復合材料的連接

1、匯報人：秦美君 CONTENT一一 復合材料主要連接類型 二二 復合材料連接應用新進展 首先首先 增強結構的載荷傳遞必須有相應的連接方式來解決，而連接部位一般都是結構的薄弱環(huán)節(jié)。 其次其次 影響復合材料連接強度的因素要比金屬復雜得多，因為連接區(qū)域含有結構形狀的各種間斷，由此總是導致局部的應力集中。其連接的失效模式多而且預測強度較困難。 第三第三 這些特點使復合材料連接強度問題變得更復雜，必須予以足夠的重視。 復合材料的機械連接是指將一復合材料和另一復合材料（或金屬或合金）通過緊固件連接成為一整體 優(yōu)點便于檢查質量，安全可靠， 強度分散性小，能傳遞大載 荷便于裝卸，對零件連接表面的準備及處理要求

2、不高，無膠接固化產生的殘余應力，受環(huán)境影響較小缺點開孔引起應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)點和缺點優(yōu)點和缺點C.C.膠接連接膠接連接 工藝流程工藝流程 膠接連接是復合材料結構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，是一種較實用有效的連接工藝技術，有時還能為研制生產解決關鍵性工藝技術無鉆孔引起的應力集中，連接效率高，適宜連接異形、異質、薄壁、復雜的零件結構輕，抗疲勞、密封、減振及絕緣性能好，有阻止裂紋擴展作用，破損安全性好，能獲得光滑氣動外形不同材料連

3、接無電偶腐蝕問題，工藝簡便、操作容易，可節(jié)省能源，因而具有一定的經(jīng)濟效益質量控制比較困難膠接性能受環(huán)境（濕、熱、腐蝕介質）的影響存在一定的老化問題，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械方法和化學方法物理機械方法：砂紙打磨和噴砂化學方法：溶劑清洗與脫脂，鉻硫酸浸蝕，陽極氧化處理和溶膠凝方法等，其中陽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、高頻固化等以下對部分固化方法進行闡述：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：固化速度快，強度高，耐老化 需要的設備：如熱壓罐，電烘箱，硫化 機，干燥爐，紅外線，電吹風等輻射固化：是指通過紫外線、電子束、Y射 線的照射而達到固化的效果 優(yōu)點是：極快速，高質量，低耗能，高效率，適合連續(xù)生產 微波固化：優(yōu)點是修復速度快，效能高， 修復后的靜強度可以恢復到原材料的102.9% 缺點是當微波照射下會發(fā)生電磁激勵作用，從而將膠粘劑中的磁性分子和被膠粘物發(fā)生物理化學變化 設備：微波修復器（全軍裝備維修表面工程研究中心研制）1目目測測法法4試壓試壓法法2敲敲擊擊法法5測測量法量法3溶溶劑劑法法6超聲波法超聲波法X射射線線法法激光激光法法 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： 一般是從結構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構修補 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 現(xiàn)，一種是在膠層固化后鉚接；另一種是在 膠 層 未 固 化 時 鉚接。 為了提高膠鉚接頭的強度，最好在膠粘劑固化后再進行復合材料構件的鉚接；而在膠層未固化時鉚接，應當分階段對膠層施加所需壓力，以減少膠鉚接頭連接強度的下降。一、當承載較

6、大，可靠性要求較高時，宜采用機械宜采用機械連接連接 二二、當承載較小、構件較薄、當承載較小、構件較薄、環(huán)境條件環(huán)境條件 不十分惡劣時不十分惡劣時，宜宜采用膠接連接采用膠接連接三、在某些特殊情況下，為提高結構的破損 安全特性時，可可采用混合連接采用混合連接 z-pinning 連接螺栓螺栓-柱銷柱銷 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用背景應用背景技術原理技術原理工藝特點工藝特點縫合參數(shù)縫合參數(shù)ABCD進行復合材料層合板的輕量化設計時,必須考慮層合板的外層屈曲破壞后,破壞的外層和內層增強材料之間將產生剝離載荷,它將影響層合板材料的強度分層的存在將造成復合材料層合板結構強

7、度和剛度的降低,使其性能得不到充分的發(fā)揮。因此,如何抑制復合材料層合板的分層損傷,提高其層間強度和抗分層、抗沖擊的能力是使用復合材料層合板時所必須解決的問題其原理是通過縫合手段,使復合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強,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可以調整,可以由預浸帶經(jīng)縫合-固化而成型,也可以由預成型織物工藝經(jīng)縫合-浸潤-固化而成型縫合不僅是一種增強技術,而且也是一種連接技術,與復合材料的其它連接技術如粘結、鉚接相比,縫合材料整體性強、不易產生局部應力集中,因此為制作大型復合材料制件提供了一種有效手段 te

8、xt3text4 縫合對原有纖維分布沒有大的影響,而通過調整縫合參數(shù)如縫合密度、縫合花樣和跨距可獲得一定程度的整體結構,達到合理的均勻應力狀態(tài)。 縫合可用于局部增強,尤其對自由邊的縫合可大大降低層間垂直應力,減少自由邊脫層。 縫線類型縫線類型1縫線直徑縫線直徑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)縫線不但要求具有高強度、一定的可延伸性和耐磨損性,而且其性能不應受復合材料固化的影響。常用的縫線有芳綸纖維、玻璃纖維(GF)、滌綸和碳纖維CF等縫線直徑大可提高縫合復合材料的層間斷裂韌性和抗沖擊損傷能力。不過,縫線直徑增大會引起復合材料更多面內纖維損傷,從而使其拉伸、壓縮強度降低。

9、縫合可以提高復合材料層合板的層間性能,但縫合的同時縫針對層合板平面方向的纖維會造成一定程度的損傷。縫合密度存在一個最優(yōu)值,超過這個值不僅會降低層合板的面內力學性能,對層合板的層間性能也不利。研究表明,縫合密度為56針/cm2時,獲得的材料性能較佳。 縫合方向對復合材料的性能影響較大,常采用的縫合角度為0、45和90。縫合方向對正交對稱層合板的拉伸強度有較大影響, 0縫合引起的強度降小,45和90縫合引起的強度降基本相同縫合對復合材料平面性能的影響(1)面內拉伸強度(2)面內彎曲性能(3)面內壓縮強度縫合對復合材料層間性能的影響 1.概念概念3. z-pinning技術應用技術應用2.種類種類

10、z-pinning 技術主要用于增強鋪層預浸料或泡沫夾層復合材料，它借鑒了縫合復合材料中不連續(xù)縫線方法，在固化前的預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 常用于對層間剪切性能要求高的復合材料。 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。對于增強后的層板來說，相同植入密度下，z-pin 的直徑越

11、小對材料面內性能損傷越小，但成本相對較高。z-pin 在層板中的體積分數(shù)一般在 0.5 4z-pinning技術可分為兩大類,（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同時嵌入到層板中,這種方法效率高,應用廣泛 單根植單根植入入式式 A)采用手工方式將金屬短棒單獨的嵌入到層合板內,對于生產大型的復合材料來說,并不適用。 B)后來又出現(xiàn)了射釘槍,將z-pin以高速打入預浸料或干織物鋪層的層板里,但這種單根植入的方法文獻報道并不多見。整體整體嵌入式嵌入式 將若干z-pin同時嵌入到層板中,這種方法效率高,應用廣泛方法：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。這兩種技術都引入了泡沫預制件目的目的：為防止z-pin在嵌入層板的過程中發(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技術整個嵌入過程是在熱壓罐中實現(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,預浸層板逐漸軟化,泡沫逐漸融潰,z-p

13、in在熱壓罐產生的壓力作用下將轉移到層板里。 (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增強層合復合材料 該技術采用了一種超聲波發(fā)生裝置,超聲波可以帶動槍頭觸角高頻振動,最大輸出功率下,振幅可達20um,頻率20 kHz。接觸角頭高頻震動可以降低嵌入z-pin需要的作用力,振動產生的熱還可以使樹脂軟化,易于z-pin的轉移工藝流程：（1） （2）（4） 層層合板的整體增韌合板的整體增韌A 結構結構件的連接件的連接B在在泡沫夾層復合材料中的應用泡沫夾層復合材料中的應用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,這一缺點大大限制了層

14、合復合材料的應用 b)對預浸層合面板整體增韌是z-pinning的最 基本應用，能明顯改進材料的層間韌性、沖擊損傷容限、沖擊后壓縮強度等性能比較比較 CompareDIAGRAMTITLETITLEClick to add textZ-pinZ-pinUn z-pinUn z-pin z-pin增強層合復合材料能夠保持89% 98%的面內抗拉強度,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：復合材料的連接大多采用膠接、機械連接。 （a）膠接連接方式容易由于較弱的膠接層發(fā)生破壞而導致結構失效。 (b)而機械連接一方面增加整個結構的質量,另一方面在層合板上鉆孔,會引起應力集中和自由邊效應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, 能顯著提高搭接結構件的強度和疲勞壽命。Freitas等人證明z-pin增強加勁肋的拉脫強度增加了2. 32. 6倍。Paul Chang實驗表明z-pin對單搭制件的抗拉強度可提高40%,伸長率提高55%,疲勞強度增加40% z-pin增強泡沫夾層復合材料彌補了傳統(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水導致的整體失穩(wěn)等缺點1.原理2.應用前景螺柱-柱銷連接是在復合材料板的垂直方向安裝連接柱銷,在軸線方向安裝螺柱,柱銷上有連