復(fù)合材料的連接

1、匯報(bào)人：秦美君 CONTENT一一 復(fù)合材料主要連接類(lèi)型 二二 復(fù)合材料連接應(yīng)用新進(jìn)展 首先首先 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的載荷傳遞必須有相應(yīng)的連接方式來(lái)解決，而連接部位一般都是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。 其次其次 影響復(fù)合材料連接強(qiáng)度的因素要比金屬?gòu)?fù)雜得多，因?yàn)檫B接區(qū)域含有結(jié)構(gòu)形狀的各種間斷，由此總是導(dǎo)致局部的應(yīng)力集中。其連接的失效模式多而且預(yù)測(cè)強(qiáng)度較困難。 第三第三 這些特點(diǎn)使復(fù)合材料連接強(qiáng)度問(wèn)題變得更復(fù)雜，必須予以足夠的重視。 復(fù)合材料的機(jī)械連接是指將一復(fù)合材料和另一復(fù)合材料（或金屬或合金）通過(guò)緊固件連接成為一整體 優(yōu)點(diǎn)便于檢查質(zhì)量，安全可靠， 強(qiáng)度分散性小，能傳遞大載 荷便于裝卸，對(duì)零件連接表面的準(zhǔn)備及處理要求

2、不高，無(wú)膠接固化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，受環(huán)境影響較小缺點(diǎn)開(kāi)孔引起應(yīng)力集中降低了連接效率增加緊固件或鉚釘?shù)闹亓浚?）膠接連接）膠接連接A.A.膠接連接膠接連接 概念概念B.B.膠接連接膠接連接 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)C.C.膠接連接膠接連接 工藝流程工藝流程 膠接連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中較普遍采用的一種連接方法。 這種連接方法是借助膠粘劑將其膠接零件連接成不可拆卸的整體，是一種較實(shí)用有效的連接工藝技術(shù)，有時(shí)還能為研制生產(chǎn)解決關(guān)鍵性工藝技術(shù)無(wú)鉆孔引起的應(yīng)力集中，連接效率高，適宜連接異形、異質(zhì)、薄壁、復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)輕，抗疲勞、密封、減振及絕緣性能好，有阻止裂紋擴(kuò)展作用，破損安全性好，能獲得光滑氣動(dòng)外形不同材料連

3、接無(wú)電偶腐蝕問(wèn)題，工藝簡(jiǎn)便、操作容易，可節(jié)省能源，因而具有一定的經(jīng)濟(jì)效益質(zhì)量控制比較困難膠接性能受環(huán)境（濕、熱、腐蝕介質(zhì)）的影響存在一定的老化問(wèn)題，膠接連接后一般不可拆卸表面處理配膠涂膠晾置疊合清理固化檢查整修 目的目的方法方法為了獲得最佳的表面狀態(tài)，有助于形成足夠的黏合力物理機(jī)械方法和化學(xué)方法物理機(jī)械方法：砂紙打磨和噴砂化學(xué)方法：溶劑清洗與脫脂，鉻硫酸浸蝕，陽(yáng)極氧化處理和溶膠凝方法等，其中陽(yáng)極氧化處理是一種較好的方法膠接膠接 表面處理表面處理方法方法方法有：室溫固化、加熱固化、輻射固化、微波固化、高頻固化等以下對(duì)部分固化方法進(jìn)行闡述：加熱固化：分為中溫固化（120度左右）和 高溫固化（150

4、度以上） 優(yōu)點(diǎn)：固化速度快，強(qiáng)度高，耐老化 需要的設(shè)備：如熱壓罐，電烘箱，硫化 機(jī)，干燥爐，紅外線(xiàn)，電吹風(fēng)等輻射固化：是指通過(guò)紫外線(xiàn)、電子束、Y射 線(xiàn)的照射而達(dá)到固化的效果 優(yōu)點(diǎn)是：極快速，高質(zhì)量，低耗能，高效率，適合連續(xù)生產(chǎn) 微波固化：優(yōu)點(diǎn)是修復(fù)速度快，效能高， 修復(fù)后的靜強(qiáng)度可以恢復(fù)到原材料的102.9% 缺點(diǎn)是當(dāng)微波照射下會(huì)發(fā)生電磁激勵(lì)作用，從而將膠粘劑中的磁性分子和被膠粘物發(fā)生物理化學(xué)變化 設(shè)備：微波修復(fù)器（全軍裝備維修表面工程研究中心研制）1目目測(cè)測(cè)法法4試壓試壓法法2敲敲擊擊法法5測(cè)測(cè)量法量法3溶溶劑劑法法6超聲波法超聲波法X射射線(xiàn)線(xiàn)法法激光激光法法 聲阻法聲阻法等等檢查方法檢查方

5、法銳普PPT論壇chinakui首發(fā)：A、膠螺連接B、膠鉚連接膠螺混合連接： 一般是從結(jié)構(gòu)的破損安全角度考慮，用于提高連接接頭的安全裕度以及結(jié)構(gòu)修補(bǔ) 膠螺混合連接有利于提高接頭的承載力及疲勞壽命兩種方法一、連接處預(yù)先制孔，涂膠后即安裝螺栓并擰緊，然后使膠層固化形成連接接頭二、在已固化的膠接接頭上制孔安裝螺栓，并擰緊形成連接接頭 膠鉚連接一般也可采用兩種工藝方法實(shí) 現(xiàn)，一種是在膠層固化后鉚接；另一種是在 膠 層 未 固 化 時(shí) 鉚接。 為了提高膠鉚接頭的強(qiáng)度，最好在膠粘劑固化后再進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件的鉚接；而在膠層未固化時(shí)鉚接，應(yīng)當(dāng)分階段對(duì)膠層施加所需壓力，以減少膠鉚接頭連接強(qiáng)度的下降。一、當(dāng)承載較

6、大，可靠性要求較高時(shí)，宜采用機(jī)械宜采用機(jī)械連接連接 二二、當(dāng)承載較小、構(gòu)件較薄、當(dāng)承載較小、構(gòu)件較薄、環(huán)境條件環(huán)境條件 不十分惡劣時(shí)不十分惡劣時(shí)，宜宜采用膠接連接采用膠接連接三、在某些特殊情況下，為提高結(jié)構(gòu)的破損 安全特性時(shí)，可可采用混合連接采用混合連接 z-pinning 連接螺栓螺栓-柱銷(xiāo)柱銷(xiāo) 連接連接縫合縫合連接連接 縫合連接(1) 縫合縫合連接連接應(yīng)用背景應(yīng)用背景技術(shù)原理技術(shù)原理工藝特點(diǎn)工藝特點(diǎn)縫合參數(shù)縫合參數(shù)ABCD進(jìn)行復(fù)合材料層合板的輕量化設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮層合板的外層屈曲破壞后,破壞的外層和內(nèi)層增強(qiáng)材料之間將產(chǎn)生剝離載荷,它將影響層合板材料的強(qiáng)度分層的存在將造成復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)強(qiáng)

7、度和剛度的降低,使其性能得不到充分的發(fā)揮。因此,如何抑制復(fù)合材料層合板的分層損傷,提高其層間強(qiáng)度和抗分層、抗沖擊的能力是使用復(fù)合材料層合板時(shí)所必須解決的問(wèn)題其原理是通過(guò)縫合手段,使復(fù)合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強(qiáng),從而提高材料層間損傷容限text1text2 縫合縫合工藝具備多樣性工藝具備多樣性，如鋪層方向、鋪層距離和纖維織構(gòu)可以調(diào)整,可以由預(yù)浸帶經(jīng)縫合-固化而成型,也可以由預(yù)成型織物工藝經(jīng)縫合-浸潤(rùn)-固化而成型縫合不僅是一種增強(qiáng)技術(shù),而且也是一種連接技術(shù),與復(fù)合材料的其它連接技術(shù)如粘結(jié)、鉚接相比,縫合材料整體性強(qiáng)、不易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,因此為制作大型復(fù)合材料制件提供了一種有效手段 te

8、xt3text4 縫合對(duì)原有纖維分布沒(méi)有大的影響,而通過(guò)調(diào)整縫合參數(shù)如縫合密度、縫合花樣和跨距可獲得一定程度的整體結(jié)構(gòu),達(dá)到合理的均勻應(yīng)力狀態(tài)。 縫合可用于局部增強(qiáng),尤其對(duì)自由邊的縫合可大大降低層間垂直應(yīng)力,減少自由邊脫層。 縫線(xiàn)類(lèi)型縫線(xiàn)類(lèi)型1縫線(xiàn)直徑縫線(xiàn)直徑2縫合密度縫合密度3縫合方向縫合方向4D 縫合參數(shù)縫合參數(shù)縫線(xiàn)不但要求具有高強(qiáng)度、一定的可延伸性和耐磨損性,而且其性能不應(yīng)受復(fù)合材料固化的影響。常用的縫線(xiàn)有芳綸纖維、玻璃纖維(GF)、滌綸和碳纖維CF等縫線(xiàn)直徑大可提高縫合復(fù)合材料的層間斷裂韌性和抗沖擊損傷能力。不過(guò),縫線(xiàn)直徑增大會(huì)引起復(fù)合材料更多面內(nèi)纖維損傷,從而使其拉伸、壓縮強(qiáng)度降低。

9、縫合可以提高復(fù)合材料層合板的層間性能,但縫合的同時(shí)縫針對(duì)層合板平面方向的纖維會(huì)造成一定程度的損傷?？p合密度存在一個(gè)最優(yōu)值,超過(guò)這個(gè)值不僅會(huì)降低層合板的面內(nèi)力學(xué)性能,對(duì)層合板的層間性能也不利。研究表明,縫合密度為56針/cm2時(shí),獲得的材料性能較佳。 縫合方向?qū)?fù)合材料的性能影響較大,常采用的縫合角度為0、45和90?？p合方向?qū)φ粚?duì)稱(chēng)層合板的拉伸強(qiáng)度有較大影響, 0縫合引起的強(qiáng)度降小,45和90縫合引起的強(qiáng)度降基本相同縫合對(duì)復(fù)合材料平面性能的影響(1)面內(nèi)拉伸強(qiáng)度(2)面內(nèi)彎曲性能(3)面內(nèi)壓縮強(qiáng)度縫合對(duì)復(fù)合材料層間性能的影響 1.概念概念3. z-pinning技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用2.種類(lèi)種類(lèi)

10、z-pinning 技術(shù)主要用于增強(qiáng)鋪層預(yù)浸料或泡沫夾層復(fù)合材料，它借鑒了縫合復(fù)合材料中不連續(xù)縫線(xiàn)方法，在固化前的預(yù)浸料或泡沫夾層厚度方向直接嵌入剛性的短棒，這種短棒通常稱(chēng)為 z-pin z-pin 材料可以用金屬（不銹鋼、鋁合金和鈦合金等）或非金屬（碳纖維，玻璃纖維和 Kevlar 等纖維）。 金屬 z-pin 常用于對(duì)層間剪切性能要求高的復(fù)合材料。 非金屬 z-pin 目前采用碳纖維的居多，主要用于材 料的常規(guī)增韌z-pin z-pin 的直徑的直徑一般在0.2mm1.0mm 之間，最常用的有 0.28mm 和 0.51mm 兩種。對(duì)于增強(qiáng)后的層板來(lái)說(shuō)，相同植入密度下，z-pin 的直徑越

11、小對(duì)材料面內(nèi)性能損傷越小，但成本相對(duì)較高。z-pin 在層板中的體積分?jǐn)?shù)一般在 0.5 4z-pinning技術(shù)可分為兩大類(lèi),（1）單根單根植入式植入式，就是將一根根z-pin 分別嵌入未固化的層板里（2）整體嵌入式整體嵌入式，將若干z-pin同時(shí)嵌入到層板中,這種方法效率高,應(yīng)用廣泛 單根植單根植入入式式 A)采用手工方式將金屬短棒單獨(dú)的嵌入到層合板內(nèi),對(duì)于生產(chǎn)大型的復(fù)合材料來(lái)說(shuō),并不適用。 B)后來(lái)又出現(xiàn)了射釘槍,將z-pin以高速打入預(yù)浸料或干織物鋪層的層板里,但這種單根植入的方法文獻(xiàn)報(bào)道并不多見(jiàn)。整體整體嵌入式嵌入式 將若干z-pin同時(shí)嵌入到層板中,這種方法效率高,應(yīng)用廣泛方法：一種

12、是利用熱壓罐的方法,另外一種是UAZ(超聲波輔助嵌入)技術(shù)。這兩種技術(shù)都引入了泡沫預(yù)制件目的目的：為防止z-pin在嵌入層板的過(guò)程中發(fā)生屈曲,先將原卷繞貯存的z-pin切割,以一定密度正交植入泡沫中得到泡沫預(yù)制件 制作制作：泡沫采用兩種材料組合而成，低密度 泡沫置于的上層,在嵌入z-pin前對(duì)z-pin起到支撐作用；中密度泡沫置于下層,防止z-pin在受力的情況下發(fā)生彎曲 這種z-pinning技術(shù)整個(gè)嵌入過(guò)程是在熱壓罐中實(shí)現(xiàn)的，這種方法適于平面層合板方法:(1)將含有z-pin的泡沫預(yù)制體放在未固化 的層板需要增韌的部位,套上真空袋(2)隨著溫度的升高,預(yù)浸層板逐漸軟化,泡沫逐漸融潰,z-p

13、in在熱壓罐產(chǎn)生的壓力作用下將轉(zhuǎn)移到層板里。 (3)待固化后,將材料從熱壓罐中取出,用金剛刀割除多余的泡沫和z-pin,就得到了z-pin增強(qiáng)層合復(fù)合材料 該技術(shù)采用了一種超聲波發(fā)生裝置,超聲波可以帶動(dòng)槍頭觸角高頻振動(dòng),最大輸出功率下,振幅可達(dá)20um,頻率20 kHz。接觸角頭高頻震動(dòng)可以降低嵌入z-pin需要的作用力,振動(dòng)產(chǎn)生的熱還可以使樹(shù)脂軟化,易于z-pin的轉(zhuǎn)移工藝流程：（1） （2）（4） 層層合板的整體增韌合板的整體增韌A 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)件的連接件的連接B在在泡沫夾層復(fù)合材料中的應(yīng)用泡沫夾層復(fù)合材料中的應(yīng)用C背景背景：a)層合板的層間韌性較差,在使用中容易引起分層,這一缺點(diǎn)大大限制了層

14、合復(fù)合材料的應(yīng)用 b)對(duì)預(yù)浸層合面板整體增韌是z-pinning的最 基本應(yīng)用，能明顯改進(jìn)材料的層間韌性、沖擊損傷容限、沖擊后壓縮強(qiáng)度等性能比較比較 CompareDIAGRAMTITLETITLEClick to add textZ-pinZ-pinUn z-pinUn z-pin z-pin增強(qiáng)層合復(fù)合材料能夠保持89% 98%的面內(nèi)抗拉強(qiáng)度,使層間斷裂韌性提高18倍,使沖擊損傷區(qū)域減少50 %背景背景：復(fù)合材料的連接大多采用膠接、機(jī)械連接。 （a）膠接連接方式容易由于較弱的膠接層發(fā)生破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。 (b)而機(jī)械連接一方面增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,另一方面在層合板上鉆孔,會(huì)引起應(yīng)力集中和自由邊效應(yīng)引起材料的疲勞破壞。 而z-pin連接能夠很好地改善和克服這些不足研究表明：z-pinning是連接件抵抗分層很有效的方法, 能顯著提高搭接結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和疲勞壽命。Freitas等人證明z-pin增強(qiáng)加勁肋的拉脫強(qiáng)度增加了2. 32. 6倍。Paul Chang實(shí)驗(yàn)表明z-pin對(duì)單搭制件的抗拉強(qiáng)度可提高40%,伸長(zhǎng)率提高55%,疲勞強(qiáng)度增加40% z-pin增強(qiáng)泡沫夾層復(fù)合材料彌補(bǔ)了傳統(tǒng)泡沫夾層材料的剪切、壓縮性能較低、面板與芯材易發(fā)生脫粘破壞及由于進(jìn)水導(dǎo)致的整體失穩(wěn)等缺點(diǎn)1.原理2.應(yīng)用前景螺柱-柱銷(xiāo)連接是在復(fù)合材料板的垂直方向安裝連接柱銷(xiāo),在軸線(xiàn)方向安裝螺柱,柱銷(xiāo)上有連