以形成一個明顯的擴散層。擴散層強度的測定既可采用化學方法也可采用物理方法，結(jié)果具有很好的一致性。通過微凹痕法可以測定在擴散層中機械性能的變化。并且，可以通過這種變化，對過渡層存在失效公差的混合多層復合材料(HMSV)進行詳細的數(shù)值計算。

對于一個對實踐具有重要意義的混合多層復合材料的計劃策略和設計策略，需要進行詳細的研究。在這一方面，進一步研究與TPU的黏彈性和黏塑性有關(guān)的材料特性的材料模量具有重要的意義。此外，對于吸濕性和熱效應對TPU長時間附著，以及對HMSV的附著強度和內(nèi)聚強度的影響還要做進一步分析。

有一種觀點認為，使用熱塑性彈性體有可能修復HMSV的功能層。這一點可以作為進一步研究的課題。研究的焦點是，開發(fā)一種與實踐相關(guān)的節(jié)能的修復方法，在局部加熱后，修復大面積HMSV結(jié)構(gòu)。

［1］ Ulbricht A.Zur Gestaltung und Dimensionierung von zylindrischen Leichtbaustrukturen in Faserkunststoff-Metall-Mischbauweise，Technische Universit?t Dresden，Dissertation，2011.

［2］ Red C.Composites in commercial aircraft jet engines.High Performance Composites，9(2008).

［3］ http://www.geae.com，2010.

［4］ Kienel G.R?ll K.Vakuumbeschichtung:Band 2 Verfahren und Anlagen，Springer，1997.

［5］ Hufenbach W，Langkamp.A，F(xiàn)ü?el R.Neue Methode für die Herstellung von Metall-Composite-Strukturen mit versagenstoleranter Zwischenschicht，12.Kolloquium Gemeinsame Forschung in der Klebtechnik，F(xiàn)rankfurt am Main，2012.

［6］ Gude M.Zum nichtlinearen Deformationsverhalten multistabiler Mehrschicht-verbunde mit unsymmetrischem Strukturaufbau，Technische Universit?t Dresden，Dissertation，2000.