復(fù)合材料膠接設(shè)計

復(fù)合材料膠接設(shè)計2011/5/26邵龍飛魏羽良劉旭復(fù)合材料膠接設(shè)計2011/5/26邵龍飛魏羽良劉旭目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1膠接連接設(shè)計 3\o"CurrentDocument"1.1膠接件基本破壞模式 3\o"CurrentDocument"1.2膠接連接設(shè)計準則 3\o"CurrentDocument"膠粘劑的選擇 41.3.1膠黏劑選擇要求 41.3.2脆性和韌性膠粘劑比較 41.3.3常用膠粘劑的比較： 51.3.4被膠接件的表面制備 6\o"CurrentDocument"膠接連接形式 6\o"CurrentDocument"1.5膠接接頭幾何參數(shù)選擇 7\o"CurrentDocument"1.6膠接面纖維取向 8\o"CurrentDocument"1.7溫度和濕度的影響 8\o"CurrentDocument"1.8膠接連接設(shè)計應(yīng)考慮的其它因素 9\o"CurrentDocument"1.8.1制造方法 9\o"CurrentDocument"1.8.2可維修性 9\o"CurrentDocument"1.8.3成本和質(zhì)量 9\o"CurrentDocument"試驗 10\o"CurrentDocument"2膠接結(jié)構(gòu)的細節(jié)設(shè)計 10\o"CurrentDocument"2.1基本要求 10\o"CurrentDocument"2.2應(yīng)力水平 10\o"CurrentDocument"2.3膠結(jié)連接形式選擇 10\o"CurrentDocument"降低膠結(jié)連接應(yīng)力集中和剝離應(yīng)力的措施 11\o"CurrentDocument"2.5蒙皮（腹板）的加強方法 11\o"CurrentDocument"2.6注意膠接結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力 12\o"CurrentDocument"2.7避免產(chǎn)生電偶腐蝕 12\o"CurrentDocument"2.8防止水汽進入膠層 12\o"CurrentDocument"2.9工裝設(shè)計與加工 12\o"CurrentDocument"2.10質(zhì)量控制 12\o"CurrentDocument"3膠接缺陷及其檢驗 12\o"CurrentDocument"3.1缺陷類型 12\o"CurrentDocument"3.2檢測原理 13\o"CurrentDocument"3.3缺陷的檢測方法： 13\o"CurrentDocument"缺陷波形分析 13\o"CurrentDocument"4膠接結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計 131膠接連接設(shè)計1.1膠接件基本破壞模式接頭端部的內(nèi)力和剪應(yīng)力最大，故破壞最容易在這里發(fā)生。實驗表明，膠結(jié)連接在拉伸載荷作用下，三種基本破壞模式：被膠接件拉伸（或拉彎）破壞；膠層剪切破壞；剝離破壞（包括膠層剝離破壞和被膠接件剝離破壞）。單面搭接接頭的基本破壞模式1-拉伸；2-剝離；3-膠層剪切（h） （d）圖兀&膠接連接基本破壞形式拡膠接什拉伸':或懂莓、破歩；（br喊層剪切被怖$2、被耽接件剝離砸以；【甘股層剝離（劈殺）皈晞1.2膠接連接設(shè)計準則在任何載荷作用下，對于各種形式的破壞，都不應(yīng)使膠接面成為最薄弱的環(huán)節(jié)，且使膠接接頭強度要高于膠接構(gòu)件的強度，至少為同量級。設(shè)計原則（從強度和成本考慮）選擇合理連接形式，使膠層在最大強度方向受剪力；使膠層在受力方向有足夠的強度；盡可能避免膠層受到法向力，以防止發(fā)生剝離破壞；在高溫工作時，所選膠粘劑的熱脹系數(shù)盡量與被膠接件相近；承受動載荷時，應(yīng)選低模量韌性膠粘劑；工藝盡可能簡單，降低制造成本；盡量減少應(yīng)力集中防止接頭端部層合板發(fā)生層間拉伸破壞1.3膠粘劑的選擇1.3.1膠黏劑選擇要求要有較好的綜合力學性能；與被膠接件的相容性好，即有較好的粘接強度，不致在膠接件界面發(fā)生破壞；工藝性好，使用方便；在盡量低的溫度下固化；與被膠接件的熱脹系數(shù)要相近；環(huán)境影響盡可能小；膠接的耐久性應(yīng)高于結(jié)構(gòu)所預(yù)期的壽命。1.3.2脆性和韌性膠粘劑比較

脆性和韌性膠粘劑剪應(yīng)力-應(yīng)變特性比較：?脆性膠黏劑宜在高溫下使用，在拐點附近即斷裂，疲勞壽命短。?韌性膠粘劑宜在中溫下使用，斷裂應(yīng)變較大，因而使膠層的應(yīng)力集中較小,可承受較高的疲勞極限應(yīng)力，壽命較長。1.3.3常用膠粘劑的比較：種類優(yōu)點缺點環(huán)氧樹脂工藝性能好；固化收縮性?。换瘜W穩(wěn)定性好；強度咼硬度一般；熱強度低；耐磨性差環(huán)氧酚醛耐熱性好；強度高；超低溫性能好需熱固化；多孔性；電性能不良酚醛樹脂熱強度高；耐酸性好；價格低；電氣性能好需咼溫咼壓固化；造價貴；有腐蝕性；收縮率較大有機耐熱、耐寒、耐輻射，絕緣性好強度低

硅樹脂酚醛亞胺耐熱、耐水、耐火、耐腐蝕需咼溫固化、造價咼；有腐蝕性、多孔性聚酯樹脂機械和電氣性好、價格低、耐沸水、耐熱、耐酸、耐環(huán)境僅用于次要構(gòu)件1.3.4被膠接件的表面制備利用膠粘劑進行膠接，是被膠接件與膠層之間復(fù)雜的作用過程，被膠接件的表面制備質(zhì)量對膠接質(zhì)量（靜強度和耐久性）有重大的影響。對碳/環(huán)氧復(fù)合材料件間的膠接，采用有機溶劑清洗和表面機械打磨。對復(fù)合材料和金屬件間的膠接，除了表面制備外，還需對金屬表面進行表面處理。德國AD公司在Airbus系列飛機生產(chǎn)中采用的表面處理方法：丄不銹鋼：不處理丄鈦合金：陽極化或不處理丄鋁合金：鉻酸陽極化1.4膠接連接形式P何P/2P/2PPP2)P(/)P何P/2P/2PPP2)P(/)@）單搭接；3）雙搭接；（0單面斜接；（d）雙面斜接;

@）單面階梯型搭接；（門雙面階梯型搭接1.5膠接接頭幾何參數(shù)選擇接頭的主要作用是將載荷從一個膠接件傳遞到另一個膠接件上，她的破壞模式是多樣的，究竟以何種模式破壞，與接頭的幾何參數(shù)有關(guān)。以單面搭接接頭為例，它的集合參數(shù)是：被膠接件厚度t、膠層厚度h和搭接長度1。如圖所示。被膠接件厚度t通常由所需傳遞的載荷P來確定。膠層厚度h對連接強度有影響。增加厚度，可以減小應(yīng)力集中，提高強度，但過厚容易產(chǎn)生氣泡等缺陷，反使強度下降；過薄則要求被膠接件間貼合度高，因此不宜過薄，一般取0.10mm~0.25mm。搭接長度1與膠接件厚度t之比1/t是膠接設(shè)計中最重要的幾何參數(shù)。增加搭接長度，可提高承載能力，但搭接長度達到一定值后，承載能力無明顯提高。從靜強度分析，增加連接長度1無必要，但從使用壽命、結(jié)構(gòu)耐久性考慮，在可能范圍內(nèi)，希望連接長度1盡可能大一些。這是因為，搭接長度短而載荷過大時，搭接長度中間部分最小剪應(yīng)力幾乎和兩端值相同，整個膠層進入塑性狀態(tài)，卸載后，不可能恢復(fù)到原來狀態(tài)，接頭很快破壞。一般較為合理的設(shè)計是1/t=50~100。

1.6膠接面纖維取向復(fù)合材料層壓板待膠接表面纖維最好與載荷方向一致或成45°角，不得與載荷方向垂直，以免被膠接件過早產(chǎn)生層間剝離破壞。下圖是一些例子。匚!?不正確■止jp_J".竺如士匚!?不正確■止jp_J".竺如士*■07"輕擊右需腔接鹿評堆取向1.7溫度和濕度的影響溫度和濕度對復(fù)合材料構(gòu)件性能有影響，設(shè)計中必須考慮。吸收的濕氣靠毛細管作用傳到膠層樹脂中，逐漸引起樹脂的組織軟化，使它們膨脹，并降低了它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。如果膠黏劑在其工作溫度范圍內(nèi)使用，溫度影響不重要。但如果溫度和濕度共同作用，高溫將增加濕氣的吸收和擴散能力，影響極為嚴重。長期的環(huán)境影響將明顯降低膠接強度。避免溫度和濕度有害影響的辦法：用密封膠將膠層密封，這是工程上行之有效的防濕措施。精確給定膠接連接件所承受的最惡劣的環(huán)境條件。精確給定使用溫度范圍。在綜合考慮以上兩點的基礎(chǔ)上，選擇最合適的膠粘劑。1.8膠接連接設(shè)計應(yīng)考慮的其它因素1.8.1制造方法設(shè)計人員應(yīng)該了解膠接連接的成型和加工過程。設(shè)計時盡量減少成型模具和工裝，減少制造成本，保證膠接質(zhì)量。膠接時盡量采用共固化方法。模具的選材和設(shè)計，應(yīng)考慮到與固化溫度和固化升溫速率的匹配關(guān)系。1.8.2可維修性結(jié)構(gòu)連接設(shè)計時，要考慮膠接結(jié)構(gòu)的可維修性。因為維修的次數(shù)和方法直接影響維修的費用大小。維修膠接區(qū)時，往往會使原來膠接完整的區(qū)域受到損傷，因此對不影響膠接強度和能夠滿足壽命要求的脫膠，盡量不返修，或者采用適當?shù)姆椒?，不損傷脫膠區(qū)附近的膠接區(qū)。最簡單的維修方法是在脫膠區(qū)使用緊固件連接，或者增加蓋板后再螺栓連接或鉚接。1.8.3成本和質(zhì)量成功的膠接設(shè)計可能減少維修和加工成本約20%，減少質(zhì)量約15%。成本估算應(yīng)考慮到維修所需費用。質(zhì)量估算時應(yīng)考慮到維修所增加的質(zhì)量。1.8.4試驗?zāi)z接設(shè)計應(yīng)考慮三個方面的試驗：/基本性能試驗包括復(fù)合材料層合板的基本性能試驗與膠層剝離試驗、剪切試驗。/設(shè)計接頭的驗證試驗驗證接頭強度是否達到設(shè)計要求。/接頭的疲勞壽命試驗對疲勞壽命有要求的接頭應(yīng)做這一試驗。2膠接結(jié)構(gòu)的細節(jié)設(shè)計基本要求設(shè)計復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)應(yīng)使膠層在剪切狀態(tài)下工作，盡量避免膠層受拉力和剝離力。膠接強度必須高于被膠接件本身的強度。否則，膠接聯(lián)接將成為薄弱環(huán)節(jié)，使膠接結(jié)構(gòu)過早破壞。應(yīng)力水平在極限載荷下，對不同的膠黏劑，膠層中最大平均剪應(yīng)力控制在一定要求量之間。2.3膠結(jié)連接形式選擇優(yōu)秀的設(shè)計應(yīng)根據(jù)最大載荷的作用方向，使所設(shè)計的連接以剪切的方式傳遞最大載荷，而其他方向載荷很小，就不致引起較大的剝離應(yīng)力。

單搭接連接 由干16心加戟引起I■J■ '的薇膠接件年曲］被膠接件厚度被膠接件比較?。ㄐ∮?.8mm），可采用單搭接；中等厚度板（L/1=50~100），采用雙搭接比較適宜；被膠接件很厚時，宜選用斜面搭接，或者階梯型搭接2.4降低膠結(jié)連接應(yīng)力集中和剝離應(yīng)力的措施交接連接設(shè)計應(yīng)盡量減少由于偏心和不對稱在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的剝離應(yīng)力，如采用對稱雙搭接形式，在雙搭接中增加外搭接板的彎曲剛度，在單搭接中邊緣斜削或制倒角等。2.5蒙皮（腹板）的加強方法當蒙皮（腹板）需加強時，推薦采用“T”形件，不用角形件。2.6注意膠接結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力注意由于熱膨脹不同在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力（如固化時因膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力），特別是在高的工作溫度下，因為熱應(yīng)力與使用溫度和固化溫度差成正比。合理的選擇層壓板的鋪成形式，可使熱應(yīng)力減少。2.7避免產(chǎn)生電偶腐蝕復(fù)合材料與金屬膠接，由于它們之間的電極電位不同，應(yīng)注意防止電偶腐蝕。金屬件表面應(yīng)經(jīng)適當?shù)谋砻嫣幚恚M量避免碳纖維復(fù)合材料與鋁合金直接膠接，它們之間應(yīng)設(shè)置隔離層。2.8防止水汽進入膠層由于膠層吸濕，即使吸收少量水汽也會危害膠結(jié)結(jié)構(gòu)，采用適當?shù)拿芊馐欠乐顾M入的有效措施。2.9工裝設(shè)計與加工膠接使用的工裝應(yīng)是精心設(shè)計和加工的，以使熱變形和殘余應(yīng)力最小，并能均勻地對被膠接件加壓。2.10質(zhì)量控制膠接質(zhì)量應(yīng)嚴格對不同部位所規(guī)定的缺陷允許值進行控制。3膠接缺陷及其檢驗3.1缺陷類型脫膠裂縫空隙膠層厚度變異固化不完全等3.2檢測原理FCC-A-1型復(fù)合材料檢測儀是一種射頻超聲檢測儀。與普通視頻超聲檢測儀