CN103273651B - 航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其包含：步骤1，将机加工“水滴”型金属构件固定在碳纤维复合承载杆件的成型模具两端的耳片部位中；步骤2，将高模碳纤维纵向缠绕在金属构件上，每层之间横向穿插低模碳纤维，每编制一层均需涂热固性树脂；步骤3，在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维，纤维之间取向夹角为30-60度；步骤4，经25分钟、温度80℃烘干预定型，并，3小时、烘焙温度350℃成型，脱模，取出成型产品。本发明的方法工艺简便，其提供的含有金属构件的承载杆件重量轻，金属构件与碳纤维之间结合紧密，可承载超过100吨拉/压力，在强度与刚度上比相同结构的钢材杆件高出3倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，可应用在航空、航天、汽车、轨道交通技术领域，特别是在一些承载较大的结构件中尤其重要，类属于轻量化复合材料制造技术领域。
背景技术
对于航空、航天、汽车、轨道交通车辆来说，轻量化便可以获得节能的效果。但是传统的以金属件为主导的结构部件往往满足不了轻量化的要求，在满足强度与刚度的条件下，部件的重量太重，使得整机笨重耗能。通过碳纤维加强复合材料（CFK）便可以在满足部件功能（强度与刚度）的条件下显著降低重量。
目前在航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域中使用最多的结构件是碳纤维加强材料的承载杆件。这些承载杆件都会涉及到金属承载部件在碳纤维复合材料中的镶嵌问题，于是金属部件与碳纤维复合材料的结合技术问题便成为工程应用的关键技术问题。如果承载金属部件与碳纤维复合材料无法结合牢固，很难传递载荷至碳纤维复合材料上，而且碳纤维的纵向强度远高于横向，所以如何利用各向各异的特性是设计轻型复合材料的主题。有许多复合材料的结构件采用外加夹板（金属部件）进行固定，这样的设计很难达到部件轻量化与安全可靠的效果。因为碳纤维与金属之间的粘结效果还不足以满足直接承载的条件，简单的在金属构件外缠绕碳纤维的方法也很难满足安全可靠的要求。所以如何解决通过金属构件的载荷传递，使其均布在碳纤维复合材料上便是本发明所要解决的技术问题。
近年来在欧美地区产生了许多较为先进的金属部件与碳纤维结合的方法，如：DE4430502C2描述了如何使用螺栓固定的方法；DE10206614A1描述了如何使用螺栓与几何形状轮廓固定的方法；DE19649133C1描述了碳纤维材质的液压缸设计中的固定方法；EP0640186B1描述了碳纤维材料制造的航空用气缸的固定方法；US4685384描述了在碳纤维材料制造的流体流量控制机构上的固定方；DE102006047412B4、DE10200604713A1描述了航空用液压缸的制造方法和金属与碳纤维复合材料的连接技术等。这些结合技术存在着如下缺点：
1) 金属构件的体积过大，导致自重过重；
2) 简单缠绕碳纤维方法很难保证无金属部件与碳纤维复合材料之间的松动；
3) 制造工艺较为复杂，导致承载杆件的成本较高。
发明内容
本发明的目的是提出一种航空用承载杆件的承载耳片中金属构件与碳纤维复合材料的结合方法，利用金属构件的形状和载荷均匀传递方式，将“水滴”型金属构件镶嵌在由碳纤维复合材料制成的承载杆件的耳片内，充分利用碳纤维在纵向承载能力最大的特点，以碳纤维之间的牢固粘合形成拟合金属构件形状连接固定。
为达到上述目的，本发明提供了一种航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，该结合方法包含以下具体步骤：
步骤1，将机加工“水滴”型金属构件固定在碳纤维复合承载杆件的成型模具两端的耳片部位中；
步骤2，将高模碳纤维纵向缠绕在“水滴”型金属构件上，每层之间横向穿插低模碳纤维，以固定缠绕高模碳纤维；每编制一层均需涂热固性树脂；
步骤3，在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维，纤维之间取向夹角为30-60度；
步骤4，经25分钟、烘干温度80℃预定型，以及，3小时、烘焙温度350℃成型，脱模，取出成型产品。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述结合方法还包含步骤1之前的预处理步骤，以增加金属构件表面与碳纤维复合材料中树脂的粘合力：对机加工“水滴”型金属构件的外表面进行喷砂预处理，喷砂的沙粒为0.5-1.5mm的石英砂。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的结合方法还包含：步骤5，成型产品冷却后，经清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡成型承载杆件的耳片部位，再进行渗碳化硅处理，然后对磨光的耳片表面进行镀镍处理。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的金属构件具有尖端和具有圆形通孔的大头端，在成型模具的两端，两个金属构件以尖端对尖端的位置放置。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的金属构件具有沿尖端至大头端纵向环设若干纵向槽（如单槽、双槽或多槽），以固定纵向缠绕的承载碳纤维。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的金属构件的大头端外缘还设有若干沿圆周间隔分布的横向槽，以固定横向穿插的低模碳纤维，维持缠绕的纵向承载碳纤维在约定的空间位置。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的热固性树脂选择改良马来酰亚胺树脂。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的金属构件经步骤2缠绕后，仅显示出轴套的圆形。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，金属构件的轴套面上留出凸台。
上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的高模碳纤维与低模碳纤维均需先进行与PEEK纤维混纺处理形成混纺纤维，混纺比例按重量比例计为8:2
本发明创新性地提出了在“水滴”型金属构件外缠绕高模碳纤维作为纵向承载，分圆周均分横向穿插低模碳纤维作为固定承载纵向碳纤维的编织方法。“水滴”型金属构件的尖端固定在碳纤维复合材料中，限制了该金属构件的转动，并在该尖端附近空间内使用碳纤维横向捆扎纵向承载碳纤维，形成整体的碳纤维复合材料构件。本发明的方法工艺简便，其提供的含有金属构件的承载杆件重量轻（其自重仅为钢材杆件重量的五分之一），金属构件与碳纤维之间结合紧密，可承载超过100吨拉/压力的要求，在强度与刚度上比相同结构的钢材杆件高出3倍。本发明提供的金属部件与碳纤维复合材料结合方法是解决航空用承载构件制造的关键技术，可以较为广泛地应用在其他重要结构部件上。
附图说明
图1为本发明的碳纤维承载杆件中金属构件镶嵌在承载构件的耳片部的结构示意图。
图2为本发明的“水滴”型金属构件的单槽形状的结构示意图。
图3为本发明的“水滴”型金属构件的双槽形状的结构示意图。
图4为本发明的未包覆外碳纤维编织层的承载杆件结构的示意图。
图5为本发明的包覆有外碳纤维编织层的承载杆件结构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例按图1所示航空用承载杆件的耳片中镶嵌金属构件结构叙述，含有承载构件1，是由碳纤维复合材料制成，该承载构件1的两端部均具有耳片部13；“水滴”型金属构件2，该金属构件2包含尖端5和具有圆形通孔的大头端21（如图2所示）；承载杆件的外碳纤维编织层3。本发明在承载构件的耳片部13中埋设了“水滴”型金属承载部件即金属构件2，在承受拉力时，通过“水滴”型金属构件2将载荷均匀传递到承载部件的耳片部13中纵向编织的高模碳纤维上，在承受压力时，通过“水滴”型金属构件2将载荷均匀传递到承载部件的耳片和外层编织的碳纤维上。由此，便可以使承载构件承受超过100吨的巨大拉/压力。
首先机加工“水滴”型金属构件2，在经过核算航空用承载杆件的强度与刚度的基础上，该金属构件应选择锻造钢材料，其内部的承载轴套部位也可以镶嵌其他硬质合金材料。“水滴”型金属构件可机加工成具有若干纵向槽，如单槽4（如图2所示），双槽9（如图3所示）或多槽，作为纵向高模碳纤维10的固定空间。还应在该“水滴”型金属构件的大头端21的外缘沿圆周方向均匀分布若干个较小的横向槽6（视碳纤维编织需求空间确定数量），作为横向穿插的低模碳纤维11的编织固定空间。还应在“水滴”型金属构件的轴套面上留出凸台7，作为航空用承载杆件的第一外层低模碳纤维8的编织空间。
碳纤维复合材料构件成型技术的关键为纤维的编织设计。如下详细说明如何在航空用承载杆件的承载构件1成型过程中镶嵌金属构件2。将两个机加工并表面喷砂处理完的“水滴”型金属构件2以尖端5对尖端5的位置固定在承载杆件的成型模具的耳片部位中。如图3所示，将纵向承载高模碳纤维10分层缠绕在“水滴”型金属构件2上，每层之间涂热固性树脂（如改良马来酰亚胺树脂），并沿按圆周分布的横向槽6横向编织低模碳纤维11。经模具初步成型，见图4，即还未包覆外碳纤维编织层3的承载杆件结构，然后整体编织第一外层低模碳纤维8及第二外层低模碳纤维12，如图5所示，按照弹性变形控制要求，保持斜编织角度α在30-60度范围，然后再次放在成型模具内压制成型。此时的承载构件1材质密度已经达到1.5-1.8g/cm2。在航空用承载杆件的外观上，金属构件2仅显示出轴套的圆形，如图5所示。
优选地，所述的高模与低模碳纤维均需先进行与PEEK纤维（聚醚醚酮树脂纤维，Polyetheretherketone）混纺处理形成混纺纤维（本发明中统称为碳纤维），混纺比例按重量比例计为8:2。
将成型与预烘干的承载杆件放进气体保护烘焙炉中，维持炉内温度350℃左右（±5℃），气氛为90%氮气和10%氢气混合，2.4bar压力，3小时后便可冷却。具体步骤为：
a）机加工“水滴”型金属构件2，包括镶嵌承载轴套之类的硬质合金，形成“水滴”型的单槽4、双槽9、或多槽形状；
b）将“水滴”型金属构件2固定在碳纤维复合承载杆件的成型模具中；
c）将纵向高模碳纤维10（优选地，将碳纤维进行预处理：由高模碳纤维与PEEK纤维（聚醚醚酮树脂纤维Polyetheretherketone）按8：2的重量比例混纺而成）缠绕在“水滴”型金属构件2上，每层之间还需穿插横向低模碳纤维11，以固定缠绕碳纤维。每编制一层均需涂“改良马来酰亚胺树脂”（一种热固型树脂）；
d）在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维8、12，纤维之间取向夹角α为30-60度（如图5所示）；
e）经25分钟、烘干温度80℃预定型和3小时、烘焙温度350℃左右（±5℃）成型后便可形成产品。
f）冷却后的部件经过简单的清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡承载耳片部位，然后进行渗碳化硅处理，然后对磨光的耳片表面进行镀镍处理。
本发明的方法生产出的金属构件2与承载构件的管型杆件结合完全可以满足承载超过100吨拉/压力的要求，在强度与刚度上比相同结构的钢材杆件高出3倍，其自重仅为钢材杆件重量的五分之一。该复合材料结构杆件上的金属与碳纤维结合技术可以取代金属结构杆件应用在航空、航天、汽车、轨道交通技术领域。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，该结合方法包含以下具体步骤：
步骤1，将机加工“水滴”型金属构件（2）固定在碳纤维复合承载杆件的成型模具两端的耳片部位中；
步骤2，将高模碳纤维纵向缠绕在“水滴”型金属构件（2）上，每层之间横向穿插低模碳纤维，以固定缠绕高模碳纤维；每编制一层均需涂热固性树脂；
步骤3，在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维，纤维之间取向夹角α为30-60度；
步骤4，经25分钟、烘干温度80℃预定型，以及，3小时、烘焙温度350±5℃成型，脱模，取出成型产品。
2.如权利要求1所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述结合方法还包含步骤1之前的预处理步骤：对机加工“水滴”型金属构件（2）的外表面进行喷砂预处理，喷砂的沙粒为0.5-1.5mm的石英砂。
3.如权利要求1或2所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述的结合方法还包含：步骤5，成型产品冷却后，经清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡成型承载杆件的耳片部（13），再进行渗碳化硅处理，然后对磨光的耳片部表面进行镀镍处理。
4.如权利要求1或2所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述的金属构件（2）具有尖端（5）和具有圆形通孔的大头端（21），在成型模具的两端，两个金属构件（2）以尖端对尖端的位置放置。
5.如权利要求4所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述的金属构件（2）具有沿尖端（5）至大头端（21）纵向环设的若干纵向槽，以固定纵向缠绕的承载碳纤维。
6.如权利要求5所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述的金属构件（2）的大头端（21）的外缘还设有若干沿圆周间隔分布的横向槽（6），以固定横向穿插的低模碳纤维，维持缠绕的纵向承载碳纤维在约定的空间位置。
7.如权利要求1所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述的热固性树脂选择改良马来酰亚胺树脂。
8.如权利要求1所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述的金属构件（2）经步骤2缠绕后，仅显示出轴套的圆形。
9.如权利要求8所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，金属构件的轴套面上留出凸台（7）。
10.如权利要求1所述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其特征在于，所述的高模碳纤维与低模碳纤维均需先进行与PEEK纤维混纺处理形成混纺纤维，混纺比例按重量比例计为8:2。
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