編織纖維金屬層板成形性能及充液成形工藝優(yōu)化

編織纖維金屬層板成形性能及充液成形工藝優(yōu)化

幾十年來，隨著航天技術(shù)和電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)材料的要求具有輕量化、高強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗勞勞動(dòng)和低成本。纖維金屬層板(fibermetallaminates,FMLs)是一種由金屬與纖維增強(qiáng)樹脂組成的超混雜材料，結(jié)合了金屬的抗沖擊與纖維增強(qiáng)材料的高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。與單層金屬材料相比，F(xiàn)MLs具有高比強(qiáng)度、抗疲勞、抗沖擊、高斷裂韌性、耐火性好和易制造與維修等優(yōu)點(diǎn)1試驗(yàn)材料和方法1.1預(yù)浸料力學(xué)性能制備纖維金屬層板選用的鋁合金為2024-T3，厚度為0.5mm，標(biāo)稱化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)ASTME8試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測得力學(xué)性能如表2所示。選用山東光威公司生產(chǎn)的玻璃纖維預(yù)浸料。型號分別為WP-9011的平紋預(yù)浸料和218號的破斜紋預(yù)浸料，厚度分別為0.20mm和0.29mm，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%和36%，纖維單位面積質(zhì)量為204g/m1.2固化鋁合金板所有試驗(yàn)件都采用固化和半固化2種工藝進(jìn)行制備。固化工藝是將鋁合金板進(jìn)行表面處理后，將預(yù)浸料鋪貼在兩層鋁合金板厚度方向中央，然后在真空袋中以0.1Pa的真空度以一定的升溫曲線進(jìn)行固化1.2.1拉伸方向及預(yù)浸料鋪設(shè)方向根據(jù)ASTMD3039(2000)測試標(biāo)準(zhǔn)，采用長×寬為175mm×25mm的矩形試樣進(jìn)行不同中間層纖維預(yù)浸料FMLs的拉伸試驗(yàn)。鋁層的軋制方向沿試件長度方向。不同種類纖維預(yù)浸料的鋪設(shè)方向都參考鋁層的軋制方向，如0°表示預(yù)浸料的經(jīng)紗纖維方向與軋制方向相同，90°表示預(yù)浸料的纖維方向與軋制方向垂直(如圖2所示)。試樣均采用2/1結(jié)構(gòu)，中層為玻璃纖維預(yù)浸料，分別沿不同方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置如表4所示。試驗(yàn)在CTM100G通用試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試十字頭速度設(shè)定為2mm/min。在試驗(yàn)過程中，測定了拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長率。1.2.2圓形板料試驗(yàn)成形選用半固化平紋和破斜紋FMLs進(jìn)行被動(dòng)式充液拉深試驗(yàn)。試驗(yàn)原理如圖3(a)所示，凸模形狀為圓柱形，如圖3(b)所示。圓柱形凸模半徑為40mm；圓柱形凸模圓角為8mm；凹模圓角半徑為10mm；凹模半徑為42.5mm。選用直徑為140mm的圓形板料進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如表5所示。目標(biāo)成形深度為25mm。液室壓力分別為0,5,10和15MPa時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。2結(jié)果和討論2.1．1統(tǒng)一規(guī)則下的拉伸性能圖4所示為半固化和固化2種條件下制備的平紋FMLs的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于平紋編織為正交各向異性材料，其在0°方向和90°方向的性能相同，所以選取0°方向和45°方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從圖4可以明顯地觀察到在彈性段半固化和固化的FMLs斜率基本一致，比2024-T3的小。這是因?yàn)闊o論是半固化還是固化FMLs，其中都加入了預(yù)浸料，而預(yù)浸料的彈性模量(18GPa)要低于2024-T3鋁合金的彈性模量(試驗(yàn)測得彈性模量為65GPa)，這符合混合率圖5所示為半固化和固化2種條件下制備的破斜紋FMLs的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于破斜紋編織方式的原因，0°方向和90°方向的性能不同，所以，選取0°方向，45°方向和90°方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從圖5(a)可以看到破斜紋的曲線的規(guī)律與平紋曲線相似，但是值得注意的是0°方向的伸長率相比于平紋FMLs的伸長率有所降低。這是因?yàn)榕c平紋預(yù)浸料不同，在0°方向上相比90°方向的纖維束更多，更加不易變形。而在45°方向，半固化條件下的破斜紋FMLs抗拉強(qiáng)度比平紋的有所下降，這是因?yàn)樾奔y編織方式更有利于纖維束的剪切形變，最大剪切角更大。另外，在90°方向纖維束的數(shù)量只有0°方向的一半，半固化的樹脂與鋁合金承擔(dān)載荷的比例增大，所以，與45°方向的曲線基本重合。在45°和90°這2個(gè)方向，伸長率達(dá)到21.9%和23.0%，這與平紋預(yù)浸料45°方向的伸長率基本相同。圖5(b)所示為固化后的破斜紋FMLs的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，0°，45°和90°方向的抗拉強(qiáng)度比半固化層板的分別提高30.2%,15.1%和4.4%。固化條件下伸長率如下：0°方向時(shí)為5.2%,45°方向時(shí)為10.8%,90°方向時(shí)為20.7%。半固化狀態(tài)下伸長率如下：0°方向時(shí)為3.6%,45°方向時(shí)為21.9%,90°方向時(shí)為23.0%。破斜紋預(yù)浸料與平紋預(yù)浸料在固化和半固化拉伸曲線在0°和45°方向表現(xiàn)相似，但是在90°方向有較大不同，拉伸性能與45°方向時(shí)相似。根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，半固化工藝條件下的編織纖維金屬層板在與纖維成45°方向上伸長率相比固化工藝提高顯著，在0°方向上與固化后的伸長率相似。所以，半固化工藝可以根據(jù)預(yù)浸料鋪層方向提高FMLs的成形性能，成形后再進(jìn)行固化以提高成形性和零件強(qiáng)度。通過充液成形試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其成形性能。2.2壓邊間隙的影響圖6所示為在不同工藝參數(shù)下，半固化平紋纖維金屬層板充液成形試件對比。在圖6(a)和圖6(b)中觀察到明顯起皺現(xiàn)象。從下方的放大圖可以看出，無液室壓力的試件除法蘭區(qū)域外直壁區(qū)也明顯發(fā)生了起皺現(xiàn)象。由于起皺嚴(yán)重，層板發(fā)生分層破裂，如圖6(a)中黃色箭頭所示。而在圖6(b)中，P-2試件只有在法蘭區(qū)域觀察到起皺現(xiàn)象，但是在直壁區(qū)域并未發(fā)生明顯的起皺現(xiàn)象，這說明液室壓力對于纖維金屬層板的分層和起皺有一定的抑制作用。在圖6(c)和(d)中，起皺現(xiàn)象明顯減少，試件凸模圓角處均發(fā)生破裂，如黃色箭頭所示。這種變化可以歸因于壓邊間隙減小，但是值得注意的是圖6(c)所示P-3的壓邊間隙為1.2mm，試件層板的厚度同為1.2mm，壓邊間隙與板厚的一致。而P-3的成形深度為21.2mm,P-4為18.3mm。壓邊間隙為1.2mm，液室壓力10MPa為這組充液成形試驗(yàn)的最優(yōu)工藝參數(shù)。最優(yōu)壓邊間隙與板料厚度一致，不同于傳統(tǒng)充液成形工藝中最優(yōu)壓邊間隙為1.1～1.2倍的板料厚度這一規(guī)律。這是由于中間層預(yù)浸料有一定的彈性形變空間，在液室壓力的作用下，板料的厚度根據(jù)液室壓力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，因此造成了這種現(xiàn)象。如圖6下方放大圖紅圈所示，從P-1到P-4試件，中間層凸耳由大變小，這是層板各向異性所致。在無液室壓力或液室壓力較小時(shí)，各層之間的黏結(jié)作用不夠承載變形力，所以，金屬層與纖維層變化不一致。隨著壓邊力和液室壓力增大，金屬層與預(yù)浸料之間的內(nèi)聚力增大，使變形更協(xié)調(diào)。在10MPa左右的液室壓力下，纖維層板的內(nèi)外層材料應(yīng)變分布更加均勻，使不同方向的預(yù)浸料與鋁層變形更加協(xié)調(diào)，也避免了分層情況的發(fā)生。圖7所示為在不同液室壓力下，半固化破斜紋纖維金屬層板充液成形試件對比。與平紋預(yù)浸料不同的是，層板只在無液室壓力條件下發(fā)生了法蘭起皺現(xiàn)象，此時(shí)的壓邊間隙為1.4mm；而隨著液室壓力增大和壓邊間隙減小，法蘭區(qū)起皺現(xiàn)象消失，特別是在壓邊間隙為1.2mm，壓力為10MPa時(shí)，成形深度達(dá)到25mm并未發(fā)生起皺破裂現(xiàn)象，破斜紋纖維金屬層板厚度為1.29mm。當(dāng)壓邊間隙為1.1mm，液室壓力增大到15MPa時(shí)，直壁區(qū)發(fā)生破裂。破斜紋的凸耳現(xiàn)象也不如平紋預(yù)浸料明顯，這可能是壓邊間隙相對于層板厚度比較小造成的。根據(jù)上述2組半固化平紋預(yù)浸料充液成形試驗(yàn)結(jié)果可以看出：壓邊間隙選用等于或略小于纖維金屬層板的實(shí)際厚度可以得到較為理想的成形零件，最優(yōu)液室壓力為10MPa。2.3固化層板成形深度為了對比半固化工藝與固化工藝，圖8所示為固化后的破斜紋纖維金屬層板在ST-3試驗(yàn)條件下成形試驗(yàn)件。分別成形2次，深度分別為10mm和20mm，并查看固化層板成形情況。在試件成形至10mm深時(shí)(如圖8(a)所示)，試件凹模圓角處發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開始起皺，并且部分法蘭已經(jīng)分層；當(dāng)成形至14.8mm時(shí)(如圖8(b)所示)，試件發(fā)生破裂。由于分層嚴(yán)重，內(nèi)層鋁合金法向貼模力不足，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重起皺，凸模圓角處發(fā)生破裂。由此可見，固化后的層板無法有效進(jìn)行充液成形。3半固化紡織纖維金屬層板的成形工藝1)編織纖維金屬層板不同方向的拉伸性能有較大差異，是明顯的各向異性材料。通過拉伸試驗(yàn)對比半固化與固化后的