含树脂基复合材料构件连接技术的研究进展

王志翔

摘要:由于汽车与航空工业节能减排等需求,含树脂基复合材料在结构轻量化设计中的应用比例逐步提高。国内外学者针对树脂基复合材料构件连接技术的研究开展了大量研究工作。本文从机械连接、胶接、混合连接与焊接四个方面,阐述了各种连接技术在连接工艺、失效机制与力学性能等方面的研究成果,并展望了与含树脂基复合材料构件连接技术相关的研究热点与方向。

关键词:树脂;复合材料;连接技术;热塑性

0引言

含树脂基复合材料构件连接技术是一种用于将树脂基复合材料构件连接在一起的方法。树脂基复合材料是一类由增强纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）与树脂基体（如环氧树脂、聚酰亚胺树脂等）组成的高性能材料，具有优异的轻质高强度和耐腐蚀性能。

在连接树脂基复合材料构件时，通常需要考虑以下几个关键问题：

表面处理：树脂基复合材料的表面往往具有光滑且低表面能的特点，这使得其粘结性能较差。因此，在连接之前，需要对连接面进行适当的表面处理，如研磨、划伤或化学处理，以提高粘结性能。

粘接剂选择：选择适合树脂基复合材料的粘接剂至关重要。常见的粘接剂包括环氧树脂胶、丙烯酸酯胶、聚氨酯胶等。粘接剂的选择应该考虑到材料的性能需求、环境条件和使用寿命等因素。

结构设计：连接部位的设计对连接的强度和性能有着直接影响。因此，需要合理设计连接结构，考虑到受力分布和力的传递。

总的来说，含树脂基复合材料构件连接技术需要综合考虑材料性能、粘接剂特性、结构设计和加工工艺等因素，以确保连接的强度、可靠性和使用寿命。这些技术在航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域都有广泛的应用。

2研究进展

2.1机械连接

机械连接具有安全可靠、技术成熟等特点,适用于传递高载荷与高可靠性要求的应用场所。机械连接方式主要包括螺栓连接与铆接。螺栓连接技术相对成熟,应用范围广。早期制造螺栓的材料以金属为主。随着复合材料应用技术的成熟及其优异的综合性能,开发出了适用于极端服役环境的复合材料螺栓,如C-SiC复合材料螺栓被广泛应用到新型高超音速航空航天飞行器中[4]。在采用压边圈与铆模将待连接板压紧后,铆钉在冲头作用下先后穿透待连接板的上基板与下基板,冲头与铆模联合作用使得铆钉与下基板均产生塑性变形,进而形成机械内锁结构完成连接[5]。

2.1.1螺栓连接

螺栓连接构件具有拆卸方便、可靠性高等优点。螺栓连接构件在承载过程中,首先通过被连接构件之间的相互摩擦进行荷载传递;随着外载荷进一步增大,构件之间可能出现相对滑移,此时通过螺杆受剪与构件孔壁承压来进行载荷传递。杨宇星[6]等针对树脂基复合材料螺栓连接结构,提出了涵盖高效建模、扭矩与预紧力关系、渐进损伤等方面的精细化有限元分析模型。MandalB[7]等针对螺接层合板中的纤维铺陈角存在非对称性的问题,提出了并精确验证了一种适用于螺接层合板力学分析的三维等效均质模型。邹鹏[8]等建立了基于衬套螺栓干涉连接结构的损伤预测模型。胡俊山[9]等提出了针对复合材料干涉连接结构的往复式球平面摩擦挤压模型。螺栓连接通过机械外锁的方式连接构件,直接导致气动性能降低。

2.1.2铆钉连接

铆钉连接过程中常使用铝合金或钛合金铆钉,这类铆钉具有质量轻与工艺简单等特性。OkayasuM[10]等通过开展试验研究了铆接方式对层合板铆接构件(如图4所示)接头承载能力与失效模式的作用规律。李旭勤[11]等通过有限元仿真与实验分析研究了拉伸载荷作用下铆接接头的应力分布与破坏方式。刘礼平[12]等针对复材机身蒙皮的钛合金板铆接修理问题,建立了单排铆、双排铆两种维修方式的三维有限元模型。张阿盈[13]等通过数值仿真方法评估了铆接修补复材层压板的拉伸剩余强度。纤维增强复材构件在铆接接头形成的过程中,构件会产生塑性变形。当树脂基体属于脆性材料或低韧性材料时,铆钉与基体之间的接触部位可能会产生微裂纹。

2.2胶接

胶接构件主要通过层间剪切进行载荷传递。胶接接头具有减少应力集中、延长疲劳寿命及减轻结构自重等优点。ZhangTT[14]等基于试验验证的仿真模型,研究了胶接结构的承载能力与失效模式。邹田春[15]等基于试验研究与仿真分析,系统研究了不同铺层方式对异质材料胶接接头内部应力分布的作用规律。毛振刚[16]等针对不同搭接长度与铺层方式下树脂基复材层合板的单搭胶接结构开展了拉伸试验研究工作。拓宏亮[17]等以L型胶接接头为研究对象,从静力与疲劳分层两个角度,开展了裂纹扩展规律与失效模式方面的研究工作。胶接接头不适用于极限温度工况及其它可能导致胶层老化失效的服役环境,其在湿热环境下综合力学性能会显著降低。

2.3混合连接

机械连接具有拆装方便、受环境影响小与可靠性高等优点;其缺点是螺栓(铆钉)与板材接触处存在电偶腐蚀及孔边应力集中等。胶接结构载荷分布相对均匀,但结构完整性受服役环境影响较大。胶螺(铆)混合连接能够发挥胶接与机械连接的综合优势,其可被应用于汽车车身碳纤维复合材料与铝合金之间的异种材料连接,接头结构力学性能良好[18]。

2.3.1胶螺连接

胶螺连接可有效解决纯机械连接导致的应力集中问题,连接结构可靠性高。唐玉玲[19]等通过试验研究与仿真分析研究了拉伸载荷作用下单搭接层合板胶螺混合连接的力学性能及载荷分配特性。刘礼平[20]等建立了胶螺混合连接结构的渐进损伤三维有限元仿真模型,通过试验分析验证了有限元仿真模型的精确性。Li,X[21]等对比研究了纯螺接与胶螺混合连接两种情况下连接结构的力学行为。胶螺混合连接也存在质量难以控制、无损检测不便等问题。同时,多钉连接过程中胶层与螺栓之间的载荷分配方法难以精确量化。

2.3.2胶铆连接

单纯的胶接修理与铆接修理均对结构完整性的恢复水平有限,胶铆连接可克服单一连接方式的缺点。熊勇坚[22]等基于三维渐进损伤理论建立了仿真分析模型,研究表明胶铆混合接头失效过程最初为胶层失效,最终因铆钉剪切失效而整体失效。刘礼平[23]等通过试验研究与仿真分析,对比研究了胶接修理板与胶铆混合连接修理板的破坏强度、破坏模式及应力分布等。研究结果表明,胶铆连接修理可以有效提高结构强度恢复率。YousefiM[24]等针对圆筒状胶铆连接构件开展了力学试验分析。胶铆连接的载荷传递较单一连接方式更加复杂,如何精确获取高可靠性的胶铆连接接头需要重点关注。

2.4焊接

树脂基复合材料结构的焊接主要集中在热塑性复合材料,这是由于热塑性复合材料在加热到一定温度后可以被熔化,并在冷却后可恢复至初始性能。在汽车与航空航天领域,一些生产制造过程中已经采用焊接技术取代了轻合金或高强度钢制作的金属连接件。由于热塑性材料PEEK的自然表面极性基团较少,徐孟嘉[25]等通过表面激光处理的方法,在铝合金表面制备微孔阵列结构,通过摩擦搭接焊连接的接头的强度显著提高。路鹏程[26]等针对纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)层合板采用电阻焊接(如图9所示)开展了试验研究,系统研究了焊接时间、输入功率与输入能量等对焊接接头力学性能的影响规律。UnnikrishnanTG等阐述了同质与异质材料构件之间采用超声波焊接工艺的国内外研究现状。钱盈[27]等研究了陶瓷导热板与空气喷嘴对CF/PPS层合板感应焊接质量的影响规律。由于热塑性树脂基体具有反复加热软化和冷却硬化的性能,焊接技术相对于铆接与胶接在实现热塑性构件高质量装配方面具有一定的优势,其应用前景广阔。

3总结

目前,与树脂基复合材料构件连接技术相关的研究工作主要集中在热固性树脂基复合材料。由于热塑性复合材料具有高性能、轻质和可回收等特性,与其相关连接技术的发展对连接结构实现高性能意义巨大。今后可以针对热塑性复合材料连接结构开展胶接与混合连接等研究工作。另外,3D打印技术作为一种先进的增材制造方式,其在树脂基复合材料构件连接技术应用方面的研究工作有待进一步加强。

参考文献:

[1]赵欣,朱健健,李梦,刘亚飞.复合材料应用研究与产业发展建议[J].材料导报,2016,30(S1):525-530+538.

[2]孟祥晨.CF/PEEK复合材料与2060-T8铝合金FSW接头成形及连接机制[D].哈尔滨工业大学,2020.

[3]高魁垠,李海波,吴建国,刘宝瑞.2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析[J].强度与环境,2020,47(01):33-40.