熱塑性FMLs制備工藝與力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀*

汪澤幸，2 吳 波 古占華3 湯 婕 楊正桃

1. 湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411104；2. 湖南省新型纖維面料及加工工程技術(shù)研究中心，湖南 益陽(yáng) 413000；3. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

纖維金屬層板(Fiber-Metal Laminates，下文簡(jiǎn)稱(chēng)“FMLs”)是將金屬薄板與纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層交替鋪層后，在一定溫度和壓力條件下制備而成的一種層間超混雜結(jié)構(gòu)的聚合物基復(fù)合材料(圖1)[1]1-2，其表層通常為金屬薄板，也有部分制品表層為纖維復(fù)合材料[2](圖2)。

圖1 典型的FMLs模型

圖2 三明治結(jié)構(gòu)的FMLs(表層為纖維復(fù)合材料)

FMLs所用的樹(shù)脂主要有熱固性和熱塑性?xún)纱箢?lèi)。

熱固性樹(shù)脂的強(qiáng)度和剛度較高，且耐高溫性能優(yōu)異，故利用熱固性樹(shù)脂為基體制備的熱固性FMLs主要用于航空航天領(lǐng)域，如ARALL(芳綸纖維鋁合金層板)、GLARE(玻璃纖維鋁合金層板)、CARE(碳纖維鋁合金層板)、TiGr(石墨烯纖維鈦合金層板)等，它們可滿(mǎn)足航空材料對(duì)耐疲勞性能和損傷容限等方面的高要求，但也存在固化周期長(zhǎng)、層間韌性差、可成型性能不足及修復(fù)難度大等缺點(diǎn)[3]734, [4]，故目前主要用于成型形狀較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用昂貴的零部件的生產(chǎn)加工。

熱塑性樹(shù)脂具有成型工藝簡(jiǎn)便、物理力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，故基于熱塑性樹(shù)脂的熱塑性FMLs近年也在火熱開(kāi)發(fā)中。其采用金屬薄板與熱塑性樹(shù)脂預(yù)浸漬料交替鋪層，再經(jīng)熱壓工藝加工制成；也可采用液態(tài)熱塑性樹(shù)脂，經(jīng)真空輔助樹(shù)脂注射成型(Vacuum Assisted Resin Infusion)工藝制備而成[5]。熱塑性FMLs層間韌性高，可成型性好，且可回收再利用，適合大批量生產(chǎn)。與單一的鋁合金板材或纖維復(fù)合材料制品相比，熱塑性FMLs具有輕質(zhì)高強(qiáng)、導(dǎo)電性能和阻燃性能良好、抗沖擊性能優(yōu)良、損傷容限高、可熔融焊接等優(yōu)點(diǎn)；可通過(guò)改變金屬薄板與纖維復(fù)合材料的鋪層厚度、鋪層數(shù)量及鋪層方向等實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；制備過(guò)程中無(wú)揮發(fā)性有機(jī)化合物的釋放，生產(chǎn)環(huán)境清潔，邊角料等廢棄物幾乎可實(shí)現(xiàn)100%回收再利用；可整體成型且成型工藝簡(jiǎn)單，能有效減少零部件、緊固件和接頭的數(shù)目，是制備覆蓋件的理想材料。

目前，我國(guó)對(duì)熱塑性FMLs的開(kāi)發(fā)還處于起步階段，全面研究熱塑性FMLs的制備工藝與力學(xué)性能，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

1 熱塑性FMLs的制備

1.1 纖維與熱塑性樹(shù)脂

目前，有以玻璃纖維與熱塑性纖維(如聚丙烯纖維)生產(chǎn)的復(fù)合纖維為基礎(chǔ)制備的機(jī)織物作為預(yù)浸漬料，也有以聚丙烯纖維增強(qiáng)聚丙烯基復(fù)合材料作為預(yù)浸漬料，然后與金屬薄板疊層，再經(jīng)熱壓工藝制備的熱塑性FMLs[6]1159, [7-8], [9]44；還有利用麻類(lèi)纖維非織造布或麻機(jī)織物[10]2266, [11]499-508，[12-13]與聚丙烯薄膜疊層，制備環(huán)境友好型的熱塑性FMLs。此外，WOLLMANN等[14]、CORTES等[15]265、樊玉[16]10-20、楊棟棟等[17]為提高熱塑性FMLs的彎曲性能，以碳纖維增強(qiáng)聚酰胺、碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮等制備的熱塑性纖維復(fù)合材料為芯層，制備了熱塑性FMLs。

1.2 金屬薄板

當(dāng)前研究和應(yīng)用中的熱塑性FMLs，其金屬薄板多以鋁或鋁合金等材質(zhì)為主，少量使用鋼、鈦等金屬薄板，也有采用泡沫鋁為中間層，以提高產(chǎn)品對(duì)沖擊力的吸收(圖3)[18]。

圖3 含泡沫鋁的熱塑性FMLs其代表性鋪層結(jié)構(gòu)示意

1.3 界面處理

熱塑性FMLs的力學(xué)性能不僅取決于各組分的力學(xué)性能，還與界面的黏結(jié)性能密切相關(guān)。熱塑性FMLs中存在兩種界面：纖維與熱塑性樹(shù)脂基體之間的界面，熱塑性樹(shù)脂基體與金屬薄板之間的界面。

SANTULLI等[10]2265-2274、KUAN等[11]499-508研究發(fā)現(xiàn)，以短纖維非織造材料或由短纖維紗線(xiàn)制備的織物為增強(qiáng)體時(shí)，雖然纖維會(huì)因頭端較多而與熱塑性樹(shù)脂基體之間形成較多的“機(jī)械錨定”作用，但結(jié)合力仍不足，故纖維與樹(shù)脂基體間滑脫仍很明顯。因此，為提高纖維與樹(shù)脂基體之間的結(jié)合力，通常會(huì)對(duì)纖維進(jìn)行預(yù)處理。如堿處理可使纖維表面粗糙化，比表面積增加，這有利于形成有效的結(jié)合界面，提高熱塑性FMLs的力學(xué)性能，但堿液濃度過(guò)高、處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)使纖維的強(qiáng)力下降[19]，最終影響熱塑性FMLs的力學(xué)性能。

金屬薄板，特別是鋁薄板，在自然條件下會(huì)被氧化，表面會(huì)形成致密的氧化膜；此外，在生產(chǎn)、運(yùn)輸及存儲(chǔ)的過(guò)程中，金屬薄板表面沾染的污物會(huì)降低金屬的表面能；再加上熱塑性樹(shù)脂基體自身表面能較低，其對(duì)金屬薄板的黏結(jié)性能不及熱固性樹(shù)脂基體：這些都影響著熱塑性樹(shù)脂基體與金屬薄板之間的黏結(jié)能力。因此，在制備熱塑性FMLs之前，可采用氫氧化鈉溶液、丙酮等溶劑對(duì)金屬薄板表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的去污、去油及表面刻蝕處理[20-21]，還可在高溫條件下對(duì)金屬薄板進(jìn)行退火處理[15]265，進(jìn)一步提高界面的黏結(jié)性能；還可采用改性樹(shù)脂、硅烷偶聯(lián)劑對(duì)金屬薄板進(jìn)行表面涂覆處理，提高金屬薄板與熱塑性樹(shù)脂基體之間的黏結(jié)性能[22-24]，[25]383-386。CHINSIRIKUL等[26]發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于對(duì)金屬薄板表面進(jìn)行酸刻蝕處理，涂覆烯醛類(lèi)共混物可大幅度提高層間的剝離性能。陳凱等[27]32采用噴砂法、徐飛等[28]采用陽(yáng)極氧化法，分別對(duì)鈦箔表面進(jìn)行處理以增加鈦箔表面的粗糙度，增強(qiáng)鈦箔與熱塑性樹(shù)脂基體之間的黏結(jié)性能。董煒等[29]對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于噴砂處理與樹(shù)脂涂覆處理，經(jīng)過(guò)兩次等離子體處理的鈦金屬板，其與高溫環(huán)氧樹(shù)脂膠膜之間的黏結(jié)性能最佳。此外，在金屬薄板與熱塑性樹(shù)脂基體之間引入熱熔膠膜，也可提高兩者的黏結(jié)性能[30-32]。

1.4 冷卻方式

關(guān)于熱壓后冷卻方式對(duì)熱塑性FMLs性能的影響，研究較少。在熱塑性FMLs的制備過(guò)程中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致纖維與樹(shù)脂及樹(shù)脂與金屬薄板之間存在一定的殘余應(yīng)力，這將對(duì)熱塑性FMLs的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。GUILLéN等[33]研究發(fā)現(xiàn)，快速冷卻會(huì)增加熱塑性FMLs內(nèi)部的殘余應(yīng)力，抗彎能力提高；低速冷卻能提高熱塑性樹(shù)脂的結(jié)晶度，熱塑性FMLs的拉伸性能、層間韌性和抗沖擊性能提高。

2 力學(xué)性能

CARRILLO等[34]833-835研究聚丙烯自增強(qiáng)鋁合金層板的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)：其拉伸斷裂強(qiáng)度介于鋁合金薄板與聚丙烯自增強(qiáng)復(fù)合材料之間；其拉伸斷裂應(yīng)變接近聚丙烯自增強(qiáng)復(fù)合材料并大于鋁合金薄板，這主要是由于熱塑性FMLs中有纖維存在，鋁合金薄板在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的剪切帶，裂紋擴(kuò)展路徑彎曲，故而增加了鋁合金薄板在熱塑性FMLs中的拉伸斷裂應(yīng)變[3]735。GONZALEZ-CANCHE等[35]對(duì)熱塑性ARALL的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了研究，也有類(lèi)似的發(fā)現(xiàn)。

對(duì)于以單層織物為增強(qiáng)層的熱塑性FMLs，其拉伸性能與加載方向密切相關(guān)。SIVAKUMAR等[36]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載方向與織物經(jīng)緯向一致時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度與模量最高，當(dāng)加載方向與織物經(jīng)緯向成45°時(shí)，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率最高。

介蘇朋等[9]45-46以自增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料為芯層、鋁薄板為表層的熱塑性FMLs為研究對(duì)象，研究了其拉伸破壞過(guò)程，發(fā)現(xiàn)：熱塑性FMLs表層的鋁薄板先斷裂，接著中間的自增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料芯層因與鋁薄板在彈性方面存在差異而出現(xiàn)分層，且卸載后還因應(yīng)力釋放不均勻?qū)е赂鲗赢a(chǎn)生了較大的翹曲(圖4)。

圖4 拉伸破壞后的熱塑性FMLs

CORTES等[15]266-269,[37]研究發(fā)現(xiàn)：熱塑性FMLs的層間韌性與熱塑性樹(shù)脂的類(lèi)型密切相關(guān)；熱塑性FMLs的拉伸性能與熱塑性樹(shù)脂和增強(qiáng)層纖維的選用，以及疊層方式相關(guān)；相對(duì)于金屬薄板，熱塑性FMLs表現(xiàn)出較好的耐疲勞性能；熱塑性FMLs的楊氏模量可用經(jīng)典層合板理論預(yù)測(cè)，而相對(duì)于最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則，Tsai-Hill和Tsai-Wu失效準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的吻合程度較高。CARRILLO等[38-39]以鋁合金型熱塑性FMLs為研究對(duì)象，以剛度、強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)特性等為表征指標(biāo)，研究了不同鋪層結(jié)構(gòu)下的拉伸性能和低速?zèng)_擊性能。對(duì)于以天然纖維氈為增強(qiáng)體的熱塑性FMLs，MALINGAM等[40]認(rèn)為纖維長(zhǎng)度對(duì)于熱塑性FMLs的力學(xué)性能至關(guān)重要，當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)臨界值后，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，制品的力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)；同時(shí)，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，制品內(nèi)部越易產(chǎn)生空隙等缺陷，最終導(dǎo)致應(yīng)力集中而劣化制品的力學(xué)性能。陳凱等[27]32-33研究發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)試環(huán)境溫度的提高，熱塑性FMLs的抗拉性能、彎曲性能、層間剪切性能等都表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

此外，基于熱塑性FMLs，樊玉[16]21-29對(duì)拉伸性能、彎曲性能及層間剪切性能進(jìn)行了研究；SUBRAMANIAM等[41]、MALINGAM等[42-43]就鋪層方式對(duì)拉伸性能和準(zhǔn)靜態(tài)頂破性能的影響進(jìn)行了研究；COMPSTON等[25]383-386、CORTES[44]就加載速率對(duì)界面韌性的影響進(jìn)行了研究； SANTULLI等[10]2270-2273基于聲發(fā)射原理研究了熱塑性FMLs的破壞特征；BURNS等[45]對(duì)界面性能進(jìn)行了研究；KANG等[46]對(duì)疲勞性能，CARRILLO等[34]830-833對(duì)彎曲性能，KIRATISAEVEE等[47]、LANGDON等[48-50]、ABDULLAH等[51]對(duì)抗沖擊性能，進(jìn)行了研究。

3 成型性能

基于熱塑性樹(shù)脂受熱后軟化、冷卻后定型的特性，熱塑性FMLs可被加工成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。其中，當(dāng)金屬薄板在熱塑性FMLs中所占比例較大時(shí)，可采用諸如沖壓成型、充液成型等傳統(tǒng)的金屬塑性成型工藝制備形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件[1]4-5。

熱塑性FMLs成型條件較為苛刻，制品受成型工藝參數(shù)、熱塑性樹(shù)脂類(lèi)型，以及增強(qiáng)纖維及其結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。CHEN等[52]研究了成型溫度、成型速度及邊界條件對(duì)熱塑性FMLs成型性能的影響，并認(rèn)為成型溫度對(duì)制品成型的影響較為明顯。RAJABI等[53]159-170研究認(rèn)為，沖壓溫度和壓邊力對(duì)熱塑性FMLs深拉成型的影響最為顯著。MOSSE等[6]1159-1165研究認(rèn)為，增加喂入速度可明顯減少制品的形狀誤差和分層現(xiàn)象，提高成型制品的可重復(fù)性；還發(fā)現(xiàn)相對(duì)于鋁板，鋁型熱塑性FMLs具有較好的成型性能。

除上述熱壓成型研究外，REYES-VILLANUEVA等[54]研究發(fā)現(xiàn)，在冷壓成型條件下，熱塑性FMLs與同等厚度的鋁合金板材均表現(xiàn)出了良好的可成型性能(圖5)；RAJABI等[53]159-170、SUPENG等[55]、SEXTON等[56]還進(jìn)一步驗(yàn)證了這一現(xiàn)象，并基于試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了熱塑性FMLs的成型性能。

圖5 鋁合金板材(2024-T3)與熱塑性FMLs的成型性能對(duì)比

此外，介蘇朋等[9]45-47通過(guò)拉伸與彎曲試驗(yàn)間接研究了熱塑性FMLs的成型性能。

4 總結(jié)與展望

熱塑性FMLs憑借其具備的高韌性、可回收性、可成型且適宜大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，迎來(lái)了研究熱潮。眾多學(xué)者對(duì)熱塑性FMLs的制備工藝、力學(xué)性能及可成型性能展開(kāi)了較為全面的研究，但依然存在一些關(guān)鍵問(wèn)題有待做深入探索：

(1) 制備工藝優(yōu)化方面。熱塑性FMLs其性能由組分材料特性和結(jié)構(gòu)決定，并受制備過(guò)程中的熱、力等諸多因素的影響?，F(xiàn)有研究主要集中在纖維表面與金屬薄板表面處理、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋪層方式等對(duì)熱塑性FMLs制品力學(xué)性能、可成型性能的影響，以及成型工藝參數(shù)對(duì)制品成型性能的影響等方面，而在纖維性能與含量、纖維編織結(jié)構(gòu)等對(duì)制品的性能影響方面，相關(guān)研究明顯不足。

(2) 增強(qiáng)纖維與熱塑性樹(shù)脂選用方面。目前，熱塑性FMLs多采用玻璃纖維、聚丙烯纖維、碳纖維及可生物降解的生物質(zhì)纖維等，熱塑性樹(shù)脂也多為不可生物降解的聚丙烯、聚酰胺、聚醚醚酮等。采用上述原料制備的熱塑性FMLs雖然可回收并可再次熱壓制備成其他類(lèi)型的復(fù)合材料，但其可生物降解性明顯不足，而采用完全環(huán)境友好的天然植物纖維和完全可生物降解塑料制備熱塑性FMLs的相關(guān)研究卻較少。

(3) 增強(qiáng)纖維表面處理方面。當(dāng)前對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行表面處理，特別是對(duì)麻類(lèi)纖維進(jìn)行堿處理時(shí)，主要集中在處理方式對(duì)層間韌性的影響上，而就處理后對(duì)熱塑性FMLs的拉伸性能、疲勞性能的影響研究較少，堿處理后麻類(lèi)織物尺寸收縮對(duì)熱塑性FMLs力學(xué)性能的影響也未考慮。

(4) 沖擊性能研究方面。目前，對(duì)熱塑性FMLs沖擊性能的研究主要集中在低速?zèng)_擊方面，高速?zèng)_擊對(duì)性能影響的研究較少。

結(jié)合目前交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)對(duì)輕量化材料在可大批量生產(chǎn)、可回收等方面的需求可知，熱塑性FMLs具有更為廣泛的應(yīng)用前景。