第四章+复合材料的焊接(2)--作业

1、第四章 复合材料的焊接第二节 树脂、C-C基复合材料的焊接1、树脂基复合材料聚合物基复合材料 纤维增强热固性塑料 纤维增强热塑性塑料优点：密度小，强度高，抗蚀、隔热，吸音，设计和成形自由度大等缺点：热稳定性差应用：广泛应用于航天、航空、船舶、车辆制造、建筑工程、电器设备、化工以及体育、医疗等领域。 纤维增强塑料（GFRP）用作输油管道 聚酯和环氧玻璃纤维增强塑料（GFRP）用作储油设备 碳纤维增强树脂用于汽车弹簧片 芳纶纤维增强树脂用于刹车片 纤维增强热塑性塑料用于电路板 芳纶纤维增强塑料用于建筑材料 玻璃纤维增强树脂用于采光板2、树脂基复合材料成形工艺 操作简便，投资少，可设计性好，可生产大

2、型、复杂件。 生产率低，劳动强度大，质量不易控制，用于小批量、多品种及大型制品。 生产率高，节省原材料，制品整体性高，形状尺寸不限。 树脂含量高，制品强度低，工作环境差 不饱和聚酯树脂，用于船体、车身、容器等大型部件。手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋加压加热固化手糊或注射成形未固化玻璃钢橡胶袋抽真空固化 制品光滑，适应各种树脂；质量高；但成本高； 适于快速原型零件和产量不大的制品，不能生产复杂、大件制品。压力袋法示意图真空袋压法示意图袋压成型注意事项袋压成型注意事项l模具要有足够的强度：能承受成型过程中的热压作用和外力冲击；l防止漏气：模具和橡胶袋使用前要仔细检查气密性，模具材料和橡胶袋材料不

3、被溶剂浸蚀；l排气：真空压力很小，成型大尺寸制品时，胶袋表面真空度不均匀，需用刮板加压排出气泡；l加压排气应在树脂凝胶之前开始，加热固化应在排气和凝胶之后进行。 层叠胶布模板之间加热、加压固化冷却、脱模、修整层压板 制品表面光，质量好且稳定，设备简单，生产率高 只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。 生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价低，自动化程度高，无需辅助加工； 模具复杂，投资高，一般适用于中小型玻璃钢制品。 短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模压法、层压模压法、缠绕模压法、织物模压法、定向铺设模压法、预成形坯模压法、片状模塑料模压法等。 组成组成 合成树脂：不

4、饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、呋喃树脂等； 增强材料：GF开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、连续纤维束、玻璃布、玻璃纤维毡等； 辅助材料：固化剂、促进剂、稀释剂、表面处理剂（偶联剂）、低收缩添加剂、脱模剂、着色剂（颜料）和填料。 树脂配制纤维烘干浸胶胶纱烘干缠绕固化检验、加工制品 制造回转体复合材料 干法：采用经过预浸渍处理的预浸纱或带，在缠绕机上经过加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。制品质量稳定，生产率高；但投资大，层间剪切强度低。 湿法 湿法缠绕是将纤维束（或带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化； 半干法 纤维浸胶后，到缠绕机芯模途

5、中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除掉。五轴驱动卧式缠绕机 绕臂式缠绕机适用于干法缠绕中小型短粗筒形容器 滚转式缠绕机由于滚翻机构不宜过大，只适用于缠绕小型制品轨道式缠绕机适用于生产大型制品 送纱浸胶预成形固化成形牵引恒定截面型材 设备价低，生产率高，原料利用率高 制品方向性强，剪切强度低 适用于不同界面形状的长条状、板状等型材。3、树脂基复合材料的焊接性 树脂基复合材料能否熔化连接取决于树脂基体的类型。2.1 热固性树脂基复合材料的焊接性 热固性树脂不能进行焊接 热固性树脂基复合材料无焊接性而言 机械连接、胶接2.2 热塑性树脂基复合材料的焊接性 热塑性树脂可焊热塑性树脂复合材料可焊 焊

6、接温度焊接温度非晶态：粘态流动温度Tf之上，热分解温度Td之下半晶态：熔化温度Tm之上，热分解温度Td之下 焊接压力焊接压力 增强相的存在会影响到加热熔化连接时的热过程、熔融树脂的流动和流动的致密性压力促使界面紧密接触、高分子链扩散、消除显微空洞 冷却速度冷却速度 影响晶体的比例，较高的晶体比例会降低复合材料的韧性4、热塑性树脂基复合材料的连接方法 大多数适合于连接热塑性塑料的焊接方法都能用于连接热塑性树脂基复合材料。如： 热气焊 热板焊 超声波焊 高频感应电焊 内藏电阻加热焊 红外焊 激光焊5、树脂基复合材料与金属的连接例如：碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料C/PEEK与铝合金7075-T6

7、的连接材料分析： 复合材料C/PEEK ： PEEK：聚醚醚酮的半结晶性热塑性树脂基，具有较强的耐热性、优异的抗蠕变性和耐动态疲劳的热性，是高性能复合材料的热塑性树脂基体。 长碳纤维增强的PEEK复合材料具有更高的强度和刚度，是用于航空航天的高性能树脂基复合材料，如用于制造直升机的尾翼等。 7075-T6：Al-Zn-Mg-Cu合金，是宇航中的重要合金。方法：内藏电阻加热焊方法：内藏电阻加热焊 将加热元件放置在连接表面间，加热元件中直接通入电流，通电后，电阻元件产生热量，依靠电阻热加热工件，连接加压时不将加热元件取出，因此，连接结束后，加热元件残留在接头中，成为接头的一个组成部分。所以必须要求

8、植入的加热元件与被连接的树脂基复合材料之间具有很好的相容性。固结在两层PEEK/S2玻璃纤维预浸料中的0.018mm厚的不锈钢作为电阻加热元件放在PEEK/C和7075-T6铝合金的搭接接头连接界面间两层PEEK/S2预浸料作为不锈钢网的托架，并使网与Al合金之间绝缘加热元件的两端接到电阻焊设备在加热元件的两侧为了改善树脂的润湿和结合，还需放置一层0.013cm厚的PEEK膜在连接功率为160kW/m2、连接压力为1.034MPa和连接时间为60s的条件下，所得接头的抗剪强度最高为17.7-19.9MPa，断裂一部分发生在结合处，另一部分发生在加热元件。当加热时间缩短到50s时，接头抗剪强度降

9、低6.2-8.9MPa，连接头的微观分析发现有一些空洞。当连接压力降低0.690MPa时，接头的抗剪强度极低，为0-2.6MPa，全部断在结合处，因此这是一种弱的结合，而且在接头中存在更多孔洞。可见，连接压力对接头抗剪强度的影响非常显著，会直接影响连接质量。1、碳碳复合材料的分类 碳纤维的增强形式有单向(1D)、双向(2D)及多向。单向增强可以在一个方向上得到最高拉伸强度的碳/碳；双向织物提高了抗热应力性能和断裂韧性，容易制成大尺寸形状复杂的部件，有广泛的应用基础。三向及多向编织具有更好的结构完整性和各向同性。 碳纤维织物结构形式碳纤维织物结构形式2、碳碳复合材料的性能及应用碳碳/ /碳复合碳

10、复合材料材料耐热材料领域耐热材料领域优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧制垫板，以及高温炉内耐高温材料。可以提供成品率及生产效率制垫板，以及高温炉内耐高温材料。可以提供成品率及生产效率摩擦材料领域摩擦材料领域高机械性能领域高机械性能领域根据先进的制造技术，制造出的优良的耐磨产品，可用作夹具，根据先进的制造技术，制造出的优良的耐磨产品，可用作夹具，刹车片，火车导电架的滑板等。刹车片，火车导电架的滑板等。质量轻，耐热性好，热膨胀小，高强度，高弹性等优点于一身，质量轻，耐热性好，热膨胀小，高强度，高弹性等优点于一身，可满

11、足产业界多种多样的需要。可满足产业界多种多样的需要。3、C/C复合材料的成型技术碳纤维预制体浸渍热固性树脂碳化、石墨化C/C复合材料化学气相沉积法 通入C、H化合物气体加热分解、沉积液体浸渍分解法4 4、C/CC/C复合材料的焊接复合材料的焊接l 在连接过程中如何保证C/C复合材料原有的优异性能不受破坏，这是制订连接工艺要解决的问题。l 如何获得C/C复合材料性能相匹配的接头区，这是连接材料选择时要解决的问题。lC/C复合材料的连接性能类似于石墨。根据石墨的连接经验，在各种连接饭方法中，真空扩散连接和钎焊时比较成功的连接技术。例如：用形成石墨中间层的扩散连接方法连接C/C复合材料 实质：用一些能与碳作用生成碳化物的金属做中间层填充材料。在加热过程中，首先通过固态扩散连接或液相与母材C/C复合材料相互作用，生成热稳定性较低的碳化物接头；然后进一步加热到更高温度，使碳化物分解为石墨和金属，并使金属完全蒸发消失；最终在连接层中仅剩下石墨片晶。 从接头的组成考虑，这种接头结构的匹配较为合理。其中，除C外没有任何其他外来材料。 从实际试验结果，所得接头的强度不令人满意。因为接头中石墨片晶的强度不足。例如:以Mn粉作为填充材料生成石墨中间层连接C/C复合材料。7Mn+(3+x)CMn7C3+xC石墨石墨+Mn-C(液液) Mn(蒸汽蒸汽)+石墨石墨碳化物形成阶段该阶段碳化物逐渐增加