高性能铝合金-碳纤维增强树脂基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高性能铝合金-碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料及其制备方法，属于新型材料技术领域。

背景技术

铝合金-CFRP复合材料是一种高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀和抗振动性能，以及良好的可设计性和易操作性的新型材料，因此，其被广泛应用于航空航天、船舶舰艇、交通装备、风力动力机等领域。作为一种轻质高强的新型复合材料，铝合金-CFRP复合材料仍存在树脂粘接层脆性大，基体/树脂的胶接界面易发生脱胶失效等突出问题，这严重影响了复合材料结构强度的稳定性与实际应用的安全性。造成此类问题的关键因素是胶接技术，根本原因是胶接界面的机械咬合行为不足。由于铝合金-CFRP复合材料的铝合金表面存在氧化薄层，难以与环氧树脂发生充分润湿、扩散和相容等物理行为，不利于形成无缺陷粘合的胶接界面。造成固化后的粘接胶层较弱的抗剥离、抗剪切及抗机械冲击等性能，致使复合材料容易发生铝合金/环氧树脂粘接界面脱胶失效。

复合材料设计、制备和实际应用必须确保材料结构强度的稳定性以及使用过程的安全性。对于铝合金-CFRP复合材料而言，改善树脂基体脆性，强化粘接界面的物理效应和力学效应，强化层状复合材料准Z方向的失效阻抗，从而降低外力负载或冷热交变应力下的结构脱胶失效。因此粘接基体、界面以及粘接层结构优化是铝合金-CFRP复合材料结构设计和性能强化的重要研究课题。

发明内容

本发明主要针对铝合金-CFRP复合材料仍存在树脂粘接层脆性大，基体/树脂的胶接界面易发生脱胶失效等突出问题，提出了一种基于表面形貌调控和优化的高性能铝合金-CFRP复合材料及其制备方法。本发明采用电化学处理铝合金表面形成预制孔道，砂纸打磨碳纤维板形成粗糙表面，通过树脂预涂工艺优化基体粘接表面，胶接制得性能强化的铝合金-CFRP复合材料。

本发明提出一种高性能铝合金-CFRP复合材料，由以下制备方法所得，所述的制备方法，包括以下步骤：

铝合金依次经过8wt％～15wt％的氢氧化钠溶液，8wt％～15wt％的硝酸溶液浸泡5～15分钟，去除表面污垢和杂质；

电解处理铝合金，在表面刻蚀形成预制孔道，并采用树脂预涂工艺处理电解后的铝合金表面；

采用P240#氧化铝砂纸打磨碳纤维板表面，丙酮超声清洗后运用树脂预涂工艺处理碳纤维板表面；

处理后的铝合金和碳纤维板通过胶接制备得到铝合金-碳纤维复合材料并静置10h～15h，半固化后放入50℃～60℃恒温养护箱中养护72h～120h。

在上述材料的制备工艺中，所述的电解条件为，电解质溶液为硫酸/草酸混合溶液：硫酸15wt％～20wt％、草酸0wt％～2wt％；溶液温度为20℃～30℃；电解电压为12V～18V；电解时间为1h～2h。

在上述材料的制备工艺中，所述的树脂预涂工艺，是指采用包括树脂、丙酮的溶液作为预涂溶液，均匀喷涂在处理后的碳纤维板表面，当丙酮完全挥发后，通过表面张力将剩余树脂引入孔道结构中。

预涂溶液中的树脂含量为10wt％～20wt％、丙酮80wt％～90wt％；或者预涂溶液中包括树脂10wt％～20wt％、碳纳米管CNTs 1wt％～4wt％、丙酮76wt％～89wt％，碳纳米管能随剩余树脂一同被引入到铝合金表面的孔道。

本发明获得的高性能铝合金-CFRP复合材料单搭接剪切强度可达22.62MPa。

本发明实现了铝合金-CFRP复合材料的高性能化发展，推动高性能铝合金-CFRP复合材料在航空航天、兵器船舶、交通运输、医疗器械等重要装备领域轻量化发展中的拓宽应用市场。

附图说明

图1为实施例铝合金-CFRP复合材料单搭接标准粘接模型及参数；

图2为本发明的树脂预涂工艺改善粘接界面缺陷的工作原理。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的特点做进一步描述，但并非仅仅局限于下述实施案例。

实施例1

如图1所示，实验用铝合金规格为长101.6mm，宽25.4mm，高3.0mm，采用10wt％的氢氧化钠、10wt％的硝酸溶液铝合金依次浸泡10分钟，每次浸泡后使用去离子水洗净表面的残留溶液，确保杂质离子不进入到电解槽内；以预处理后的铝合金为阳极、碳棒为阴极，使用20wt％的硫酸与0.5wt％的草酸组成的混合电解质溶液，电解电压设为12V，电解反应设为1h，获得预制孔道的铝合金；采用由10wt％的树脂、1wt％的碳纳米管、89wt％的丙酮组成的树脂预涂溶液处理电解后的铝合金。

实验用碳纤维CFRP板规格为长101.6mm，宽25.4mm，高3.0mm，使用P240#氧化铝砂纸打磨CFRP板表面，并使用丙酮超声清洗20分钟后，运用由10wt％的树脂、90wt％的丙酮组成的树脂预涂溶液处理CFRP板表面。树脂预涂工艺改善粘接界面缺陷的工作原理如图2所示。

按照1：1配置粘接用环氧树脂与固化剂混合物，均匀混合后涂抹于胶接区，按照标准粘接模型，在粘接层厚为0.76mm的模具胶接并静置10h制得半固化初成品，再粘接两侧的粘接垫片获得铝合金-CFRP复合材料成品，将得到的实验样品转移至60℃干燥箱中，养护120h获得完全固化的铝合金-CFRP复合材料成品。

本实施例制得的铝合金-CFRP复合材料单搭接剪切强度达到22.62MPa。

实施例2

实验用铝合金和碳纤维板规格与实施例1一致。采用10wt％的氢氧化钠、10wt％的硝酸溶液铝合金依次浸泡10分钟，使用去离子水洗净表面的残留溶液，确保杂质离子不进入到电解槽。以预处理后的铝合金为阳极、碳棒为阴极，20wt％硫酸为电解质溶液，12V为电解电压，1h为电解时间，制得多孔的铝合金；采用由10wt％的树脂、1wt％的碳纳米管、89wt％的丙酮组成的树脂预涂溶液喷涂处理后的铝合金。

使用P240#氧化铝砂纸打磨碳纤维板表面，然后丙酮超声清洗20分钟，运用由10wt％的树脂、90wt％的丙酮组成的树脂预涂溶液处理碳纤维板表面。

按照1：1配比粘接用环氧树脂与固化剂混合物，均匀混合后涂抹于设定胶接区，按照标准粘接模型，采用模具胶接并静置10h制得半固化初成品，再粘接两侧的粘接垫片获得铝合金-CFRP复合材料，并转移至60℃干燥箱中，养护120h获得完全固化的铝合金-CFRP复合材料成品。

本实施例制得的铝合金-CFRP复合材料单搭接剪切强度达到21.18MPa。

对比例

实验用铝合金和碳纤维板规格与实施例1一致。铝合金和碳纤维板仅使用丙酮超声清洗20分钟，按照1：1配比粘接用环氧树脂与固化剂混合物，均匀混合后涂抹于设定胶接区，按照标准粘接模型，在粘接层厚为0.76mm的模具胶接并静置10h制得半固化初成品，再粘接两侧的粘接垫片获得铝合金-CFRP复合材料成品，将得到的实验样品转移至60℃干燥箱中，养护120h。

本对比例铝合金和碳纤维板表面仅经过丙酮超声清洗制得的铝合金-CFRP复合材料单搭接剪切强度为9.60MPa。