复合材料的连接.ppt

汇报人：秦美君复合材料的连接复合材料的连接 提提纲CONTENT一一 复合材料主要连接类型 二二 复合材料连接应用新进展“连接连接”的重要性的重要性 首先首先 增强结构的载荷传递必须有相应的连接方式来解决，而连接部位一般都是结构的薄弱环节。其次其次 影响复合材料连接强度的因素要比金属复杂得多，因为连接区域含有结构形状的各种间断，由此总是导致局部的应力集中。其连接的失效模式多而且预测强度较困难。第三第三 这些特点使复合材料连接强度问题变得更复杂，必须予以足够的重视。(1)机械连接(2)胶接(3)二者兼有的混合连接一一 复合材料主要连接类型复合材料主要连接类型 (1)机械连接机械连接 复合材料的机械连接是指将一复合材料和另一复合材料（或金属或合金）通过紧固件连接成为一整体 机械连接机械连接优点便于检查质量，安全可靠，强度分散性小，能传递大载 荷便于装卸，对零件连接表面的准备及处理要求不高，无胶接固化产生的残余应力，受环境影响较小缺点开孔引起应力集中降低了连接效率增加紧固件或铆钉的重量（2）胶接连接）胶接连接A.胶接连接胶接连接 概念概念B.胶接连接胶接连接 优点和缺点优点和缺点C.胶接连接胶接连接 工艺流程工艺流程A.胶接连接胶接连接 概念概念 胶接连接是复合材料结构中较普遍采用的一种连接方法。这种连接方法是借助胶粘剂将其胶接零件连接成不可拆卸的整体，是一种较实用有效的连接工艺技术，有时还能为研制生产解决关键性工艺技术 B.胶接连接的优点胶接连接的优点无钻孔引起的应力集中，连接效率高，适宜连接异形、异质、薄壁、复杂的零件结构轻，抗疲劳、密封、减振及绝缘性能好，有阻止裂纹扩展作用，破损安全性好，能获得光滑气动外形不同材料连接无电偶腐蚀问题，工艺简便、操作容易，可节省能源，因而具有一定的经济效益质量控制比较困难胶接性能受环境（湿、热、腐蚀介质）的影响存在一定的老化问题，胶接连接后一般不可拆卸胶胶胶胶接接接接连连连连接接接接的的的的缺缺缺缺点点点点C.C.胶接连接的工艺流程胶接连接的工艺流程胶接连接的工艺流程胶接连接的工艺流程表面处理配胶涂胶晾置叠合清理固化检查整修 表面处理表面处理目的目的方法方法为了获得最佳的表面状态，有助于形成足够的黏合力物理机械方法和化学方法物理机械方法：砂纸打磨和喷砂化学方法：溶剂清洗与脱脂，铬硫酸浸蚀，阳极氧化处理和溶胶凝方法等，其中阳极氧化处理是一种较好的方法胶接胶接 表面处理表面处理方法方法 固化方法固化方法方法有：室温固化、加热固化、辐射固化、微波固化、高频固化等以下对部分固化方法进行阐述以下对部分固化方法进行阐述：加热固化：分为中温固化（分为中温固化（120120度左右）和度左右）和 高温固化（高温固化（150150度以上）度以上）优点：固化速度快，强度高，耐老化优点：固化速度快，强度高，耐老化 需要的设备：如热压罐，电烘箱，硫化需要的设备：如热压罐，电烘箱，硫化 机，干燥炉，红外线，电吹风等机，干燥炉，红外线，电吹风等辐射固化：是指通过紫外线、电子束、是指通过紫外线、电子束、Y Y射射 线的照射而达到固化的效果线的照射而达到固化的效果 优点是：极快速，高质量，低耗能，高优点是：极快速，高质量，低耗能，高效率，适合连续生产效率，适合连续生产 微波固化：优点是修复速度快，效能高，优点是修复速度快，效能高，修复后的静强度可以恢复到原材料的修复后的静强度可以恢复到原材料的102.9%102.9%缺点是当微波照射下会发生电磁激励作缺点是当微波照射下会发生电磁激励作用，从而将胶粘剂中的磁性分子和被胶粘物发用，从而将胶粘剂中的磁性分子和被胶粘物发生物理化学变化生物理化学变化 设备：微波修复器（全军装备维修表面设备：微波修复器（全军装备维修表面工程研究中心研制）工程研究中心研制）1目目测法法4试压法法2敲敲击法法5测量法量法3溶溶剂剂法法6超声波法超声波法X射射线法法激光激光法法 声阻法声阻法等等检查方法检查方法锐普PPT论坛chinakui首发： (3)二者兼有的连接二者兼有的连接A、胶螺连接B、胶铆连接 A.胶胶螺连接螺连接胶螺混合连接：一般是从结构的破损安全角度考虑，用于提高连接接头的安全裕度以及结构修补 胶螺混合连接有利于提高接头的承载力及疲劳寿命 胶胶螺混合螺混合连接连接 工艺工艺方法方法两种方法一、连接处预先制孔，涂胶后即安装螺栓并拧紧，然后使胶层固化形成连接接头二、在已固化的胶接接头上制孔安装螺栓，并拧紧形成连接接头 B.胶胶铆连接铆连接 胶铆连接一般也可采用两种工艺方法实 现，一种是在胶层固化后铆接；另一种是在 胶 层 未 固 化 时 铆接。为了提高胶铆接头的强度，最好在胶粘剂固化后再进行复合材料构件的铆接；而在胶层未固化时铆接，应当分阶段对胶层施加所需压力，以减少胶铆接头连接强度的下降。一、当承载较大，可靠性要求较高时，宜采用机械宜采用机械连接连接 二二、当承载较小、构件较薄、当承载较小、构件较薄、环境条件环境条件 不十分恶劣时不十分恶劣时，宜宜采用胶接连接采用胶接连接三、在某些特殊情况下，为提高结构的破损 安全特性时，可可采用混合连接采用混合连接 连接接方法方法优选原原则 二二.复合材料连接应用复合材料连接应用 新新进展进展New Jointz-pinning 连接螺栓螺栓-柱销柱销 连接连接缝合缝合连接连接 缝合连接(1)缝合缝合连接连接应用背景应用背景技术原理技术原理工艺特点工艺特点缝合参数缝合参数ABCDA 应用应用背景背景 Backgroundtext1text1text2text2text3text3进行复合材料层合板的轻量化设计时,必须考虑层合板的外层屈曲破坏后,破坏的外层和内层增强材料之间将产生剥离载荷,它将影响层合板材料的强度分层的存在将造成复合材料层合板结构强度和刚度的降低,使其性能得不到充分的发挥。因此,如何抑制复合材料层合板的分层损伤,提高其层间强度和抗分层、抗冲击的能力是使用复合材料层合板时所必须解决的问题B 技术原理技术原理其原理是通过缝合手段,使复合材料在垂直于铺层平面的方向得到增强,从而提高材料层间损伤容限 C 工艺特点工艺特点text1text2 缝合缝合工艺具备多样性工艺具备多样性，如铺层方向、铺层距离和纤维织构可以调整,可以由预浸带经缝合-固化而成型,也可以由预成型织物工艺经缝合-浸润-固化而成型缝合不仅是一种增强技术,而且也是一种连接技术,与复合材料的其它连接技术如粘结、铆接相比,缝合材料整体性强、不易产生局部应力集中,因此为制作大型复合材料制件提供了一种有效手段 text3text4 缝合对原有纤维分布没有大的影响,而通过调整缝合参数如缝合密度、缝合花样和跨距可获得一定程度的整体结构,达到合理的均匀应力状态。缝合可用于局部增强,尤其对自由边的缝合可大大降低层间垂直应力,减少自由边脱层。缝线类型缝线类型1缝线直径缝线直径2缝合密度缝合密度3缝合方向缝合方向4D 缝合参数缝合参数1 缝线缝线类型类型缝线不但要求具有高强度、一定的可延伸性和耐磨损性,而且其性能不应受复合材料固化的影响。常用的缝线有芳纶纤维、玻璃纤维(GF)、涤纶和碳纤维CF等2 缝线缝线直径直径缝线直径大可提高缝合复合材料的层间断裂韧性和抗冲击损伤能力。不过,缝线直径增大会引起复合材料更多面内纤维损伤,从而使其拉伸、压缩强度降低。3 缝合缝合密度密度缝合可以提高复合材料层合板的层间性能缝合可以提高复合材料层合板的层间性能,但缝但缝合的合的同时同时缝针对层合板平面方向的纤维会造成一缝针对层合板平面方向的纤维会造成一定程度的损伤。定程度的损伤。缝合缝合密度密度存在一个最优值存在一个最优值,超过这个值不仅会超过这个值不仅会降降低低层合板的面内力学性能层合板的面内力学性能,对层合板的层间性能对层合板的层间性能也也不利。不利。研究研究表明表明,缝合密度为缝合密度为5656针针/cm2/cm2时时,获获得得的材料性能的材料性能较佳。较佳。4 缝合缝合方向方向 缝合方向对复合材料的性能影响较大,常采用的缝合角度为0、45和90。缝合方向对正交对称层合板的拉伸强度有较大影响,0缝合引起的强度降小,45和90缝合引起的强度降基本相同缝合对复合材料力学性能影响缝合对复合材料力学性能影响缝合对复合材料平面性能的影响(1)面内拉伸强度(2)面内弯曲性能(3)面内压缩强度缝合对复合材料层间性能的影响 (2)z-pinning连接连接2.种类种类1.概念概念 z-pinning z-pinning 技术主要用于增强铺层预浸料技术主要用于增强铺层预浸料或泡沫或泡沫夹层夹层复合材料，它借鉴了缝合复合材复合材料，它借鉴了缝合复合材料中不连续缝线料中不连续缝线方法方法，在固化前的预浸料或，在固化前的预浸料或泡沫夹层厚度方向直接泡沫夹层厚度方向直接嵌入嵌入刚性刚性的短棒的短棒，这，这种短棒通常称为种短棒通常称为 z-pinz-pin z-pin z-pin 材料材料可以用可以用金属金属（不锈钢、铝合金（不锈钢、铝合金和钛合金等）或和钛合金等）或非金属非金属（碳纤维（碳纤维，玻璃纤维，玻璃纤维和和 Kevlar Kevlar 等纤维）等纤维）。金属金属 z-pin z-pin 常用于常用于对层间剪切性能要求高的复合材对层间剪切性能要求高的复合材料料。非金属非金属 z-pin z-pin 目前目前采用碳纤维的采用碳纤维的居多，主要用于材居多，主要用于材 料料的的常规增常规增韧韧z-pin z-pin 的直径的直径的直径的直径一般一般在在0.2mm1.0mm 0.2mm1.0mm 之间，最常用之间，最常用的有的有 0.28mm 0.28mm 和和 0.51mm 0.51mm 两种两种。对于增强后的层板。对于增强后的层板来说，相同植入密度下，来说，相同植入密度下，z-pin z-pin 的直径的直径越小对材料面越小对材料面内性能损伤越小，但成本相对较高内性能损伤越小，但成本相对较高。z-pin z-pin 在层板中在层板中的体积分数一般在的体积分数一般在 0.50.5 442.种类种类z-pinning技术可分为两大类,（1）单根单根植入式植入式，就是将一根根就是将一根根z-pin z-pin 分别分别嵌入未固化的层板里嵌入未固化的层板里（2）整体嵌入式整体嵌入式，将若干将若干z-pinz-pin同时嵌入到同时嵌入到层板中层板中,这种方法效率高这种方法效率高,应用应用广泛广泛 单根植单根植单根植单根植入入入入式式式式 A)A)采用采用手工方式将金手工方式将金属短棒单独的嵌入属短棒单独的嵌入到层到层合板内合板内,对于生产大型的对于生产大型的复合材料来说复合材料来说,并并不适用不适用。B)B)后来后来又出现了又出现了射钉射钉枪枪,将将z-pinz-pin以高速以高速打入预打入预浸料或干织物铺层的层浸料或干织物铺层的层板板里里,但这种单根但这种单根植入的植入的方法文献报道方法文献报道并不多见并不多见。整体整体整体整体嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式 将将若干若干z-pinz-pin同时同时嵌入嵌入到到层板中层板中,这种方法效率这种方法效率高高,应用广泛应用广泛方法方法：一种是利用：一种是利用热压热压罐的方法罐的方法,另外另外一种是一种是UAZ(UAZ(超声波超声波辅助嵌入辅助嵌入)技术技术。这。这两种技术都引入了两种技术都引入了泡沫预制件泡沫预制件 泡沫泡沫预制件预制件目的目的：为防止为防止z-pinz-pin在嵌入层板的过程中发生屈在嵌入层板的过程中发生屈曲曲,先将先将原卷绕贮存的原卷绕贮存的z-pinz-pin切割切割,以一定密度正交以一定密度正交植入植入泡沫泡沫中得到泡沫预制中得到泡沫预制件件 制作制作：泡沫泡沫采用两种材料组合而采用两种材料组合而成成，低密度低密度 泡泡沫沫置于置于的上层的上层,在嵌入在嵌入z-pinz-pin前对前对z-pinz-pin起到支撑起到支撑作用作用；中中密度泡沫置于下层密度泡沫置于下层,防止防止z-pinz-pin在受力的情况下发在受力的情况下发生弯曲生弯曲 热压罐嵌入法热压罐嵌入法 这种这种z-pinningz-pinning技术整个嵌入过程是在热压罐技术整个嵌入过程是在热压罐中实现中实现的的，这种方法适于平面层合板，这种方法适于平面层合板方法:(1)将将含有含有z-pinz-pin的泡沫预制体的泡沫预制体放在放在未未固化固化 的的层板层板需要增韧的部位需要增韧的部位,套上套上真空真空袋袋(2)随着温度的升高,预浸层板逐渐软化,泡沫逐渐融溃,z-pin在热压罐产生的压力作用下将转移到层板里。(3)待固化后,将材料从热压罐中取出,用金刚刀割除多余的泡沫和z-pin,就得到了z-pin增强层合复合材料 UAZ技术技术 该技术该技术采用采用了一种了一种超声波发生装置超声波发生装置,超声波可超声波可以以带动带动枪头触角枪头触角高频振动高频振动,最大输出功率下最大输出功率下,振幅可振幅可达达20um20um,频率频率20 kHz20 kHz。接触角头高频。接触角头高频震动震动可以可以降降低低嵌入嵌入z-pinz-pin需要的作用力需要的作用力,振动产生的振动产生的热热还可以还可以使使树脂树脂软化软化,易于易于z-pinz-pin的转移的转移工艺流程：（1）（2）（4）层层层层合板的整体增韧合板的整体增韧合板的整体增韧合板的整体增韧A 结构结构结构结构件的连接件的连接件的连接件的连接B在在在在泡沫夹层复合材料中的应用泡沫夹层复合材料中的应用泡沫夹层复合材料中的应用泡沫夹层复合材料中的应用C 3.z-pinning 技术应用技术应用（A）层合板的整体增韧层合板的整体增韧背景背景：a)层层合板的层间韧性较差合板的层间韧性较差,在使用中容易引起分在使用中容易引起分层层,这一缺点大大限制了层合复合材料的这一缺点大大限制了层合复合材料的应用应用 b)对对预浸层合面板整体增韧是预浸层合面板整体增韧是z-pinningz-pinning的的最最 基本应用基本应用，能能明显改进材料的层间韧性、冲击损伤容限、明显改进材料的层间韧性、冲击损伤容限、冲击后压缩强度等冲击后压缩强度等性能性能比较比较 CompareDIAGRAMTITLEClick to add textZ-pinUn z-pin z-pin增强层合复合材料能够保持89%98%的面内抗拉强度,使层间断裂韧性提高18倍,使冲击损伤区域减少50%（B）结构件的连接结构件的连接背景背景：复合材料的连接大多采用胶接、机械连复合材料的连接大多采用胶接、机械连接接。（a a）胶接连接方式胶接连接方式容易由于较弱的胶接层容易由于较弱的胶接层发生破坏而导致发生破坏而导致结构结构失效失效。(b)(b)而而机械机械连接一方面连接一方面增加整个结构的质量增加整个结构的质量,另一方面在层另一方面在层合板合板上钻孔上钻孔,会引起应力集中和自会引起应力集中和自由边效应引起材料由边效应引起材料的疲劳破坏。的疲劳破坏。而而z-pinz-pin连接连接能够很好地能够很好地改善和克服这些不足改善和克服这些不足 z-pin连接的优点连接的优点研究研究表明：表明：z-pinningz-pinning是连接件抵抗分层很有效是连接件抵抗分层很有效的方法的方法,能能显著提高搭接结构件的强度和显著提高搭接结构件的强度和疲劳寿疲劳寿命命。FreitasFreitas等人证明等人证明z-pinz-pin增强加劲肋的增强加劲肋的拉脱强度拉脱强度增加了增加了2.2.32.632.6倍。倍。Paul ChangPaul Chang实验实验表明表明z-pinz-pin对单搭制件的抗拉对单搭制件的抗拉强度可提高强度可提高40%,40%,伸长率提高伸长率提高55%,55%,疲劳强度增加疲劳强度增加4040%（C）在泡沫夹层复合材料中的应用在泡沫夹层复合材料中的应用 z-pin z-pin增强泡沫夹层复合材料增强泡沫夹层复合材料弥补弥补了传统了传统泡沫夹泡沫夹层材料的剪切、压缩性能较层材料的剪切、压缩性能较低低、面板与、面板与芯材芯材易发易发生脱粘破坏及由于进水导致的整体失稳等生脱粘破坏及由于进水导致的整体失稳等缺点缺点(3)螺栓螺栓-柱销连接柱销连接1.原理2.应用前景原理原理螺柱螺柱-柱销柱销连接是连接是在在复合材料复合材料板的垂直方向安装板的垂直方向安装连接柱销连接柱销,在轴线方向在轴线方向安装螺安装螺柱柱,柱销上有连接螺柱销上有连接螺纹纹,螺柱和柱销采用螺纹螺柱和柱销采用螺纹连接连接,以实现复合材料的以实现复合材料的轴向连接轴向连接利用柱销增加了复合材料的利用柱销增加了复合材料的挤压面积挤压面积,克服了克服了复合材料本身挤压强度低及无法实现高载荷复合材料本身挤压强度低及无法实现高载荷螺纹连接的弱点螺纹连接的弱点,有效地解决了复合材料的高有效地解决了复合材料的高载荷轴向连接问题载荷轴向连接问题应用前景应用前景 螺栓螺栓-柱销连接结构柱销连接结构,可以克服复合材料本身挤压强度低可以克服复合材料本身挤压强度低及无法实现高载荷螺纹连接的弱点及无法实现高载荷螺纹连接的弱点,实现复合材料的高载实现复合材料的高载荷轴向连接问题荷轴向连接问题.织物织物复合材料的螺栓复合材料的螺栓-柱销连接结构柱销连接结构与传统与传统的金属端框的的金属端框的连接形式相比、成型工艺简便连接形式相比、成型工艺简便、接头、接头效率高效率高.在薄壁复合在薄壁复合材料构件传递较大的材料构件传递较大的轴向载荷轴向载荷时时,该连接结构具有较大的该连接结构具有较大的应用应用潜力潜力THANKS!THANKS!谢谢5656