近年來,復(fù)合材料一體化成型技術(shù)的發(fā)展尤為迅速,但在航空航天等一些關(guān)鍵領(lǐng)域,復(fù)合材料連接技術(shù)的需求持續(xù)存在,新型連接技術(shù)在結(jié)構(gòu)整體強度的提升,成本節(jié)約和輕量化等要素持續(xù)優(yōu)化。所以,也充分體現(xiàn)了發(fā)展復(fù)合材料連接技術(shù)的必要性。
樹脂基復(fù)合材料可按照樹脂的形態(tài)來分為兩類,即熱固性樹脂和熱塑性樹脂。其對應(yīng)的連接技術(shù)也有一些差異。比較常見的連接技術(shù)有機械連接、膠接連接,也有同時應(yīng)用前兩種方式的混合連接技術(shù)。
機械連接技術(shù)安全可靠,傳遞載荷大,并且可重復(fù)裝配和拆卸。機械連接雖然連接結(jié)構(gòu)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(zhì)、無破壞性、容易實現(xiàn)成型一體化,所以對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的連接多選擇膠接方式。
螺接是飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造和修復(fù)中具有潛在技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。
但在鉚接過程中,CFRP極易發(fā)生損傷,近日由川大研發(fā)的無損鉚接技術(shù)。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(xiàn)無損鉚接的基礎(chǔ)上減輕了結(jié)構(gòu)重量,降低了應(yīng)用成本。
熔融焊接是熱塑性復(fù)合材料特有的一種連接方式,熱塑性樹脂較低的表面能導(dǎo)致與膠黏劑結(jié)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(yù)制孔會對增強纖維的破壞、異種材料連接可能產(chǎn)生電偶腐蝕弱化界面,從而影響整體結(jié)構(gòu)的性能。
常見的熔融焊接技術(shù)有4種:電阻焊接、感應(yīng)焊接、超聲焊接和激光焊接:
電阻焊接(RW)是電流流經(jīng)加熱元件產(chǎn)生焦耳熱,在加熱元件表面的高溫會導(dǎo)致熱塑性樹脂的熔化,由焊接壓力壓實形成焊接接頭。
感應(yīng)焊接(IW)是在導(dǎo)電線圈上施加交流電壓時產(chǎn)生交流電,感應(yīng)出時變磁場,當(dāng)加熱元件被放置在時變磁場附近時,就會產(chǎn)生渦流,渦流流過導(dǎo)電回路在焊接界面產(chǎn)生熱量,
超聲焊接(UW)是通過超聲波發(fā)生器將高頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻振動,小振幅變化的運動產(chǎn)生了分子間摩擦并轉(zhuǎn)換為熱能,經(jīng)過傳導(dǎo)到達接頭界面,直到熔融導(dǎo)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(dǎo)向內(nèi)部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù),使工件熔化,形成特定的熔池。
未來,復(fù)合材料連接技術(shù)還在不斷向著經(jīng)濟化、高強度的方向發(fā)展,傳統(tǒng)連接技術(shù)如機械連接和膠接連接,由于具備成本優(yōu)勢,在諸多領(lǐng)域發(fā)展成熟,還將持續(xù)被應(yīng)用。但隨著熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展,焊接技術(shù)將進一步取代傳統(tǒng)連接技術(shù),成為未來發(fā)展的重點。
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