季春明，王 兵，郭家寶，孫雨果

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 引言

隨著航空航天飛行器的快速發(fā)展，人們對(duì)于速度的追求越來越高，然而，高速航空航天飛行器表面高溫對(duì)傳統(tǒng)金屬和復(fù)合材料提出了極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料較復(fù)合材料而言，比強(qiáng)度低且疲勞性能差，但復(fù)合材料成本高且耐損傷性能較弱。因此，開發(fā)一種兼具耐高溫、輕質(zhì)高強(qiáng)及高損傷容限的材料迫在眉睫[1]。纖維金屬層板(Fiber Metal Laminates, FMLs)由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和福克公司的研究人員在20世紀(jì)70年代提出，是一種將金屬薄板和纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料交替鋪層后，在一定的溫度和壓力下固化而成的層間混雜復(fù)合材料，如圖1所示，其概念在芳綸纖維增強(qiáng)鋁合金超混雜層板(Aramid Reinforced ALuminum La-minates，ARALL層板)的研發(fā)中首次引入[2]。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，纖維金屬層板具有優(yōu)良的疲勞性能以及較高的損傷容限[3-4]。根據(jù)組成材料類別劃分，目前主要有ARALL層板、GLARE層板(GLAss REinforced aluminum laminates,玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板)、CARE層板(CArbon REinforced aluminum laminates，碳纖維增強(qiáng)鋁合金層板)以及Ti/CFRP層板(Titanium/Carbon fiber reinforced plastics laminates，碳纖維增強(qiáng)鈦/鈦合金層板)等。其中，第二代GLARE層板由鋁合金薄板和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂交替層壓而成，密度低且具有突出的抗拉-壓疲勞性能，是目前大型客機(jī)A380機(jī)身、機(jī)翼蒙皮等結(jié)構(gòu)的主要選材之一，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減質(zhì)794 kg、疲勞壽命提高10～15倍[5]。但GLARE層板的耐溫范圍有限，限制了其在超聲速飛行器上的應(yīng)用，如何在傳統(tǒng)GLARE層板的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高材料耐溫性能和損傷容限，是纖維金屬層板發(fā)展的核心問題之一。因此，對(duì)于新一代Ti/CFRP層板的研究是纖維金屬層板的重要發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 常見纖維金屬層板3/2結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3/2 structure of common fiber metal laminates

與GLARE層板相比，Ti/CFRP層板具有如下優(yōu)勢(shì)：1)強(qiáng)度更高。由于鋁合金和碳纖維之間存在電化學(xué)腐蝕問題，工業(yè)純鈦或鈦合金不存在這類問題，因此可以采用強(qiáng)度更高的碳纖維作為增強(qiáng)相，提升纖維金屬層板的強(qiáng)度。同時(shí)，相比于玻璃纖維，碳纖維具有較低的密度和較高的彈性模量，從而可以彌補(bǔ)GLARE層板模量不足的缺陷。2)使用溫度更高。GLARE層板多采用熱固性環(huán)氧樹脂作為基體，在高溫下長(zhǎng)期服役很難實(shí)現(xiàn)[6]。鈦合金較鋁合金擁有更加優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，同時(shí)配合聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PI)和聚苯硫醚(PPS)等熱塑性耐高溫樹脂使用，能夠大大拓寬傳統(tǒng)纖維金屬層板的服役溫度范圍，并能夠在可設(shè)計(jì)性、可回收性上體現(xiàn)一定的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)有研究表明，Ti/CFRP層板能夠在230～240 ℃的環(huán)境下長(zhǎng)期服役，并保持優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，Hu等[7]對(duì)Ti/CF-PEEK層板進(jìn)行了熱沖擊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)從室溫至220 ℃熱沖擊1 000次不會(huì)對(duì)層板造成任何可見分層或損傷。3)優(yōu)良的抗環(huán)境影響性能[8]。Ti/CFRP層板為鈦板和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓而成，其組成成分均有較強(qiáng)的耐腐蝕性，且組分間不存在電化學(xué)腐蝕問題。另外，與傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相比，Ti/CFRP擁有更為優(yōu)異的抗沖擊性能，彌補(bǔ)了復(fù)合材料抗沖擊性能差和沖擊后壓縮剩余強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。

通常民用飛行器的服役溫度在-60～80 ℃之間[9]。而對(duì)于超聲速飛機(jī)、空天運(yùn)載飛行器來說，其服役溫度區(qū)間要求更寬。由于超聲速飛機(jī)、空天運(yùn)載飛行器在飛行過程中，機(jī)身蒙皮會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，傳統(tǒng)材料如鋁合金等輕合金材料不能耐受高溫，進(jìn)而在一定范圍內(nèi)限制了其應(yīng)用。同時(shí)，Ti/CFRP層板比剛度、比強(qiáng)度和抗沖擊等性能較傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合層板得到了進(jìn)一步改善[10]，因此成為了下一代超聲速戰(zhàn)斗機(jī)、高超聲速及空天運(yùn)載飛行器的重要選材對(duì)象。

1 鈦及鈦合金表面處理工藝

Ti/CFRP層板作為一種多元超混雜層狀復(fù)合材料，其界面體系復(fù)雜，主要包括多個(gè)金屬層/樹脂層界面和大量纖維/樹脂界面，這種多界面性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不可避免地會(huì)使材料的性能在界面處發(fā)生突變。另外，F(xiàn)MLs在裝配服役過程中，若橫向受載或受扭矩作用，極易發(fā)生局部層間脫粘，進(jìn)而引發(fā)分層擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的整體失效。因此，層板的層間性能很大程度地限制了其物理、化學(xué)及力學(xué)性能[11]。其中，金屬層/樹脂層界面被視為弱界面，決定了金屬與纖維之間的結(jié)合及應(yīng)力傳遞，主導(dǎo)了纖維金屬層板的綜合性能及失效行為[12]。首先，金屬層/樹脂層界面影響金屬與纖維的應(yīng)力傳遞效力，決定了層板的失效形式及強(qiáng)度；其次，界面影響層板的損傷累積與裂紋傳播歷程，決定了材料的斷裂韌性及疲勞性能；同時(shí)，界面影響層板在服役過程中的耐環(huán)境性及介質(zhì)穩(wěn)定性，決定了材料的耐久性能及使用壽命。

Ti/CFRP層板在金屬層/樹脂層界面結(jié)合強(qiáng)度的改善主要通過兩個(gè)途徑[13]：第一，對(duì)鈦層進(jìn)行表面處理，構(gòu)造有利于粘接的粗糙表面結(jié)構(gòu)[14]；第二，選擇并使用合適的膠粘劑，如同類樹脂薄膜，提高鈦層與纖維層之間的粘接強(qiáng)度[15]。膠粘劑粘接工藝是提高航空結(jié)構(gòu)材料粘接性能常見的手段[16]。相比于傳統(tǒng)機(jī)械螺栓連接，粘接劑粘接有以下優(yōu)點(diǎn)：制造成本低、時(shí)間短且結(jié)構(gòu)質(zhì)量低等。然而，采用粘接工藝制備FMLs的早期研究中發(fā)現(xiàn)，必須對(duì)金屬板材進(jìn)行預(yù)先表面處理，才能使金屬薄板與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之間有良好的結(jié)合性能，這對(duì)于FMLs的長(zhǎng)期使用至關(guān)重要[17]。在對(duì)鈦或鈦合金表面進(jìn)行處理之前，應(yīng)采用丙酮洗去表面油污并用硝酸和氫氟酸混合溶液(HNO3：350 g/L，HF：60 g/L)去除金屬表面疏松的氧化層，用以降低金屬層與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層之間分層的概率。常見的幾種鈦和鈦合金薄板表面處理的方式包括機(jī)械處理、化學(xué)處理、電化學(xué)處理、偶聯(lián)劑處理、其他處理等。

1.1 機(jī)械處理

機(jī)械處理主要采用物理方式增加金屬表面粗糙度來提高金屬與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料間的粘接性能，其主要方式包括噴砂[18]、砂紙打磨[19]等，其中噴砂的方式最為常見。噴砂處理主要通過在高壓下向金屬表面連續(xù)噴射磨料(不同尺寸的銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂等)來實(shí)現(xiàn)，這一方式能夠去除金屬表面原有的氧化物并產(chǎn)生宏觀粗糙的表面。圖2和圖3分別為未處理和噴砂后工業(yè)純鈦TA2薄板表面形貌。Ho等[18]研究了在不同噴砂距離(5，10和15 mm)和角度(45°，60°，75°和90°)下鈦和樹脂之間的結(jié)合性能，發(fā)現(xiàn)75°的噴砂角度能夠獲得最好的結(jié)合性能，但改變噴砂距離對(duì)結(jié)合性能沒有明顯的影響。另外，也有學(xué)者通過砂紙打磨來提升金屬與樹脂之間的結(jié)合強(qiáng)度。Zhang等[19]比較了120，1 000和2 000粒度的碳化硅砂紙對(duì)金屬表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過120粒度砂紙打磨的金屬表面具有最高的表面粗糙度和表面能。雖然機(jī)械處理能夠提高金屬表面粗糙度，但這并不能保證能夠?yàn)榻饘賹雍屠w維增強(qiáng)復(fù)合材料層之間提供一個(gè)很強(qiáng)的粘接性能[4]，因此，機(jī)械處理過后通常采用其他化學(xué)或電化學(xué)處理的方式進(jìn)一步增強(qiáng)表面粗糙度，并獲得與樹脂之間的強(qiáng)粘接性能。

1.2 化學(xué)處理

化學(xué)處理是一種通過改變金屬表面化學(xué)成分來提高金屬表面粗糙度的方法[20]，主要包括酸蝕刻、堿蝕刻、氟化磷處理和光化學(xué)蝕刻等方式。常見的酸蝕刻包括鉻-硫酸、鹽酸和氫氟酸蝕刻等[21]?；谒嵛g刻的方式會(huì)使金屬表面氫含量升高，雖然會(huì)提高金屬的強(qiáng)度但會(huì)導(dǎo)致耐用性變差。采用堿性溶液替代酸性溶液的方式對(duì)金屬表面進(jìn)行處理不會(huì)升高金屬表面氫含量。堿蝕刻的通用方法是使用堿性溶液(如NaOH溶液和H2O2溶液等)在室溫下蝕刻金屬表面36 h，或在50～70 ℃ 的環(huán)境下蝕刻金屬表面20 min，此時(shí)，金屬表面粗糙度和氧化膜層的厚度由溶液中氫氧化鈉和過氧化氫的濃度決定。He等[22]在60 ℃的環(huán)境下用NaOH溶液蝕刻TC4鈦合金24 h，獲得了厚度約為2 μm的氧化層，并同時(shí)配合了噴砂、陽極氧化等方式，能夠達(dá)到調(diào)節(jié)氧化層結(jié)構(gòu)的效果。另外，光化學(xué)蝕刻也是常采用的一種金屬表面處理方式，此方法是通過曝光制版、顯影后，采用化學(xué)蝕刻的方式在金屬表面形成凹凸不平的效果。Pan等[23]采用光化學(xué)蝕刻的方式對(duì)工業(yè)純鈦TA2的表面進(jìn)行處理，得到了不同直徑、直徑-間距比和直徑-坑深比排布的微觀凹坑，并研究了不同處理后TA2與聚醚醚酮的粘接效果。研究結(jié)果表明，最優(yōu)粘接強(qiáng)度下3種參數(shù)分別為400 μm、4∶1和8∶1。

1.3 電化學(xué)處理

電化學(xué)處理包括陽極氧化[24,26]和微弧氧化[25]等方式。陽極氧化處理通過在金屬表面生成一層氧化膜來改變金屬表面微觀結(jié)構(gòu)，從而提高金屬表面的浸潤(rùn)性，達(dá)到提高金屬與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粘接性能的目的。根據(jù)電解質(zhì)的性質(zhì)，陽極氧化可分為3類：基于酸、基于氟化物和基于氫氧化物。與前兩種電解質(zhì)相比，基于氫氧化物的電解質(zhì)涉及的危險(xiǎn)化學(xué)品更少，并且對(duì)環(huán)境更加友好[24]。陽極氧化處理是FMLs金屬表面處理常用的方法之一。純鈦及鈦合金的陽極氧化主要包括酸性陽極氧化(硫酸體系、鉻酸體系)和堿性陽極氧化(NaOH體系)[24]，圖4為堿性陽極氧化后TA2表面形貌，與噴砂處理相比，表面更為平坦并存在大量納米級(jí)孔洞。He等[26]采用堿性溶液對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行陽極氧化處理，電解液為氫氧化鈉7.5 mol/L、酒石酸鈉0.2 mol/L和乙二胺四乙酸0.1 mol/L，同時(shí)配合化學(xué)蝕刻處理，能夠獲得200～1 200 nm厚的氧化膜層。并且TC4表面氧化膜在處理溫度升高時(shí)，其結(jié)構(gòu)變?yōu)榉涓C狀結(jié)構(gòu)，這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以顯著地改變金屬表面微結(jié)構(gòu)，提高金屬表面潤(rùn)濕性，從而提高粘接強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果表明，剪切強(qiáng)度結(jié)果在0 ℃、25 ℃和40 ℃分別提升了217.7%、225.0%和317.2%。

圖4 堿性陽極氧化后TA2鈦板表面形貌Fig.4 Surface morphology of TA2 plate after alkaline anodizing

徐飛等[27]采用NaTESi恒壓陽極氧化法對(duì)工業(yè)純鈦TA2進(jìn)行了表面改性，分別研究了不同陽極氧化時(shí)間、電壓和溫度對(duì)TA2表面形貌的影響，并分析了不同表面形貌對(duì)TA2/PEEK界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)陽極氧化工藝為電壓恒定10 V，時(shí)間為10 min，溫度為35 ℃。Schulze等[28]對(duì)比了TC4鈦合金板分別在5 mol/L的NaOH溶液、1 mol/L的H2SO4溶液和1 mol/L的H3PO4溶液下陽極氧化后的表面形貌，發(fā)現(xiàn)NaOH溶液陽極氧化后TC4與PEEK的粘接性能最高。Yu等[29]采用了兩種表面處理方法用于提升Ti/CFRP層板的層間性能，分別為陽極氧化處理鈦板表面和碳纖維表面接枝碳納米管，結(jié)果表明，陽極氧化處理對(duì)比僅進(jìn)行噴砂處理和未接枝碳納米管的情況，層間斷裂韌性顯著提升1382%。Critchlow等[21]通過鉻酸體系溶液對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行陽極氧化，發(fā)現(xiàn)其表面粗糙度有提升，并且在5～10 V電壓下可以獲得厚度為40～80 nm的氧化膜層。Li等[30]分析了未處理、噴砂和噴砂+陽極氧化后進(jìn)行退火處理鈦合金TC4表面元素含量變化，發(fā)現(xiàn)未處理和噴砂在退火后表面氧含量分別增加了21.49%和20.48%；對(duì)于噴砂+陽極氧化的情況，鈦合金表面形成了多孔氧化物膜，噴砂形成的鋒利邊緣被溶解，氧含量升高31.01%。

微弧氧化(Micro-arc oxidation, MAO)是從陽極氧化工藝發(fā)展而來，通過高壓電火花在金屬表面均勻地形成類似陶瓷的金屬氧化膜[31]。微弧氧化處理與傳統(tǒng)處理方式(噴砂、化學(xué)蝕刻、陽極氧化等)相比，能夠生成更具耐腐蝕性、更厚并與樹脂結(jié)合更好的氧化膜層[32]，該膜層由內(nèi)外兩層組成，外層為疏松的多孔層，內(nèi)層生長(zhǎng)在金屬基體上，與基體結(jié)合牢固[33]。蔣百靈等[34]研究了微弧氧化頻率對(duì)鈦合金表面形貌和與環(huán)氧樹脂結(jié)合強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，400 Hz的處理?xiàng)l件下，微弧氧化形成的氧化膜層與環(huán)氧樹脂結(jié)合強(qiáng)度最高，可達(dá)56.9 MPa，過低頻率會(huì)升高表面粗糙度，造成缺陷增多；過高頻率時(shí)，表面平整，樹脂不能完全滲入到膜層中。Gabor等[35]對(duì)堿性溶液中單極脈沖源微弧氧化TC4鈦合金表面形貌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與未進(jìn)行微弧氧化試樣相比，經(jīng)過微弧氧化處理的鈦合金表面水接觸角有明顯降低，粗糙度顯著升高。

1.4 偶聯(lián)劑處理

偶聯(lián)劑處理是另一種提高鈦和鈦合金表面與樹脂結(jié)合強(qiáng)度的方式，其作用機(jī)理復(fù)雜，通用的解釋理論為化學(xué)鍵合理論，即偶聯(lián)劑同時(shí)包含有可以與無機(jī)和有機(jī)材料反應(yīng)的官能團(tuán)，通過化學(xué)鍵合連接兩種具有不同性質(zhì)的材料，充當(dāng)橋梁的作用[11]。另外，作為對(duì)化學(xué)鍵合理論的補(bǔ)充，互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)理論[36]表明，聚合物分子可以擴(kuò)散到縮合的偶聯(lián)劑中間以形成相互纏結(jié)的網(wǎng)絡(luò)。Kang等[37]研究了鈦板與形狀記憶聚合物納米復(fù)合材料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)鈦板進(jìn)行表面處理可以有效地改善兩者的粘接性能。Hon等[38]測(cè)試了5種不同硅烷偶聯(lián)劑對(duì)鈦板和牙用樹脂材料粘接性能的區(qū)別并分析了不同儲(chǔ)存條件(室溫干燥存儲(chǔ)24 h、水中存儲(chǔ)6個(gè)月和5～55 ℃熱循環(huán)6 000周次)，發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)條件對(duì)兩者的粘接強(qiáng)度有顯著的影響。筆者[11, 39]研究了不同硅烷偶聯(lián)劑處理?xiàng)l件(硅烷偶聯(lián)劑濃度、固化溫度和固化時(shí)間)對(duì)Ti/CF-PEEK層板力學(xué)性能的影響，得到了一套最優(yōu)層間性能的制備工藝，即硅烷偶聯(lián)劑濃度為10%、固化溫度為130 ℃、固化時(shí)間為1 h，得到的最優(yōu)層間剪切強(qiáng)度為75 MPa，不同硅烷偶聯(lián)劑處理?xiàng)l件下鈦板的表面形貌如圖5所示。

(a)5%、130 ℃、1 h

(b)10%、130 ℃、1 h

(d)10%、270 ℃、1 h圖5 不同硅烷偶聯(lián)劑處理?xiàng)l件下鈦板的表面形貌[11]Fig.5 Surface morphology of titanium plate after silanization with different conditions[11]

(c)15%、130 ℃、1 h

1.5 其他處理

Henriques等[40]采用激光雕刻配合噴砂對(duì)TC4表面進(jìn)行處理，并表征了TC4與PEEK之間的結(jié)合強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)激光雕刻后兩者的結(jié)合強(qiáng)度較傳統(tǒng)的單噴砂情況提高約300%，PEEK能夠與TC4之間形成較為穩(wěn)固的微機(jī)械嚙合效果。

胡靜玲[41]采用希夫堿鈦配合物對(duì)TC4表面進(jìn)行改性，嘗試通過化學(xué)鍵合的方式連接TC4和PEEK，并研究了處理后TC4表面形貌和浸潤(rùn)性的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性的配合物雖降低了TC4表面的浸潤(rùn)性和表觀能，但由于氫鍵相互作用、機(jī)械嚙合作用以及分子纏結(jié)效應(yīng)，TC4與PEEK的單搭接剪切強(qiáng)度較僅經(jīng)過陽極氧化處理的情況提升53.89%。

Pan等[42]采用電泳沉積石墨烯的形式，結(jié)合陽極氧化處理，研究了鈦板與PEEK之間的粘接性能。研究結(jié)果表明，電泳沉積石墨烯后鈦板表面粗糙度升高，且表面能較僅進(jìn)行陽極氧化處理的情況提高29.1%。與PEEK熱壓成層合板后，經(jīng)電泳沉積后Ti/CF-PEEK的層間剪切強(qiáng)度可達(dá)82.66 MPa。

目前，在制備Ti/CFRP層板的過程中，對(duì)于鈦和鈦合金表面處理大多采用噴砂配合陽極氧化處理的方式，其發(fā)展相對(duì)成熟，相對(duì)于化學(xué)處理和偶聯(lián)劑處理等其他處理方式，機(jī)械處理配合電化學(xué)處理有制備周期短，性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能得到較為良好的層間結(jié)合性能。但在高溫、潮濕以及一些極端力學(xué)環(huán)境條件下，其層間結(jié)合耐久性差，如何更有效地通過表面處理工藝提升鈦和鈦合金與復(fù)合材料之間的結(jié)合性能，仍是目前亟待解決的問題之一。

2 Ti/CFRP力學(xué)性能理論及試驗(yàn)研究

2.1 靜載力學(xué)性能研究

現(xiàn)階段，針對(duì)Ti/CFRP超混雜層板靜載力學(xué)性能的研究，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)取得了較為豐富的成果[4]。首先，在拉伸和彎曲性能方面，Hu等[7]研究了溫度變化(常溫、120 ℃，170 ℃和220 ℃)對(duì)Ti/CF-PEEK層板拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，層板的拉伸性能逐漸下降，在220 ℃時(shí)層板的拉伸強(qiáng)度保持率僅為室溫下的48%，另外，Hu等[43]也研制了新型耐高溫Ti/CF-PMR聚酰亞胺超混雜層板，探討了溫度變化以及濕熱老化對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律，其制備的Ti/CF-PMR聚酰亞胺超混雜層板具有優(yōu)異的耐濕熱老化特性。

Reiner等[45]研究了不同鋪層形式下鈦-FRP混雜層板的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)層板在拉伸載荷下的主要失效模式包括鈦層與FRP層的分層、90°鋪層方向樹脂基體開裂以及FRP的層間分層。另外，采用編織布制備的混雜層板拉伸強(qiáng)度高于采用預(yù)浸料制備的情況。

Hundley等[46]對(duì)鈦-石墨纖維金屬層板的螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并用ABAQUS建立了一個(gè)三維漸進(jìn)失效本構(gòu)模型來預(yù)測(cè)TiGr螺栓連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有良好的相符性。

在層間剪切性能方面，Zhang等[47]探究了添加碳納米管對(duì)Ti/CF-PMR聚酰亞胺層板界面性能影響，對(duì)于層板的層間剪切性能，添加多壁碳納米管于底膠層和碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺預(yù)浸料層及底膠層的層板層間剪切性能相比未添加分別提升20.8%和39.6%。且對(duì)于層板的抗沖擊性能，添加多壁碳納米管于底膠層較未添加的情況有顯著的提升。

Hu等[48]采用NaTESi電解液對(duì)工業(yè)純鈦TA2進(jìn)行陽極氧化處理，并將處理后的鈦板與PMR聚酰亞胺熱壓固化成型，測(cè)試了層板在室溫和300 ℃下的層間剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，300 ℃下層板層間剪切強(qiáng)度較室溫下降46.9%。另外，對(duì)層板進(jìn)行了熱沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈦層和CFRP層在1 000次熱沖擊循環(huán)(常溫加熱至300 ℃后水冷為1次循環(huán))下沒有明顯的分層行為。

Bourlegat等[49]對(duì)比了GLARE、CARE和Ti/CFRP 3種層板的剪切性能，發(fā)現(xiàn)Ti/CFRP層板的剪切模量約為另外兩種層板的兩倍，且層間剪切強(qiáng)度也為最高，但低于純復(fù)合材料CFRP的層間剪切強(qiáng)度。同時(shí)，短梁剪切的失效模式均為鈦和CFRP層間分層。

2.2 動(dòng)載力學(xué)性能研究

FMLs的優(yōu)勢(shì)之一是擁有比常規(guī)金屬更好的抗疲勞性，這主要得益于增強(qiáng)纖維的“橋接”作用以及纖維阻礙裂紋的擴(kuò)展，使得層板的裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)低于金屬材料在疲勞載荷作用下，如圖6所示。FMLs主要存在兩種損傷模式：金屬層的裂紋擴(kuò)展與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層之間分層擴(kuò)展。下文主要對(duì)動(dòng)載力學(xué)性能分為Ti/CFRP的疲勞和沖擊性能進(jìn)行介紹。

圖6 增強(qiáng)纖維的橋接作用[55]Fig.6 Bridging effect of reinforced fibers[55]

首先，在疲勞性能方面，Burianek等[50]對(duì)不同溫度下Ti/CFRP層板的疲勞分層行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)分層擴(kuò)展速率是應(yīng)變能釋放率的冪函數(shù)，且隨著試驗(yàn)溫度的升高，在相同應(yīng)變能釋放率條件下，試樣的分層擴(kuò)展速率顯著升高。另外該作者[51-52]也建立了二維裂紋橋接模型和虛擬裂紋閉合技術(shù)預(yù)測(cè)鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率和層板分層擴(kuò)展損傷，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

Rhymer等[53]對(duì)Ti/CFRP進(jìn)行了拉拉疲勞(R=0.1)和拉壓疲勞(R=-0.2)試驗(yàn)，并對(duì)比了采用堿性過硼酸鹽處理和未處理層板的疲勞損傷機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，層板的疲勞損傷容限有顯著提高，且經(jīng)過表面處理的層板在疲勞過程中的分層行為受到抑制，從而防止了在壓縮載荷下鈦層的屈曲。

Jin等[54]通過預(yù)制孔和孔邊裂紋，研究了超載對(duì)Ti/CF-PMR聚酰亞胺層板疲勞裂紋擴(kuò)展和分層行為的影響，發(fā)現(xiàn)在不同的超載條件下，疲勞裂紋擴(kuò)展出現(xiàn)了延遲現(xiàn)象，即超載降低了疲勞裂紋擴(kuò)展速率。另外，這一現(xiàn)象隨著超載率的升高變得更加明顯，且隨著超載周期的增加，裂紋擴(kuò)展速率明顯降低。

在沖擊性能方面，Jakubczak等[56]對(duì)比了鈦/碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鋁合金/碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之間的沖擊性能，發(fā)現(xiàn)鈦系FMLs的抗沖擊性至少是鋁系FMLs的兩倍。這體現(xiàn)出了Ti/CFRP優(yōu)異的抗沖擊性能。

Tarpani等[57]分別測(cè)試了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層合板和Ti/CF-PEEK層板的夏比沖擊韌性，結(jié)果表明，在-70～100 ℃范圍內(nèi)，兩種材料的總斷裂韌性區(qū)別不大，但將初始損傷和擴(kuò)展損傷分開對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂在初始損傷階段性能優(yōu)于Ti/CF-PEEK層板，而對(duì)于擴(kuò)展損傷階段，Ti/CF-PEEK的性能更為優(yōu)異。

Cordeley等[58]研究了Ti/CFRP層板在超高速?zèng)_擊(2 000 m/s)下的失效模式，并建立了一個(gè)基于層板靜失效強(qiáng)度的超高速?zèng)_擊預(yù)測(cè)模型。該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合良好，層板在超高速?zèng)_擊下的失效受到材料層壓順序的影響，這一現(xiàn)象可為后續(xù)材料鋪層順序優(yōu)化提供參考，從而獲得更好的抗高速?zèng)_擊性能。

3 Ti/CFRP超混雜層板在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

3.1 Ti/CFRP在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

FMLs作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐疲勞的代表材料，多年來在航空航天領(lǐng)域有著較多的應(yīng)用，如ARALL層板應(yīng)用于C-17大型軍用運(yùn)輸直升機(jī)貨艙艙門上，減質(zhì)26%并在服役5年內(nèi)防腐、抗沖擊、抗疲勞性能穩(wěn)定；GLARE層板在空客A380上機(jī)身蒙皮和壁板、整流板和整流罩，以及空客A340客機(jī)機(jī)身后部隔板均有應(yīng)用[43]。相比于前兩種纖維金屬層板，Ti/CFRP的應(yīng)用鮮有報(bào)道，已知應(yīng)用為美國(guó)“魚鷹”V-22發(fā)動(dòng)機(jī)艙門和波音787的部分機(jī)翼和蒙皮[59-60]。另外，Ti/CFRP還可應(yīng)用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板[61]，如圖7和8所示。

圖7 Cytec工程材料公司制備的Ti/IM6-PEEK層板[61]Fig.7 Ti/IM6-PEEK laminates prepared by Cytec Engineering Materials[61]

圖8 Ti/CFRP蜂窩層板(蜂窩上下面板為Ti/CFRP層板)[61]Fig.8 Ti/CFRP honeycomb laminates (the honeycomb panels are Ti/CFRP laminates)[61]

3.2 Ti/CFRP層板的應(yīng)用展望

雖然Ti/CFRP的制造成本高于傳統(tǒng)GLARE層板，但由于其具有GLARE層板無法比擬的耐高溫性能及優(yōu)異的力學(xué)性能，依然被國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者稱為FMLs在未來潛在的應(yīng)用材料[62]。

3.2.1 超聲速飛機(jī)機(jī)身蒙皮及上下翼面材料

20世紀(jì)90年代，美國(guó)高速民用運(yùn)輸機(jī)計(jì)劃設(shè)計(jì)提出要在飛機(jī)時(shí)速達(dá)到Ma=2.4(2,570 km/h)，飛機(jī)表層因氣動(dòng)摩擦溫度在177 ℃的條件下仍需要持續(xù)運(yùn)行60 000 h以上[63]，傳統(tǒng)復(fù)合材料的耐熱程度及服役條件均不能達(dá)到要求，Ti/CFRP層板作為GLARE的替代材料，配合耐高溫樹脂(如PEEK)的使用，長(zhǎng)期服役溫度可達(dá)250 ℃。因此，Ti/CFRP層板是超聲速飛機(jī)及空天運(yùn)載飛行器蒙皮及翼面的重要選材之一。

3.2.2 運(yùn)載火箭主承力及防熱結(jié)構(gòu)部件

有效載荷適配器是火箭的主要結(jié)構(gòu)之一，目前多采用鋁制合金適配器或CFRP面板與鋁制蜂窩組合適配器[64]，如圖9所示。這類適配器在質(zhì)量和性能上均受到了限制，局部采用Ti/CFRP蜂窩層板能夠有效地降低適配器質(zhì)量并增強(qiáng)局部強(qiáng)度(如連接接頭處)，并且由于層板的耐疲勞性能優(yōu)異，能夠作為重復(fù)使用部件，進(jìn)而可以降低發(fā)射成本。另外，Ti/CFRP層板的高溫適應(yīng)性良好，在航天火箭燃料箱等防熱結(jié)構(gòu)部件上使用，可以起到耐高溫及防漏的作用[65]。

圖9 Ariane 5有效載荷適配器[64]Fig.9 Payload adaptor of Ariane 5[64]

3.2.3 極端環(huán)境用無人機(jī)機(jī)體材料

無人機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用廣泛，如在農(nóng)業(yè)、氣象、電力和搶險(xiǎn)救災(zāi)等行業(yè)都發(fā)揮著重要的作用。然而在極端環(huán)境下，如火災(zāi)救援、低溫探測(cè)等，無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的情況下很難保持性能，Ti/CFRP層板作為耐溫材料，可作為無人機(jī)機(jī)體材料，保護(hù)內(nèi)部通信和攝像組件不受極端環(huán)境影響。

3.2.4 在海洋船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

傳統(tǒng)聚合物基復(fù)合材料，尤其是環(huán)氧樹脂基，具有在潮濕環(huán)境下吸濕的特性，因此不能在水下環(huán)境中使用，Ti/CFRP層板具有良好的耐腐蝕性及低溫下力學(xué)性能穩(wěn)定性，且與鋼相比質(zhì)量更小，方便放入深海。因此，Ti/CFRP層板可以作為船體材料以及海底油氣運(yùn)輸立管材料[22]。

4 結(jié)論

本文介紹了Ti/CFRP超混雜層板的研究進(jìn)展，并對(duì)未來的應(yīng)用方向進(jìn)行了展望。近年來，Ti/CFRP層板作為最有發(fā)展?jié)摿Φ睦w維金屬層板材料，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與研究，但仍有一些關(guān)鍵的問題亟需解決：1)鈦或鈦合金與碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料之間的結(jié)合問題，現(xiàn)階段金屬表面處理工藝繁瑣，實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)在保持層間性能的條件下更高效地制備層板；2)針對(duì)Ti/CFRP層板高溫下熱疲勞及沖擊性能的研究較為匱乏，含損傷或高溫條件下層板的疲勞及沖擊失效模式復(fù)雜，今后應(yīng)進(jìn)一步在此方向上研究；3)Ti/CFRP層板在船舶海洋領(lǐng)域的應(yīng)用展望體現(xiàn)了性能優(yōu)越性和可行性，但目前有關(guān)Ti/CFRP層板在濕熱環(huán)境下的界面性能研究較少，有待進(jìn)一步研究。