碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板制備工藝及其彎曲性能

馬威,管海陸,張曉瓊*,王濤,2

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024；2.太原理工大學 先進成形與智能裝備研究院，太原 030024）

纖維金屬層板(Fiber metal laminates，FMLs)是一種由纖維層和金屬層交替疊放后，在一定的溫度和壓力下固化成型的層間混雜復合材料[1-2]。FMLs綜合了纖維復合材料和金屬材料的特點，具有高比強度和比剛度、優良的疲勞性能和損傷容限性能，而且還可以通過改變層板金屬層和纖維層的鋪層順序、鋪層厚度、鋪層方向對結構進行優化設計，可滿足不同受載條件下的服役需求，這些優勢使FMLs在航空航天領域中獲得了廣泛的應用[3-4]。

按照金屬組分和增強纖維的種類劃分，FMLs主要包括芳綸纖維增強鋁合金層板(Aramid reinforced aluminum laminates，ARALL)、玻璃纖維增強鋁合金層板(Glass reinforced aluminum lamintes，GLARE)、碳纖維增強鋁合金層板(Carbon reinforced aluminum laminates，CARE)、石墨纖維增強鈦合金層板(Titanium/graphite hybrid laminates，TIGR)等[5]。ARALL層板強度高、密度低，但其斷裂韌性差、剝離強度低、層間剪切強度差，故只能應用于飛機的平面結構或單曲率曲面；GLARE層板強度高、阻尼性能好，有良好的抗疲勞性能，目前已經在飛機上得到應用，但GLARE層板的剛度偏低、使用溫度不高；CARE層板具有較高的強度和剛度，但鋁合金和碳纖維復合材料復合后會引發電偶腐蝕；TIGR層板剛度高、耐高溫、耐疲勞性能好，但其工藝問題復雜，制造成本昂貴[6-10]。目前在航空領域得到成功商用的主要有GLARE層板，A380機身上使用的GLARE層板達到470 m2，包括機身蒙皮、整流罩、機翼后緣、機身上壁[11-13]。隨著FMLs在飛機上的應用量和應用部位的增加，對其各方面的性能要求逐步提升，與鈦合金和航空用鋁合金材料相比，不銹鋼材料成本更低，更耐腐蝕、耐高溫，并且與碳纖維之間無電偶腐蝕，同時具有較高的強度、剛度、斷裂延伸率，對應力集中具有較低的敏感性。鋼帶厚度更薄(0.01～0.1 mm)，在有限厚度范圍內層數的增加和鋼帶本身強度和塑性變形能力的多樣化為纖維金屬混雜復合材料提供了超高的設計自由度，以實現鋼帶各種比例及位置設計，可以滿足不同結構的設計需求。特別是在具有復雜幾何形狀和大曲率區域的部件中，使用柔性不銹鋼極薄帶作為FMLs中的金屬組分材料，可使構件在層壓過程中直接成型[14-18]。

纖維層/金屬層界面是影響和決定FMLs綜合性能及失效行為的重要因素，改善其界面性能至關重要，一般需要對金屬進行表面處理來改善金屬層和纖維層的界面結合性能。尹志嵐等[19]研究發現硅烷偶聯劑一端能與不銹鋼形成穩定的Si-O-Fe鍵合，而另一端能與聚乙烯基醇(Ethylene vinyl alcohol，EVAL)相互纏繞，可形成復雜的互穿網絡結構，因此使EVAL與不銹鋼之間的結合強度大幅增加。Jussila等[20]通過對不銹鋼進行電化學腐蝕獲得了具有高濃度羥基的不銹鋼表面，在硅烷/金屬氧化物界面形成了高結合強度的氨基丙基硅烷薄膜單分子層，實現了不銹鋼與硅烷膜高強度的結合。Hoikkanen等[21]研究發現不銹鋼/熱塑性聚氨酯復合材料界面結合強度與硅烷層厚度有關，最佳厚度為20 nm，硅烷層厚度可以通過偶聯劑濃度調整。綜上所述，不銹鋼表面富羥基化有利于偶聯劑與不銹鋼表面實現Si-O-Fe化學鍵合，是提高界面結合強度的有效途徑。

FMLs主要應用于飛機的機身壁板、機翼蒙皮等關鍵部位，上述結構在使役過程中會承受較大彎矩，在彎曲應力作用下FMLs的剛度和強度會顯著降低，失效模式也極為復雜，主要包括纖維與樹脂基體的脫粘、纖維斷裂、基體開裂、金屬斷裂、金屬層與纖維層的分層等[22-26]。因此，針對FMLs在彎曲載荷作用下的抗彎性能特征、彎曲性能提升及失效機制分析等方面國內外學者已開展了大量研究。

Li等[23]研究發現不同鋪層結構的GLARE層板在三點彎曲載荷作用下，失效模式會隨跨厚比的變化而變化。Dhaliwal等[25]對碳纖維增強鋁板(Carbon fiber reinforced aluminum laminates，CARALL)層板彎曲性能進行了測試，并分析了其破壞模式。研究發現材料的主要失效模式為下側鋁層出現裂紋、碳纖維層斷裂、上側鋁層與碳纖維層發生分層。Li等[27]對GLARE層板進行了三點彎曲實驗，發現層板的彎曲失效演化過程主要包括4個階段，分別為彈性階段、塑性階段、纖維局部斷裂和分層階段。Sadighi等[28]研究了纖維方向對GLARE層板彎曲性能的影響，測試結果表明0°方向纖維可以顯著提升層板的彎曲性能。Yogesh等[29]研究發現在碳纖維復合材料中間層加入鋁網后材料可以承載300 N的彎曲載荷，鋁網的加入有效地提升了層板的彎曲性能。Khalili等[30]對玄武巖纖維金屬層板(Basalt fiber metal laminate，BFML)進行了三點彎曲實驗，研究發現鋼層的存在對提高層板整體的彎曲強度和抗拉強度有很好的效果。Hu等[31]研究發現碳纖維增強單體反應物聚合型聚酰亞胺鈦合金層板(Carbon fiber/polymerization monomer reacetants polyimide，Ti/CF/PMR聚酰亞胺FMLs)在彎曲載荷作用下，上表面承受壓應力，下表面承受拉應力，主要破壞模式為分層和局部屈曲破壞，FMLs在沿纖維方向具有更高的彎曲強度。Lawcock等[32]研究發現鋁板和纖維預浸料間的層間結合強度對FMLs的彎曲性能有顯著影響。對金屬層進行合適的表面處理來提高其與纖維界面的粘接強度可以改善層板在彎曲載荷作用下的破壞行為。

綜上所述，目前研究多集中于碳纖維/鋁合金、玻璃纖維/鋁合金、碳纖維/薄層鋼等傳統纖維和金屬所組成的層板抗彎性能和失效行為分析。本文提出了一種新型碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板，并對不銹鋼極薄帶與碳纖維界面的結合工藝進行了系統研究，基于最佳結合工藝制備了不同鋪層結構及包含不同鋼帶種類的碳纖維/不銹鋼極薄帶層板，通過三點彎曲實驗，對所制層板的彎曲性能與變形失效機制進行了系統研究。

1 實驗部分

1.1 原材料

實驗所用T700單向碳纖維預浸料和T300碳纖維平紋織物預浸料均由漢碩高新材料(天津)有限公司生產，性能參數見表1、表2。

表1 T700單向碳纖維預浸料性能參數Table 1 Performance parameters of T700 unidirectional carbon fiber prepreg

表2 T300碳纖維平紋織物預浸料性能參數Table 2 Performance parameters of T300 carbon fiber plain fabric prepreg

T700單向碳纖維與T300碳纖維平紋織物預浸料厚度分別為0.15 mm和0.225 mm。304不銹鋼極薄帶由山西太鋼不銹鋼精密帶鋼有限公司提供，厚度為0.1 mm，其化學成分見表3；軟態、半硬態、硬態不銹鋼極薄帶的靜態拉伸力學性能見圖1。

圖1 不銹鋼極薄帶拉伸力學性能Fig.1 Tensile mechanical property of stainless steel ultra-thin strip

表3 304不銹鋼極薄帶的化學成分 (wt%)Table 3 Chemical composition of 304 stainless steel ultrathin strip (wt%)

1.2 不銹鋼極薄帶表面處理工藝

層間結合強度對FMLs的力學性能有很大影響，為了提升金屬層和纖維層的界面結合性能，一般要對金屬進行表面處理[1,33]。表面處理中較關鍵的一步是硅烷偶聯劑(KH-550)的使用，KH-550中的乙氧基可通過水解生成硅羥基，通過氫鍵與金屬表面羥基吸附，在高溫下與金屬表面形成Si-O-金屬化學鍵合，KH-550另一端的-NH2能與碳纖維預浸料樹脂基體中的環氧基團形成交叉網絡界面，形成大量化學鍵結合的穩定界面狀態，偶聯劑的加入是提高界面結合強度的有效方式[17,19]。

為了探究碳纖維/不銹鋼極薄帶FMLs最優界面結合工藝，分別采用表4中的6種工藝方法對不銹鋼極薄帶依次進行表面處理后與碳纖維預浸料熱壓復合，將所制6種試件對應工藝方法編號為a～f，通過圖2所示Instron-5969萬能材料試驗機進行單搭接拉伸剪切實驗來表征界面結合性能，測試標準參考GB/T 7124-2008[34]，拉伸速率為1 mm/min。

圖2 Instron-5969萬能材料試驗機Fig.2 Instron-5969 universal material testing machine

表4 不銹鋼極薄帶表面處理工藝Table 4 Surface treatment process of stainless steel ultra-thin strip

單搭接拉伸剪切試件尺寸如圖3所示，將載荷值除以粘接面積后獲得的剪切強度-位移曲線如圖4所示。6種試件的剪切強度值如表5所示，其中試件e剪切強度值最高，約為21.3 MPa。同時，如圖5所示，在試件e拉伸剪切失效后的鋼帶表面上觀察到了大量殘留的碳纖維，表明不銹鋼極薄帶經機械打磨+丙酮清洗+10wt%氫氧化鈉溶液腐蝕+1wt%偶聯劑處理(無水乙醇∶蒸餾水∶KH-550體積比為90∶9∶1)是6種工藝中最佳的表面處理工藝。因此，在制備碳纖維/不銹鋼極薄帶層板時均采用表4中方法e來處理不銹鋼極薄帶表面。

圖3 單搭接拉伸剪切試件尺寸Fig.3 Dimensions of single lap tensile shear specimens

圖4 單搭接剪切強度-位移曲線Fig.4 Shear strength-displacement curves of single lap

圖5 單搭接拉伸剪切失效區域宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of single lap tensile shear failure region

表5 6種試驗件剪切強度測試結果Table 5 Shear strength test results of six test pieces

1.3 碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板的制備

共制備了E類、F類兩種鋪層結構的層板，具體鋪層方案見表6，根據兩類層板中所含不銹鋼極薄帶種類的不同分別命名為E類軟態、E類半硬態、E類硬態、F類軟態、F類半硬態、F類硬態層板。

表6 碳纖維預浸料/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板(FMLs)鋪層方案Table 6 Lay-up scheme of carbon fiber prepreg/stainless steel ultra-thin strip fiber metal laminates (FMLs)

圖6為碳纖維/不銹鋼極薄帶纖維金屬層板制備工藝流程，首先將不銹鋼極薄帶和碳纖維預浸料裁剪至相同大小，然后用砂紙打磨不銹鋼極薄帶表面并用無塵紙擦拭以去除砂紙屑，之后用丙酮清洗其表面后放入10wt%氫氧化鈉溶液中腐蝕2 h并使其表面羥基化，隨后配制1wt%濃度的偶聯劑并水解10 min，將腐蝕后的不銹鋼極薄帶放入偶聯劑中浸泡1 min，隨后將不銹鋼極薄帶和碳纖維預浸料按照表6鋪層方案進行交替鋪層。將疊層后的復合材料按圖7所示順序進行工裝設計，隨后放入中航泰達公司生產的熱壓罐中，按照圖8所示固化工藝進行熱壓固化。為了保證實驗所需試件的質量與性能，防止產生毛邊及熱變形，所有實驗試件均采用水刀加工，兩類三點彎曲試件切割尺寸如圖9所示。

圖6 碳纖維/不銹鋼極薄帶層板制備工藝流程：(a) 裁剪不銹鋼極薄帶；(b) 裁剪碳纖維預浸料；(c) 砂紙打磨鋼帶；(d) 無塵紙清潔鋼帶；(e) 丙酮清潔鋼帶表面；(f) 氫氧化鈉溶液腐蝕；(g) 配制偶聯劑；(h) 偶聯劑附著；(i) 鋪層；(j) 真空包裹；(k) 熱壓罐熱壓固化；(l) 碳纖維/不銹鋼極薄帶層板Fig.6 Preparation process of carbon fiber/stainless steel ultra-thin strip laminates: (a) Cutting stainless steel ultra-thin strip; (b) Cutting carbon fiber prepreg; (c) Grinding steel strip with sandpaper; (d) Clean steel strip with dust-free paper; (e) Clean the surface of steel strip with acetone;(f) Sodium hydroxide solution corrosion; (g) Prepare coupling agent; (h) Coupling agent adhesion; (i) Layup; (j) Vacuum wrapping;(k) Hot press curing with autoclave; (l) Carbon fibre/stainless steel ultra-thin strip laminates

圖7 工裝設計：(a) 真空袋；(b) 透氣氈；(c) 無孔隔離膜；(d) 透氣氈；(e) 有孔隔離膜；(f) 耐高溫膠條；(g) 透氣氈；(h) 碳纖維預浸料/不銹鋼極薄帶疊層；(i) 脫模布；(j) 玻璃板Fig.7 Tooling design: (a) Empty bag; (b) Breathable felt; (c) Non porous isolation film; (d) Breathable felt; (e) Porous isolation film; (f) High temperature resistant adhesive tape; (g) Breathable felt; (h) Carbon fiber prepreg/stainless steel ultra-thin tape lamination; (i) Release cloth;(j) Glass plate

圖8 固化工藝Fig.8 Curing process

圖9 E類(a)和F類(b)三點彎曲試件尺寸Fig.9 Size of three-point bending test specimens of type E (a) and type F (b)

1.4 三點彎曲試驗加載方案

對前文所制E、F兩類層板進行三點彎曲試驗，并利用高速攝影全程記錄試件彎曲變形失效過程，研究不同層數、不同態鋼帶的加入對層板彎曲力學性能及承載特征的影響。目前FMLs種類繁多，金屬組分材料為不銹鋼極薄帶的新型層板在進行三點彎曲實驗時的跨厚比尚未有具體標準，試驗參考ASTM D7264-2007[35]進行測試，跨厚比選為32[36-38]。實驗所用設備為Instron-5969萬能材料試驗機。測試過程中，壓頭壓下速度取1 mm/min，跨距L=32 h。

2 結果與討論

2.1 跨厚比為32時E類層板彎曲性能及失效分析

E類軟態、半硬態及硬態層板的三點彎曲載荷-撓度曲線如圖10所示，主要可分為3個階段：I階段載荷隨著撓度的增加呈非線性增加至第一峰值；II階段中躍過第一峰值載荷后出現小幅下降，隨后載荷繼續呈非線性增加至第二峰值；III階段中躍過第二峰值載荷后出現較大幅度下降，此后，隨著撓度的增加載荷變化不明顯直至卸載。曲線各拐點分別對應圖11中高速攝影所拍攝同一時刻試件的變形與損傷演化形貌。

圖10 E類層板三點彎曲載荷-撓度曲線：(a) 軟態層板；(b) 半硬態層板；(c) 硬態層板Fig.10 Three-point bending load-deflection curves of type E laminated plates: (a) Soft laminated plate;(b) Semi hard laminated plate; (c) Hard laminated plate

圖11 E類層板三點彎曲過程高速攝影Fig.11 Three-point bending process with high speed photography of type E laminated plates

結合表7中E類層板在I、II變形階段時的峰值載荷，對比E類層板發生變形時的撓度值及高速攝影記錄的變形損傷形貌可知，三類層板第I階段的失效模式均主要表現為上下表面層纖維編織布的分層脫粘與斷裂，見圖11(a)、圖11(a')、圖11(a'')。這是由于層板背面會承受較大的拉伸載荷，由于編織布纖維層延伸率較低，率先發生脆性斷裂，而不銹鋼極薄帶由于延伸率高并未發生斷裂。由于軟態鋼帶較大的塑性變形能力可以有效地抑制其相鄰碳纖維層的斷裂，故在第I階段時E類軟態層板能承受較高的峰值載荷；第II階段中層板的變形和失效主要以鄰近受壓側鋼帶層的屈曲和其相鄰0°纖維層的斷裂為主，見圖11(b)、圖11(c)、圖11(b')、圖11(c′)、圖11(b'')。圖10(a)、圖10(b)中，含軟態鋼帶和半硬態鋼帶的E類層板在撓度約為13 mm附近時便到達第II階段的載荷峰值，而圖10(c)中含硬態鋼帶層板受壓側的鋼帶因其具有更高的強度使鋼帶的屈曲變形行為得到延遲，層板撓度達到約15 mm時才到達第II階段的載荷峰值，表現出了較高的抗彎曲載荷能力。在第III階段中，E類軟態層板由于其鋼帶延伸率更高，有效地抑制了受拉側0°纖維層的斷裂，變形行為主要表現為受壓側鋼帶層的屈曲，且隨著撓度的增加沿厚度方向逐層發生屈曲，并未出現受拉側鋼帶層和纖維層的斷裂，見圖11(d)、圖11(e)。E類硬態、E類半硬態層板情況類似，在超過鋼帶層對纖維斷裂抑制作用的極限時，受拉側0°纖維層與相鄰的2層鋼帶同時斷裂，見圖11(d')、圖11(c'')。由此可知，軟態鋼帶有效地改善了E類硬態、E類半硬態層板載荷-撓度曲線在第III階段的脆性斷裂模式，將受拉側纖維和鋼帶斷裂主導的變形失效行為轉變為由受壓側鋼帶屈曲變形主導的失效模式。

表7 E類層板在I、II變形階段時的峰值載荷Table 7 Peak load of type E laminated plates at different deformation stages

2.2 跨厚比為32時F類層板彎曲性能及失效分析

F類軟態、半硬態及硬態層板的三點彎曲載荷-撓度曲線如圖12所示，與E類層板載荷-撓度曲線特征不同，F類層板所有曲線可主要分為兩個階段：I階段中載荷隨著撓度的增加線性增加至峰值；II階段中隨著試件的持續彎曲變形，載荷呈臺階狀逐步下降。隨著F類層板中所含鋼帶種類由軟態向硬態轉變，I階段曲線斜率呈增加趨勢，且相較于F類軟態與半硬態層板，其硬態Notes:FImax-Peak load of stage I;FIImax-Peak load of stage II.層板彎曲變形程度小于其余兩類層板。三類層板所承受的峰值載荷見表8?？芍?，當F類層板中含強度更高的硬態鋼帶時能夠有效提升層板整體承載能力。

圖12 F類層板三點彎曲載荷-撓度曲線：(a) 軟態層板；(b) 半硬態層板；(c) 硬態層板Fig.12 Three-point bending load-deflection curves of type F laminated plates: (a) Soft laminated plate;(b) Semi hard laminated plate; (c) Hard laminated plate

表8 F類層板所承受的峰值載荷Table 8 Peak load of type F laminated plate

變形過程中曲線各拐點分別對應圖13中高速攝影所拍攝同一時刻試件的變形與損傷演化形貌。

圖13 F類層板三點彎曲過程高速攝影Fig.13 Three-point bending process with high speed photography of type F laminated plates

通過圖13可以觀察到F類層板在第I階段中的失效模式主要為上下表面碳纖維編織布的斷裂及與相鄰層的分層，見圖13(a)、圖13(a')、圖13(a'')。結合圖12可知F類軟態、半硬態、硬態層板三類層板最靠近受壓側的鋼帶發生屈曲變形時所對應的撓度值不同，分別為17 mm、9 mm、8 mm。這主要是由于在受壓側的軟態鋼帶可以抑制其上方0°纖維層的斷裂，二者又協同抑制鋼帶下方纖維的斷裂，使鋼帶的屈曲變形失效行為發生延遲。

F類軟態層板和半硬態層板失效模式類似，在受拉側未發生鋼帶層和其相鄰纖維層的斷裂，僅在受壓側發生纖維層的斷裂及鋼帶層的屈曲，變形失效模式表現為鋼帶的屈曲和纖維的斷裂隨撓度增加沿厚度方向向下擴展，見圖13(b)～13(f)、圖13(b')～13(f')。F類硬態層板在受壓側第1層鋼帶屈曲后便發生受拉側第1層和第2層鋼帶的斷裂，最終失效模式表現為受拉側鋼帶層和其相鄰纖維層的斷裂，見圖13(c'')～13(e'')。由此可見，F類軟態和半硬態層板盡管鋼帶層數較E類層板降低了，但因所含鋼帶延伸率較高，在受拉側同樣可以有效抑制鋼帶層相鄰的0°纖維層的斷裂，改善層板受拉側的脆性斷裂失效模式。

2.3 總結與分析

對比E類、F類層板的載荷-撓度曲線可以看出，隨著層板所含鋼帶種類由軟態向硬態變化，最終變形失效的撓度值減小了25%～27.7%。E類和F類軟態層板受拉側均未發生鋼帶層及其上方相鄰纖維層的斷裂，同時其下方相鄰的纖維層斷裂得到延遲。這是由于軟態不銹鋼極薄帶具有更高的延伸率，當纖維層所產生的裂紋擴展到鋼帶層時，軟態鋼帶的塑性變形減緩了裂紋擴展速度，抑制了纖維的損傷加劇，使纖維斷裂和脫粘分層僅在局部發生，從而使含軟態鋼帶層板整體韌性均高于其他兩類層板。

觀察圖10和圖12中E類、F類層板載荷-撓度曲線可知，E類層板較F類層板I階段曲線的非線性更明顯且斜率較低，最終變形所對應的撓度值也高于F類層板，表明鋼帶層數的增加可使層板整體的韌性得到提高，彎曲變形能力增強。

此外，0°纖維層可將層板劃分出多個獨立的纖維/金屬層單元，每一階段的變形均表現為每一個獨立纖維/金屬單元的失效。由于0°纖維層起主要承載作用，故每個纖維/金屬單元的失效由0°纖維層的斷裂主導，此時載荷-撓度曲線出現臺階。而鋼帶的存在可以對其相鄰纖維區域的纖維斷裂起到抑制作用，在超過鋼帶對纖維斷裂抑制作用的極限時，鋼帶發生屈曲或斷裂，因此，E類層板因鋼帶層數較多且所含0°纖維層數比F類層板少1/3，主要發生三階段式變形，而F類層板的載荷-撓度曲線呈多階梯狀逐漸下降。

3 結 論

(1) 所提6種不銹鋼極薄帶表面處理工藝中最優的為砂紙打磨+丙酮清洗+10wt%氫氧化鈉溶液腐蝕+1wt%偶聯劑處理。

(2) 不銹鋼極薄帶的強韌性不同是引起層板不同失效模式的主要原因。當碳纖維/不銹鋼極薄帶層板中金屬組分材料選用硬態鋼帶時，層板的主要失效模式表現為受拉側鋼帶層和纖維層的斷裂；當金屬組分材料為軟態鋼帶時，可以有效抑制受拉側纖維斷裂，使層板主要失效模式由脆性破壞轉變為受壓側應力集中所導致的屈曲變形，軟態不銹鋼極薄帶的塑性變形會影響層板的變形行為，使脆性變形模式得到優化。

(3) 層板的彎曲變形能力由不銹鋼極薄帶含量決定，隨著鋼帶層數的增加，達到最大變形得到延遲，彎曲變形能力提高。