碳纤维复合材料新型连接方式解析

  碳纤维复合材料连接技术的发展经历了机械连接、胶接连接和新型连接技术三个阶段。随着结构形式的变化,干涉螺栓连接在金属结构上的应用取得成功,越来越多的研究者关注电磁铆接技术在复合材料上的应用,并且取得了较大的进展。针对一些特殊结构发展了 Z-Pin连接、缝合连接等新型连接技术以增强复合材料层间韧性。

  1.混合连接

  碳纤维复合材料的混合连接基于胶接与螺栓或者铆钉连接,结合机械连接的负载优势与胶接的轻质高强,通过合理的结构设计使各种连接优势互补且相互关联与协调,从而确保结构件具有无可替代的安全可靠优势。采用有限元方法研究飞机薄板胶铆混合连接的静载强度和抗疲劳性,并考证紧固件排列、预紧力、胶层结合强度与固化程度对接头强度的影响,发现仿真分析可以较好地模拟连接过程中的各因素作用,相对于单一的胶接,混合连接可阻止裂纹的扩展,具有较高的抗疲劳强度。复合材料的混合连接综合了机械连接与胶接以及各种适合于异种材料连接的技术优点,具有安全可靠、便于拆装抗恶劣环境等优点。

  2.电磁铆接

  普通铆接方法难以保证均匀的钉杆干涉量,且冲击时易对铆钉造成损伤。电磁铆接是采用强磁场形成的冲击应力波,使铆钉瞬时完成均匀干涉配合连接的新型铆接工艺,具有高的应变速率和低损伤等特点,且板材以绝热剪切形式发生变形。通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件验证和分析铆接过程中的电磁场、力场及温度场之间的耦合关系对连接强度的影响,得出由于位错滑移形成的绝热剪切带提高了铆钉墩头的屈服强度,干涉量与钉孔径向力、环向应力成正比增加。复合材料电磁铆接连接的不足之处在于挤压-剪切应力容易导致孔壁分层,产生裂纹。

  3.缝合连接

  碳纤维复合材料部件或者多层预浸料在固化前加以缝合连接可以有效防止板材的分层破坏,抵抗弯曲破坏。通过缝合线连接板材,结合树脂传递模塑成型(RTM)、真空辅助树脂传递模塑成型( VARTM)或树脂膜渗透成型(RFI)等工艺可形成一体化接头结构。

  采用低速冲击试验,对比实验与数值模拟结果指出:冲击能量对于分层面积具有较大影响,铺层顺序对载荷位移曲线形状影响不明显;在外加载荷的作用下,缝合连接具有更好的抗冲击、抗弯曲、抗破坏性能,同时可以有效阻止裂纹扩展,延缓构件失效破坏。

  4.Z-Pin连接

  三维Z-Pin连接技术是在缝合连接的基础上发展而来的,通过在预浸料中嵌人Z-Pin固化成型来达到三维方向上的增强。在厚度方向上植入Z-Pin可以提高层间韧性、抗冲击性能、损伤容限等,配合胶接可以提高预浸料层压板局部结构的强度。

  碳纤维复合材料结构件通过优化设计连接结构使其最大化的一体化,以实现连接部位稳定性与可靠性的统一。未来复合材料连接方式采用机械连接、胶接为主,多种新型连接方式为辅的连接技术,在确保高强度的同时,实现结构一体化,以传递部件所需承受的更高载荷。同时,在了解复合材料连接构件的使用性能,分析复合材料连接结构的特点之后,合理地选取复合材料的连接形式及其组合模式,可充分发挥不同连接形式的优异特点,从而达到最优结构件强度。