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碳纤维复合材料连接技术

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摘要:介绍了胶接、机械连接及混合连接等碳纤维复合材料的常用连接方法及优缺点,总结了碳纤维复合材料的连接形式、接头强度的影响因素和接头的选用原则,并对国内外碳纤维复合材料连接的研究进展进行了简要介绍,最后展望了碳纤维复合材料连接的研究前景。

关键词:碳纤维复合材料;胶结;机械连接;混合连接

碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优点,其在航空器上的应用可以有效降低结构重量、提高航空器性能、降低运营成本。碳纤维复合材料在飞机上的使用比例和应用部位,已经成为衡量飞机是否先进的重要指标。[1]在碳纤维复合材料的大量使用中,势必会需要和其他材料进行连接,例如复材和复材、复材和金属等。因此对碳纤维复合材料连接技术进行研究,对于飞机结构的设计及维修都具有十分重要的意义。

1碳纤维复合材料的常用连接方法

复合材料零部件之间以及复合材料和金属零部件之间通常用三种连接方式:胶接、机械连接、混合连接等。[2]简介如下:

1.1胶接胶结是通过胶粘剂将两个或者多个构件的结合面进行连接在一起。它是复合材料连接中较普遍采用的一种连接方式。[2]其主要优缺点如下:胶结的优点:(1)可避免因制孔而引起的应力集中,层压板强度受影响;(2)连接效率高、结构轻,连接件成本较低;(3)抗疲劳、减振、密封及绝缘性能好;(4)可获得光滑的气动表面;(5)无不同材料间的电化学腐蚀问题。胶结的缺点:(1)缺少可靠的检测方法,胶结质量难以控制,且可靠性不高;(2)胶结强度分散大,剥离强度较低,难以传递较大载荷;(3)胶结前对表面处理的要求比较严格;(4)胶结是不可拆卸的永久连接,材料回收难度大;(5)不适用于较厚的结构和传递较大的载荷;(6)胶结固化会产生较大的残余应力。

1.2机械连接机械连接主要是用紧固件将两个零部件连接在一起,比如螺栓、铆钉和特殊紧固件等。其中螺栓连接属于可重复拆卸式连接,其承载能力比铆钉连接高,一般用于主要承力结构的连接。铆钉属于不可重复拆卸连接,虽然承载能力较小,但是可以采用沉头铆钉的形式得到表面更光滑的连接件。[3]对于某些特殊要求,比如结构不开闭、难以接触、表面曲率大、密封要求高等情况,可视情采用合适的特殊紧固连接。以下以螺栓连接为例介绍机械连接的优缺点。机械连接的优点是:(1)便于检查质量、有效保证检查的可靠性;(2)对于螺栓连接来讲,在使用过程中可进行重复拆卸和安装;(3)对连接件表面的制备和处理精度要求较低;(4)可避免胶接固化引起的残余应力,尤其对剥离应力不敏感;(5)对连接件的厚度要求没有限制。机械连接的缺点是:(1)制螺栓孔时,会导致孔周的应力集中,降低连接性能;(2)为减小制孔对层压板强度的影响,通常需要增加局部层压板厚度,再加上紧固件的使用,导致连接件整体重量增加;(3)部分钢质和几乎全部铝合金紧固件和复合材料接触会产生电化学腐蚀;(4)制孔过程会对复合材料产生不同程度的损伤;(5)与之配合的金属件易于疲劳。

1.3混合连接混合连接是采用至少两种连接方式将两个或两个以上的构件连接起来。通常是贯穿层合板厚度的机械连接与胶接同时使用,例如螺栓连接与胶接、铆钉连接与胶接等。若从工艺上严格保证连接质量,使两者变形一致,同时受载,则可以起到阻止或延缓胶层损伤的扩展,提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能的作用。同时,混合连接也会带来诸如孔应力集中、增加结构重量和成本的不利影响。

1.4连接方式的选择在复合材料连接中,采取何种连接方式要视情况而定。通常来讲,对于需要传递较大的集中载荷和强调可靠性的部位,多采用机械连接方式。对于需要传递均布载荷或承受剪切载荷的部位,多采用连接效率较高的胶接连接。[3]混合连接则适用于要求多余度连接的部位,如中等厚度板的连接。

2碳纤维复合材料连接形式和影响因素

2.1胶接的连接形式和影响因素2.1.1胶结的连接形式从结构强度的观点考虑,胶接连接设计应遵循以下基本原则:[4]选择使胶层在最大强度方向受剪力的连接形式,尽量避免胶层在法向受力,以防发生剥离;尽量避免连接端部层压板发生层间剥离;在高温工作时,所选胶粘剂和连接件的热膨胀系数尽量一致;尽量减小连接引起的应力集中;尽量增大胶结面积,增大受载能力。以上原则的目的是使接头强度高于或不低于被连接件。因此,为满足基本要求,应从连接形式、接头几何参数的选择等方面入手。综合以上,碳纤维复合材料胶接的连接主要有单搭接、双搭接、阶梯形连接、斜面连接四种形式。选择采用何种连接方式时,要考虑构件的强度要求。当胶接件比较薄(小于1.8mm)时,可采用单搭接。但是当两个胶接件刚度不等时,单搭接的偏心效应较大,应尽量避免使用单搭接。对于中等厚度板(3至6.35mm),采用双搭接或双搭接板连接比较合适。当胶接件很厚时(大于6.35mm),由于偏心载荷产生的偏心力矩增大,须选用斜面或阶梯形连接。2.1.2胶接接头强度的影响因素接头的主要作用是将剪切载荷(或者拉伸载荷(P)从一个构件传递到另一个构件。影响连接强度因素包括连接形式、被胶结件的弹性模量和厚度、被胶结件的刚度不等、胶粘剂韧性、胶层厚度、被胶结件热失配、温度和湿度、胶结缺陷等。[5]

2.2机械连接的连接形式和影响因素2.2.1机械连接的连接形式碳纤维复合材料的机械连接形式,根据受力形式可以分为单剪和双剪两种,按照有无起连接作用的搭接板,主要有对接和搭接两类,其中每类又分为等厚度和变厚度连接两种情况。选择复合材料的连接形式时,应注意以下原则:单剪连接会产生附加弯曲,从而造成接头承载能力的减小和连接效率的降低,因此连接设计尽可能选择。双剪连接,尽可避免选用单剪连接;若采用单剪连接等不对称的连接形式,则应采用排距尽可能大的多排紧固件,使偏心加载引起的弯曲应力降低的最小;[6]由于碳纤维复合材料的塑形较差,会造成多排紧固件连接载荷分配不均匀,因此,设计多钉连接形式时,应尽可能选用不多于两排紧固件的连接形式。紧固件尽可能选用平行排列,避免交错排列,以提高连接强度。[6]合理的斜削型连接可以提高连接强度,但是若设计不合理,斜削型接头的承载能力反而比等厚度连接的还差。设计的关键是斜削搭接板厚度和紧固件直径的选择。2.2.2机械连接接头强度的影响因素影响机械连接接头强度的因素主要有以下几种:材料参数包括碳纤维材料的强度、取向及形式(单向带、编织布),树脂类型、纤维体积含量及铺层顺序等;机械连接的几何参数如搭接或对接、单剪或双剪等连接形式,排距/孔径、列距/孔径、端距/孔径、边距/孔径、厚度/孔径等几何尺寸,孔的排列方式等;紧固件参数螺栓、抽钉、铆钉、凸头或沉头等紧固件类型,紧固件及垫圈的尺寸,拧紧力矩和孔的配合精度等;载荷因素包括静载荷、动载荷或疲劳载荷等不同的载荷类型,载荷的方向,加载的速率等;环境因素湿度、温度、介质等。[7]

3碳纤维复合材料连接方法研究进展

对碳纤维复合材料进行机械连接时,在孔洞位置容易产生应力集中,同时材料的微观结构也会存在损伤,通常会引起构件低应力破坏。而碳纤维复合材料的汽化温度高达3000摄氏度以上,难以采用传统的熔化方法进行焊接。[8]目前,国内外对于碳纤维复合材料间的连接多采用引入中间过渡层的连接方法,比如固相扩散连接、活性金属钎焊和玻璃连接等,下面分别进行简单介绍。

3.1固相扩散连接固相扩散连接是在高温高压下,中间层材料发生原位化学反应,界面处元素相互扩散,结果是在连接界面处形成稳定的界面层,从而获得高温高强接头。中间层材料多采用高温合金和陶瓷粉体,或者是陶瓷的有机前体。[8]国内外诸多专家研究了分别使用硼和石墨混合粉、金属钨粉和碳粉、钨改性酚醛树脂和钨粉混合物等作为中间层材料,在不同压力和温度下对碳纤维复合材料进行反应扩散连接,结果表明连接件在1500摄氏度以上高温环境中,最大剪切强度可以达到16Mpa以上。[9]

3.2活性金属钎焊活性金属钎焊是利用Si、Ti、Zr、Pd等活性元素与碳纤维复合材料基体发生反应,通过在界面处形成稳定的反应层或改善界面润湿性而获得高强度接头的连接方法。[9]使用金属化合物TiSi2对3D碳纤维复合材料进行连接。在TiSi2熔点附件保温2分钟,可以获得SiC、TiC和TiSi2等反应物。[11]在1164摄氏度时,接头的平均剪切强度可以达到34.4Mpa。陈波。[10]等研究表明高温钎料中增加活性元素Ti、Cr、V的含量,会在连接界面处生产扩散产物TiC、Cr23C6、V2C,从而起到改善钎料的润湿性,增加接头连接强度的作用。[9]

3.3玻璃连接玻璃连接可以通过调整玻璃组分,制备出与连接母材膨胀系数相匹配的玻璃材料。[12]C.Isola等首先使用硅溶胶高温裂解在材料表面形成成β-SiC层,再采用SABB玻璃对碳纤维复合材料进行连接,研究表明在1200摄氏度附近,保温60min可获得性能较好的接头。[13]

4结语

碳纤维复合材料的大量使用是未来飞机结构设计与制造的发展趋势,只有开发和设计出高可靠性、高性能的连接技术,将各种构型的复合材料零件连接成一个整体,才能充分发挥碳纤维复合材料的优异性能。[14]本文综述了碳纤维复合材料的各种连接方式、连接技术优缺点及国内外学者对连接技术的研究现状。未来新型连接技术的研究及计算材料学(有限元法、有限差分法等)在碳纤维复合材料连接中的应用是该领域研究的主要内容。相信随着技术的不断发展进步,轻量化、高可靠性、耐高温、低成本的碳纤维复合材料连接技术也会应运而生。维复合材料连接技术也会应运而生。

参考文献:

[1]周银晓.先进复合材料结构飞机机械连接技术现状及发展方向分析[J].信息系统工程,2017,5:17.

[2]沃西源.复合材料连接方法[J].航天返回与遥感,1997,18(4):31-39.

[3]魏景超.复合材料结构新型紧固件连接强度与失效机理[D].西安:西北工业大学,2014.

[4]高佳佳.纤维增强树脂基复合材料连接技术研究现状与展望[J].玻璃钢/复合材料,2018,2:101-107.

[5]陈祥忠.纤维复合材料连接方式[J].扬州大学学报,2016,19(2):33-36.

[6]代瑛.电磁铆接技术在复合材料结构中的应用研究[M].西安:西北工业大学,2007.

[7]宋亚南.石墨烯海绵中间层钎焊C/C复合材料工艺及机理研究[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.

[8]刘仁宇.某型飞机外翼下壁板连接件疲劳试验失效分析[J].航空精密制造技术,2008,06.

[9]兰逢涛.国内外碳_碳复合材料连接研究进展[J].材料导报,2009,23(4):9-12.

[10]陈波,熊华平,毛唯,等.几种高温钎料对C/C复合材料的润湿性研究[J].材料工程,2008,(1):28.

[12]韩小进,孙慧玉,等.复合材料机械连接数值分析研究进展[J],航空制造技术,2018.20.

[13]张志宏.复合材料层合板单搭接机械连接横向力研究[J].航空工程进展,2018.(01).

[14]梅俊杰.复合材料螺栓连接渐近失效分析[J].玻璃钢/复合材料,2017(07).

作者:荆楠 单位:天津中德应用技术大学

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