近年來,復合材料一體化成型技術的發展尤為迅速,但在航空航天等一些關鍵領域,復合材料連接技術的需求持續存在,新型連接技術在結構整體強度的提升,成本節約和輕量化等要素持續優化。所以,也充分體現了發展復合材料連接技術的必要性。
樹脂基復合材料可按照樹脂的形態來分為兩類,即熱固性樹脂和熱塑性樹脂。其對應的連接技術也有一些差異。比較常見的連接技術有機械連接、膠接連接,也有同時應用前兩種方式的混合連接技術。
機械連接技術安全可靠,傳遞載荷大,并且可重復裝配和拆卸。機械連接雖然連接結構強度高,但連接接頭重量大,裝配效率較低;膠接連接相比于機械連接,具有輕質、無破壞性、容易實現成型一體化,所以對于一些復雜結構件的連接多選擇膠接方式。
螺接是飛機復合材料結構最主要的機械連接方法,但單個螺栓成本高、輕量化效果不佳,加之單架飛機用量大,往往造成飛機復合材料連接成本高、增重明顯。有研究表明:相比于螺接,鉚接可靠性高,而成本不到螺接十分之一甚至更低,裝配工藝更簡便、輕量化效果更明顯,其在飛機復合材料結構制造和修復中具有潛在技術和經濟優勢。
但在鉚接過程中,CFRP極易發生損傷,近日由川大研發的無損鉚接技術。提高了連接強度約87%、抗剪切拉伸能力33%、連接疲勞壽命1000%,而使其連接重量減輕27%、連接成本降低90%,成功在實現無損鉚接的基礎上減輕了結構重量,降低了應用成本。
熔融焊接是熱塑性復合材料特有的一種連接方式,熱塑性樹脂較低的表面能導致與膠黏劑結合能力差,其受熱軟化,冷卻硬化的特性使熔融焊接成為新型連接方法。還能避免機械連接預制孔會對增強纖維的破壞、異種材料連接可能產生電偶腐蝕弱化界面,從而影響整體結構的性能。
常見的熔融焊接技術有4種:電阻焊接、感應焊接、超聲焊接和激光焊接:
電阻焊接(RW)是電流流經加熱元件產生焦耳熱,在加熱元件表面的高溫會導致熱塑性樹脂的熔化,由焊接壓力壓實形成焊接接頭。
感應焊接(IW)是在導電線圈上施加交流電壓時產生交流電,感應出時變磁場,當加熱元件被放置在時變磁場附近時,就會產生渦流,渦流流過導電回路在焊接界面產生熱量,
超聲焊接(UW)是通過超聲波發生器將高頻交流電轉換為高頻振動,小振幅變化的運動產生了分子間摩擦并轉換為熱能,經過傳導到達接頭界面,直到熔融導能筋,在壓力下流動并浸潤待焊件形成連接。
激光焊接(LW)是用激光輻射加熱待加工表面,表面熱量通過熱傳導向內部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數,使工件熔化,形成特定的熔池。
未來,復合材料連接技術還在不斷向著經濟化、高強度的方向發展,傳統連接技術如機械連接和膠接連接,由于具備成本優勢,在諸多領域發展成熟,還將持續被應用。但隨著熱塑性復合材料的發展,焊接技術將進一步取代傳統連接技術,成為未來發展的重點。
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