冷軋制備碳纖維-鋁合金層板及其彎曲力學(xué)性能

王 健 張亮亮 于 躍 付昌云

燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，066004

0 引言

纖維增強(qiáng)金屬層板（fiber metal laminates，F(xiàn)MLs）是合金薄板和纖維增強(qiáng)聚合物材料組成的一種混雜結(jié)構(gòu)材料，它不僅繼承了纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度和耐腐蝕特性，而且具有合金材料優(yōu)異的可加工性和抗沖擊性，由于層板中纖維的橋接作用可以有效抑制裂紋擴(kuò)展，其抗疲勞性尤為顯著，以上優(yōu)良的性能，使得FMLs在航天工程上得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。

通過(guò)改變纖維體系（芳綸、玻璃纖維或碳纖維）和合金種類(lèi)（鋁合金、鎂合金或鈦合金）可以得到多種層板系列，如芳綸纖維增強(qiáng)鋁合金層合板（aramid reinforced aluminum laminates，ARALL）、玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板（glass reinforced aluminum laminates，GLARE）和碳纖維增強(qiáng)鋁合金層合板 （carbon reinforced aluminum laminates，CAR－ALL）3種類(lèi)型［4］。由于碳纖維具有比強(qiáng)度比模量高、密度小、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，故相比ARALL和GLARE，CARALL的應(yīng)用更為廣泛，它克服了芳綸纖維與樹(shù)脂界面結(jié)合強(qiáng)度低易剝離的現(xiàn)象，且抗拉強(qiáng)度和模量均優(yōu)于GLARE，表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能、抗疲勞性能、較低的裂紋擴(kuò)展率和較好的抗沖擊性，能更好地發(fā)揮纖維橋接裂縫和增強(qiáng)增韌的作用，裂縫止裂效果明顯。

傳統(tǒng)的制備FMLs方法是將金屬薄板與纖維／樹(shù)脂交替鋪設(shè)后，通過(guò)模壓或熱壓罐設(shè)備在一定溫度和壓力下固化成形。BIENIAS＇等［5］采用熱壓罐工藝制備了 Al／CFRP（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）層板，結(jié)合落錘試驗(yàn)測(cè)試了材料的低速?zèng)_擊損傷性能；HU等［6］利用熱壓法制備了Ti／CFRP層板，分析了不同溫度下板材的彎曲性能；DADEJ等［7］通過(guò)熱壓罐工藝制備了Al／CFRP層板，利用拉伸張力試驗(yàn)測(cè)試了板材的疲勞性能。由此可見(jiàn)熱壓罐和模壓工藝制備層板技術(shù)相對(duì)成熟，但是模式較為單一，模壓工藝針對(duì)不同產(chǎn)品需要制定特定的模具，操作復(fù)雜，而熱壓罐設(shè)備造價(jià)昂貴，生產(chǎn)過(guò)程中需耗費(fèi)大量的人力物力，不利于復(fù)合板的大規(guī)模生產(chǎn)。由此，新型成形工藝的提出對(duì)FMLs在更廣闊領(lǐng)域的推廣使用具有一定指導(dǎo)意義。

層板軋制工藝在我國(guó)技術(shù)成熟且廣泛應(yīng)用于金屬材料生產(chǎn)，基本原理是將不同的金屬板疊層同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)的軋輥軋制，在軋輥強(qiáng)大的軋制力作用下使相鄰材料表面發(fā)生塑性變形，并使表層材料破裂裸露出新鮮組織，最終形成以物理冶金鍵合的復(fù)合材料。相比其他工藝，軋制復(fù)合工藝的結(jié)合強(qiáng)度高，設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，符合節(jié)能環(huán)保要求［8－9］。

基于FMLs加熱加壓的成形條件，考慮與金屬軋制成形工藝相近，本文對(duì)層板進(jìn)行可控的軋制制備。根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)，將預(yù)浸料裁剪后疊層夾于上下鋁合金薄板中間；為改善鋁合金／纖維樹(shù)脂界面膠接性能，分別采用機(jī)械打磨法、化學(xué)清洗法和陽(yáng)極氧化法對(duì)鋁合金表面進(jìn)行預(yù)處理；基于不同壓下量條件，采用“一步軋制”給予層合板瞬間高壓，以提高其成形性能；結(jié)合三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)考察了不同表面處理工藝及壓下量對(duì)板材彎曲性能的影響，觀察并分析了試樣斷面顯微組織形貌。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用原材料為USN 17500單向碳纖維／環(huán)氧預(yù)浸料和AA 6061鋁合金，其工藝參數(shù)和化學(xué)成分分別見(jiàn)表1和表2。為了消除板材內(nèi)應(yīng)力和加工硬化現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行退火處理，將AA 6061鋁合金加熱到530℃保溫2h后空冷。

表1 USN 17500預(yù)浸料工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of USN 17500prepreg

表2 AA 6061鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of AA 6061aluminum alloy（mass fraction） %

1.2 金屬表面預(yù)處理

對(duì)退火后的鋁合金板進(jìn)行表面處理，除去板材表面油污雜質(zhì)和氧化物，以利于軋制時(shí)提高鋁合金／纖維樹(shù)脂界面結(jié)合性能。本試驗(yàn)分別對(duì)鋁合金表面進(jìn)行機(jī)械打磨、化學(xué)清洗和陽(yáng)極氧化預(yù)處理，再用丙酮和酒精反復(fù)擦洗表面并用熱吹風(fēng)吹干，具體工藝見(jiàn)表3。

表3 鋁板表面預(yù)處理工藝Tab.3 Surface pretreatment process of aluminum plate

為改善樹(shù)脂基體與金屬表層浸潤(rùn)性，提高鋁板表面活性和耐蝕性，在經(jīng)不同方法預(yù)處理的鋁合金薄板表面涂刷一層硅烷偶聯(lián)劑KH560（一縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷），由于偶聯(lián)劑具有可與無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料相結(jié)合的反應(yīng)活性基團(tuán)，良好的化學(xué)“橋接”作用有利于金屬板與樹(shù)脂間形成化學(xué)鍵結(jié)合［10］，提高相容性和黏結(jié)性，故借助偶聯(lián)劑進(jìn)一步進(jìn)行表面處理以獲得更優(yōu)的界面浸潤(rùn)性。硅烷偶聯(lián)劑混合溶劑的配比為乙醇與去離子水質(zhì)量比為9∶1，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的硅烷偶聯(lián)劑，常溫靜置水解完全后備用。

1.3 板材制備

軋制設(shè)備采用二輥強(qiáng)力軋機(jī)，軋輥尺寸為200mm×200mm，預(yù)浸料鋪層方式為［0°／90°／0°］，層板結(jié)構(gòu)為2／1型，即將疊層預(yù)浸料夾于兩片鋁板之間（Al／［0°／90°／0°］Al），如圖1所示，材料尺寸參數(shù)見(jiàn)表4。

試樣軋制前后的高度差定義為壓下量［11］：

圖1 板材制備示意圖Fig.1 Preparation schematic of the laminate

表4 材料尺寸參數(shù)Tab.4 Material size parameters

其中，h為預(yù)浸料厚度；hw為鋁合金板厚度；h0為試樣軋制后總厚度。選取壓下量分別為1.6%、4.0%、6.5%和8.1%，軋制速度為60mm／s。層板經(jīng)室溫軋制后，按圖2所示的固化工藝升溫固化成形，最后隨爐冷卻。

圖2 軋制固化方案Fig.2 Curing scheme of rolling

1.4 彎曲性能測(cè)試

彎曲試驗(yàn)采用Inspekt table 100材料試驗(yàn)機(jī)，依據(jù) HB 7617－1998標(biāo)準(zhǔn)［12］測(cè)試層合板彎曲性能，彎曲試驗(yàn)所用設(shè)備見(jiàn)圖3，試樣尺寸為80 mm×15mm×1mm，加載速度為2mm／min。平行于軋制方向取金相試樣，先依次選用不同粒度的砂紙打磨，最細(xì)為4000號(hào)砂紙（平均粒度為6.35μm），再用 Al2O3懸浮液進(jìn)行拋光，采用FEI-Scios掃描電鏡和ZEISS Scope A1金相顯微鏡進(jìn)行斷面微觀組織觀察。

圖3 彎曲試驗(yàn)裝置Fig.3 Bending test device

2 結(jié)果與分析

2.1 軋制試驗(yàn)結(jié)果

軋制參數(shù)見(jiàn)表5，由于試樣尺寸較小，實(shí)際偏差不足以影響層板整體受力情況，軋制壓力（MPa）其中，

式（2）等號(hào)右邊分母為層板實(shí)際軋制受力尺寸，故并未考慮軋制誤差影響；F1為傳動(dòng)側(cè)壓下力；F2為操作側(cè)壓下力；Δh為板材軋前與軋后厚度差值；R為軋輥半徑。

表5 軋制試驗(yàn)參數(shù)Tab.5 Rolling parameters

2.2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 表面預(yù)處理工藝影響

不同處理工藝所得鋁合金表面微觀形貌如圖4所示，可以看出不同工藝所得微觀表面明顯不同。機(jī)械打磨后，鋁合金表面粗糙不平，沿打磨方向形成大量數(shù)十微米的溝壑且分布不均，表面粗糙度的增大有益于提高界面黏接的機(jī)械咬合作用，但不利于樹(shù)脂流動(dòng)浸潤(rùn)表層；而經(jīng)化學(xué)清洗后，可以有效疏松金屬表面氧化膜和油脂臟物，裸露出新鮮的鋁合金組織，并在溝壑處有明顯的微米孔洞產(chǎn)生，有助于樹(shù)脂填入表層空穴內(nèi)，獲得更高的表面能，增強(qiáng)吸附作用；經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后，鋁合金表面納米級(jí)孔洞結(jié)構(gòu)明顯增加，形成網(wǎng)狀多孔的A12O3膜層，表面積大幅增大，有利于提高鋁合金表面和樹(shù)脂間的反應(yīng)活性，從而為達(dá)到良好的界面黏附奠定良好的物化作用基礎(chǔ)［13］。

圖4 不同處理工藝鋁合金表面微觀形貌Fig.4 Aluminum alloy surface micro-morphology with different treatment processes

鋁合金表面不同處理工藝所得層板的彎曲載荷-位移曲線見(jiàn)圖5。可以看出，曲線初始階段，載荷和位移近似成線性關(guān)系，隨彎曲撓度增大，曲線出現(xiàn)平臺(tái)階段，不同處理工藝下的試樣承載強(qiáng)度呈梯度增大趨勢(shì)。在加載初期，表面未處理試樣載荷平臺(tái)較低，后續(xù)承載強(qiáng)度差（表6），彎曲強(qiáng)度僅195MPa；經(jīng)機(jī)械打磨后，試樣彎曲強(qiáng)度有所增大，但載荷強(qiáng)度受限；而經(jīng)化學(xué)清洗和陽(yáng)極氧化所得層板，載荷極限明顯大幅提高，彎曲強(qiáng)度分別為401MPa和573MPa，相比未處理試樣分別增大了51.4%和65.9%，且陽(yáng)極氧化試樣的曲線初始斜率明顯得到改善，彎曲模量達(dá)80.9GPa，較表面未處理試樣增大了39.1%。主要原因是機(jī)械打磨只能簡(jiǎn)單去除鋁合金表面污物和氧化膜，而化學(xué)清洗則能較為徹底地去除表面雜質(zhì)，并裸露出新鮮的表層金屬，同時(shí)在堿洗過(guò)程中部分相位組織被腐蝕形成空穴，有利于促進(jìn)鋁合金表面和樹(shù)脂及偶聯(lián)劑之間的反應(yīng)活性。在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，鋁合金表面會(huì)生成組織致密的Al2O3薄膜，且伴隨著薄膜的不斷成膜和溶解，最終形成大量的敞開(kāi)型縱向孔洞，有利于樹(shù)脂滲入氧化膜內(nèi)，大幅改善了鋁合金表面與樹(shù)脂間的浸潤(rùn)性能［14］。

圖5 不同表面處理工藝彎曲載荷-位移曲線Fig.5 Flexural load-displacement curve of different surface treatment process

表6 不同表面處理工藝彎曲力學(xué)性能Tab.6 Flexural mechanical properties with different surface treatment processes

根據(jù)機(jī)械結(jié)合理論，黏結(jié)物必須滲入被黏物表面的空隙內(nèi)才能產(chǎn)生黏結(jié)作用，且表面微觀幾何結(jié)構(gòu)和粗糙度的影響具有至關(guān)重要的作用［15］。當(dāng)金屬表面越粗糙且有較多的凹坑和孔隙時(shí)，樹(shù)脂與金屬表面的有效接觸面積越大，在軋制過(guò)程中，樹(shù)脂受擠壓力作用，越容易滲入金屬基體內(nèi)，與表層空穴或孔洞形成類(lèi)似的機(jī)械咬合結(jié)構(gòu)，使層板的強(qiáng)度和韌性得到提高。同時(shí)硅烷偶聯(lián)劑可以與金屬表面形成化學(xué)鍵結(jié)合，有效改善金屬表面特性，而且偶聯(lián)劑與樹(shù)脂間也能產(chǎn)生連接作用，完成界面架橋，獲得從樹(shù)脂向纖維良好的應(yīng)力傳遞，顯著提高金屬／聚合物界面黏結(jié)性能［16］，彎曲時(shí)避免界面發(fā)生脫黏而產(chǎn)生分層破壞，賦予層板良好的力學(xué)特性。不同表面處理工藝的彎曲試樣如圖6所示，可較明顯看出，隨處理工藝的不同，試樣彎曲夾角逐漸減小，彎曲撓度增大，即使在較大位移條件下，鋁合金／纖維樹(shù)脂界面也未出現(xiàn)分層破壞。

圖6 不同表面處理工藝彎曲試樣Fig.6 Flexural specimens with different surface treatment processes

對(duì)不同處理工藝的鋁合金／纖維樹(shù)脂界面進(jìn)行掃描電鏡和金相顯微鏡觀察，如圖7、圖8所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)機(jī)械打磨后，在鋁合金表面存在一層厚厚的樹(shù)脂層，且纖維與樹(shù)脂分離明顯，兩者并未有效浸潤(rùn)，雖然樹(shù)脂已充分填入溝壑內(nèi)，但在鋁合金／纖維樹(shù)脂界面處存在微小縫隙，致使承載過(guò)程中易產(chǎn)生疲勞裂紋；經(jīng)化學(xué)清洗后，良好的蝕洗表面和孔隙的存在使得界面處樹(shù)脂厚度明顯減小，在軋制壓力作用下，樹(shù)脂充分流動(dòng)壓實(shí)凹坑，界面處部分區(qū)域已形成穩(wěn)定的機(jī)械嵌定結(jié)構(gòu)，且纖維與樹(shù)脂浸潤(rùn)較好、分布均勻，但由于化學(xué)清洗對(duì)鋁合金表面活性改善有限，故仍有部分樹(shù)脂殘余；經(jīng)陽(yáng)極氧化工藝所得試樣，鋁合金／纖維樹(shù)脂界面結(jié)合狀態(tài)良好，界面平直且未發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂殘留，說(shuō)明改變金屬表面形貌以增大表面積，生成反應(yīng)性表面，易使樹(shù)脂充分浸潤(rùn)鋁合金表面，固化后形成穩(wěn)定的界面互鎖結(jié)構(gòu)，彎曲過(guò)程中能夠承受較大載荷位移而不發(fā)生破壞。

圖7 不同表面處理工藝界面SEM圖Fig.7 Interface SEM diagram with different surface treatment processes

圖8 不同表面處理工藝界面金相圖Fig.8 Interface metallographic diagram with different surface treatment processes

圖9 不同表面處理工藝斷面金相圖Fig.9 Section metallographic diagram with different surface treatment processes

不同表面處理工藝所得試樣加載柱之下的斷面金相圖見(jiàn)圖9，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)機(jī)械打磨后試樣破壞嚴(yán)重，在加載柱之下樹(shù)脂與金屬表面存在大面積分層，纖維嚴(yán)重?cái)嗔眩X合金與纖維樹(shù)脂在界面處已完全脫離；經(jīng)化學(xué)清洗所得試樣，其狀況得到明顯改善，僅在加載柱兩側(cè)由于殘余樹(shù)脂的存在，導(dǎo)致產(chǎn)生微小分層，且纖維并未斷裂，只是在加載過(guò)程中產(chǎn)生屈曲變形，表明樹(shù)脂與纖維包覆性較好，鋁合金／纖維樹(shù)脂界面性能也得到提高，彎曲過(guò)程中纖維樹(shù)脂間的界面以及鋁合金／纖維樹(shù)脂間的界面可以有效傳遞載荷，纖維和鋁合金基體相輔相成共同承擔(dān)載荷，彎曲強(qiáng)度有所增大；而陽(yáng)極氧化所得試樣，在界面處鋁合金與纖維樹(shù)脂仍結(jié)合良好，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且纖維屈曲程度減緩，只是在加載部位產(chǎn)生微小變形，承載強(qiáng)度進(jìn)一步增大，有效說(shuō)明改善鋁合金表面活性、增大表面積更加有利于樹(shù)脂滲入金屬表層，獲得較高的表面能以及形成穩(wěn)定的界面結(jié)合結(jié)構(gòu)，提高層板力學(xué)性能。

2.2.2 軋制壓下量影響

經(jīng)陽(yáng)極氧化后試樣不同壓下量的彎曲載荷-位移如圖10所示。可以看出，在加載初期，彎曲載荷隨壓下量的增大而增大，但載荷峰值增長(zhǎng)緩慢；當(dāng)壓下量為6.5%時(shí)，曲線峰值達(dá)到最高值，隨位移增大，出現(xiàn)載荷平臺(tái)，彎曲性能良好；進(jìn)一步增大壓下量至8.1%時(shí)，載荷峰值降低，達(dá)到最大載荷后曲線急劇滑落，后續(xù)承載能力差，彎曲強(qiáng)度明顯下降。說(shuō)明在一定軋制壓力作用下樹(shù)脂流動(dòng)浸潤(rùn)纖維，有利于壓實(shí)層間孔隙，促進(jìn)層間緊密結(jié)合，且在鋁合金表面與纖維樹(shù)脂接觸區(qū)域，樹(shù)脂在壓力作用下充分填入鋁合金表面形成的空穴或孔洞內(nèi)，與金屬表面相互浸潤(rùn)，改善了界面結(jié)合性能，提高了彎曲強(qiáng)度。但壓力進(jìn)一步增大，使得纖維隨樹(shù)脂流動(dòng)發(fā)生扭曲變形，樹(shù)脂分布不均形成富脂或貧膠區(qū)域，層板受彎曲載荷作用時(shí)，既有壓縮應(yīng)力，又有拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力，材料內(nèi)局部區(qū)域還存在擠壓應(yīng)力，除纖維承受載荷外，樹(shù)脂基體也承受纖維之間的剪應(yīng)力，而樹(shù)脂的流失造成纖維與樹(shù)脂以及鋁合金和纖維樹(shù)脂之間界面黏合性能下降，故不能良好傳遞載荷承受應(yīng)力，彎曲強(qiáng)度反而降低。

圖10 不同壓下量的彎曲載荷-位移曲線Fig.10 Flexural load-displacement curve with different reduction

如圖11所示，經(jīng)3種表面工藝處理后試樣彎曲強(qiáng)度隨壓下量變化逐步增大，當(dāng)壓下量達(dá)6.5%時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，彎曲強(qiáng)度均達(dá)到最高值，繼而隨壓下量增大強(qiáng)度降低，表明過(guò)大的壓下量并不利于改善層板力學(xué)性能。為分析研究鋁板在軋制過(guò)程中加工硬化對(duì)層板力學(xué)性能的影響，將不同壓下量軋后所得層板剝離開(kāi)，單獨(dú)對(duì)上下鋁板進(jìn)行彎曲試驗(yàn)并與未軋制鋁板對(duì)比，如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)軋制后，鋁板承載強(qiáng)度隨壓下量增大有所提高且最終趨于穩(wěn)定，并未發(fā)生較大變化，表明軋后鋁板存在加工硬化影響但是在可控范圍內(nèi)，相比層板整體受力情況，加工硬化影響較小，故并未考慮其誤差影響。

圖11 不同表面處理工藝彎曲強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.11 Contrast diagram of flexural strength with different surface treatment processes

圖12 不同壓下量的鋁板彎曲載荷-位移曲線Fig.12 Flexural load-displacement curve of aluminum plate with different reduction

觀察壓下量為8.1%時(shí)，3種不同處理工藝的彎曲試樣（圖13），在相同部位均出現(xiàn)不同程度的分層失效，經(jīng)打磨后試樣破壞最為嚴(yán)重，分析得出破壞的主要形式如下：纖維樹(shù)脂界面破壞、鋁合金與纖維樹(shù)脂界面破壞以及纖維斷裂失效。主要原因是在加載過(guò)程中，纖維樹(shù)脂與鋁合金界面黏合力小于層間剪切應(yīng)力，且內(nèi)部樹(shù)脂在強(qiáng)大擠壓力作用下分布不均，造成纖維與樹(shù)脂包覆性差，纖維易受力拔出，由此不能良好傳遞應(yīng)力，形成斷層破壞。而破壞主要發(fā)生在同一側(cè)可能是由于軋制過(guò)程中，工作軋輥之間的縫隙未嚴(yán)格保證一致，但層板均為同批次軋制制備，故并不影響力學(xué)性能分析。

圖13 壓下量為8.1%時(shí)不同表面處理工藝彎曲試樣Fig.13 Flexural specimens of reduction 8.1%with different surface treatment processes

圖14 陽(yáng)極氧化不同壓下量斷面金相圖Fig.14 Section metallographic diagram of different reduction with anodizing

選取陽(yáng)極氧化不同壓下量所得試樣的相同側(cè)壁部位進(jìn)行斷面金相觀察（圖14），發(fā)現(xiàn)未軋制試樣纖維樹(shù)脂和鋁合金上下表面存在一定厚度的樹(shù)脂層，雖然鋁合金表面已進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，但由于未受軋制壓力作用，樹(shù)脂在自然狀態(tài)下無(wú)法和鋁合金表面形成有效浸潤(rùn)，彎曲承載時(shí)極易發(fā)生界面脫黏，導(dǎo)致力學(xué)性能下降；隨著壓下量的增大，界面處樹(shù)脂層厚度減薄趨勢(shì)明顯，當(dāng)壓下量達(dá)到4.0%時(shí)，界面處的殘余樹(shù)脂接近消失，在軋制過(guò)程中，樹(shù)脂流動(dòng)與鋁合金表面的凹坑相融合形成穩(wěn)定的界面結(jié)合。而且發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓下量為6.5%時(shí)，纖維樹(shù)脂與鋁合金表面已經(jīng)完全浸潤(rùn)且未發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂殘留，界面處整潔平齊，在強(qiáng)大的擠壓力作用下，層板中間區(qū)域的纖維層明顯被壓實(shí)厚度減小，且纖維樹(shù)脂分布均勻不存在孔隙雜質(zhì)。

對(duì)陽(yáng)極氧化試樣選取CFRP／Al界面結(jié)合層進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖15所示，可以發(fā)現(xiàn)中間夾層的纖維樹(shù)脂與上下鋁合金表面已完全形成咬合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部纖維與樹(shù)脂充分包覆，富脂或貧膠區(qū)域較少，鋁合金／纖維樹(shù)脂界面及樹(shù)脂與纖維界面平整。良好的界面結(jié)合使得抑制裂紋擴(kuò)展的能力顯著提高，進(jìn)一步證明適當(dāng)?shù)能堉茐毫τ欣谔岣咪X合金／纖維樹(shù)脂界面性能，改善樹(shù)脂纖維間的浸潤(rùn)性能，固化后層板力學(xué)性能大幅提高。

圖15 陽(yáng)極氧化不同界面SEM圖Fig.15 Different interface SEM diagram with anodizing

3 結(jié)論

（1）彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁合金表面處理工藝和軋制壓下量對(duì)層板力學(xué)性能影響顯著，鋁合金／纖維樹(shù)脂界面處樹(shù)脂層厚度隨表面處理工藝變化存在減薄趨勢(shì)，經(jīng)陽(yáng)極氧化工藝所得層板彎曲性能改善明顯，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為573 MPa和80.9GPa，相比表面未處理試樣分別增大了65.9%和39.1%，且鋁合金／纖維樹(shù)脂界面處不存在殘余樹(shù)脂，界面結(jié)合性能優(yōu)于化學(xué)清洗和機(jī)械打磨法。

（2）隨軋制壓下量增大，層板彎曲強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)壓下量為6.5%時(shí)，鋁合金／纖維樹(shù)脂界面處整潔平齊，在軋制壓力作用下，樹(shù)脂與鋁合金表面形成類(lèi)似的機(jī)械咬合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部纖維樹(shù)脂分布均勻，孔隙顯著減小，層板彎曲性能最優(yōu)。

（3）若進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，可大幅縮短制備時(shí)間，實(shí)現(xiàn)低成本高效軋制工藝制備纖維增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料。研究結(jié)果為新型復(fù)合材料成形提供參考。