基于电气控制的碳纤维金属层板的制备与性能研究

蔡绍荣，何志强，江 栗，陶宇轩， 沈 力 ，晏小彬

（1国家电网有限公司西南分部，四川成都 610041；2中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610000）

碳纤维增强金属层压板是一种利用胶黏剂把两层或更多层金属薄板（通常为铝合金）和夹在薄板之间的增强碳纤维胶接在一起制成的金属层板复合材料［1］，这种新型结构材料具有组成材料各自的优点，且具有抗疲劳抗损伤性能好，耐环境和耐雷性能优异等特点［2-3］，在现代化航空航天、船舶等领域有着较为广阔的应用前景。碳纤维金属层板复合材料的力学性能除与制成复合材料的原始材料，如碳纤维、铝合金等的基础性能有关外，在制备过程中的各种材料之间的良好界面结合性能是影响复合材料最终力学性能的重要因素［4］，通过对铝合金进行阳极氧化的方法可以在铝合金表面形成多孔结构，进而增强铝合金与基体的结合力，此外，碳纤维的预浸渍工艺也会对碳纤维和基体的界面结合产生重要影响，而目前关于阳极氧化工艺参数和碳纤维预浸渍对碳纤维增强金属层压板复合材料力学性能的影响规律并不清楚［5-8］。本文基于电气控制阳极氧化工艺参数，考察了磷酸溶液浓度、氧化时间、氧化温度、氧化电压对铝合金阳极氧化表面形貌的影响，并在最优化工艺下对比分析了碳纤维预浸渍对金属层压板弯曲性能、冲击性能和剪切性能的影响，结果可为高综合性能的碳纤维增强金属层压板的开发与应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 实验原料

威海光威复合材料股份有限公司提供的T300-3K碳纤维，盛泰塑料制品有限公司提供的B500F尼龙6，西南铝业股份有限公司提供的厚0.5mm的6061铝合金板。

1.2 试样制备

预先将碳纤维加工成100mm×100mm，在体积分数75%的甲酸溶剂中浸泡24h，清水冲洗后置于烘箱中（55℃）进行烘干处理，取出后浸润在质量分数5%的PA6/乙醇溶液中(24h)，然后转入通风橱中将碳纤维表面乙醇挥发，再转入55℃烘箱中烘干。将铝合金加工成100mm×100mm×0.5mm，依次进行丙酮除油、碱洗和酸洗，然后在基于电气控制的阳极氧化装置中对铝合金进行表面阳极氧化处理，电气控制阳极氧化工艺参数［9］。采用PV-8型热压机制备碳纤维金属层板复合材料，上模和下模温度分别为220℃和230℃，挤压压力为5MPa、持续15min。

1.3 测试方法

采用线切割的方法加工力学性能测试试样，尺寸示意图如图1所示。根据ASTM D7264《树脂基复合材料弯曲性能测试标准方法》在MTS-810型液压万能试验机上进行弯曲性能测试，跨距64mm、加载速度1mm/min，取6个试样的平均值作为测试结果；根据ASTM D2344-16 《聚合物基复合材料及其层压材料短梁强度的标准试验方法》在试验机上进行三点弯曲实验，跨距16mm、加载速度2mm/min，取6个试样的平均值作为测试结果；根据ASTM D256 - 10《测定塑料抗悬臂梁摆锤冲击性的标准试验方法》在GX-5017 型悬臂梁冲击试验机上进行，取6个试样的平均值作为测试结果；采用JSM-6800型扫描电子显微镜对铝合金表面形貌和断口形貌进行观察。

图1 力学性能测试试样的尺寸示意图Fig. 1 Size diagram of mechanical property test sample

2 试验结果与分析

图2为磷酸溶液浓度对多孔氧化铝表面形貌的影响，其中，氧化时间、电压和温度分别为5min、120V和15℃。对比分析可知，不同磷酸溶液浓度下形成的纳米孔的形貌存在明显差异，当磷酸溶液浓度为15g/L时，铝合金材料表面已经形成了孔径约58nm的纳米孔；当磷酸溶液浓度增加至30g/L时，铝合金材料表面纳米孔孔径明显增加，平均孔径约128nm，且此时孔径相较于磷酸溶液浓度为15g/L时的纳米孔呈现出更加规则的圆形；继续增加磷酸溶液浓度至45g/L时，纳米孔的孔径进一步增大且变得更加均匀，但是由于纳米孔在生长过程中发生了挤压和吞并现象［10］，使得深度方向上的纳米孔显得薄而脆。

图2 磷酸溶液浓度对多孔氧化铝表面形貌的影响Fig. 2 Effect of phosphoric acid solution concentration on surface morphology of porous alumina

图3为氧化电压对多孔氧化铝表面形貌的影响，其中，氧化时间、温度和磷酸溶液浓度分别为5min、15℃和30g/L。对比分析可知，不同氧化电压下形成的纳米孔的形貌也出现了显著差异，当氧化电压为100V时，铝合金材料表面已经形成了孔径较小且不规则形状的纳米孔，平均孔径约68nm；当氧化电压增加至110V，铝合金材料表面纳米孔逐渐演变成圆形，较大孔径增大至148nm，但是孔径尺寸并不均匀；当氧化电压增加至120V，铝合金材料表面纳米孔孔径变得愈发均匀，最大可达178nm；当氧化电压增加至130V，铝合金材料表面纳米孔会由于过度氧化而发生挤压和吞并［11］。图4为温度对多孔氧化铝表面形貌的影响，其中，氧化时间、氧化电压和磷酸溶液浓度分别为5min、120V和30g/L。对比分析可知，不同温度下形成的纳米孔的形貌也出现了显著差异，当温度为5℃时，铝合金材料表面可见形状不规则的纳米孔，较大孔径约98nm；当温度增加至15℃，铝合金材料表面纳米孔逐渐演变成圆形，孔径大小变得均匀，较大孔径增大至148nm；当温度增加至25℃，铝合金材料表面纳米孔会由于剧烈反应而发生挤压和吞并等破坏。

图3 氧化电压对多孔氧化铝表面形貌的影响Fig. 3 Effect of oxidation voltage on surface morphology of porous alumina

图4 温度对多孔氧化铝表面形貌的影响Fig. 4 Effect of temperature on surface morphology of porous alumina

表1为碳纤维金属层板的力学性能。其中，6061+Er铝合金预先在30g/L磷酸溶液中进行了阳极氧化处理（氧化电压、温度和时间分别为30V、15℃和5min），碳纤维分为两种：未进行预浸渍和经过预浸渍（4%的PA6/乙醇溶液）。碳纤维金属铝层压复合材料是将经过阳极氧化处理的铝合金片、碳纤维和尼龙叠层铺放在模具（100mm×100mm）中，在热压成型机上热压成型制得［12］。相较于未经预浸渍的碳纤维金属层板，经过预浸渍的碳纤维金属层板的冲击强度、剪切强度和弯曲强度分别提高了19.38%、4.55%和22.08%。由此可见，在制备碳纤维金属层板前，将碳纤维预先进行浸渍处理，可以一定程度提高复合材料的冲击强度、剪切强度和弯曲强度，这主要是因为经过预浸渍处理的碳纤维与尼龙基体的粘结强度会增大，并在冲击、剪切和弯曲过程中抑制碳纤维的拔出，增加阻力的同时起到了提高力学性能的作用［13］。

表1 碳纤维金属层板的力学性能Table 1 Mechanical properties of carbon fiber metal laminates

图5为预浸渍前后碳纤维金属层板的拉伸断口形貌。对于未预浸渍的碳纤维金属层板，断口形貌中可见碳纤维的拔出较为杂乱，局部可见碳纤维发生了扭曲，而预浸渍后碳纤维金属层板中的碳纤维长短不一，碳纤维周围可见尼龙包覆现象；此外，未预浸渍的碳纤维金属层板的断口形貌中的碳纤维表面基本未见尼龙粘接现象，且由于碳纤维与基体的结合力较差，碳纤维与基体的界面还可见明显分层现象；经过预浸渍的碳纤维金属层板，由于预浸渍后碳纤维与基体的结合力较大，断口形貌中可见碳纤维束之间存在尼龙粘接，且碳纤维与基体的界面的分层现象较少。预浸渍前后碳纤维金属层板的断口形貌的观察结果与表1的力学性能测试结果相吻合。

图5 预浸渍前后碳纤维金属层板的拉伸断口形貌Fig. 5 Tensile fracture morphology of carbon fiber metal laminate before and after pre impregnation

3 结论

（1）当采用电气控制，磷酸溶液浓度为30g/L、氧化时间为5min、氧化温度为15℃、氧化电压为120V时，铝合金材料表面可见尺寸均匀、孔径较大的纳米孔，为适宜的阳极氧化工艺。

（2）相较于未经预浸渍的碳纤维金属层板，经过预浸渍的碳纤维金属层板的冲击强度、剪切强度和弯曲强度分别提高了19.38%、4.55%和22.08%。预浸渍前后碳纤维金属层板的断口形貌的观察结果与力学性能测试结果一致。