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【科(kē)普知识】碳纤维材料不同连接方式的优缺点介绍
2020-03-03

复合材料连接有(yǒu)多(duō)种连接方法,需要根据应用(yòng)于不同连接區(qū)域的载荷特点等进行选择。现阶段碳纤维复合材料连接共存在5种方法:机械连接、胶接连接、缝合连接、Z-Pin连接以及混合连接。


(而目前结构连接传递载荷应用(yòng)最多(duō)的就要数机械连接和胶接连接。缝合连接和Z-Pin连接仅作為(wèi)一种辅助手段,提高连接的抗剥离应力的能(néng)力。


胶接连接


胶接连接是用(yòng)胶粘剂将两个或多(duō)个构件连接在一起。如今,胶接一般分(fēn)為(wèi)3类:共固化、共胶接和二次胶接。但我们平时所说胶接一般指二次胶接或者共胶接,共固化预成型胶接的性能(néng)遠(yuǎn)优于共胶接的性能(néng)。


胶接连接形式主要可(kě)分(fēn)為(wèi)两大类:平面型搭接和正交形式的连接。平面型搭接构型主要承受面内拉伸载荷,胶层承受剪力,大多(duō)用(yòng)于飞行器结构中的板类构件之间的连接;正交型搭接构型以承受面外拉伸载荷為(wèi)主,通常称為(wèi)拉脱载荷,主要用(yòng)于板类构件与梁、肋、桁条等的连接。


机械连接


机械连接是使用(yòng)机械方法,通常采用(yòng)螺栓和铆钉,将两个或者多(duō)个被连接构件连接在一起的方法。飞机结构中常用(yòng)的机械连接主要包括螺栓、铆钉、盲紧固件和环槽铆钉连接等。碳纤维复合材料结构的机械连接存在多(duō)种连接形式,按照其紧固件的受力不同可(kě)以分(fēn)為(wèi)单剪和双剪两类;按照连接中有(yǒu)无搭接板起连接过渡作用(yòng),分(fēn)為(wèi)搭接和对接;每种连接形式都会存在一种对应的斜削连接形式。


碳纤维复合材料机械连接形式的选择应注意:单剪搭接的形式会存在一定的弯曲变形,会减小(xiǎo)连接强度、降低连接效率,因此,连接设计宜采用(yòng)双剪连接形式;由于存在弯曲应力,对于不对称的单搭接连接结构,应利用(yòng)多(duō)排钉连接,并增大排距;碳纤维树脂基复合材料多(duō)排紧固件连接时存在载荷分(fēn)配的严重不均匀,应注意不宜使用(yòng)钉排数过多(duō)的结构形式。


在多(duō)钉连接结构中,為(wèi)提高结构的连接强度,特别是疲劳强度,螺栓孔的位置尽量采用(yòng)平行排列,避免交错排列;合理(lǐ)设计变厚度板的斜削型连接可(kě)以提高连接结构的承载能(néng)力,而斜削连接形式设计不合理(lǐ)时会使承载能(néng)力降低。


胶接连接的优缺点


优点:

1、有(yǒu)阻止裂纹扩展的作用(yòng),破坏安全性好

2、不存在制孔引起的强度下降

3、没有(yǒu)腐蚀问题,能(néng)获得光滑的气动外形 

4、抗疲劳、减振、密封及绝缘性能(néng)好

5、不使用(yòng)紧固件,结构轻,制造成本低


缺点:

1、需要提前对胶接表面进行特殊处理(lǐ),并且被胶接接件之间精度要求较高,需加温加压固化设备,修补较為(wèi)困难

2、胶接是永久连接,胶接后不可(kě)拆卸,材料回收再利用(yòng)困难

3、强度分(fēn)散性大,剥离强度较低,且难以胶接较厚的结构和传递大的载荷 

4、连接效果难以控制,可(kě)靠性差


机械连接优缺点


优点:

1、在制造、维修和更换中可(kě)再重复装配和拆卸

2、受到环境的影响较小(xiǎo),且没有(yǒu)厚度限制 

3、可(kě)靠性较高,便于检查连接效果

4、对零件表面无特殊要求,对剥离应力不敏感


缺点:

1、钢紧固件与复合材料接触存在電(diàn)偶腐蚀问题 

2、制孔会损伤复合材料,且孔边存在应力集中,降低了连接强度 

3、為(wèi)弥补制孔引起的强度下降,进行局部加强,但会造成结构质量增加 

4、与之配合的金属件易于疲劳,制造成本也相对较高。 胶接连接与机械连接都存在各自的优缺点,大家在选择连接方式时一定要根据产品的实际需求进行考量,选择最适合自身产品的连接方式。

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