一種復合材料與金屬連接結構及形成所述連接結構的方法
【專利摘要】本發明涉及一種復合材料與金屬的連接結構，包括金屬連接件、復合材料連接件，其特征在于，在金屬連接件與復合材料連接件的相連接部位，還設置有細針，所述細針一端固定連接在金屬連接件上，另一端插入復合材料內部。本發明還公開了一種形成所述連接結構的方法，包括如下步驟，a，將細針一端固定連接在金屬連接件上；b，將細針另一端置于復合材料內部，且不切斷纖維增強材料，纖維的走向與細針形狀匹配；c，對復合材料進行固化成型。本發明的有益效果是，金屬連接件上的細針不切斷復合材料纖維，沒有制孔導致的孔邊應力集中問題，可抑制膠層開裂和層壓板面外分層的作用，本結構同時具有了膠接結構和機械連接結構的優點，并很大程度上克服了二者的缺點。
【專利說明】一種復合材料與金屬連接結構及形成所述連接結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及一種異質材料之間的連接方式，尤其是一種纖維增強復合材料與金屬材料之間的連接技術。
【背景技術】
[0002]相比傳統的金屬材料，纖維增強復合材料(包括樹脂基碳纖維增強復合材料、樹脂基玻璃纖維增強復合材料、樹脂基紡綸纖維增強復合材料、樹脂基硼纖維增強復合材料、樹脂基石墨纖維增強復合材料，以及金屬基和陶瓷基復合材料，等)具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設計、各向異性、多功能性和可發展性等優勢，使得復合材料越來越多地應用于航空、航天、車輛、船舶、建筑、石油、橋梁、風電和建筑等工程領域。然而，相比金屬材料，纖維增強復合材料也普遍具有耐濕熱性差、擠壓強度低、層間強度低、價格昂貴等缺點，導致其還不能完全取代金屬材料。因此，雖然復合材料的應用可以通過整體成型的方式制作成大型構件而降低裝配工作，但在某些部位還需要與金屬結構進行連接。
[0003]復合材料與金屬具有不同物理、化學和力學性質，它們之間的連接屬于異質材料連接。傳統的復合材料與金屬的連接工藝包括機械連接、膠接以及二者共同應用的混合連接。相比膠接，機械連接比較可靠，可以傳遞較大載荷。通過合理的緊固件排布、釘孔配合以及緊固件夾緊力可以在一定程度上提高金屬與復合材料機械連接強度。但金屬-復合材料機械連接也具有以下缺點:1)由于制孔過程中切斷了復合材料纖維和金屬材料，導致孔邊應力嚴重集中，從而不得不增加復合材料和金屬連接件的厚度，進而導致重量增加；2)大量緊固件的使用，需要大量的制孔和裝配工作，成本高、周期長，而且增加了結構重量；3)緊固件與孔可能會帶來電位腐蝕問題；4)由于復合材料與金屬材料力學性能不同，其對擰緊力矩、干涉配合等裝配參數的要求也不同，但在復合材料與金屬混合結構機械連接結構中這些參數通常是相同的。
[0004]相比機械連接，膠接的結構增重較小，連接部位的應力集中較低，耐疲勞性能好，但是由于膠接的工藝特點，其具有以下缺點:1)膠接結構件的力學性能分散性較大；2)對面外力敏感；3)耐濕熱性差、膠層有老化失效的危險；4)脆性，破壞突然發生從而難以預測；5)檢測困難；6)不易拆卸。
[0005]膠螺混合連接克服前面兩種連接方式的缺點并綜合發揮它們的優點，但是緊固件的使用提高了成本和結構的重量，在一定程度上削弱了使用復合材料所帶來的優點。通過在膠接接頭的預浸件中直接嵌入固化好的直徑為0.2-lmm的纖維或金屬短棒，然后再固化預浸件形成層壓板，可以增加復合材料膠接接頭的層間開裂的性能，但此工藝所應用的纖維或金屬短棒無法嵌入金屬，因此不適合于金屬與復合材料的混合連接結構。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是，克服傳統復合材料與金屬的各種連接方式的缺點，提供一種復合材料與金屬的連接結構以及形成該連接結構的方法，使得復合材料與金屬連接結構具有更高的承載能力和可靠性。
[0007]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是:一種復合材料與金屬的連接結構，包括金屬連接件、復合材料連接件，在金屬連接件與復合材料連接件的相連接部位，還設置有細針，所述細針一端固定連接在金屬連接件上，另一端插入復合材料內部。從而通過該細針結構，使得金屬連接件和復合材料連接件之間的結合更牢固、可靠。
[0008]進一步地，所述復合材料內部設置有纖維增強材料，在所述金屬連接件與復合材料連接件的相連接部位，所述纖維的走向與細針的形狀匹配，形成環繞細針的纖維布局結構。
[0009]進一步地，所述纖維增強材料設置多層，各層纖維之間走向成一定角度，形成纖維交錯排列的結構。
[0010]另外，所述細針端頭與金屬連接件之間的距離小于或等于復合材料連接件在相應位置的厚度，從而不會從復合材料穿出，所述細針通過焊接、膠接、3D打印(激光堆積成形)等工藝技術固定在金屬連接件上。
[0011]進一步地，所述細針為多個，其截面形狀為圓形、橢圓、方形或矩形，所述細針不與金屬連接板相連接的一端的端部設置為尺寸變大的柱形、圓形、橢圓形、L形、T形或鉤形結構，從而增大細針的抗剝離能力和連接結構的剛度。細針與金屬連接板連接處可以有一定半徑的導圓，從而增強細針的強度和剛度。
[0012]進一步地，所述細針的軸線與金屬連接件的連接處的法向一致，或成一定夾角設置，所述各細針相互之間平行或成一定夾角設置。
[0013]另外，金屬連接件可以為板狀，復合材料與金屬連接結構金屬與復合材料既可以是單搭接結構，即在金屬連接件的一側設置細針，形成連接結構，也可以是雙搭接結構，即在金屬連接件的相對的兩側分別設置細針，兩面均與復合材料相連接，甚至是多連接板連接結構，需要在所有金屬連接板的所有貼合面上制作出細針。金屬與復合材料連接板的貼合面既可以是平面，也可以是較復雜的曲面。該金屬連接件還可以為棒狀，棒狀的金屬連接件環繞該棒狀結構設置有細針。所述細針分別插入到復合材料連接件內。
[0014]一種形成上述連接結構的方法，包括如下步驟， a，將細針一端固定連接在金屬連接件上；
b，將細針另一端置于復合材料內部，且不切斷纖維增強材料，纖維的走向與細針形狀匹配；
C，對復合材料進行固化成型。
[0015]進一步地,在a步驟中，細針通過焊接、膠接、3D打印等工藝技術固定在金屬連接件上；在b步驟中，所述細針插入到復合材料內部，插入過程中僅是把纖維束局部擠離原位。
[0016]進一步地，在b步驟中，所述纖維通過鋪設或纏繞設置在所述連接件的結合面處，在c步驟中，先對制作好的復合材料與金屬連接結構中的鋪設或纏繞的纖維結構注入固化齊U，然后再將其放置到熱壓成型裝置內加熱、加壓固化成型。
[0017]進一步地，在b步驟中，所述復合材料設置多層，所述多層復合材料內部各層的纖維走向成一定角度，形成纖維交錯排列的結構，所述復合材料由預浸料制成或由預制件制成，相應地在C步驟中，對由預浸料制成的復合材料，直接將裝配好的復合材料與金屬連接結構在熱壓成型裝置內加熱、加壓固化成型，對由預制件制成的復合材料，先對裝配好的復合材料與金屬連接結構中的預制件注入固化劑，然后再將其放置到熱壓成型裝置內加熱、加壓固化成型。
[0018]首先根據細針與連接件的材料和幾何形狀，應用焊接(包括熔焊、擴散焊、釬焊等)、膠接或3D打印等工藝技術在金屬連接件的表面制作若干細針，然后把帶有細針的金屬連接件與復合材料裝配件按照相對位置放置、固定，并保證細針穿過復合材料預浸料或預制件的過程中不切斷纖維而只是把纖維束局部擠離原位。最后把裝配好的金屬-復合材料裝配件固化成型，從而制成金屬與復合材料膠-多細針連接結構件。其中預浸料指的是帶有固化劑的還未固化的纖維增強復合材料，預制件指的是未添加固化劑的已鋪設成型的復合材料纖維件。其中固化劑主要是指各種膠和樹脂，例如環氧樹脂、酚醛樹脂等熱熱固性材料。
[0019]需要在金屬連接件連接區制作若干按照一定位置和姿態排布的細針，然后與復合材料膠接成為一體，這些細針穿入復合材料，形成纖維增強復合材料與金屬連接結構，并提高連接結構的承載能力。較優的細針數量、排布和姿態與連接結構的幾何和材料特征以及外部載荷有關，需要根據試驗或經試驗驗證的分析技術獲得。所述的外部載荷包括靜態拉伸載荷、靜態壓縮載荷、靜態剪切載荷、不同應力比的循環載荷、隨機載荷以及沖擊載荷等。所述的排布，是指細針的行距、列距、端距、邊距、行數、列數等空間位置關系。所述的姿態，是指細針的軸線相對金屬連接件的位置關系，各個細針的姿態可以相同，也可以不同，各細針軸線與連接件之間的角度依據具體的載荷情況確定。需要根據細針與金屬連接件材料和幾何形狀的不同，選擇熔焊、擴散焊、釬焊、3D打印或膠接等工藝在金屬連接件表面加工出細針。
[0020]本發明的有益效果:金屬連接件上的細針不切斷復合材料纖維，沒有制孔導致的孔邊應力集中問題，從而不但具有Z-pin和緊固件抑制膠層開裂和層壓板面外分層的作用，而且細針通過與復合材料的膠結作用力、軸向摩擦力和橫向機械作用力，與連接件之間的貼合面上的膠層一同傳遞連接件之間的載荷，即同時具有了膠接結構和機械連接結構的優點，并很大程度上克服了二者的缺點，細針的數量、位置和姿態都可以根據連接件形狀以及外部載荷的特征進行優化，從而提高復合材料與金屬連接結構在靜態和疲勞載荷下的強度和剛度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是復合材料與金屬的膠-多細針連接結構圖。
[0022]圖2是細針與增強纖維和基體之間的位置關系圖。
[0023]圖3是細針垂直于金屬連接件表面。
[0024]圖4是細針傾斜向復合材料連接件。
[0025]圖5是細針傾斜向金屬連接件。
[0026]圖6是細針相對排列。
[0027]圖7是細針背向排列。
[0028]圖8是細針交叉排列。[0029]圖9是細針端頭為柱形。
[0030]圖10是細針端頭為球形。
[0031]圖11是細針端頭為橢圓形。
[0032]圖12是細針端頭為角形。
[0033]圖13是細針纟而頭為T形。
[0034]圖14是細針端頭為回形。
[0035]圖15是一個金屬板與兩個復合材料板構成的雙搭接結構。
[0036]圖16是兩個金屬板與一個復合材料板構成的雙搭接結構。
[0037]圖17是多連接板連接結構。
[0038]圖18是連接貼合面為曲面。
[0039]圖19是棒狀連接件貼合面的截面為多邊形。
[0040]圖20是棒狀連接件貼合面的截面為圓形。
[0041]圖21是細針通過金屬板上的盲孔與金屬連接件連接。
[0042]圖22是細針通過金屬板上的貫通孔與金屬連接件連接。
[0043]圖中1.復合材料連接件，2.金屬連接件，3.膠層，4.細針，5.0°纖維鋪層，6.90°纖維鋪層，7.45°纖維鋪層，8.45°纖維鋪層。
【具體實施方式】
[0044]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0045]一種復合材料與金屬的連接結構，包括復合材料連接件I和金屬連接件2，金屬連接件2與復合材料連接件I之間的膠層3，該膠層3可以在金屬表面涂覆，也可以為在復合材料連接件I固化過程中自然形成。在金屬連接件2與復合材料連接件I的相連接部位，還設置有多個細針4，細針4 一端固定連接在金屬連接件2上，另一端插入復合材料連接件I內部。
[0046]進一步地，所述復合材料2內部設置有纖維增強材料，該纖維可以為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維、石墨纖維等材料，形成樹脂基碳纖維增強復合材料、樹脂基玻璃纖維增強復合材料、樹脂基紡綸纖維增強復合材料、樹脂基硼纖維增強復合材料、樹脂基石墨纖維增強復合材料、以及金屬基和陶瓷基復合材料等多種纖維增強復合材料，在金屬連接件2與復合材料連接件I的相連接部位，纖維的走向與細針4的形狀匹配，即纖維避開細針4，從而形成環繞細針4的纖維布局結構。另外，在復合材料2中，纖維增強材料設置多層，各層纖維之間走向成一定角度，形成纖維交錯排列的結構，例如圖2所示的0°纖維鋪層5、90°纖維鋪層6、45°纖維鋪層7、45°纖維鋪層8等多層結構。
[0047]細針4端頭與金屬連接件2之間的距離小于或等于復合材料連接件I在相應位置的厚度，因而成型后的連接結構細針4不會由復合材料連接件I的表面突出。細針4通過焊接、膠接、3D打印固定在金屬連接件I上。在圖1中所示結構中，復合材料連接件I與金屬連接件2也可以通過膠層3與多個針4相連。
[0048]該膠層3可以傳遞兩個連接件之間的剪切載荷。分布于連接區兩端的多個細針4與復合材料I中的基體具有膠結作用力和軸向摩擦作用力，與復合材料4中的基體和增強體(包括纖維增強體)均具有橫向機械作用力，如圖2所示。細針4不但抑制膠層開裂和層壓板面外分層，而且與貼合面上的膠層3 —同傳遞兩個連接件之間的載荷。
[0049]如圖3-圖8所示，細針4的軸線可以與金屬連接件2的連接處的法向一致，或成一定夾角傾斜設置，各細針4相互之間平行或成一定夾角設置。根據連接件的幾何和材料特征以及外部載荷情況(拉伸、壓縮或剪切，靜態、動態或循環等)，優化設計金屬連接板上的細針幾何和布置方案，包括細針的幾何特征(截面形狀、尺寸、表面質量、端頭形狀、長度等)、位置(行距、列距、邊距、端距等)、數量(行數、列數)以及姿態(細針軸線與金屬連接板的角度、不同細針的相對角度等)。細釘的分布既可以是規則的，也可以是不規則的。如果連接件的形狀規則、傳力均勻，則細針的排布通常也規則；如果連接件形狀不規則或傳力不均勻，則細針的排布也可以不規則。連接件傳遞軸向拉伸或壓縮載荷時，細針通常位于連接區的兩端，因為通常連接區的兩端的膠層所承受的面外剝離力以及復合材料連接板承受的層間應力較高，比較容易出現失效；連接區傳遞面內剪切載荷時，細針通常不規則分布。
[0050]如圖9-圖14所示，細針4的截面形狀可以為圓形、橢圓、方形或矩形，細針4不與金屬連接板2相連接的一端的端部設置為尺寸變大的柱形、圓形、橢圓形、L形、T形或鉤形結構，從而增大細針的抗剝離能力和連接結構的剛度。細針4與金屬連接板2連接處可以有一定半徑的導圓。
[0051]金屬連接件2可以為板狀，復合材料I與金屬連接結構既可以是單搭接結構，如圖1所示，即在金屬連接件2的一側設置細針4，形成連接結構，也可以是雙搭接結構，如圖15和圖16所示，即在金屬連接件2的相對的兩側分別設置細針4，兩面均與復合材料I相連接，甚至是多連接板連接結構，如圖17所示，需要在所有金屬連接板的所有貼合面上制作出細針，例如在金屬板材2的四個側面均固定細針4。金屬與復合材料連接板的貼合面既可以是平面，如圖1、15-17所示，也可以是較復雜的曲面，如圖18所示。該金屬連接件2還可以為棒狀，如圖19、20所示，棒狀的金屬連接件環繞該棒狀結構設置有細針4。上述細針4分別插入到復合材料連接件I內。在細針4與金屬連接件2的連接結構中，也可以在金屬連接件2上設置與細針外形匹配的孔，將細針4埋置在金屬連接件2中，該孔可以為盲孔，如圖21所示，也可以為貫通孔，如圖22所示，細針可以通過膠粘結在孔內，也可以通過焊接連接。另外，在為貫通孔的情況下，細針穿過貫通孔，從而可以方便地實現上述雙搭接結構或多連接板連接結構，此時細針與金屬連接件2之間的固定方式甚至可以不使用膠或焊接等方式，僅僅將細針穿過孔即可，或使用細針與孔的過盈連接方式。
[0052]另外，本發明還公開了一種形成上述連接結構的方法，包括如下步驟， a，將細針4 一端固定連接在金屬連接件2上；
b，將細針4另一端置于復合材料連接件I內部，且不切斷纖維增強材料，纖維的走向與細針形狀匹配；
c，對復合材料I進行固化成型。
[0053]在a步驟中，細針4通過焊接、膠接、3D打印等工藝技術固定在金屬連接件2上；在b步驟中，細針4插入到復合材料I內部，插入過程中僅是把纖維束局部擠離原位。
[0054]在b步驟中，為了將細針4設置在復合材料I內部，在金屬連接板2設置細針4的部位，將復合材料的纖維通過鋪設或纏繞的方式設置在兩連接件的結合面處，通過這種對纖維進行鋪設或纏繞的方式，增強纖維可以各種方式圍繞細針4敷設，可以形成環繞細針4復合材料纖維結構，可以對連接件接頭部位的形狀進行精確成型，可以獲得具有優良力學性能接頭結構；在C步驟中，先對制作好的復合材料與金屬連接結構中的鋪設或纏繞的纖維結構注入固化劑，然后再將其放置到熱壓罐內加熱、加壓固化成型。本實施例中選用的固化劑為環氧樹脂。
[0055]另外，在b步驟中，復合材料I設置多層，所述多層復合材料I內部各層的纖維走向成一定角度，形成纖維交錯排列的結構，所述復合材料I由預浸料制成或由預制件制成。相應地，在c步驟中分成兩種不同的處理方式，方式一，如果復合材料連接件I由預浸料制成，則細針4穿過按照一定鋪層順序鋪放的多層復合材料預浸料，然后固定不同鋪層的復合材料預浸料與金屬連接件I制件的相對位置，并把裝配好的金屬-復合材料裝配件在熱壓罐內加熱、加壓固化成型，從而制成復合材料與金屬多細針連接結構件；方式二，如果復合材料連接件I由預制件制成，則細針4穿過已由纖維織成一定形狀的預制件，固定纖維預制件與金屬連接件2之間的相對位置，然后注入樹脂，最后加熱固化成形，從而制成復合材料與金屬多細針連接結構件。
[0056]另外，在a步驟中，細針4在金屬連接件2的連接區域可以按照不同的角度和位置排列若干，細針4端頭與金屬連接板2之間的垂直距離小于復合材料連接件I在相應位置的厚度，以保證所有細針4的端頭不會從復合材料連接件I伸出，細針4的軸線與金屬連接件2的連接處的法向一致，或成一定夾角傾斜設置，各細針4相互之間平行或成一定夾角設置。
【權利要求】
1.一種復合材料與金屬的連接結構，包括金屬連接件、復合材料連接件，其特征在于，在金屬連接件與復合材料連接件的相連接部位，還設置有細針，所述細針一端固定連接在金屬連接件上，另一端插入復合材料內部。
2.根據權利要求1所述的復合材料與金屬的連接結構，其特征在于，所述復合材料內部設置有纖維增強材料，形成纖維增強復合材料，在所述金屬連接件與復合材料連接件的相連接部位，所述纖維的走向與細針的形狀匹配，形成環繞細針的纖維布局結構。
3.根據權利要求2所述的復合材料與金屬的連接結構，其特征在于，所述纖維增強材料設置多層，各層纖維之間走向成一定角度，形成纖維交錯排列的結構。
4.根據權利要求3所述的復合材料與金屬的連接結構，其特征在于，所述細針端頭與金屬連接件之間的距離小于或等于復合材料連接件在相應位置的厚度，所述細針通過焊接、膠接、3D打印等技術固定在金屬連接件上。
5.根據權利要求1-4任一所述的復合材料與金屬的連接結構，其特征在于，所述細針為多個，其截面形狀為圓形、橢圓、方形或矩形，所述細針不與金屬連接板相連接的一端的端部設置為尺寸變大的柱形、圓形、橢圓形、L形、T形或鉤形結構。
6.根據權利要求5所述的復合材料與金屬的連接結構，其特征在于，所述細針的軸線與金屬連接件的連接處的法向一致，或成一定夾角設置，所述各細針相互之間平行或成一定夾角設置。
7.根據權利要求1-6所述的復合材料與金屬的連接結構，其特征在于，所述金屬連接件為板狀或棒狀，板狀的金屬連接件兩相對表面固定設置有細針，棒狀的金屬連接件環繞該棒狀結構設置有細針，所述細針分別插入到復合材料連接件內。
8.一種形成權利要求1-7所述連接結構的方法，其特征在于，包括如下步驟， a，將細針一端固定連接在金屬連接件上； b，將細針另一端置于復合材料內部，且不切斷纖維增強材料，纖維的走向與細針形狀匹配； C，對復合材料進行固化成型。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于:在a步驟中，細針通過焊接、膠接、3D打印等技術固定在金屬連接件上；在b步驟中，所述細針插入到復合材料內部，插入過程中僅是把纖維束局部擠離原位。
10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，在b步驟中，所述纖維通過鋪設或纏繞設置在所述連接件的結合面處，在c步驟中，先對制作好的復合材料與金屬連接結構中的鋪設或纏繞的纖維結構注入固化劑，然后再將其放置到熱壓成型裝置內加熱、加壓固化成型。
11.根據權利要求8、9任一所述的方法，其特征在于，在b步驟中，所述復合材料設置多層，所述多層復合材料內部各層的纖維走向成一定角度，形成纖維交錯排列的結構，所述復合材料由預浸料制成或由預制件制成，相應地在c步驟中，對由預浸料制成的復合材料，直接將裝配好的復合材料與金屬連接結構在熱壓成型裝置內加熱、加壓固化成型，對由預制件制成的復合材料，先對裝配好的復合材料與金屬連接結構中的預制件注入固化劑，然后再將其放置到熱壓成型裝置內加熱、加壓固化成型。
【文檔編號】F16B7/20GK103925267SQ201410103278
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】不公告發明人 申請人:劉龍權