一种纤维金属层板及其制备方法

技术领域

本发明涉及纤维金属层板技术领域，尤其涉及一种纤维金属层板及其制备方法。

背景技术

传统的金属材料疲劳性能较差，纤维增强树脂基复合材料的单向力学性能虽有提高，但多层叠合后层间粘结性能不强，易造成材料的断裂，限制了其应用范围，所以需要一种新型手段，既能保留两种材料的优点，又能弥补各自的缺陷，纤维金属层板(FMLs)正是在这种需求下被研制出来的。

FMLs是一种超混杂的复合材料，一直以来界面研究对其的进一步开发和应用至关重要。对于TA2/PEEK/C

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维金属层板及其制备方法。本发明提供的制备方法制备得到的纤维金属层板具备优异的层间强度。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属板的表面旋涂光刻胶，然后进行前烘，得到板材；

(2)在所述步骤(1)得到的板材的表面放置掩模版，然后依次进行曝光、显影、后烘和腐蚀，得到处理后的金属板；所述腐蚀所采用的腐蚀液为氢氟酸和硝酸的混合溶液；所述腐蚀液中氢氟酸的质量浓度为3～5％；所述腐蚀液中硝酸的质量浓度为15～30％；所述腐蚀的时间为30～180s；

(3)在所述步骤(2)得到的处理后的金属板的表面铺放纤维树脂复合材料，然后根据需求铺放其他材料，得到复合板；

(4)将所述步骤(3)得到的复合板进行热压，得到纤维金属层板。

优选地，所述步骤(1)中旋涂的速率为2000～4000rpm/min，旋涂的时间为25～40s。

优选地，所述步骤(1)中旋涂的速率为400～600rpm/min，旋涂的时间为10～15s。

优选地，所述步骤(1)中前烘的温度为90～120℃，前烘的时间为10～15min。

优选地，所述步骤(2)中曝光的时间为35～55s。

优选地，所述步骤(2)中后烘的温度为90～120℃，后烘的时间为20～25min。

优选地，所述腐蚀液中氢氟酸的质量浓度为4～4.5％，腐蚀液中硝酸的质量浓度为20～25％。

优选地，所述腐蚀的时间为60～150s。

优选地，所述步骤(4)中热压的温度为380～400℃，热压的压力为0.6MPa，热压的保温时间＞30min。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的纤维金属层板。

本发明提供了一种纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：在金属板的表面旋涂光刻胶，然后进行前烘，得到板材；在所述板材的表面放置掩模版，然后依次进行曝光、显影、后烘和腐蚀，得到处理后的金属板；所述腐蚀所采用的腐蚀液为氢氟酸和硝酸的混合溶液；所述腐蚀液中氢氟酸的质量浓度为3～5％；所述腐蚀液中硝酸的质量浓度为15～30％；所述腐蚀的时间为30～180s；在所述处理后的金属板的表面铺放纤维树脂复合材料，然后根据需求铺放其他材料，得到复合板；将所述复合板进行热压，得到纤维金属层板。本发明通过光刻工艺在金属板表面构筑微坑，通过限定具体的腐蚀条件能够有效提高金属板表面粗糙程度，有利于纤维树脂复合材料与金属层板在成型过程中形成机械啮合，从而显著提升界面胶接强度，有效解决了纤维金属层板层间强度不足的问题。实验结果表明，在ENF测试加载条件下，与无微坑结构界面相比，圆形微坑结构可以大大增加TA2/PEEK界面的断裂载荷。

附图说明

图1为本发明中TA2/PEEK界面微坑结构示意图；

图2为本发明的增韧机理示意图；

图3为本发明的光刻工艺流程图；

图4实施例1制备得到的纤维金属层板的结构示意图；

图5为不同微坑结构的TA2/PEEK界面分层扩展过程中的加载压头处载荷与位移响应关系。

具体实施方式

本发明提供了一种纤维金属层板的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属板的表面旋涂光刻胶，然后进行前烘，得到板材；

(2)在所述步骤(1)得到的板材的表面放置掩模版，然后依次进行曝光、显影、后烘和腐蚀，得到处理后的金属板；所述腐蚀所采用的腐蚀液为氢氟酸和硝酸的混合溶液；所述腐蚀液中氢氟酸的质量浓度为3～5％；所述腐蚀液中硝酸的质量浓度为15～30％；所述腐蚀的时间为30～180s；

(3)在所述步骤(2)得到的处理后的金属板的表面铺放纤维树脂复合材料，然后根据需求铺放其他材料，得到复合板；

(4)将所述步骤(3)得到的复合板进行热压，得到纤维金属层板。

本发明对各原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

本发明在金属板的表面旋涂光刻胶，然后进行前烘，得到板材。

在本发明中，所述金属板优选为TA2板；所述金属板的厚度优选为0.3mm。

在本发明中，所述金属板在使用前优选依次进行抛光、脱脂、水洗和烘干。

本发明对所述抛光的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。本发明采用抛光有利于后续光刻胶的附着。

在本发明中，所述脱脂所采用的有机溶剂优选为丙酮；所述脱脂的温度优选为室温。

本发明对所述水洗的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。本发明采用水洗能够去除金属板表面的杂质。

在本发明中，所述烘干的温度优选为60～80℃；所述烘干的时间优选为1h。本发明采用烘干能够去除水分。

在本发明中，所述光刻胶优选为SUN-1150P正性光刻胶；所述旋涂的速率优选为2000～4000rpm/min，更优选为2500～3500rpm/min，所述旋涂的时间优选为25～40s，更优选为30～35s；或者所述旋涂的速率优选为400～600rpm/min，所述旋涂的时间优选为10～15s。

本发明对所述光刻胶的用量没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用量即可。

在本发明中，所述前烘的温度优选为90～120℃，更优选为100～110℃；所述前烘的时间优选为10～15min。

得到板材后，本发明在所述板材的表面放置掩模版，然后依次进行曝光、显影、后烘和腐蚀，得到处理后的金属板。

本发明对掩模板的制作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

本发明对所述掩模版的尺寸没有特殊的限定，根据实际需要的微坑的直径和间距进行调整即可。在本发明中，微坑的直径和间距与掩模版尺寸一致。

本发明对放置掩模板的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

在本发明中，所述曝光优选在真空条件下进行。本发明对所述真空的条件没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

在本发明中，所述曝光优选在紫外光下进行；所述紫外光的波长优选为365nm；所述紫外光的功率优选为350W。

在本发明中，所述曝光的时间优选为35～55s，更优选为50s。在本发明中，曝光的时间会影响掩模板形貌复制到光刻胶层的效果，经反复测试对比曝光的时间为50s时效果最好。

在本发明中，所述显影所采用的显影液优选为SUN-238D显影液。本发明对所述显影液的用量没有特殊的限定，只要没过金属板，保证显影效果即可。本发明对所述显影的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

显影完成后，本发明优选对所述显影得到的金属板进行水洗。本发明对所述水洗的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员的操作即可。

在本发明中，所述后烘的温度优选为90～120℃，更优选为100～110℃；所述后烘的时间优选为20～25min。

在本发明中，所述腐蚀所采用的腐蚀液为氢氟酸和硝酸的混合溶液；所述腐蚀液中氢氟酸的质量浓度为3～5％，优选为4～4.5％；所述腐蚀液中硝酸的质量浓度为15～30％，优选为20～25％；所述腐蚀的时间为30～180s，优选为60～150s，更优选为90～120s；所述腐蚀的温度优选为室温。在本发明中，腐蚀液中的HF具有还原性，能溶解钛氧化层，起到平整作用；HNO

腐蚀完成后，本发明优选对所述腐蚀得到的产物进行去胶，得到处理后的金属板。

本发明对所述去胶的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

得到处理后的金属板后，本发明在所述处理后的金属板的表面铺放纤维树脂复合材料，然后根据需求铺放其他材料，得到复合板。

在本发明中，所述铺放纤维树脂复合材料前优选在金属板的表面铺放PEEK胶膜；所述PEEK胶膜的厚度优选为0.1mm。本发明在金属板与纤维树脂复合材料之间铺设PEEK胶膜能够增强胶接强度。

在本发明中，所述纤维树脂复合材料优选为连续单向碳纤维增强的聚醚醚酮预浸料；所述纤维树脂复合材料的厚度优选为0.125mm。

在本发明中，所述根据需求铺放其他材料优选为不铺放其他材料或者依次铺放PEEK胶膜和金属板。

在本发明中，所述PEEK胶膜优选与前述PEEK胶膜相同，在此不再赘述。

在本发明中，所述金属板优选与前述金属板相同，在此不再赘述。

得到复合板后，本发明将所述复合板进行热压，得到纤维金属层板。

在本发明中，所述热压的温度优选为380～400℃，进一步优选为385～395℃，更优选为390℃；所述热压的压力优选为0.6MPa；所述热压的保温时间优选＞30min，更优选为40～50min。本发明通过控制热压的工艺参数能够进一步提高胶接强度。

热压完成后，本发明优选对所述热压得到的产物进行冷却，得到纤维金属层板。

在本发明中，所述冷却优选为随炉冷却；所述随炉冷却的压力优选与前述热压的压力相同。本发明采用保压冷却，能够避免急剧冷却产生较大残余应力。

本发明提出了一种低成本高性价比的纤维金属层板成型制造方法，在金属板表面提前构筑微坑，利用光刻工艺，更为有效的控制微坑构筑过程中各项参数，以此提高金属板表面机械粗糙度，有利于金属板与树脂在成型过程中形成机械啮合，从而显著提升界面胶接强度；在层板铺叠过程中，本发明采用热压工艺代替传统热压罐成型，其对于PEEK等成型温度较高的树脂材料具有更好的成形性能；此外，热压工艺相较于其他成型方法，设备结构简单，操作方便，有效缩短制备时间和流程，提高了制备效率。

本发明提出的微坑构筑配合热压工艺的层板成型方法，有效解决了纤维金属层板层间强度不足的问题，且制备工艺简单，制备周期短，成本低，适合大规模生产，对于提高纤维金属层板的界面粘接性能提高具有更高性价比。

图1为本发明中TA2/PEEK界面微坑结构示意图。

图2为本发明的增韧机理示意图。

从图2可以看出，圆形微坑结构可以减小TA2/PEEK界面之间的应力集中以及从裂纹的初始萌生，聚集以及快速扩展方面都有不同程度的抑制作用，实现了对界面裂纹的“少萌生，少聚集，控扩展”设计。

图3为本发明的光刻工艺流程图。

从图3可以看出，光刻工艺包括先将TA2板进行清洗，再依次进行旋转涂覆和前烘，然后与掩模板复合，之后依次进行曝光、显影、后烘、腐蚀和去胶。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种纤维金属层板的制备方法为以下步骤：

(1)对厚度为0.3mm的TA2板进行镜面抛光处理，然后使用丙酮进行脱脂，去除TA2板的表面油污，之后用清水冲洗干净，烘干后用胶头滴管吸取30mL光刻胶进行旋涂30s，再进行前烘10min，得到板材；其中，光刻胶为SUN-1150P正性光刻胶；旋涂的速率为3000rpm/min；前烘的温度为100℃；

(2)将掩模板放在所述步骤(1)得到的板材的表面，然后放在光刻机载物台上，密封抽真空，之后在紫外光下进行曝光50s，再将其浸泡在300mL的SUN-238D显影液里显影2min，期间TA2板表面光刻胶层上会显现出的微结构形貌，然后用清水冲洗5min，随后在100℃下后烘20min，最后用透明胶带将TA2板没有光刻胶的一侧密封，然后放入腐蚀液中在室温下进行腐蚀120s，去胶后得到处理后的TA2板；其中，紫外光的波长为365nm，功率为350W；腐蚀液采用HF 17.5mL，HNO

(3)在所述步骤(2)得到的处理后的TA2板的表面铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，之后铺放厚度为0.125mm的连续单向碳纤维增强的聚醚醚酮预浸料，然后铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，最后铺放一层所述步骤(2)得到的处理后的TA2板，铺层方式为TA2/预浸料(0/90/0/90)TA2，得到复合板；

(4)将所述步骤(3)得到的复合板置于热压模具中，随炉升温至390℃进行保温加压20min至复合板各处温度均衡后施加0.6MPa压力，再保温保压20min，使熔融树脂充分流动及排出空气，然后采用随炉保压冷却至室温，得到纤维金属层板。

实施例1制备得到的纤维金属层板的结构示意图如图4所示。

从图4可以看出，纤维金属层板由依次层叠设置的TA2板、PEEK胶膜、连续单向碳纤维增强的聚醚醚酮预浸料、PEEK胶膜和TA2板组成。

对比例1

无微坑纤维金属层板的制备方法为如下步骤：

(1)对厚度为0.3mm的TA2板进行镜面抛光处理，然后使用丙酮进行脱脂，去除TA2板的表面油污，之后用清水冲洗干净，得到板材；

(2)在所述步骤(1)得到的板材的表面铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，之后铺放厚度为0.125mm的连续单向碳纤维增强的聚醚醚酮预浸料，然后铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，最后铺放一层所述步骤(2)得到的处理后的TA2板，铺层方式为TA2/预浸料(0/90/0/90)TA2，得到复合板；

(3)将所述步骤(2)得到的复合板置于热压模具中，随炉升温至390℃进行保温加压20min至复合板各处温度均衡后施加0.6MPa压力，再保温保压20min，使熔融树脂充分流动及排出空气，然后采用随炉保压冷却至室温，得到无微坑纤维金属层板。

实施例2

一种纤维金属层板的制备方法为以下步骤：

(1)对厚度为0.3mm的TA2板进行镜面抛光处理，然后使用丙酮进行脱脂，去除TA2板的表面油污，之后用清水冲洗干净，烘干后用胶头滴管吸取30mL光刻胶进行旋涂30s，再进行前烘10min，得到板材；其中，光刻胶为SUN-1150P正性光刻胶；旋涂的速率为3000rpm/min；前烘的温度为100℃；

(2)将掩模板放在所述步骤(1)得到的板材的表面，然后放在光刻机载物台上，密封抽真空，之后在紫外光下进行曝光50s，再将其浸泡在300mL的SUN-238D显影液里显影2min，期间TA2板表面光刻胶层上会显现出的微结构形貌，然后用清水冲洗5min，随后在100℃下后烘20min，最后用透明胶带将TA2板没有光刻胶的一侧密封，然后放入腐蚀液中在室温下进行腐蚀120s，去胶后得到处理后的TA2板；其中，紫外光的波长为365nm，功率为350W；腐蚀液采用HF 17.5mL，HNO

(3)在所述步骤(2)得到的处理后的TA2板的表面铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，之后铺放厚度为0.125mm的连续单向碳纤维增强的聚醚醚酮预浸料，然后铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，最后铺放一层所述步骤(2)得到的处理后的TA2板，铺层方式为TA2/(0/90/0/90)TA2，得到复合板；

(4)将所述步骤(3)得到的复合板置于热压模具中，随炉升温至390℃进行保温加压20min至复合板各处温度均衡后施加0.6MPa压力，再保温保压20min，使熔融树脂充分流动及排出空气，然后采用随炉保压冷却至室温，得到纤维金属层板。

实施例3

一种纤维金属层板的制备方法为以下步骤：

(1)对厚度为0.3mm的TA2板进行镜面抛光处理，然后使用丙酮进行脱脂，去除TA2板的表面油污，之后用清水冲洗干净，烘干后用胶头滴管吸取30mL光刻胶进行旋涂30s，再进行前烘10min，得到板材；其中，光刻胶为SUN-1150P正性光刻胶；旋涂的速率为3000rpm/min；前烘的温度为100℃；

(2)将掩模板放在所述步骤(1)得到的板材的表面，然后放在光刻机载物台上，密封抽真空，之后在紫外光下进行曝光50s，再将其浸泡在300mL的SUN-238D显影液里显影2min，期间TA2板表面光刻胶层上会显现出的微结构形貌，然后用清水冲洗5min，随后在100℃下后烘20min，最后用透明胶带将TA2板没有光刻胶的一侧密封，然后放入腐蚀液中在室温下进行腐蚀120s，去胶后得到处理后的TA2板；其中，紫外光的波长为365nm，功率为350W；腐蚀液采用HF 17.5mL，HNO

(3)在所述步骤(2)得到的处理后的TA2板的表面铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，之后铺放厚度为0.125mm的连续单向碳纤维增强的聚醚醚酮预浸料，然后铺放一层厚度为0.1mm的PEEK胶膜，最后铺放一层所述步骤(2)得到的处理后的TA2板，铺层方式为TA2/(0/90/0/90)TA2，得到复合板；

(4)将所述步骤(3)得到的复合板置于热压模具中，随炉升温至390℃进行保温加压20min至复合板各处温度均衡后施加0.6MPa压力，再保温保压20min，使熔融树脂充分流动及排出空气，然后采用随炉保压冷却至室温，得到纤维金属层板。

将实施例1～3制备得到的纤维金属层板与对比例1制备得到的层板的Ⅱ型断裂韧性进行对比，结果如图5所示，图5为不同微坑结构的TA2/PEEK界面分层扩展过程中的加载压头处载荷与位移响应关系。

从图5可以看出，在ENF测试加载条件下，与无微坑结构界面相比，圆形微坑结构可以大大增加TA2/PEEK界面的断裂载荷，在裂纹扩展的一定范围内，圆形微坑直径为400μm时达到最大，这是因为圆形微坑结构的存在可以大大提高TA2与PEEK界面实际接触面积，且其存在也可以减小界面应力集中。

从以上实施例可以看出，本发明提供的制备方法制备得到的纤维金属层板具备优异的层间强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。