CN103386593B - 一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法，涉及一种复合材料与金属的连接方法。本发明是要解决传统连接碳纤维增强树脂基复合材料与金属的方法存在冲击，干涉量不均匀，从而导致连接结构疲劳寿命低，疲劳寿命增益效果差的技术问题。本发明的连接方法如下：一、制备铸锭；二、拉伸TiNiNb合金连接紧固件；三、碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。本发明方法可以应用于碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料与金属的连接方法。
背景技术
碳纤维是一种含碳量高于90％的无机高分子纤维，碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变、耐疲劳性能好、比热和导电性介于金属和非金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性能好，同时具有纤维的柔韧性和可编性。尽管碳纤维可单独使用发挥其诸多优点，不过由于它属于脆性材料，只有将其与基体材料牢固地结合在一起，才能利用其优异的力学性能，使之更好地承载负荷。碳纤维增强树脂基复合材料是目前最先进的复合材料，它以轻质、耐高温、抗腐蚀和热力学性能优良等特点广泛被用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，这些材料在航空航天工业中获得了广泛的应用。但是，碳纤维增强复合材料在应用中常与传统金属材料骨架连接在一起，传统连接方法采用铝合金或钛合金铆钉连接，属于间隙连接，由于间隙存在产生连接钉载分配不均和钉孔应力集中等明显缺陷。而且，由于铆接过程中存在冲击，会导致铆接部位会出现不同程度的分层损伤，分层率超过30％，可靠性差；钉杆变形不均匀，干涉量不均匀、不可控。上述这些问题均导致连接结构疲劳寿命低，疲劳寿命增益效果差。
发明内容
本发明是要解决传统碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法存在冲击，干涉量不均匀，从而导致连接结构疲劳寿命低，疲劳寿命增益效果差的技术问题，从而提供一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法。
本发明的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法是按以下步骤进行：
一、将纯度为99％～99.92％的Ti片、99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片放入到水冷铜坩埚自耗真空电弧炉中，然后将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉抽真空，使得水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr，将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的温度升至2200℃～2600℃，并在2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，自然冷却至室温得到合金，用砂轮机去除合金的表面氧化皮得到干净的合金，然后将干净的合金在悬浮炉中真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，随炉冷却至室温，再在悬浮炉中真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，浇入石墨模中，自然冷却至室温得到铸锭，将铸锭在850℃～900℃的条件下退火10h～14h，随炉自然冷却至室温，得到退火处理后的铸锭，用砂轮机去除退火处理后的铸锭的表面氧化皮和冒口得到干净的铸锭；其中，步骤一中所述的纯度为99％～99.92％的Ti片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(40～45):9，99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(46～51):9；
二、将步骤一得到的干净的铸锭在温度为750℃～900℃的条件下锻造成棒料，然后在普通多机座连续轧机上在起轧温度为800℃～840℃的条件下将棒料进行热轧成T型TiNiNb合金连接紧固件，且T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端为直径为φ1的圆柱形，碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔孔径为φ2，金属骨架的连接孔孔径为φ3，其中所述φ2＝φ3，(φ1-φ2)/φ2＝19％～25％，将盐酸水溶液、硝酸水溶液和去离子水均匀混合得到混合酸水溶液，将T型TiNiNb合金连接紧固件浸泡在混合酸水溶液中5min～7min得到酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件，用去离子水清洗酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件得到干净的T型TiNiNb合金连接紧固件，利用低温拉伸机将干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端在-60℃～-80℃下拉伸变形，至干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端直径为φ2为止，即得到T型连接固定件；步骤二中所述的混合酸水溶液中盐酸、硝酸和去离子水的摩尔比为1：2：10；
三、利用步骤二得到的T型连接固定件通过碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔和金属骨架的连接孔将碳纤维增强树脂基复合材料和金属骨架连接在一起，然后从室温加热至70℃～80℃，并在70℃～80℃保温10s～20s，即完成碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。
本发明的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法具有如下优点：
(1)本发明的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法实现了无冲击、均匀干涉连接，从而可以使得连接结构疲劳寿命提高10倍；
(2)本发明的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法连接紧固件的剪切强度比传统的钛合金铆钉连接紧固件的剪切强度提高了15％～20％。
附图说明
图1为具体实施方式一的TiNiNb合金连接紧固件示意图，其中区域1为连接端；
图2为具体实施方式一的碳纤维增强树脂基复合材料示意图；
图3为具体实施方式一的金属骨架的示意图；
图4为具体实施方式一的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接示意图，其中1是TiNiNb合金连接紧固件，2是碳纤维增强树脂基复合材料，3是金属骨架；
图5为试验一的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接的实物照片；
图6为剪切强度测试图，其中曲线1为试验一的碳纤维增强树脂基复合材料与金属骨架的连接紧固件的剪切强度测试图，曲线2为传统的钛合金铆钉连接紧固件的剪切强度测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4所示，本实施方式中一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法按以下步骤进行的：
一、将纯度为99％～99.92％的Ti片、99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片放入到水冷铜坩埚自耗真空电弧炉中，然后将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉抽真空，使得水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr，将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的温度升至2200℃～2600℃，并在2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，自然冷却至室温得到合金，用砂轮机去除合金的表面氧化皮得到干净的合金，然后将干净的合金在悬浮炉中真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，随炉冷却至室温，再在悬浮炉中真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，浇入石墨模中，自然冷却至室温得到铸锭，将铸锭在850℃～900℃的条件下退火10h～14h，随炉自然冷却至室温，得到退火处理后的铸锭，用砂轮机去除退火处理后的铸锭的表面氧化皮和冒口得到干净的铸锭；其中，步骤一中所述的纯度为99％～99.92％的Ti片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(40～45):9，99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(46～51):9；
二、将步骤一得到的干净的铸锭在温度为750℃～900℃的条件下锻造成棒料，然后在普通多机座连续轧机上在起轧温度为800℃～840℃的条件下将棒料进行热轧成T型TiNiNb合金连接紧固件，且T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端为直径为φ1的圆柱形，碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔孔径为φ2，金属骨架的连接孔孔径为φ3，其中所述φ2＝φ3，(φ1-φ2)/φ2＝19％～25％，将盐酸水溶液、硝酸水溶液和去离子水均匀混合得到混合酸水溶液，将T型TiNiNb合金连接紧固件浸泡在混合酸水溶液中5min～7min得到酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件，用去离子水清洗酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件得到干净的T型TiNiNb合金连接紧固件，利用低温拉伸机将干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端在-60℃～-80℃下拉伸变形，至干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端直径为φ2为止，即得到T型连接固定件；步骤二中所述的混合酸水溶液中盐酸、硝酸和去离子水的摩尔比为1：2：10；
三、利用步骤二得到的T型连接固定件通过碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔和金属骨架的连接孔将碳纤维增强树脂基复合材料和金属骨架连接在一起，然后从室温加热至70℃～80℃，并在70℃～80℃保温10s～20s，即完成碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。
干涉使得在接头孔附近区域形成了拉伸预应力，降低了外加载荷引起的交变应力幅，也就是说，在交变载荷作用下干涉配合接头孔周围实际承受的应力幅值远比传统铆接间隙配合的接头小，即干涉连接的结果降低了孔边的周边幅值，形成了“支撑效应”；干涉使得连接紧固件与连接孔之间的接触更为均匀、更为紧密，当有载荷传递时，其分布趋于均匀；干涉连接改善了连接孔壁的初始疲劳质量。因此，本实施方式的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法实现了无冲击、均匀干涉连接，从而可以提高连接结构疲劳寿命；因此本实施方式的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法实现了无冲击、均匀干涉连接，从而可以使得连接结构疲劳寿命提高10倍。
本实施方式的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法连接紧固件的剪切强度比传统的钛合金铆钉连接紧固件的剪切强度提高了15％～20％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的纯度为99％～99.92％的Ti片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(42～44):9，99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(47～49):9。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉抽真空，使得水冷铜坩埚自耗真空电弧炉真空度为1.3×10-4Torr～1.7×10-4Torr，将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的温度升至2300℃～2500℃，并在2300℃～2500℃的条件下熔炼12min～14min，自然冷却至室温得到合金。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中将铸锭在860℃～880℃的条件下退火11h～13h，随炉自然冷却至室温，得到退火处理后的铸锭。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中将步骤一得到的干净的铸锭在温度为800℃～850℃的条件下锻造成棒料，然后在普通多机座连续轧机上在起轧温度为810℃～830℃的条件下将棒料进行热轧成T型TiNiNb合金连接紧固件。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中利用步骤二得到的T型连接固定件通过碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔和金属骨架的连接孔将碳纤维增强树脂基复合材料和金属骨架连接在一起，然后从室温加热至73℃～78℃，并在73℃～78℃保温13s～17s，即完成碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。其它与具体实施方式一至五之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：本试验的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法是按以下方法实现：
一、将纯度为99％的Ti片、99％的Ni片和99％的Nb片放入到水冷铜坩埚自耗真空电弧炉中，然后将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉抽真空，使得水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的真空度为1.5×10-4Torr，将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的温度升至2400℃，并在2400℃的条件下熔炼12min，自然冷却至室温得到合金，用砂轮机去除合金的表面氧化皮得到干净的合金，然后将干净的合金在悬浮炉中真空度为1.5×10-4Torr和温度为2400℃的条件下熔炼12min，随炉冷却至室温，再在悬浮炉中真空度为1.5×10-4Torr和温度为2400℃的条件下熔炼12min，浇入石墨模中，自然冷却至室温得到铸锭，将铸锭在870℃的条件下退火12h，随炉自然冷却至室温，得到退火处理后的铸锭，用砂轮机去除退火处理后的铸锭的表面氧化皮和冒口得到干净的铸锭；其中，步骤一中所述的纯度为99％的Ti片和99％的Nb片的摩尔比为43:9，99％的Ni片和99％的Nb片的摩尔比为47:9；
二、将步骤一得到的干净的铸锭在温度为820℃的条件下锻造成棒料，然后在普通多机座连续轧机上在起轧温度为820℃的条件下将棒料进行热轧成T型TiNiNb合金连接紧固件，且T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端为直径为φ1＝8mm的圆柱形，碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔孔径为φ2，金属骨架的连接孔孔径为φ3，其中所述φ2＝φ3＝6.7mm，将盐酸水溶液、硝酸水溶液和去离子水均匀混合得到混合酸水溶液，将T型TiNiNb合金连接紧固件浸泡在混合酸水溶液中6min得到酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件，用去离子水清洗酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件得到干净的T型TiNiNb合金连接紧固件，利用低温拉伸机将干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端在-70℃下拉伸变形，至干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端直径为6.7mm为止，即得到T型连接固定件；步骤二中所述的混合酸水溶液中盐酸、硝酸和去离子水的摩尔比为1：2：10；
三、利用步骤二得到的T型连接固定件通过碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔和金属骨架的连接孔将碳纤维增强树脂基复合材料和金属骨架连接在一起，然后从室温加热至75℃，并在75℃保温15s，即完成碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。
图5为试验一的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接的实物照片，从图中可清晰看到，连接紧固件与被连接件界面清晰且均匀，实现了无冲击均匀干涉连接，从图4中还可看到螺栓的沉头与被连接件的凹孔连接的也非常致密。
图6为剪切强度测试图，其中曲线1为试验一的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接紧固件的剪切强度测试图，曲线2为传统的钛合金铆钉连接紧固件的剪切强度测试图。从图中可以看出本试验的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法连接紧固件的剪切强度比传统的钛合金铆钉连接紧固件的剪切强度提高了18％。
Claims (6)
1.一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法，其特征在于碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法按以下步骤进行的：
一、将纯度为99％～99.92％的Ti片、99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片放入到水冷铜坩埚自耗真空电弧炉中，然后将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉抽真空，使得水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr，将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的温度升至2200℃～2600℃，并在2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，自然冷却至室温得到合金，用砂轮机去除合金的表面氧化皮得到干净的合金，然后将干净的合金在悬浮炉中真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，随炉冷却至室温，再在悬浮炉中真空度为1.0×10-4Torr～2.0×10-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，浇入石墨模中，自然冷却至室温得到铸锭，将铸锭在850℃～900℃的条件下退火10h～14h，随炉自然冷却至室温，得到退火处理后的铸锭，用砂轮机去除退火处理后的铸锭的表面氧化皮和冒口得到干净的铸锭；其中，步骤一中所述的纯度为99％～99.92％的Ti片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(40～45):9，99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(46～51):9；
二、将步骤一得到的干净的铸锭在温度为750℃～900℃的条件下锻造成棒料，然后在普通多机座连续轧机上在起轧温度为800℃～840℃的条件下将棒料进行热轧成T型TiNiNb合金连接紧固件，且T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端为直径为φ1的圆柱形，碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔孔径为φ2，金属骨架的连接孔孔径为φ3，其中所述φ2＝φ3，(φ1-φ2)/φ2＝19％～25％，将盐酸水溶液、硝酸水溶液和去离子水均匀混合得到混合酸水溶液，将T型TiNiNb合金连接紧固件浸泡在混合酸水溶液中5min～7min得到酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件，用去离子水清洗酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件得到干净的T型TiNiNb合金连接紧固件，利用低温拉伸机将干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端在-60℃～-80℃下拉伸变形，至干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端直径为φ2为止，即得到T型连接固定件；步骤二中所述的混合酸水溶液中盐酸、硝酸和去离子水的摩尔比为1：2：10；
三、利用步骤二得到的T型连接固定件通过碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔和金属骨架的连接孔将碳纤维增强树脂基复合材料和金属骨架连接在一起，然后从室温加热至70℃～80℃，并在70℃～80℃保温10s～20s，即完成碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法，其特征在于步骤一中所述的纯度为99％～99.92％的Ti片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(42～44):9，99％～99.95％的Ni片和99％～99.99％的Nb片的摩尔比为(47～49):9。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法，其特征在于步骤一中将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉抽真空，使得水冷铜坩埚自耗真空电弧炉真空度为1.3×10-4Torr～1.7×10-4Torr，将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的温度升至2300℃～2500℃，并在2300℃～2500℃的条件下熔炼12min～14min，自然冷却至室温得到合金。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法，其特征在于步骤一中将铸锭在860℃～880℃的条件下退火11h～13h，随炉自然冷却至室温，得到退火处理后的铸锭。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法，其特征在于步骤二中将步骤一得到的干净的铸锭在温度为800℃～850℃的条件下锻造成棒料，然后在普通多机座连续轧机上在起轧温度为810℃～830℃的条件下将棒料进行热轧成T型TiNiNb合金连接紧固件。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法，其特征在于步骤三中利用步骤二得到的T型连接固定件通过碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔和金属骨架的连接孔将碳纤维增强树脂基复合材料和金属骨架连接在一起，然后从室温加热至73℃～78℃，并在73℃～78℃保温13s～17s，即完成碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20150819 Termination date: 20160718 |