冷軋制備碳纖維-鋁合金層板及其彎曲力學性能

王 健 張亮亮 于 躍 付昌云

燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，066004

0 引言

纖維增強金屬層板（fiber metal laminates，FMLs）是合金薄板和纖維增強聚合物材料組成的一種混雜結構材料，它不僅繼承了纖維復合材料的高強度和耐腐蝕特性，而且具有合金材料優異的可加工性和抗沖擊性，由于層板中纖維的橋接作用可以有效抑制裂紋擴展，其抗疲勞性尤為顯著，以上優良的性能，使得FMLs在航天工程上得到了廣泛應用［1－3］。

通過改變纖維體系（芳綸、玻璃纖維或碳纖維）和合金種類（鋁合金、鎂合金或鈦合金）可以得到多種層板系列，如芳綸纖維增強鋁合金層合板（aramid reinforced aluminum laminates，ARALL）、玻璃纖維增強鋁合金層合板（glass reinforced aluminum laminates，GLARE）和碳纖維增強鋁合金層合板 （carbon reinforced aluminum laminates，CAR－ALL）3種類型［4］。由于碳纖維具有比強度比模量高、密度小、熱膨脹系數小等優點，故相比ARALL和GLARE，CARALL的應用更為廣泛，它克服了芳綸纖維與樹脂界面結合強度低易剝離的現象，且抗拉強度和模量均優于GLARE，表現出優異的機械性能、抗疲勞性能、較低的裂紋擴展率和較好的抗沖擊性，能更好地發揮纖維橋接裂縫和增強增韌的作用，裂縫止裂效果明顯。

傳統的制備FMLs方法是將金屬薄板與纖維／樹脂交替鋪設后，通過模壓或熱壓罐設備在一定溫度和壓力下固化成形。BIENIAS＇等［5］采用熱壓罐工藝制備了 Al／CFRP（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）層板，結合落錘試驗測試了材料的低速沖擊損傷性能；HU等［6］利用熱壓法制備了Ti／CFRP層板，分析了不同溫度下板材的彎曲性能；DADEJ等［7］通過熱壓罐工藝制備了Al／CFRP層板，利用拉伸張力試驗測試了板材的疲勞性能。由此可見熱壓罐和模壓工藝制備層板技術相對成熟，但是模式較為單一，模壓工藝針對不同產品需要制定特定的模具，操作復雜，而熱壓罐設備造價昂貴，生產過程中需耗費大量的人力物力，不利于復合板的大規模生產。由此，新型成形工藝的提出對FMLs在更廣闊領域的推廣使用具有一定指導意義。

層板軋制工藝在我國技術成熟且廣泛應用于金屬材料生產，基本原理是將不同的金屬板疊層同時通過旋轉的軋輥軋制，在軋輥強大的軋制力作用下使相鄰材料表面發生塑性變形，并使表層材料破裂裸露出新鮮組織，最終形成以物理冶金鍵合的復合材料。相比其他工藝，軋制復合工藝的結合強度高，設備簡單操作方便，易于實現自動化大規模生產，符合節能環保要求［8－9］。

基于FMLs加熱加壓的成形條件，考慮與金屬軋制成形工藝相近，本文對層板進行可控的軋制制備。根據鋪層設計，將預浸料裁剪后疊層夾于上下鋁合金薄板中間；為改善鋁合金／纖維樹脂界面膠接性能，分別采用機械打磨法、化學清洗法和陽極氧化法對鋁合金表面進行預處理；基于不同壓下量條件，采用“一步軋制”給予層合板瞬間高壓，以提高其成形性能；結合三點彎曲試驗考察了不同表面處理工藝及壓下量對板材彎曲性能的影響，觀察并分析了試樣斷面顯微組織形貌。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用原材料為USN 17500單向碳纖維／環氧預浸料和AA 6061鋁合金，其工藝參數和化學成分分別見表1和表2。為了消除板材內應力和加工硬化現象，對其進行退火處理，將AA 6061鋁合金加熱到530℃保溫2h后空冷。

表1 USN 17500預浸料工藝參數Tab.1 Process parameters of USN 17500prepreg

表2 AA 6061鋁合金化學成分（質量分數）Tab.2 Chemical composition of AA 6061aluminum alloy（mass fraction） %

1.2 金屬表面預處理

對退火后的鋁合金板進行表面處理，除去板材表面油污雜質和氧化物，以利于軋制時提高鋁合金／纖維樹脂界面結合性能。本試驗分別對鋁合金表面進行機械打磨、化學清洗和陽極氧化預處理，再用丙酮和酒精反復擦洗表面并用熱吹風吹干，具體工藝見表3。

表3 鋁板表面預處理工藝Tab.3 Surface pretreatment process of aluminum plate

為改善樹脂基體與金屬表層浸潤性，提高鋁板表面活性和耐蝕性，在經不同方法預處理的鋁合金薄板表面涂刷一層硅烷偶聯劑KH560（一縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷），由于偶聯劑具有可與無機材料和有機材料相結合的反應活性基團，良好的化學“橋接”作用有利于金屬板與樹脂間形成化學鍵結合［10］，提高相容性和黏結性，故借助偶聯劑進一步進行表面處理以獲得更優的界面浸潤性。硅烷偶聯劑混合溶劑的配比為乙醇與去離子水質量比為9∶1，再加入質量分數為2%的硅烷偶聯劑，常溫靜置水解完全后備用。

1.3 板材制備

軋制設備采用二輥強力軋機，軋輥尺寸為200mm×200mm，預浸料鋪層方式為［0°／90°／0°］，層板結構為2／1型，即將疊層預浸料夾于兩片鋁板之間（Al／［0°／90°／0°］Al），如圖1所示，材料尺寸參數見表4。

試樣軋制前后的高度差定義為壓下量［11］：

圖1 板材制備示意圖Fig.1 Preparation schematic of the laminate

表4 材料尺寸參數Tab.4 Material size parameters

其中，h為預浸料厚度；hw為鋁合金板厚度；h0為試樣軋制后總厚度。選取壓下量分別為1.6%、4.0%、6.5%和8.1%，軋制速度為60mm／s。層板經室溫軋制后，按圖2所示的固化工藝升溫固化成形，最后隨爐冷卻。

圖2 軋制固化方案Fig.2 Curing scheme of rolling

1.4 彎曲性能測試

彎曲試驗采用Inspekt table 100材料試驗機，依據 HB 7617－1998標準［12］測試層合板彎曲性能，彎曲試驗所用設備見圖3，試樣尺寸為80 mm×15mm×1mm，加載速度為2mm／min。平行于軋制方向取金相試樣，先依次選用不同粒度的砂紙打磨，最細為4000號砂紙（平均粒度為6.35μm），再用 Al2O3懸浮液進行拋光，采用FEI-Scios掃描電鏡和ZEISS Scope A1金相顯微鏡進行斷面微觀組織觀察。

圖3 彎曲試驗裝置Fig.3 Bending test device

2 結果與分析

2.1 軋制試驗結果

軋制參數見表5，由于試樣尺寸較小，實際偏差不足以影響層板整體受力情況，軋制壓力（MPa）其中，

式（2）等號右邊分母為層板實際軋制受力尺寸，故并未考慮軋制誤差影響；F1為傳動側壓下力；F2為操作側壓下力；Δh為板材軋前與軋后厚度差值；R為軋輥半徑。

表5 軋制試驗參數Tab.5 Rolling parameters

2.2 彎曲試驗結果

2.2.1 表面預處理工藝影響

不同處理工藝所得鋁合金表面微觀形貌如圖4所示，可以看出不同工藝所得微觀表面明顯不同。機械打磨后，鋁合金表面粗糙不平，沿打磨方向形成大量數十微米的溝壑且分布不均，表面粗糙度的增大有益于提高界面黏接的機械咬合作用，但不利于樹脂流動浸潤表層；而經化學清洗后，可以有效疏松金屬表面氧化膜和油脂臟物，裸露出新鮮的鋁合金組織，并在溝壑處有明顯的微米孔洞產生，有助于樹脂填入表層空穴內，獲得更高的表面能，增強吸附作用；經陽極氧化處理后，鋁合金表面納米級孔洞結構明顯增加，形成網狀多孔的A12O3膜層，表面積大幅增大，有利于提高鋁合金表面和樹脂間的反應活性，從而為達到良好的界面黏附奠定良好的物化作用基礎［13］。

圖4 不同處理工藝鋁合金表面微觀形貌Fig.4 Aluminum alloy surface micro-morphology with different treatment processes

鋁合金表面不同處理工藝所得層板的彎曲載荷-位移曲線見圖5?？梢钥闯?，曲線初始階段，載荷和位移近似成線性關系，隨彎曲撓度增大，曲線出現平臺階段，不同處理工藝下的試樣承載強度呈梯度增大趨勢。在加載初期，表面未處理試樣載荷平臺較低，后續承載強度差（表6），彎曲強度僅195MPa；經機械打磨后，試樣彎曲強度有所增大，但載荷強度受限；而經化學清洗和陽極氧化所得層板，載荷極限明顯大幅提高，彎曲強度分別為401MPa和573MPa，相比未處理試樣分別增大了51.4%和65.9%，且陽極氧化試樣的曲線初始斜率明顯得到改善，彎曲模量達80.9GPa，較表面未處理試樣增大了39.1%。主要原因是機械打磨只能簡單去除鋁合金表面污物和氧化膜，而化學清洗則能較為徹底地去除表面雜質，并裸露出新鮮的表層金屬，同時在堿洗過程中部分相位組織被腐蝕形成空穴，有利于促進鋁合金表面和樹脂及偶聯劑之間的反應活性。在陽極氧化過程中，鋁合金表面會生成組織致密的Al2O3薄膜，且伴隨著薄膜的不斷成膜和溶解，最終形成大量的敞開型縱向孔洞，有利于樹脂滲入氧化膜內，大幅改善了鋁合金表面與樹脂間的浸潤性能［14］。

圖5 不同表面處理工藝彎曲載荷-位移曲線Fig.5 Flexural load-displacement curve of different surface treatment process

表6 不同表面處理工藝彎曲力學性能Tab.6 Flexural mechanical properties with different surface treatment processes

根據機械結合理論，黏結物必須滲入被黏物表面的空隙內才能產生黏結作用，且表面微觀幾何結構和粗糙度的影響具有至關重要的作用［15］。當金屬表面越粗糙且有較多的凹坑和孔隙時，樹脂與金屬表面的有效接觸面積越大，在軋制過程中，樹脂受擠壓力作用，越容易滲入金屬基體內，與表層空穴或孔洞形成類似的機械咬合結構，使層板的強度和韌性得到提高。同時硅烷偶聯劑可以與金屬表面形成化學鍵結合，有效改善金屬表面特性，而且偶聯劑與樹脂間也能產生連接作用，完成界面架橋，獲得從樹脂向纖維良好的應力傳遞，顯著提高金屬／聚合物界面黏結性能［16］，彎曲時避免界面發生脫黏而產生分層破壞，賦予層板良好的力學特性。不同表面處理工藝的彎曲試樣如圖6所示，可較明顯看出，隨處理工藝的不同，試樣彎曲夾角逐漸減小，彎曲撓度增大，即使在較大位移條件下，鋁合金／纖維樹脂界面也未出現分層破壞。

圖6 不同表面處理工藝彎曲試樣Fig.6 Flexural specimens with different surface treatment processes

對不同處理工藝的鋁合金／纖維樹脂界面進行掃描電鏡和金相顯微鏡觀察，如圖7、圖8所示，對比發現，經機械打磨后，在鋁合金表面存在一層厚厚的樹脂層，且纖維與樹脂分離明顯，兩者并未有效浸潤，雖然樹脂已充分填入溝壑內，但在鋁合金／纖維樹脂界面處存在微小縫隙，致使承載過程中易產生疲勞裂紋；經化學清洗后，良好的蝕洗表面和孔隙的存在使得界面處樹脂厚度明顯減小，在軋制壓力作用下，樹脂充分流動壓實凹坑，界面處部分區域已形成穩定的機械嵌定結構，且纖維與樹脂浸潤較好、分布均勻，但由于化學清洗對鋁合金表面活性改善有限，故仍有部分樹脂殘余；經陽極氧化工藝所得試樣，鋁合金／纖維樹脂界面結合狀態良好，界面平直且未發現樹脂殘留，說明改變金屬表面形貌以增大表面積，生成反應性表面，易使樹脂充分浸潤鋁合金表面，固化后形成穩定的界面互鎖結構，彎曲過程中能夠承受較大載荷位移而不發生破壞。

圖7 不同表面處理工藝界面SEM圖Fig.7 Interface SEM diagram with different surface treatment processes

圖8 不同表面處理工藝界面金相圖Fig.8 Interface metallographic diagram with different surface treatment processes

圖9 不同表面處理工藝斷面金相圖Fig.9 Section metallographic diagram with different surface treatment processes

不同表面處理工藝所得試樣加載柱之下的斷面金相圖見圖9，可以發現，經機械打磨后試樣破壞嚴重，在加載柱之下樹脂與金屬表面存在大面積分層，纖維嚴重斷裂，鋁合金與纖維樹脂在界面處已完全脫離；經化學清洗所得試樣，其狀況得到明顯改善，僅在加載柱兩側由于殘余樹脂的存在，導致產生微小分層，且纖維并未斷裂，只是在加載過程中產生屈曲變形，表明樹脂與纖維包覆性較好，鋁合金／纖維樹脂界面性能也得到提高，彎曲過程中纖維樹脂間的界面以及鋁合金／纖維樹脂間的界面可以有效傳遞載荷，纖維和鋁合金基體相輔相成共同承擔載荷，彎曲強度有所增大；而陽極氧化所得試樣，在界面處鋁合金與纖維樹脂仍結合良好，未出現分層現象，且纖維屈曲程度減緩，只是在加載部位產生微小變形，承載強度進一步增大，有效說明改善鋁合金表面活性、增大表面積更加有利于樹脂滲入金屬表層，獲得較高的表面能以及形成穩定的界面結合結構，提高層板力學性能。

2.2.2 軋制壓下量影響

經陽極氧化后試樣不同壓下量的彎曲載荷-位移如圖10所示?？梢钥闯觯诩虞d初期，彎曲載荷隨壓下量的增大而增大，但載荷峰值增長緩慢；當壓下量為6.5%時，曲線峰值達到最高值，隨位移增大，出現載荷平臺，彎曲性能良好；進一步增大壓下量至8.1%時，載荷峰值降低，達到最大載荷后曲線急劇滑落，后續承載能力差，彎曲強度明顯下降。說明在一定軋制壓力作用下樹脂流動浸潤纖維，有利于壓實層間孔隙，促進層間緊密結合，且在鋁合金表面與纖維樹脂接觸區域，樹脂在壓力作用下充分填入鋁合金表面形成的空穴或孔洞內，與金屬表面相互浸潤，改善了界面結合性能，提高了彎曲強度。但壓力進一步增大，使得纖維隨樹脂流動發生扭曲變形，樹脂分布不均形成富脂或貧膠區域，層板受彎曲載荷作用時，既有壓縮應力，又有拉伸應力和剪切應力，材料內局部區域還存在擠壓應力，除纖維承受載荷外，樹脂基體也承受纖維之間的剪應力，而樹脂的流失造成纖維與樹脂以及鋁合金和纖維樹脂之間界面黏合性能下降，故不能良好傳遞載荷承受應力，彎曲強度反而降低。

圖10 不同壓下量的彎曲載荷-位移曲線Fig.10 Flexural load-displacement curve with different reduction

如圖11所示，經3種表面工藝處理后試樣彎曲強度隨壓下量變化逐步增大，當壓下量達6.5%時，曲線出現拐點，彎曲強度均達到最高值，繼而隨壓下量增大強度降低，表明過大的壓下量并不利于改善層板力學性能。為分析研究鋁板在軋制過程中加工硬化對層板力學性能的影響，將不同壓下量軋后所得層板剝離開，單獨對上下鋁板進行彎曲試驗并與未軋制鋁板對比，如圖12所示，可以發現經軋制后，鋁板承載強度隨壓下量增大有所提高且最終趨于穩定，并未發生較大變化，表明軋后鋁板存在加工硬化影響但是在可控范圍內，相比層板整體受力情況，加工硬化影響較小，故并未考慮其誤差影響。

圖11 不同表面處理工藝彎曲強度對比圖Fig.11 Contrast diagram of flexural strength with different surface treatment processes

圖12 不同壓下量的鋁板彎曲載荷-位移曲線Fig.12 Flexural load-displacement curve of aluminum plate with different reduction

觀察壓下量為8.1%時，3種不同處理工藝的彎曲試樣（圖13），在相同部位均出現不同程度的分層失效，經打磨后試樣破壞最為嚴重，分析得出破壞的主要形式如下：纖維樹脂界面破壞、鋁合金與纖維樹脂界面破壞以及纖維斷裂失效。主要原因是在加載過程中，纖維樹脂與鋁合金界面黏合力小于層間剪切應力，且內部樹脂在強大擠壓力作用下分布不均，造成纖維與樹脂包覆性差，纖維易受力拔出，由此不能良好傳遞應力，形成斷層破壞。而破壞主要發生在同一側可能是由于軋制過程中，工作軋輥之間的縫隙未嚴格保證一致，但層板均為同批次軋制制備，故并不影響力學性能分析。

圖13 壓下量為8.1%時不同表面處理工藝彎曲試樣Fig.13 Flexural specimens of reduction 8.1%with different surface treatment processes

圖14 陽極氧化不同壓下量斷面金相圖Fig.14 Section metallographic diagram of different reduction with anodizing

選取陽極氧化不同壓下量所得試樣的相同側壁部位進行斷面金相觀察（圖14），發現未軋制試樣纖維樹脂和鋁合金上下表面存在一定厚度的樹脂層，雖然鋁合金表面已進行陽極氧化處理，但由于未受軋制壓力作用，樹脂在自然狀態下無法和鋁合金表面形成有效浸潤，彎曲承載時極易發生界面脫黏，導致力學性能下降；隨著壓下量的增大，界面處樹脂層厚度減薄趨勢明顯，當壓下量達到4.0%時，界面處的殘余樹脂接近消失，在軋制過程中，樹脂流動與鋁合金表面的凹坑相融合形成穩定的界面結合。而且發現當壓下量為6.5%時，纖維樹脂與鋁合金表面已經完全浸潤且未發現樹脂殘留，界面處整潔平齊，在強大的擠壓力作用下，層板中間區域的纖維層明顯被壓實厚度減小，且纖維樹脂分布均勻不存在孔隙雜質。

對陽極氧化試樣選取CFRP／Al界面結合層進行掃描電鏡觀察，如圖15所示，可以發現中間夾層的纖維樹脂與上下鋁合金表面已完全形成咬合結構，內部纖維與樹脂充分包覆，富脂或貧膠區域較少，鋁合金／纖維樹脂界面及樹脂與纖維界面平整。良好的界面結合使得抑制裂紋擴展的能力顯著提高，進一步證明適當的軋制壓力有利于提高鋁合金／纖維樹脂界面性能，改善樹脂纖維間的浸潤性能，固化后層板力學性能大幅提高。

圖15 陽極氧化不同界面SEM圖Fig.15 Different interface SEM diagram with anodizing

3 結論

（1）彎曲試驗結果表明，鋁合金表面處理工藝和軋制壓下量對層板力學性能影響顯著，鋁合金／纖維樹脂界面處樹脂層厚度隨表面處理工藝變化存在減薄趨勢，經陽極氧化工藝所得層板彎曲性能改善明顯，彎曲強度和彎曲模量分別為573 MPa和80.9GPa，相比表面未處理試樣分別增大了65.9%和39.1%，且鋁合金／纖維樹脂界面處不存在殘余樹脂，界面結合性能優于化學清洗和機械打磨法。

（2）隨軋制壓下量增大，層板彎曲強度呈先增大后減小趨勢，當壓下量為6.5%時，鋁合金／纖維樹脂界面處整潔平齊，在軋制壓力作用下，樹脂與鋁合金表面形成類似的機械咬合結構，內部纖維樹脂分布均勻，孔隙顯著減小，層板彎曲性能最優。

（3）若進一步優化工藝參數，可大幅縮短制備時間，實現低成本高效軋制工藝制備纖維增強金屬復合材料。研究結果為新型復合材料成形提供參考。