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树脂基复合材料连接技术的发展与市场前景
发布时间:2023-07-06
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近年来,复合材料一体化成型技术的发展尤为迅速,但在航空航天等一些关键领域,复合材料连接技术的需求持续存在,新型连接技术在结构整体强度的提升,成本节约和轻量化等要素持续优化。所以,也充分体现了发展复合材料连接技术的必要性。

 

树脂基复合材料可按照树脂的形态来分为两类,即热固性树脂和热塑性树脂。其对应的连接技术也有一些差异。比较常见的连接技术有机械连接、胶接连接,也有同时应用前两种方式的混合连接技术。

 

机械连接技术安全可靠,传递载荷大,并且可重复装配和拆卸。机械连接虽然连接结构强度高,但连接接头重量大,装配效率较低;胶接连接相比于机械连接,具有轻质、无破坏性、容易实现成型一体化,所以对于一些复杂结构件的连接多选择胶接方式。

 

螺接是飞机复合材料结构最主要的机械连接方法,但单个螺栓成本高、轻量化效果不佳,加之单架飞机用量大,往往造成飞机复合材料连接成本高、增重明显。有研究表明:相比于螺接,铆接可靠性高,而成本不到螺接十分之一甚至更低,装配工艺更简便、轻量化效果更明显,其在飞机复合材料结构制造和修复中具有潜在技术和经济优势。

 

但在铆接过程中,CFRP极易发生损伤,近日由川大研发的无损铆接技术。提高了连接强度约87%、抗剪切拉伸能力33%、连接疲劳寿命1000%,而使其连接重量减轻27%、连接成本降低90%,成功在实现无损铆接的基础上减轻了结构重量,降低了应用成本。

 

熔融焊接是热塑性复合材料特有的一种连接方式,热塑性树脂较低的表面能导致与胶黏剂结合能力差,其受热软化,冷却硬化的特性使熔融焊接成为新型连接方法。还能避免机械连接预制孔会对增强纤维的破坏、异种材料连接可能产生电偶腐蚀弱化界面,从而影响整体结构的性能。

 

常见的熔融焊接技术有4种:电阻焊接、感应焊接、超声焊接和激光焊接:

 

1、 电阻焊接

电阻焊接(RW)是电流流经加热元件产生焦耳热,在加热元件表面的高温会导致热塑性树脂的熔化,由焊接压力压实形成焊接接头。

 

2、 感应焊接

感应焊接(IW)是在导电线圈上施加交流电压时产生交流电,感应出时变磁场,当加热元件被放置在时变磁场附近时,就会产生涡流,涡流流过导电回路在焊接界面产生热量。

 

3、 超声焊接

超声焊接(UW)是通过超声波发生器将高频交流电转换为高频振动,小振幅变化的运动产生了分子间摩擦并转换为热能,经过传导到达接头界面,直到熔融导能筋,在压力下流动并浸润待焊件形成连接。

 

4、 激光焊接

激光焊接(LW)是用激光辐射加热待加工表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。

 

未来,复合材料连接技术还在不断向着经济化、高强度的方向发展,传统连接技术如机械连接和胶接连接,由于具备成本优势,在诸多领域发展成熟,还将持续被应用。但随着热塑性复合材料的发展,焊接技术将进一步取代传统连接技术,成为未来发展的重点。(来源:中国复材)

 

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