复合材料的连接

汇报人 秦美君 复合材料的连接 1 提纲 CONTENT 一复合材料主要连接类型 二复合材料连接应用新进展 2 连接 的重要性 3 一复合材料主要连接类型 4 1 机械连接 复合材料的机械连接是指将一复合材料和另一复合材料 或金属或合金 通过紧固件连接成为一整体 5 机械连接 6 2 胶接连接 7 A 胶接连接概念 胶接连接是复合材料结构中较普遍采用的一种连接方法 这种连接方法是借助胶粘剂将其胶接零件连接成不可拆卸的整体 是一种较实用有效的连接工艺技术 有时还能为研制生产解决关键性工艺技术 8 B 胶接连接的优点 9 胶接连接的缺点 10 C 胶接连接的工艺流程 11 表面处理 目的 方法 为了获得最佳的表面状态 有助于形成足够的黏合力 物理机械方法和化学方法 12 物理机械方法 砂纸打磨和喷砂化学方法 溶剂清洗与脱脂 铬硫酸浸蚀 阳极氧化处理和溶胶凝方法等 其中阳极氧化处理是一种较好的方法 胶接表面处理方法 13 固化方法 方法有 室温固化 加热固化 辐射固化 微波固化 高频固化等以下对部分固化方法进行阐述 加热固化 分为中温固化 120度左右 和高温固化 150度以上 优点 固化速度快 强度高 耐老化需要的设备 如热压罐 电烘箱 硫化机 干燥炉 红外线 电吹风等 14 辐射固化 是指通过紫外线 电子束 Y射线的照射而达到固化的效果优点是 极快速 高质量 低耗能 高效率 适合连续生产微波固化 优点是修复速度快 效能高 修复后的静强度可以恢复到原材料的102 9 缺点是当微波照射下会发生电磁激励作用 从而将胶粘剂中的磁性分子和被胶粘物发生物理化学变化设备 微波修复器 全军装备维修表面工程研究中心研制 15 目测法 试压法 敲击法 测量法 溶剂法 超声波法X射线法激光法声阻法等 检查方法 锐普PPT论坛chinakui首发 16 3 二者兼有的连接 17 A 胶螺连接 胶螺混合连接 一般是从结构的破损安全角度考虑 用于提高连接接头的安全裕度以及结构修补胶螺混合连接有利于提高接头的承载力及疲劳寿命 18 胶螺混合连接工艺方法 两种方法一 连接处预先制孔 涂胶后即安装螺栓并拧紧 然后使胶层固化形成连接接头二 在已固化的胶接接头上制孔安装螺栓 并拧紧形成连接接头 19 B 胶铆连接 胶铆连接一般也可采用两种工艺方法实现 一种是在胶层固化后铆接 另一种是在胶层未固化时铆接 为了提高胶 铆接头的强度 最好在胶粘剂固化后再进行复合材料构件的铆接 而在胶层未固化时铆接 应当分阶段对胶层施加所需压力 以减少胶铆接头连接强度的下降 20 一 当承载较大 可靠性要求较高时 宜采用机械连接 二 当承载较小 构件较薄 环境条件不十分恶劣时 宜采用胶接连接 三 在某些特殊情况下 为提高结构的破损 安全特性时 可采用混合连接 连接方法优选原则 21 二 复合材料连接应用新进展 NewJoint z pinning连接 22 缝合连接 1 缝合连接 应用背景 技术原理 工艺特点 缝合参数 A B C D 23 A应用背景Background text1 text2 text3 进行复合材料层合板的轻量化设计时 必须考虑层合板的外层屈曲破坏后 破坏的外层和内层增强材料之间将产生剥离载荷 它将影响层合板材料的强度 分层的存在将造成复合材料层合板结构强度和刚度的降低 使其性能得不到充分的发挥 因此 如何抑制复合材料层合板的分层损伤 提高其层间强度和抗分层 抗冲击的能力是使用复合材料层合板时所必须解决的问题 24 B技术原理 其原理是通过缝合手段 使复合材料在垂直于铺层平面的方向得到增强 从而提高材料层间损伤容限 25 C工艺特点 text1 text2 缝合工艺具备多样性 如铺层方向 铺层距离和纤维织构可以调整 可以由预浸带经缝合 固化而成型 也可以由预成型织物工艺经缝合 浸润 固化而成型 缝合不仅是一种增强技术 而且也是一种连接技术 与复合材料的其它连接技术如粘结 铆接相比 缝合材料整体性强 不易产生局部应力集中 因此为制作大型复合材料制件提供了一种有效手段 26 text3 text4 缝合对原有纤维分布没有大的影响 而通过调整缝合参数如缝合密度 缝合花样和跨距可获得一定程度的整体结构 达到合理的均匀应力状态 缝合可用于局部增强 尤其对自由边的缝合可大大降低层间垂直应力 减少自由边脱层 27 缝线类型 1 缝线直径 2 缝合密度 3 缝合方向 4 D缝合参数 28 1 缝线类型 缝线不但要求具有高强度 一定的可延伸性和耐磨损性 而且其性能不应受复合材料固化的影响 常用的缝线有芳纶纤维 玻璃纤维 GF 涤纶和碳纤维CF等 29 2 缝线直径 缝线直径大可提高缝合复合材料的层间断裂韧性和抗冲击损伤能力 不过 缝线直径增大会引起复合材料更多面内纤维损伤 从而使其拉伸 压缩强度降低 30 3 缝合密度 缝合可以提高复合材料层合板的层间性能 但缝合的同时缝针对层合板平面方向的纤维会造成一定程度的损伤 缝合密度存在一个最优值 超过这个值不仅会降低层合板的面内力学性能 对层合板的层间性能也不利 研究表明 缝合密度为5 6针 cm2时 获得的材料性能较佳 31 4 缝合方向 缝合方向对复合材料的性能影响较大 常采用的缝合角度为0 45 和90 缝合方向对正交对称层合板的拉伸强度有较大影响 0 缝合引起的强度降小 45 和90 缝合引起的强度降基本相同 32 缝合对复合材料力学性能影响 缝合对复合材料平面性能的影响 1 面内拉伸强度 2 面内弯曲性能 3 面内压缩强度缝合对复合材料层间性能的影响 33 2 z pinning连接 2 种类 34 1 概念 z pinning技术主要用于增强铺层预浸料或泡沫夹层复合材料 它借鉴了缝合复合材料中不连续缝线方法 在固化前的预浸料或泡沫夹层厚度方向直接嵌入刚性的短棒 这种短棒通常称为z pinz pin材料可以用金属 不锈钢 铝合金和钛合金等 或非金属 碳纤维 玻璃纤维和Kevlar等纤维 35 金属z pin常用于对层间剪切性能要求高的复合材料 非金属z pin目前采用碳纤维的居多 主要用于材料的常规增韧z pin的直径一般在0 2mm 1 0mm之间 最常用的有0 28mm和0 51mm两种 对于增强后的层板来说 相同植入密度下 z pin的直径越小对材料面内性能损伤越小 但成本相对较高 z pin在层板中的体积分数一般在0 5 4 36 2 种类 z pinning技术可分为两大类 1 单根植入式 就是将一根根z pin分别嵌入未固化的层板里 2 整体嵌入式 将若干z pin同时嵌入到层板中 这种方法效率高 应用广泛 37 单根植入式A 采用手工方式将金属短棒单独的嵌入到层合板内 对于生产大型的复合材料来说 并不适用 B 后来又出现了射钉枪 将z pin以高速打入预浸料或干织物铺层的层板里 但这种单根植入的方法文献报道并不多见 整体嵌入式将若干z pin同时嵌入到层板中 这种方法效率高 应用广泛方法 一种是利用热压罐的方法 另外一种是UAZ 超声波辅助嵌入 技术 这两种技术都引入了泡沫预制件 38 泡沫预制件 目的 为防止z pin在嵌入层板的过程中发生屈曲 先将原卷绕贮存的z pin切割 以一定密度正交植入泡沫中得到泡沫预制件制作 泡沫采用两种材料组合而成 低密度泡沫置于的上层 在嵌入z pin前对z pin起到支撑作用 中密度泡沫置于下层 防止z pin在受力的情况下发生弯曲 39 热压罐嵌入法 这种z pinning技术整个嵌入过程是在热压罐中实现的 这种方法适于平面层合板方法 1 将含有z pin的泡沫预制体放在未固化的层板需要增韧的部位 套上真空袋 40 2 随着温度的升高 预浸层板逐渐软化 泡沫逐渐融溃 z pin在热压罐产生的压力作用下将转移到层板里 41 3 待固化后 将材料从热压罐中取出 用金刚刀割除多余的泡沫和z pin 就得到了z pin增强层合复合材料 42 UAZ技术 该技术采用了一种超声波发生装置 超声波可以带动枪头触角高频振动 最大输出功率下 振幅可达20um 频率20kHz 接触角头高频震动可以降低嵌入z pin需要的作用力 振动产生的热还可以使树脂软化 易于z pin的转移工艺流程 1 43 2 44 4 45 层合板的整体增韧 A 结构件的连接 B 在泡沫夹层复合材料中的应用 C 3 z pinning技术应用 46 A 层合板的整体增韧 背景 a 层合板的层间韧性较差 在使用中容易引起分层 这一缺点大大限制了层合复合材料的应用b 对预浸层合面板整体增韧是z pinning的最基本应用 能明显改进材料的层间韧性 冲击损伤容限 冲击后压缩强度等性能 47 比较Compare DIAGRAM z pin增强层合复合材料能够保持89 98 的面内抗拉强度 使层间断裂韧性提高18倍 使冲击损伤区域减少50 48 B 结构件的连接 背景 复合材料的连接大多采用胶接 机械连接 a 胶接连接方式容易由于较弱的胶接层发生破坏而导致结构失效 b 而机械连接一方面增加整个结构的质量 另一方面在层合板上钻孔 会引起应力集中和自由边效应引起材料的疲劳破坏 而z pin连接能够很好地改善和克服这些不足 49 z pin连接的优点 研究表明 z pinning是连接件抵抗分层很有效的方法 能显著提高搭接结构件的强度和疲劳寿命 Freitas等人证明z pin增强加劲肋的拉脱强度增加了2 3 2 6倍 PaulChang实验表明z pin对单搭制件的抗拉强度可提高40 伸长率提高55 疲劳强度增加40 50 C 在泡沫夹层复合材料中的应用 z pin增强泡沫夹层复合材料弥补了传统泡沫夹层材料的剪切 压缩性能较低 面板与芯材易发生脱粘破坏及由于进水导致的整体失稳等缺点 51 3 螺栓 柱销连接 1 原理2 应用前景 52 原理 螺柱 柱销连接是在复合材料板的垂直方向安装连接柱销 在轴线方向安装螺柱 柱销上有连接螺纹 螺柱和柱销采用螺纹连接 以实现复合材料的轴向连接 53 利用柱销增加了复合材