一种碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构及其制备方法

1.本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着航天航空工业的不断发展，高性能飞行器对结构件重量提出了更为苛刻的要求。在先进飞行器中，梁结构是一类重要的承力结构，目前飞机上使用的梁结构主要采用铝合金、钛合金、高强钢等制备的金属梁。传统金属材料经过长期发展，相关理论和制造工艺趋于成熟，其抗拉强度、弹性模量等力学性能难以大幅提高，无法达到先进飞行器的减重需求。为了实现飞行器承力梁结构件进一步减重，需要采用比强度更高、比模量更高的轻质高强材料制造承力梁结构，进而提高梁结构件承载能力，降低构件重量。
3.在高性能新材料研发过程中，复合化是提高材料强度、降低材料密度的重要途径。连续单丝碳化硅纤维具有强度高、模量高、密度低等优点，适合作为金属基复合材料的增强体。使用碳化硅纤维增强金属材料后，可以获得高比强度、高比模量、抗蠕变、耐疲劳的金属基复合材料。使用金属基复合材料替换原有金属材料制成承力结构件后，能够大幅提高结构件性能，减重效果可达30％～70％，在航空航天领域具有非常明确的应用前景。


技术实现要素：

4.面向先进飞行器对承力梁结构件的减重需求，本发明的目的在于提供一种碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构及其制备方法，采用连续单丝碳化硅纤维作为增强体，制备出新型金属基复合材料承力梁结构件，能够提高梁结构件承载能力，减轻梁结构件的重量。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁呈工字型，包括上缘条、下缘条和腹板，平行相对的上缘条、下缘条之间通过腹板垂直连接为一体，上缘条、下缘条中分别设有碳化硅纤维增强金属基复合材料层；在碳化硅纤维增强金属基复合材料层中，碳化硅纤维表面沉积金属涂层，具有金属涂层的纤维沿承力梁长度方向均匀排布。
7.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，碳化硅纤维增强金属基复合材料层分别埋在上缘条、下缘条里面，表面没有纤维露出。
8.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，复合材料承力梁的金属基体选材采用轻质合金，包括但不限于铝合金、钛合金或钛铝系合金。
9.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，碳化硅纤维为连续单丝碳化硅纤维，该纤维采用化学气相沉积法制备，纤维直径范围在90～150微米。
10.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，首先加工复合材
料承力梁模具，在复合材料承力梁模具缘条部分加工出凹槽预留纤维铺放位置，然后使用物理气相沉积的方法在碳化硅纤维表面沉积金属涂层，再将表面具有金属涂层的纤维排布制成致密预制带，预制带裁剪后堆叠整体放入复合材料承力梁模具缘条凹槽内部，经过热处理除有机胶排气后真空密封，使用热等静压方法将复合材料致密化成型，最终经过机械加工得到碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构件。
11.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，包括如下步骤：
12.(1)加工复合材料承力梁模具：在工字梁主体的上缘条和下缘条表面分别开设长方体形凹槽，预留复合材料预制带铺放位置，与凹槽长宽尺寸匹配的复合材料预制带叠层置于凹槽中，复合材料预制带通过其顶部的盖板压实，盖板焊接于相应的凹槽且分别与上缘条和下缘条表面平齐；
13.(2)复合材料先驱丝制备：利用物理气相沉积方法在碳化硅纤维表面沉积金属涂层得到复合材料先驱丝；
14.(3)复合材料预制带制备：将复合材料先驱丝排布并通过有机胶粘接制成单层复合材料预制带，按照凹槽尺寸对预制带裁剪，再将复合材料预制带堆叠放到复合材料承力梁模具的凹槽里面；
15.(4)复合材料承力梁热处理：对复合材料承力梁模具进行真空热处理，去除用于复合材料制带过程中用于固定先驱丝的有机胶；
16.(5)复合材料承力梁成型：复合材料承力梁模具热处理完成后，复合材料承力梁模具的凹槽采用盖板通过电子束真空焊接密封，真空密封后的复合材料承力梁模具采用热等静压方式将复合材料充分致密化，使得复合材料先驱丝之间孔隙完全闭合；
17.(6)复合材料承力梁加工：对复合材料承力梁模具进行机械加工，去除多余的复合材料承力梁模具部分，最终得到的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构件。
18.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，步骤(2)中，金属涂层厚度范围在10～60微米。
19.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，步骤(3)中，复合材料预制带的复合材料先驱丝紧密排布，相邻复合材料先驱丝间隙范围在1～8微米。
20.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，步骤(4)中，真空热处理的加热温度范围在200～400℃。
21.所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，步骤(5)中，热等静压温度范围在400～1000℃，热等静压压力范围在25～200mpa。
22.本发明的设计思想是：
23.第一、本发明涉及的复合材料承力梁采用一体化成型方案，复合材料整体内埋到梁结构件缘条内部，采用连续长纤维增强，碳化硅纤维沿梁长度方向铺设，不需要额外的机械固定装置，复合材料承力梁结构设计紧凑、减重效果好。复合材料承力梁缘条和腹板为一体式结构，缘条和腹板接触位置没有引入额外焊缝，避免了焊接缺陷等隐患。
24.第二、本发明涉及的复合材料承力梁内部纤维分布均匀、纤维体积分数精密可调。在纤维表面使用物理气相沉积的方法预沉积了一层金属涂层，能够避免成型过程中纤维之间发生直接接触，保障纤维增强金属基复合材料的力学性能。通过改变表面沉积的金属涂层厚度，能够精密调控碳化硅纤维体积分数。
25.本发明具有如下优点及有益效果：
26.1、本发明提出了一种碳化硅纤维金属基复合材料承力梁结构，该复合材料承力梁使用大直径连续单丝碳化硅纤维作为增强体，提高了梁结构抵抗弯曲变形能力。该复合材料承力梁基体选用轻质合金，包括但不限于铝合金、钛合金、钛铝系合金等低密度金属材料，有利于降低结构件重量。
27.2、本发明复合材料承力梁采用整体式紧凑结构设计方案，碳化硅纤维整体内埋在缘条里面，缘条和腹板不需要额外的机械固定装置，有利于实现更大的减重效果。
附图说明
28.图1为复合材料承力梁结构示意图。其中，(a)为立体图，(b)为截面图。
29.图2为复合材料承力梁模具结构图。
30.图中，1承力梁，2上缘条，3腹板，4下缘条，5碳化硅纤维增强金属基复合材料层，6工字梁主体，7复合材料预制带，8盖板，9凹槽。
具体实施方式
31.在具体实施过程中，本发明提出一种碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构及其制备方法，复合材料承力梁采用连续单丝碳化硅纤维增强，碳化硅纤维沿梁长度方向均匀排布，提高梁抵抗弯曲变形的能力。复合材料承力梁采用一体式紧凑型设计，碳化硅纤维位于梁缘条内部，梁缘条和腹板采取整体制造，不需要额外的螺钉、铆钉等机械固定装置。其制备方法如下：首先加工复合材料承力梁模具，在复合材料承力梁模具缘条部分加工出凹槽预留纤维铺放位置，然后使用物理气相沉积的方法在碳化硅纤维表面沉积金属涂层，再将表面具有金属涂层的纤维排布制成致密预制带，预制带裁剪后堆叠整体放入复合材料承力梁模具缘条凹槽内部，经过热处理除胶排气后真空密封，使用热等静压方法将复合材料致密化成型，最终经过机械加工得到碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构件。
32.本发明碳化硅纤维增强金属基复合材料中，sic纤维体积分数为20～80％，其余为金属涂层。
33.下面，结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
34.实施例
35.如图1所示，碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁1呈工字型，包括上缘条2、下缘条4和腹板3，平行相对的上缘条2、下缘条4之间通过腹板3垂直连接，上缘条2、下缘条4中分别设有碳化硅纤维增强金属基复合材料层5，碳化硅纤维沿承力梁1的长度方向增强。碳化硅纤维增强金属基复合材料层5中，sic纤维体积分数为50％，其余为tc4钛合金涂层。
36.如图1-图2所示，碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁制备方法包括以下步骤：
37.(1)加工复合材料承力梁模具：如图2所示，在工字梁主体6的上缘条2和下缘条4表面分别开设长方体形凹槽9，预留复合材料预制带7铺放位置，与凹槽9长宽尺寸匹配的复合材料预制带7叠层置于凹槽9中，复合材料预制带7通过其顶部的盖板8压实，盖板8焊接于相应的凹槽9且分别与上缘条2和下缘条4表面平齐。其中，工字梁主体6和盖板8均为tc4钛合金。
38.(2)复合材料先驱丝制备：利用物理气相沉积方法在碳化硅纤维表面沉积tc4钛合金涂层得到复合材料先驱丝，碳化硅纤维直径100微米，钛合金涂层厚度20微米。
39.(3)复合材料预制带制备：将复合材料先驱丝排布并通过二甲苯有机胶粘接制成单层复合材料预制带7，单层复合材料预制带7中相邻复合材料先驱丝间隙2微米，按照凹槽尺寸对预制带裁剪，再将复合材料预制带7堆叠放到复合材料承力梁模具的凹槽9里面。
40.(4)复合材料承力梁热处理：对复合材料承力梁模具进行真空热处理，加热温度到300℃，去除用于复合材料制带过程中用于固定先驱丝的有机胶。
41.(5)复合材料承力梁成型：复合材料承力梁模具热处理完成后，复合材料承力梁模具的凹槽9采用盖板8通过电子束真空焊接密封，然后将复合材料承力梁模具进行热等静压成型，热等静压成型温度在850℃，压力120mpa。
42.(6)复合材料承力梁加工：对复合材料承力梁模具进行机械加工，去除多余的复合材料承力梁模具部分，最终得到的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构件。
43.实施例结果表明，本发明复合材料承力梁采用内埋式紧凑型结构设计方案，金属基体选择铝合金、钛合金或钛铝系合金等轻质合金，以高性能连续单丝碳化硅纤维为增强体，碳化硅纤维位于梁缘条内部，纤维排布方向沿梁的长度方向，提高了梁结构的抗弯曲能力，降低了梁结构的重量，为高性能飞行器用梁结构件减重提供了技术新方案。

技术特征：
1.一种碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，其特征在于，碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁呈工字型，包括上缘条、下缘条和腹板，平行相对的上缘条、下缘条之间通过腹板垂直连接为一体，上缘条、下缘条中分别设有碳化硅纤维增强金属基复合材料层；在碳化硅纤维增强金属基复合材料层中，碳化硅纤维表面沉积金属涂层，具有金属涂层的纤维沿承力梁长度方向均匀排布。2.根据权利要求1所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，其特征在于，碳化硅纤维增强金属基复合材料层分别埋在上缘条、下缘条里面，表面没有纤维露出。3.根据权利要求1所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，其特征在于，复合材料承力梁的金属基体选材采用轻质合金，包括但不限于铝合金、钛合金或钛铝系合金。4.根据权利要求1所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构，其特征在于，碳化硅纤维为连续单丝碳化硅纤维，该纤维采用化学气相沉积法制备，纤维直径范围在90～150微米。5.一种权利要求1至4之一所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，其特征在于，首先加工复合材料承力梁模具，在复合材料承力梁模具缘条部分加工出凹槽预留纤维铺放位置，然后使用物理气相沉积的方法在碳化硅纤维表面沉积金属涂层，再将表面具有金属涂层的纤维排布制成致密预制带，预制带裁剪后堆叠整体放入复合材料承力梁模具缘条凹槽内部，经过热处理除有机胶排气后真空密封，使用热等静压方法将复合材料致密化成型，最终经过机械加工得到碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构件。6.根据权利要求5所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)加工复合材料承力梁模具：在工字梁主体的上缘条和下缘条表面分别开设长方体形凹槽，预留复合材料预制带铺放位置，与凹槽长宽尺寸匹配的复合材料预制带叠层置于凹槽中，复合材料预制带通过其顶部的盖板压实，盖板焊接于相应的凹槽且分别与上缘条和下缘条表面平齐；(2)复合材料先驱丝制备：利用物理气相沉积方法在碳化硅纤维表面沉积金属涂层得到复合材料先驱丝；(3)复合材料预制带制备：将复合材料先驱丝排布并通过有机胶粘接制成单层复合材料预制带，按照凹槽尺寸对预制带裁剪，再将复合材料预制带堆叠放到复合材料承力梁模具的凹槽里面；(4)复合材料承力梁热处理：对复合材料承力梁模具进行真空热处理，去除用于复合材料制带过程中用于固定先驱丝的有机胶；(5)复合材料承力梁成型：复合材料承力梁模具热处理完成后，复合材料承力梁模具的凹槽采用盖板通过电子束真空焊接密封，真空密封后的复合材料承力梁模具采用热等静压方式将复合材料充分致密化，使得复合材料先驱丝之间孔隙完全闭合；(6)复合材料承力梁加工：对复合材料承力梁模具进行机械加工，去除多余的复合材料承力梁模具部分，最终得到的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构件。7.根据权利要求6所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，金属涂层厚度范围在10～60微米。
8.根据权利要求6所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，复合材料预制带的复合材料先驱丝紧密排布，相邻复合材料先驱丝间隙范围在1～8微米。9.根据权利要求6所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，真空热处理的加热温度范围在200～400℃。10.根据权利要求6所述的碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，热等静压温度范围在400～1000℃，热等静压压力范围在25～200mpa。

技术总结
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构及其制备方法。复合材料承力梁采用一体式紧凑型设计，碳化硅纤维位于梁缘条内部，梁缘条和腹板采取整体制造，不需要额外的螺钉、铆钉等机械固定装置。首先在复合材料承力梁模具缘条部分加工出凹槽预留纤维铺放位置，然后在碳化硅纤维表面沉积金属涂层，再将具有金属涂层的纤维排布制成预制带，预制带裁剪后堆叠整体放入复合材料承力梁模具缘条凹槽内部，真空密封后采用热等静压工艺成型，最终经过机械加工得到碳化硅纤维增强金属基复合材料承力梁结构件。本发明采用连续单丝碳化硅纤维作为增强体，能够提高梁结构件承载能力，减轻梁结构件的重量。减轻梁结构件的重量。


技术研发人员：王玉敏 孔旭 杨青 张国兴 杨锐
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/6/26