[发明专利]一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板

说明书

本发明公开了一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板，属于板材复合材料领域。该结构可以有效地改善纤维金属层板金属表面传统处理方式的不足，解决固化后层板金属基体与纤维增强预浸料易分层的缺陷。该结构由与金属基体表面呈一定角度且与金属基体形成机械锁扣结构的微米级内、外“八”字形主孔洞及与主孔洞相连的借鉴节肢昆虫腿部倒刺结构的纳米级副孔洞组成的微纳复合结构，与金属基体表面呈一定倾斜角度的纳米级空间倾斜密集孔洞结构或纳米级空间网状密集孔洞结构构成。该结构主要用于纤维增强金属层板金属基体表面处理，该层板主要用于航空制造领域大飞机的机身、蒙皮、机翼前缘、整流罩及飞机尾翼等零件的制造。

技术领域：

本发明提出一种仿生微结构增强纤维金属层板，属于板材复合材料领域。

背景技术：

纤维金属层板自问世以来就成为航空航天制造领域的重要功能材料，近年来更是成为大型客机制造中多个部件的重要选材，发展较为成熟的GLARE层板已广泛应用于波音747、787的上机舱拱顶、机身、机翼前缘及尾翼等零件。随着我国C919大飞机及运20大型运输机等装机制造，对纤维金属层板构件的需求愈加强烈，对层板力学性能及成形行为的研究也更加迫切。

我国在相关领域起步较晚，对纤维金属层板的研究仍然处于基础阶段。大型客机、军用运输机等关键部件纤维金属层板材料使用程度较低。因此，加大对纤维金属层板材料的研发与创新具有重大科学意义和工程应用价值。层板零件在制备和成形的过程中最突出的问题就是各组分的分层。由于金属和纤维的成形极限、膨胀系数、应变准则等均不相同，因此在制备和成形过程中层板各组分间极易发生分层、脱粘和断裂。传统的金属表面处理如砂纸打磨、喷砂、阳极氧化等虽然可以在一定程度上增加金属表面粗糙度改善树脂和金属基体的粘结性能，但仍然无法有效解决层板在制备与成形过程中的分层、脱粘问题。如何改善纤维金属层板的层间结合性能，有效防止层板构件的分层缺陷，成为纤维金属层板今后相当一个时期研究的热点。

发明内容：

为改善层板构件制备和成形过程中易分层的不足，本发明公开了一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板。该仿生微结构借鉴节肢昆虫腿部末端“倒刺”结构和壁虎脚掌吸盘脚趾处的“刚毛”结构，并结合机械的摩擦自锁原理和树脂浸润微小孔洞的毛细现象提出这种表面微细结构。

本发明公开的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板：该层板由具有表面仿生微结构的金属基体、树脂、增强纤维等按照一定的铺层结构和纤维铺设角度经加压固化而成。其特征在于与树脂接触的金属基体表面微结构由微米级内、外“八”字型主孔洞和分布于主孔洞圆周外侧的纳米级空间微细副孔洞构成，其“八”字型主孔洞与金属基体表面呈一定角度密排均布阵列分布于金属基体表面，该表面为金属与树脂接触一侧。主孔洞圆周外侧纳米级微细副孔洞靠近主孔洞一侧与主孔洞相通，在主孔洞圆周外侧呈空间分布。微米级主孔洞与纳米级副孔洞间根据零件实际需要设置为“顺刺”或“倒刺”结构。微米级内、外“八”字型主孔洞与金属基体呈一定角度，其角度由树脂流入微米级内、外“八”字型主孔洞后，树脂与内、外“八”字型主孔洞壁所产生的摩擦及综合树脂浸润微细孔洞所产生的“毛细”现象而最终形成的机械摩擦自锁效应所需倾角确定。

本发明公开的一种金属基体表面仿生微结构增强纤维金属层板，该层板金属基体表面与层板水平方向成一定角度的空间均布排列的微米级内、外“八”字型孔洞与层板固化过程中所流入的树脂在层板分层趋势方向形成机械锁扣结构。该结构可以有效地改善纤维金属层板金属表面传统处理方式的不足，解决固化后层板金属基体与纤维增强预浸料易分层的缺陷。同时，与层板表面呈一定角度的内、外“八”字型孔洞浸润树脂并待层板固化后，可以有效改善层板零件成形过程中拉伸、剪切性能，进一步降低层板成形过程中的分层。位于微米级“八”字型主孔洞圆周密集分布的纳米级空间副孔洞，借鉴节肢昆虫腿部末端“倒刺”结构，金属层表面纳米级微小孔洞空间密集阵列结构及纳米级微小孔洞空间网状密集阵列结构借鉴壁虎脚掌吸盘脚趾末端密集分布的“刚毛”结构；该结构可以进一步改善层板金属基体表面与纤维树脂预浸料的结合性能，改善金属基体与树脂的粘结强度。