碳纖維材料不同連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)介紹
2020-03-05
復(fù)合材料連接有多種連接方法，需要根據(jù)應(yīng)用于不同連接區(qū)域的載荷特點(diǎn)等進(jìn)行選擇。現(xiàn)階段碳纖維復(fù)合材料連接共存在5種方法：機(jī)械連接、膠接連接、縫合連接、Z-Pin連接以及混合連接。
而目前結(jié)構(gòu)連接傳遞載荷應(yīng)用最多的就要數(shù)機(jī)械連接和膠接連接。縫合連接和Z-Pin連接僅作為一種輔助手段，提高連接的抗剝離應(yīng)力的能力。而膠接連接和機(jī)械連接的連接形式和兩種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
膠接連接
膠接連接是用膠粘劑將兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)件連接在一起。如今，膠接一般分為3類(lèi)：共固化、共膠接和二次膠接。但我們平時(shí)所說(shuō)膠接一般指二次膠接或者共膠接，共固化預(yù)成型膠接的性能遠(yuǎn)優(yōu)于共膠接的性能。
膠接連接形式主要可分為兩大類(lèi)：平面型搭接和正交形式的連接。平面型搭接構(gòu)型主要承受面內(nèi)拉伸載荷，膠層承受剪力，大多用于飛行器結(jié)構(gòu)中的板類(lèi)構(gòu)件之間的連接；正交型搭接構(gòu)型以承受面外拉伸載荷為主，通常稱(chēng)為拉脫載荷，主要用于板類(lèi)構(gòu)件與梁、肋、桁條等的連接。
優(yōu)點(diǎn)：
1、有阻止裂紋擴(kuò)展的作用，破壞安全性好
2、不存在制孔引起的強(qiáng)度下降
3、沒(méi)有腐蝕問(wèn)題，能獲得光滑的氣動(dòng)外形
4、抗疲勞、減振、密封及絕緣性能好
5、不使用緊固件，結(jié)構(gòu)輕，制造成本低
缺點(diǎn)：
1、需要提前對(duì)膠接表面進(jìn)行特殊處理，并且被膠接接件之間精度要求較高，需加溫加壓固化設(shè)備，修補(bǔ)較為困難
2、膠接是永久連接，膠接后不可拆卸，材料回收再利用困難
3、強(qiáng)度分散性大，剝離強(qiáng)度較低，且難以膠接較厚的結(jié)構(gòu)和傳遞大的載荷
4、連接效果難以控制，可靠性差
機(jī)械連接
機(jī)械連接是使用機(jī)械方法，通常采用螺栓和鉚釘，將兩個(gè)或者多個(gè)被連接構(gòu)件連接在一起的方法。飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的機(jī)械連接主要包括螺栓、鉚釘、盲緊固件和環(huán)槽鉚釘連接等。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接存在多種連接形式，按照其緊固件的受力不同可以分為單剪和雙剪兩類(lèi)；按照連接中有無(wú)搭接板起連接過(guò)渡作用，分為搭接和對(duì)接；每種連接形式都會(huì)存在一種對(duì)應(yīng)的斜削連接形式。
碳纖維復(fù)合材料機(jī)械連接形式的選擇應(yīng)注意：單剪搭接的形式會(huì)存在一定的彎曲變形，會(huì)減小連接強(qiáng)度、降低連接效率，因此，連接設(shè)計(jì)宜采用雙剪連接形式；由于存在彎曲應(yīng)力，對(duì)于不對(duì)稱(chēng)的單搭接連接結(jié)構(gòu)，應(yīng)利用多排釘連接，并增大排距；碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料多排緊固件連接時(shí)存在載荷分配的嚴(yán)重不均勻，應(yīng)注意不宜使用釘排數(shù)過(guò)多的結(jié)構(gòu)形式。
在多釘連接結(jié)構(gòu)中，為提高結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度，螺栓孔的位置盡量采用平行排列，避免交錯(cuò)排列；合理設(shè)計(jì)變厚度板的斜削型連接可以提高連接結(jié)構(gòu)的承載能力，而斜削連接形式設(shè)計(jì)不合理時(shí)會(huì)使承載能力降低。
優(yōu)點(diǎn)：
1、在制造、維修和更換中可再重復(fù)裝配和拆卸
2、受到環(huán)境的影響較小，且沒(méi)有厚度限制
3、可靠性較高，便于檢查連接效果
4、對(duì)零件表面無(wú)特殊要求，對(duì)剝離應(yīng)力不敏感
缺點(diǎn)：
1、鋼緊固件與復(fù)合材料接觸存在電偶腐蝕問(wèn)題
2、制孔會(huì)損傷復(fù)合材料，且孔邊存在應(yīng)力集中，降低了連接強(qiáng)度
3、為彌補(bǔ)制孔引起的強(qiáng)度下降，進(jìn)行局部加強(qiáng)，但會(huì)造成結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加
4、與之配合的金屬件易于疲勞，制造成本也相對(duì)較高。膠接連接與機(jī)械連接都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，大家在選擇連接方式時(shí)一定要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求進(jìn)行考量，選擇最適合自身產(chǎn)品的連接方式。
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