热塑树脂基纤维金属层板性能研究
(1. 大连东软控股有限公司, 大连 116023
2. 上海电气电站设备有限公司上海发电机厂, 上海 201100)
摘要: 材料轻量化是实现节能减排和减碳低碳时代政策的关键推动因素之一, 因而成为当下科研机构与企业开发的热点课题。为实现轻质、减重、降成本等应用目标, 各样轻质材料应运而生。其中, 纤维金属层板能够综合纤维复合材料与金属材料的优势性能, 将各组成材料的资源进行优化设计配置, 从而满足单一材料所不能满足的性能要求。本文以聚丙烯玻璃纤维-铝板纤维金属层板为研究对象, 通过模压成型制备并考察了其力学性能以及层间断裂韧性, 为轻量化材料设计提供新思路。
关键词: 聚丙烯玻璃纤维, 铝合金, 纤维金属层板, 拉伸性能, 弯曲性能
DOI: 10.48014/pcms.20220614001
引用格式: 曲世洁,刘帅. 热塑树脂基纤维金属层板性能研究[J]. 中国材料科学进展,2022,1(1): 18-24.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2022-06-14
接收日期: 2022-06-20
出版日期: 2022-06-28
0 引言
近些年来，单一种类的轻质材料已不再是应用的唯一选择，不同异质材质以一定连接方式组合的混杂材料使得材料轻量化多样化与高性能化，特别是金属材料与非金属材料的异质结合[1]，吸引了越来越多研究人员及企业应用的广泛兴趣。以广为熟知的非金属材料为例，纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer/plastic，FRP)是由树脂基体和增强纤维按一定的比例混合后形成的高性能复合材料[2,3]，其主要优点是其相对较大的比强度和比刚度，以及低密度特性，使其在工程应用中可显著减轻重量。另一方面，纤维增强热塑性树脂复合材料具有反复加热熔融-冷却定型的加工优势和绿色环保可回收特性，在航空航天以及汽车、建筑等民用领域广泛应用。
相比于常用的金属材料(如钢、镁铝合金等)，FRP虽然具有更小的密度、更轻的质量、更高的安全性以及更优秀的比强度和比模量等优点，但其成本仍然偏高，限制了其在民用领域的大规模化应用。因此，将FRP与金属材料结合使用能够较好解决现有复合材料和金属材料单一使用的缺陷与不足。纤维金属层板(fiber-metal laminates，FMLs)是经过预先设计铺叠顺序的连续纤维增强树脂预浸片材与高性能金属层按照预先设计的铺叠顺序构成的新型混杂异质复合材料[4-6]，其结合了复合材料的高比轻度特性、耐腐蚀性和耐疲劳特性，同时又具有金属材料的抗冲击性能以及韧性等，现代工业中被广泛使用。
目前，初代与二代FMLs均广泛应用于航空航天领域，其中初代为芳纶纤维增强铝合金层板(aramid reinforced aluminum laminates，ARALL)，但由于芳纶纤维与铝合金的热膨胀系数差异较大，结合后在温度变化下层间应力会变大，带来了使用的局限性和安全不稳定性[7,8];第二代FMLs为玻璃纤维增强铝合金层合板(glass reinforced aluminum laminates，GLARE)，经过改进不但具有较小的成型残余应力和更大的强度，更有较低的成本[9]。这一代纤维金属层板虽然满足了航空航天器件对性能与安全性的要求，但由于纤维增强复合材料中的树脂为热固型的环氧树脂，所需固化成型时间久，不适合民用领域部件的快速大批量生产[10-12]。因此，新一代的热塑性树脂基纤维增强复合材料-铝结合的纤维金属层板因其在民用领域的商业化价值引发了越来越多的关注。基于以上背景，本文以玻璃纤维增强聚丙烯预浸片材和铝合金为原材料，通过模压成型方法制备了新型热塑性树脂基纤维金属层板，考察了铺叠方式以及铺叠厚度对纤维金属层板各项性能的影响研究。ENF试验具有试件易加工、试验简单的优点，可用于复合材料层间剪切断裂、裂纹尺寸以及断裂能释放率相关研究工作，因此本文着重关注纤维复合材料和铝合金的层间性能[13,14]，通过对层间断裂韧性进行研究[15]，为热塑性FMLs性能提供基础数据与性能比较。
1 实验方法
1.1 实验原料
本文中所提到的玻璃纤维增强聚丙烯(glass fiber reinforced polypropylene，PP/GF)单向预浸片材(Kingstrong G6010)购买于金发碳纤维新材料发展有限公司，其性能参数如下:厚度0.3mm，密度1.5g/cm3，纤维质量含量60%，拉伸强度700MPa，杨氏模量约28GPa;铝合金片材(6061Al)相关性能参数为:厚度0.3mm，密度2.75g/cm3，纤维质量含量60%，拉伸强度205MPa，弯曲模量约228GPa。
1.2 纤维金属层板制备成型
铝合金预先采用从低到高目数(100目、200目、400目)砂纸沿同一方向打磨2min，目的是为接下来铝合金与PP/GF的结合去除铝合金表面的氧化膜，得到具有均匀粗糙度金属表面的铝合金薄层板。打磨后，先后采用清水冲洗、加热干燥除水、丙酮擦拭除油脂操作，确保铝合金薄层表面清洁均匀。图1为金相显微镜观察的处理前后铝表面形貌变化。打磨前铝合金表现呈现纤维状分布，并存在一定数量成型缺陷的腐蚀点;打磨之后，铝合金表面纹理均匀，粗糙程度一致，为后续PP/GF复合材料紧密结合做好准备。
图1 金相显微镜表面形貌观察
(a)未处理铝合金表面;(b)打磨后铝合金表面
Fig.1 Observation of surface morphology by metallographic microscope
(a)Untreated aluminum alloy surface;(b)Grinding-treated aluminum alloy surface
本文采用两种铺叠纤维金属层板:(1)3/2 FMLs:(PP/GF)2/Al/(PP/GF)2/Al/(PP/GF)2，厚度约为2mm，用于拉伸与弯曲评价;(2)6/5 FMLs:(PP/GF)2/Al/(PP/GF)2/Al/(PP/GF)2/Al/(PP/GF)2/Al/(PP/GF)2/Al/(PP/GF)2，厚度约为4mm，用于端部缺口ENF性能评价，其中PP/GF预浸片材为90°和0°交叉铺层。将PP/GF预浸单向带和铝合金按上述两种方式铺叠，在上下接触模具表面均匀涂抹一层较薄脱模蜡，将预先铺叠好的铝合金层和PP/GF预浸带放入平板硫化机模压成型，在190℃下施加15MPa压力，保压10min，待温度冷却至60℃附近将其取出，制备得到PP/GF/Al组合的FMLs。以2mm厚度的3/2 FMLs为例，杂化材料的质量与6061铝合金质量横向对比，纤维金属层板的质量更轻，可实现约30%的轻量化效果。
1.3 性能表征
根据美国材料与试验协会标准ASTM D3039/D3039M-17[16]，对成型制备得到的PP/GF/Al(3/2 FML)进行拉伸试验测试。其中，样条尺寸为150mm×15mm×2mm，两端端柄加持长度均为40mm。根据ASTMD7264标准[17]，进行准静态弯曲试验，试样尺寸100mm×13mm×2mm。根据ASTMD7905/D7905M-19标准
，Ⅱ型断裂韧性测试通过三点弯曲进行试验，试验尺寸为160mm×23mm×4.3mm，其测试过程为:根据ENF试样尺寸，选取三点弯夹具，跨距100mm(图2)。上压头10mm，对准ENF试样正中加载点，加载速率为1mm/min。在拉伸、弯曲及ENF试验中，每组测试样件至少进行3次平行试验，去除异常试验值，并对有效组数据进行分析处理。
图2 6/5铺层PP/GF/Al 纤维金属层板ENF试验
Fig.2 ENF tests of 6/5 FML of PP/GF/Al
2 结果与讨论
2.1 PP/GF/Al FML拉伸性能与分析
针对3/2铺层方式的PP/GF/Al FML进行拉伸试验，试验断裂方式如图3所示，拉伸试验中PP/GF和铝合金均具有一定的韧性，两种材料被协同拉伸，当玻璃纤维增强聚丙烯预浸层与铝合金层无法继续承载拉应力时，纤维金属层板发生失效破坏，即断裂和分层两种形式。其中，靠近中间铝板的纤维复合材料结合较好，外层铝合金与PP/GF层则结合较弱，发生了主要分层。
图3 3/2铺层PP/GF/Al纤维金属层板拉伸试验后的失效形式
Fig.3 The fracture mode of 3/2 FML of PP/GF/Al after tensile test
3/2铺层方式的PP/GF/Al FML拉伸力-位移曲线如图4所示，PP/GF同样厚度的试样作为对照。如图4(a)所示，PP/GF样件的平均拉伸强度为298MPa，拉伸模量为12.2GPa;而3/2 FML样件平均拉伸强度为277.7MPa，略低于PP/GF对照样品，拉伸模量得到明显提升为24.8GPa，约为纯纤维增强复合材料模量的2倍。这是因为铝合金的拉伸模量为60GPa~70GPa，在保持较好强度的前提下，赋予了纤维金属层板较明显的刚度提升。
图4 (a)PP/GF和(b)PP/GF/Al (3/2 FML)试样拉伸载荷-位移曲线
Fig.4 Force-displacement curves of (a) PP/GF and (b) 3/2 FML of PP/GF/Al
2.2 PP/GF/Al FML弯曲性能与分析
对3/2铺层的PP/GF/Al进行三点弯性能评价，力-位移曲线及试验破坏形式如图5所示。经计算可知，3/2FML弯曲强度约为446MPa，弯曲模量为24GPa，铝合金较好的刚性依然赋予了纤维金属层板较高的模量值。同时，由于铝合金和热塑纤维复合材料具有的韧性，其在大变形的三点弯曲下也具有一定的协同变形效果，个别样品在与上压头接触的材料部分和下层发生一定的分层现象，这是由于上半部分纤维金属层板受到较大压力而下层部分受到较大拉力所造成的，而靠近中间层的铝合金与PP/GF的结合较好，未发生明显的分层现象。
图5 3/2铺层PP/GF/Al纤维金属层板(a)三点弯力-位移曲线及(b)弯曲试样破坏形式
Fig.5 (a) Three-point bending force-displacement curve and
(b) failure mode of 3/2 FML of PP/GF/Al fiber-metal laminates
2.3 PP/GF/Al FML端部缺口试验(ENF)及结果分析
进一步地，采用6/5铺层的PP/GF/Al进行ENF层间断裂性能试验，舍弃在试验过程中发生提早断裂的无效样件曲线，对有效样件曲线进行了汇总(图6)。由力-位移曲线观察可知，三组样品最大载荷力均出现在屈服阶段，约为350N，且曲线走向基本一致。
将力-位移曲线分为三个部分进行分析[20,21]，当位移为0~4mm时，力与位移基本成正比，这是由于试样处于弹性形变阶段，不发生明显变形;当位移为4~14mm时，加载力开始发生下降，在这一位移段端部缺口处样条中部的两块铝板中间有缝隙，中间层上下铝板发生了一定滑移，伴随模量迅速下降;然而，伴随位移增加，PP/GF与Al的协同韧性变形与紧密结合占主导地位，力-位移曲线逐步上升至最高值，位移进一步增加使得裂纹逐渐向中间破坏最大处延伸，异质材料结合力迅速变小;当位移超过14mm时，Al与PP/GF经过屈服阶段，进入塑性硬化阶段，同时裂纹增加，分布逐渐不均匀和无规律化，导致模量迅速降低直至试样完全破坏(图7)。
图6 6/5铺层PP/GF/Al纤维金属层板(a)ENF力-位移曲线及(b)破坏形式
Fig.6 (a)ENF test force displacement curves and (b) failure mode of 6/5 FML of PP/GF/Al fiber-metal laminates
图7 6/5铺层PP/GF/Al纤维金属层板ENF破坏示意图
Fig.7 Illustration after ENF test of 6/5 FML of PP/GF/Al fiber-metal laminates
3 结论
基于PP/GF/Al纤维金属层板3/2铺层方式结构，异质材料的杂化复合基本保持了较好的力学强度，金属部分在其中贡献了较好的刚性，使得文中提出的FML在力学性能方面得到明显的提升。同时，在质量方面，热塑性树脂基纤维增强复合材料密度低于铝合金，实现了较好的轻量化效果。另一方面，异质材料结合仍是纤维金属层板关注和研究的重点，ENF试验证实了PP/GF与Al间的结合效果将直接影响II型断裂破坏形式，为实际应用提供了明确的指导和重要的借鉴意义。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[③] *通讯作者 Corresponding author:刘帅，950527312@163.com
收稿日期:2022-06-14; 录用日期:2022-06-20; 发表日期:2022-06-28
参考文献(References)
[1] 陈星弛.新型金属纤维层板层间断裂韧性及冲击响应 [D].大连:大连理工大学,2019.
https://dx.doi.org/10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000338.
[2] 柏慧,惠虎,杨斌,等.含有断裂缺陷的复合材料壳体的 力学行为[J].高压物理学报,2021,35(03):132-140.
https://dx.doi.org/10.11858/gywlxb.20200649.
[3] 崔新宇,周晓东,戴干策.玻璃纤维增强聚丙烯复合材料 的界面结晶行为[J].塑料科技,2000(03):14-18.
https://dx.doi.org/10.15925/j.cnki.issn1005-3360. 2000.03.005.
[4] 付鹏强,蒋银红,王义文,等.CFRP制孔加工技术的研究 进展与发展趋势[J].航空材料学报,2019,39(06):32-45.
https://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1005-5053.2019.000043.
[5] 贾新强,郎利辉.纤维金属层板制备成形的研究现状及 发展趋势[J].精密成形工程,2017,9(02):1-6.
https://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-6457.2017. 02.001.
[6] 朱公志,郑长良,朱敏捷,等.基于APDL的纤维增强金 属层合板层间断裂韧性能分析[J].科学技术与工程, 2011,11(29):7217-7220.
https://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-1815.2011. 29.036.
[7] 马亚利,王璐,欧谨,等.温度荷载作用下GFRP-泡沫夹 层结构Ⅱ型界面断裂韧性分析[J].南京工业大学学报 (自然科学版)(03),90-95,125.
https://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-7627.2017. 03.016.
[8] 滕项铭.裂纹尖端疲劳塑性区研究[D].上海:上海交通 大学,2011.
[9] 黄梅,潘静雯,江剑.纤维增强复合材料中多分层损伤的 识别研究[J].复合材料科学与工程,2021(05):21-30.
https://dx.doi.org/10.19936/j.cnki.2096-8000.20210528. 003.
[10] 邓健,卢天健,尹乔之.复合材料MMB试件Ⅰ-Ⅱ混合 型层间裂纹扩展分析[J].航空学报,2021,42(02): 150-161.
[11] 康永胜,张小章,王黎明,等.圆弧形单向纤维增强树脂 复合材料的I型层间断裂韧性测试及分析[J].复合材 料学报,2021,5(02):13-15.
https://dx.doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312. 004.
[12] 胡海威.FML的低速冲击损伤试验与数值分析方法研 究[D].西安:西北工业大学,2015.
https://dx.doi.org/10.7666/d.D01041692.
[13] Junquan Y,Wenbin Z,Guoqun Z.Influence of strain, temperature,and strain rate on interfacial structure and strength of AZ31BMg/6063Al formed by plastic deformation bonding [J].Journal of Manufacturing Processes,2021,16(3):29-30.
https://dx.doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.03.026.
[14] Zaczynska M,Mania R J.Dynamic stability of thinwalled FML columns including delamination[J].Composites Structures,2022,290:115478.
https://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115478.
[15] Wangsheng H.Effects of large deflection on mode Ⅱ fracture test of composite materials[J].Journal of Composite Materials,1995,29(6):16-17.
https://dx.doi.org/10.1177/002199839502900608.
[16] Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials:ASTM D3039/ D3039M-17[S].2017.
[17] Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials:ASTM D7264/ D7264M-15[S].2015.
[18] Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber- Reinforced Polymer Matrix Composites:ASTM D7905/D7905M[S].2019.
[19] 管国阳,矫桂琼,潘文革.湿热环境下复合材料的混合 型层间断裂特性研究[J].复合材料学报,2004(02): 81-86.
https://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1000-3851.2004. 02.015.
[20] Mou D,Mora D.Equivalent crack based analyses of ENF and ELS tests[J].Engineering Fracture Mechanics, 2007,75(9):20-23.
https://dx.doi.org/10.1016/j.engfracmech.2007. 03.005.
[21] 李晓星,王文鹏,李小峰.基于数字图像相关技术的裂 纹扩展测量[J].理化检验(物理分册),2018,54(08): 552-556,562.
https://dx.doi.org/10.11973/lhjy-wl201808002.
Research on the Performance of Thermoplastic Resin-Based Fiber Metal Laminates
(1. Dalian Neusoft Holdings Co. Ltd. , Dalian 116023, China
2. Shanghai Generator Plant of Shanghai Electric Power Generation Equipment Co. Ltd. , Shanghai 201100, China)
Abstract: In the promotion of energy conservation, emission reduction, carbon reduction and low-carbon on the global scale, the lightweight of material development has become a hot topic in the development of scientific research institutions and enterprises. In order to achieve application goals such as lightweight, weight reduction, and cost reduction, various lightweight materials have emerged. Among them, fiber metal laminates can integrate the advantageous properties of fiber composite materials and metal materials, and optimize the design and configuration of the resources of each component material, so as to meet the performance requirements that cannot be met by a single material. In this paper, glass fiber reinforced polypropylene and aluminum alloy are joined to fabricate thermoplastic fiber-metal laminates via compression molding, and the mechanical properties and interlaminar fracture toughness are investigated by molding, which provides a new perspective on lightweight materials design.
Keywords: Glass fiber reinforced polypropylene, aluminum alloy, fiber-metal laminates, tensile properties, flexural properties
DOI: 10.48014/pcms.20220614001
Citation: QU Shijie,LIU Shuai.Research on the performance of thermoplastic resin-based fiber metal laminates [J].Progress in Chinese Materials Sciences,2022,1(1):18-24.