玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板及其成型方法和性能研究

摘要

镁合金作为最轻的金属结构材料之一，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性能和电磁屏蔽性优良、导热性能和成型性能好、易于回收等优点，被广泛的应用于汽车交通、航空航天、电子通讯等行业中。然而镁合金性质活泼，耐腐蚀性能差，严重的制约了其应用范围。以玻璃纤维增强铝合金叠层板（Glass Reinforced Aluminum Laminates，GLARE）为代表的纤维金属层板可充分发挥金属板材、纤维增强复合材料的优点并在相当程度上抑制各自的弱点，具有高损伤容限、轻量化、耐火、耐腐蚀等系列显著优点，已成功应用于空客A380和波音777飞机制造等领域。
　　同为优秀轻量化材料的镁合金和玻璃纤维增强树脂复合材料在强度、耐腐蚀性、损伤容限等方面有很好的互补性，二者的复合可趋利避害，创出新材料或新特性。本论文借鉴航空用GLARE获得高性能的技巧，以及铝塑板、覆铜板等实现高效率、低成本制造的方法，致力于构建发展纤维增强树脂/镁合金叠层复合板（Glass Fiber Reinforced Resin/Magnesium Laminate，GFRR/Mg）的技术基础。
　　本论文本研究致力于发展轻质、高性能的纤维增强镁合金叠层板新材料，以及探寻镁合金高质量、低成本防腐的新途径。论文重点研究了镁合金板表面改性、纤维增强树脂/镁合金叠层板结构设计和成型方法、结合区界面特性及其调控、叠层板损伤行为和腐蚀行为等内容。论文主要研究工作及结果如下：
　　1.分析了纤维金属层板叠层方法对于镁合金板表面要求，研究并初步掌握了磷酸盐、高锰酸盐-磷酸盐化学改性法获得致密、均匀转化膜层的镁合金表面改性方法。化学改性实验及膜层微观组织结构观察分析结果表明，镁合金表面磷酸盐和高锰酸盐-磷酸盐改性处理的最佳时间均为5分钟，此时镁合金表面磷酸盐转化膜呈上层疏松多孔、下层致密均匀的双层结构，高锰酸盐-磷酸盐转化膜呈规则致密的网状单层膜；镁合金表面磷酸盐转化膜的主要化学成分为Zn3(PO4)2·4H2O、Mg3(PO4)2、MgMoO4、ZnO等盐类或氧化物，高锰酸盐-磷酸盐转化膜的主要化学成分为Mg3(PO4)2、MgMn2O4、AlPO4等盐类。镁合金对环氧树脂及水的动态润湿行为实验、分析结果表明，经磷酸盐、高锰酸盐-磷酸盐改性处理后，镁合金润湿性得到改善，表面能分别比仅打磨处理的镁合金高50％和64.6%。镁合金化学改性前的表面粗糙度对磷酸盐和高锰酸盐-磷酸盐改性后镁合金的润湿性影响不大。
　　2.研究并设计出了两种结构的纤维增强树脂/镁合金叠层复合板，实验并优化出了叠层成型方法。两种结构的纤维增强树脂/镁合金叠层复合板分别为：致力于获得轻质、高性能的“2+3”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板（两层玻璃纤维预浸料与三层镁合金板交替叠层复合）；致力于发展镁合金高质量、低成本防腐新途径的“2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板（两层玻璃纤维预浸料包覆一层镁合金板）。研究获得的叠层成型工艺包括：镁合金板与纤维增强树脂预浸料直接粘接热压成型；通过改性聚丙烯热熔膜间接粘接热压成型等。叠层板横截面SEM图像显示，叠层复合成型后，化学改性的镁合金板制备的叠层板中，磷化膜层厚度约为20μm，高锰酸盐-磷酸盐转化膜的厚度约为6μm。直接粘接的叠层板界面结合区存在少许空洞、裂缝等缺陷，使用改性聚丙烯膜间接粘接的叠层板界面结合区结构致密，缺陷少。
　　3.测试分析了“2+3”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的力学性能，研究并初步揭示了镁合金表面改性和叠层板粘接类型对叠层板力学性能的影响规律。结果表明，使用改性聚丙烯膜间接粘接热压成型的“2+3”叠层板的抗拉强度比直接粘接热压成型的叠层板高8.7%，弯曲强度高4.5%，层间剪切强度和界面断裂能分别高30%和120%。AZ31B镁合金经磷酸盐、高锰酸盐-磷酸盐改性后，在短时间内具有较好的防腐蚀效果，能为后续叠层复合工艺提供足够时间保证。经磷酸盐改性、高锰酸盐-磷酸盐改性的直接粘接热压成型“2+3”叠层板的界面断裂能分别比仅打磨处理的直接粘接叠层板高58%和43%，经磷酸盐改性、高锰酸盐-磷酸盐改性的间接粘接热压成型“2+3”叠层板的界面断裂能分别比仅打磨处理的间接粘接叠层板高37%和24.5%。镁合金的打磨粗糙度也对玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的界面粘接性能有影响。经120＃砂纸打磨处理的镁合金板（Ra为0.92μm）制备的“2+3”叠层板的层间剪切强度比基于2000＃砂纸打磨（Ra为0.23μm）的叠层板高13%左右，界面断裂能高18%左右。
　　4.较为系统地研究了“2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的腐蚀行为，揭示了其优良的防腐蚀性能。吸水性实验结果表明，在23℃下“2+1”叠层板的单位面积吸水量为18.6g/m2左右，相对于试样质量的吸水百分率为0.8738%左右，耐水性较好。全浸腐蚀实验结果表明。“2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板在3.5%NaCl溶液中浸泡24小时的单位面积析氢体积约为0.008ml/cm2，仅为浸泡同样时间的AZ31B镁合金试样的0.18%，浸泡360小时时也仅有0.19ml/cm2，远低于AZ31B镁合金；浸泡15天后，“2+1”叠层板的抗拉强度为未浸泡前的90.8%，AZ31B镁合金的抗拉强度已不可测量，浸泡25天后，“2+1”叠层板的抗拉强度仍有未浸泡前的62.6%。电化学腐蚀实验结果表明，“2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的腐蚀电位约为-0.646V，比AZ31B镁合金板向正向移动了约0.927V；腐蚀电流密度约为1.05×10-3μA/cm2，比AZ31B镁合金板低5个数量级。

目录

1 绪 论

1.1 选题的背景及意义

1.2 镁合金板材概述

1.3 纤维增强复合材料及其特点

1.4 纤维增强金属层板及其特点

1.5 复合材料界面及其调控

1.6 论文的主要研究内容和意义

2 镁合金表面改性及表面性能研究

2.1 引言

2.2 镁合金表面改性

2.3 镁合金表面性能分析方法

2.4镁合金表面磷酸盐改性及表面性能研究

2.5镁合金表面高锰酸盐-磷酸盐改性及表面性能研究

2.6 本章小结

3 玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板设计及成型方法研究

3.1 引言

3.2 玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板材料选择

3.3 玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板结构设计

3.4 玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板成型工艺设计

3.5 “2+3”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的基本性能评估

3.6 本章小结

4 “2+3”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板界面损伤行为研究

4.1 引言

4.2 玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板界面性能测试及分析方法

4.3 表面改性对玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板层间剪切强度的影响

4.4 表面改性对玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板界面断裂韧性的影响

4.5 本章小结

5 “2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的腐蚀行为研究

5.1 引言

5.2 “2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的吸水性能实验及结果分析

5.3“2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板的全浸腐蚀实验及结果分析

5.4“2+1”玻璃纤维增强树脂/镁合金叠层板电化学腐蚀实验及结果分析

5.5 本章小结

6 结 论

6.1 结论

6.2 主要创新点

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目：