玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂鎂合金疊層板及其成型方法和性能研究

玻璃纖維增樹(shù)脂合金疊板及其成型法和性能研鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼減震性能和電磁屏蔽性優(yōu)良、導(dǎo)熱性能和成型性能好、易于回收等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于汽車交通、航空航天、電子通訊等行業(yè)中。然而鎂合金性質(zhì)活潑耐腐蝕性能差,嚴(yán)重的制約了其應(yīng)用范圍。以玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金疊層板（ReinforcedAluminumLaminates,GLARE）為代表的纖維金屬層板可充分發(fā)揮金屬板材、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)并在相當(dāng)程度上抑制各自的弱點(diǎn)具有高損傷容限、輕量化、耐火、耐腐蝕等系列顯著優(yōu)點(diǎn)已成功應(yīng)用于空客A380和波音777飛機(jī)制造等領(lǐng)域同為優(yōu)秀輕量化材料的鎂合金和玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料在強(qiáng)度耐腐蝕性損傷容限等方面有很好的互補(bǔ)性二者的復(fù)合可趨利避害,創(chuàng)出新材料或新特性。本論文借鑒航空用獲得高性能的技巧,以及鋁塑板、覆銅板等實(shí)現(xiàn)高效率、低成本制造的方法,致力于構(gòu)建發(fā)展纖維增強(qiáng)樹(shù)脂鎂合金疊層復(fù)合板（GlassResin/MagnesiumLaminate,GFRR/Mg）的技術(shù)基礎(chǔ)。本論文本研究致力于發(fā)展輕質(zhì)、高性能的纖維增強(qiáng)鎂合金疊層板新材料以及探尋鎂合金高質(zhì)量低成本防腐的新途徑論文重點(diǎn)研究了鎂合金板表面改性纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/鎂合金疊層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型方法、結(jié)合區(qū)界面特性及其調(diào)控、疊層板損傷行為和腐蝕行為等內(nèi)容。論文主要研究工作及結(jié)果如下1.分析了纖維金屬層板疊層方法對(duì)于鎂合金板表面要求,研究并初步掌握了磷酸鹽錳酸鹽-磷酸鹽化學(xué)改性法獲得致密、均勻轉(zhuǎn)化膜層的鎂合金表面改性方法。化學(xué)改性實(shí)驗(yàn)及膜層微觀組織結(jié)構(gòu)觀察分析結(jié)果表明鎂合金表面磷酸鹽和高錳酸鹽-磷酸鹽改性處理的最佳時(shí)間均為分鐘,此時(shí)鎂合金表面磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜呈上層疏松多孔層致密均勻的雙層結(jié)構(gòu),高錳酸鹽磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜呈規(guī)則致密的網(wǎng)狀單層膜;鎂合金表面磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的主要化學(xué)成分為（PO₄）₂·4H₂OMg₃（PO₄）₂、MgMoO₄、ZnO等鹽類或氧化物,高錳酸鹽-磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的主要化學(xué)成分為Mg₃（PO₄）₂、MgMn₂O₄AlPO₄等鹽類。鎂合金對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂及水的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕行為實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果表明經(jīng)磷酸鹽、高錳酸

鹽-磷酸鹽改性處理后,鎂合金潤(rùn)濕性得到改善表面能分別比僅打磨處理的鎂合金高50%和64.6%合金化學(xué)改性前的表面粗糙度對(duì)磷酸鹽和高錳酸鹽-磷酸鹽改性后鎂合金的潤(rùn)濕性影響不大。2.研究并設(shè)計(jì)出了兩種結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/鎂合金疊層復(fù)合板,實(shí)驗(yàn)并優(yōu)化出了疊層成型方法。兩種結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/鎂合金疊層復(fù)合板分別為:致力于獲得輕質(zhì)性能“2+3玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂鎂合金疊層（兩層玻璃纖維預(yù)浸料與三層鎂合金板交替疊層復(fù)合;致力于發(fā)展鎂合金高質(zhì)量、低成本防腐新途徑的2+1”玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/鎂合金疊層（兩層玻璃纖維預(yù)浸料包覆一層鎂合金板究獲得的疊層成型工藝包括:鎂合金板與纖維增強(qiáng)樹(shù)脂預(yù)浸料直接粘接熱壓成型;通過(guò)改性聚丙烯熱熔膜間接粘接熱壓成型等。疊層板橫截面圖像顯示疊層復(fù)合成型后,化學(xué)改性的鎂合金板制備的疊層板中磷化膜層厚度約為μm,高錳酸鹽-磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的厚度約為6μm直接粘接的疊層板界面結(jié)合區(qū)存在少許空洞、裂縫等缺陷,使用改性聚丙烯膜間接粘接的疊層板界面結(jié)合區(qū)結(jié)構(gòu)致密,缺陷少。3.測(cè)試分析了“”玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/鎂合金疊層板的力學(xué)性能研究并初步揭示了鎂合金表面改性和疊層板粘接類型對(duì)疊層板力學(xué)性能的影響規(guī)律果表明,使用改性聚丙烯膜間接粘接熱壓成型“疊層板的抗拉強(qiáng)度比直接粘接熱壓成型的疊層板高8.7%,彎曲強(qiáng)度高層間剪切強(qiáng)度和界面斷裂能分別高30%和120%。AZ31B鎂合金經(jīng)磷酸鹽、高錳酸-磷酸鹽改性后,在短時(shí)間內(nèi)具有較好的防腐蝕效果,能為后續(xù)疊層復(fù)合工藝提供足夠時(shí)間保證。經(jīng)磷酸鹽改性高錳酸鹽-磷酸鹽改性的直接粘接熱壓成“疊層板的界面斷裂能分別比僅打磨處理的直接粘接疊層板高58%和43%,磷酸鹽改性、高錳酸鹽-磷酸鹽改性的間接粘接熱壓成型“2+3”疊層板的界面斷裂能分別比僅打磨處理的間接粘接疊層板高37%和24.5%。鎂合金的打磨粗糙度也對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂鎂合金疊層板的界面粘接性能有影響。經(jīng)砂紙打磨處理的鎂合金板（Ra為μm）制備的“2+3”疊層板的層間剪切強(qiáng)度比基于2000#砂紙打（Ra為0.23μm的疊層板高左右,界面斷裂能高18%左右。較為系統(tǒng)地研究了“”玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂鎂合金疊層板的腐蝕行為,揭示了其優(yōu)良的防腐蝕性能吸水性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在23°C

下“2+1”疊層板的單位面積吸水量為18.6g/m²左右,對(duì)于試樣質(zhì)量的吸水百分率為0.8738%左右,耐水性較好。全浸腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明”玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/鎂合金疊層板在3.5%NaCl溶液中浸泡24小時(shí)的單位面積析氫體積約為ml/cm²,僅為浸泡同樣時(shí)間的AZ31B合金試樣的0.18%,浸泡360小時(shí)時(shí)也僅有ml/cm²,遠(yuǎn)低于AZ31B合金;浸泡天后”疊層板的抗拉強(qiáng)度為未浸泡前的90.8%,AZ31B合金的抗拉強(qiáng)度已不可測(cè)量,浸泡25天后,“2+1”疊層板的抗拉強(qiáng)度仍有未浸泡前的。電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,“2+1”玻