CN103448260B

CN103448260B - 一种复合材料壳板与金属构件的连接方法

Info

Publication number: CN103448260B
Application number: CN201310376501.5A
Authority: CN
Inventors: 鲁先孝; 成天健; 彭运松; 吴医博
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: CN103448260A

Abstract

一种复合材料壳板与金属构件的连接方法，涉及一种纤维增强树脂基复合材料壳板与金属构件的连接方法，在金属骨架B（7）的内部设置填充材料B（9），在金属耳板B（6）上面的中部钻孔并攻丝后拧入在螺杆部分涂抹环氧胶黏剂的螺栓（10），进行室温固化，再逐层将干态纤维织物（11）平铺在金属骨架B（7）的上面，在干态纤维织物（11）铺覆层的上面铺放导流介质后进行密封成型，然后在室温下固化后去除密封层和导流介质，再次固化并打磨表面即可；本发明提高了纤维增强树脂基复合材料壳板与金属构件的连接的质量一致性和结构可靠性，采用本发明的方法获得的连接结构的挤压剪切应力提高20%以上，拉脱应力提高10%以上。

Description

一种复合材料壳板与金属构件的连接方法

技术领域

本发明属于异种材料连接技术领域，涉及一种纤维增强树脂基复合材料壳板与金属构件的连接方法，尤其是涉及一种船用纤维增强树脂基复合材料壳板与金属构件的连接方法。

背景技术

公知的，纤维增强树脂基复合材料具有质轻高强、绝缘抗磁、隔振降噪、耐腐蚀等诸多优点，广泛应用于航空、航天、船舶、能源等诸多工程领域，在纤维增强树脂基复合材料的应用中，尤其是一些对结构性能要求较高的场合，复合材料通常与金属构件结合使用，复合材料作为壳板(又称面板、蒙皮等)，金属构件作为骨架，纤维增强树脂基复合材料壳板与金属骨架之间通过紧固件连接，由于不同材料之间的性能差异，连接部位通常处于失配状态，因此复合材料壳板与金属骨架的连接部位是整个结构的薄弱点，也是研究人员重点研究对象。

结合附图1和附图2所示的两种常规的应用广泛的复合材料壳板与金属骨架的连接结构形式，在附图1中所示的内部含填充材料的复合材料壳板A结构，现有的连接方法是：在完成金属骨架A3和金属耳板A2的加工以及填充材料A5的成型后，直接在其表面成型复合材料壳板A1，完成复合材料壳板A1成型后，在复合材料壳板A1与金属骨架A3相接处进行配钻、窝孔，并在螺栓A4表面涂抹结构胶，拧入已配钻好的螺孔中，固化结构胶，完成复合材料壳板A1与金属骨架A3之间的连接；在附图2中所示的内部无填充材料的复合材料壳板A结构，现有的连接方法是：预先加工金属骨架A3及金属耳板A2，并按照金属骨架A3的线性，设计并加工模具，在模具上成型复合材料壳板A1，随后将复合材料壳板A1预安装在金属骨架A3上，最后在在复合材料壳板A1与金属骨架A3相接处进行配钻、窝孔，并在螺栓A4表面涂抹结构胶，拧入已配钻好的螺孔中，固化结构胶，完成复合材料壳板A1与金属骨架A3之间的连接；以上两种连接方法都都需要在合材料壳板A1与金属骨架A3相接处进行配钻、窝孔，同时用结构胶进行粘接，在配钻和窝孔过程中，由于复合材料并不是透明的，因此需要一些特别的光照和无损检测来进行定位，准确定位有一定的难度和复杂性，容易出现螺孔落在了金属骨架的边缘或是金属骨架的旁边，达不到连接的效果；而且在窝孔过程中，需要非常精细的工具，窝孔尺寸与外形也很难与螺栓或紧固件的外形一致，而且由于复合材料层间性能差，模量偏低的原因，窝孔过程中非常容易造成复合材料壳板A1出现分层和发白等损伤现象，导致复合材料壳板A1与金属骨架A3连接处的性能下降；采用的结构胶的涂抹方式、强度以及与复合材料壳板的匹配性对复合材料壳板与金属骨架的连接可靠性也有较大的影响，从而降低了复合材料壳板与金属骨架的连接可靠性。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种复合材料壳板与金属构件的连接方法，本发明提高了纤维增强树脂基复合材料壳板与金属构件的连接的质量一致性和结构可靠性，采用本发明的方法获得的连接结构的挤压剪切应力提高20％以上，拉脱应力提高10％以上。

为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合材料壳板与金属构件的连接方法，所述方法具体操作步骤如下：

1)备料：预先加工好金属骨架B和金属耳板B，进一步在加工好的金属骨架B的内部设置填充材料B；

2)在上述步骤的基础上，在金属耳板B上面的中部钻孔并攻丝；

3)在上述步骤的基础上，将螺栓的螺杆部分涂抹环氧胶黏剂，然后拧入金属骨架B上已钻好并且完成攻丝的螺孔中，螺栓露出在金属骨架上面的高度小于铺层的厚度为0.5mm～6mm，用丙酮将暴露的螺栓上的胶黏剂擦拭干净并室温固化；

4)在上述步骤的基础上，根据复合材料壳板B的厚度以及所需制品的尺寸，决定干态纤维织物的层数以及尺寸，将干态纤维织物进行裁剪为设计尺寸的尺寸；

5)在上述步骤的基础上，逐层将干态纤维织物平铺在内部有填充材料的金属骨架B的上面，直至完成铺覆后在干态纤维织物铺覆层的上面铺放导流介质；

6)在上述步骤的基础上，对整个模型进行密封，并采用复合材料液体成型工艺或热压罐成型工艺；

7)在上述步骤的基础上，制品初步在室温下固化后，去除密封层和导流介质后再次固化，打磨表面，获得制品。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，所述导流介质为透气毡、脱模布、隔离膜或吸胶毡。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，在步骤3中的室温固化时间为24小时～48小时。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，在步骤5的逐层铺覆过程中，将干态纤维织物贴实在金属骨架上面，在有螺栓突起的部位，对干态纤维织物进行开孔或开口，使螺帽穿过干态纤维织物，按照上述方法逐层铺覆。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，在步骤5的逐层铺覆过程中对干态纤维织物开孔方式为圆孔；开口的方式为“十”字开口、“一”字开口或“米”字型开口，所述圆孔的尺寸与螺帽的最大直径一致，“十”字开口、“一”字开口或“米”字型开口的尺寸为10mm～60mm。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，所述的填充材料B为环氧发泡材料或橡胶材料。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，所述的干态纤维织物替换为预浸料，所述的干态纤维织物为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维；所述的预浸料为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维的环氧树脂或不饱和树脂等的预浸料。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，所述步骤6中的复合材料液体成型工艺为树脂传递模塑工艺(RTM)、真空辅助成型工艺(VARI)、真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM)、真空灌注工艺(VIP)、热膨胀树脂传递模塑工艺(TERTM)、橡胶辅助树脂传递模塑工艺(RARTM)、轻质树脂传递模塑工艺(Light-RTM)、希曼树脂注射模塑成型工艺(SCRIMP)、共注射树脂传递模塑工艺(CIRTM)和树脂膜注射成型工艺(RFI)。

所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，所述步骤7中，初步固化的时间为24小时～72小时，去除密封层和导流介质后在60℃～100℃的温度下再次固化的时间为2～6小时。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，首先将螺栓预埋在金属骨架和干态纤维织物中，然后采用复合材料液体成型工艺或热压罐成型工艺整体成型，减少了后期的配钻、窝孔、涂抹胶黏剂的步骤，避免了上述步骤导致的螺孔不在金属骨架上、复合材料孔与螺栓外形不匹配、复合材料分层、发白、胶黏剂强度不够、胶黏剂与复合材料不匹配等不良后果，从而提高了纤维增强树脂基复合材料壳板与金属构件的连接的质量一致性和结构可靠性，相比于原有的配钻连接，采用本发明的方法获得的连接结构的挤压剪切应力提高20％以上，拉脱应力提高10％以上。

附图说明

图1是常规内部含填充材料的复合材料壳板A结构示意图；

图2是常规内部不含填充材料的复合材料壳板A结构示意图；

图3是本发明金属骨架B7的示意图；

图4是本发明填充材料B9后的金属骨架示意图；

图5是本发明金属骨架B7上开有螺孔的结构示意图；

图6是本发明在金属骨架B7上预埋螺栓的结构示意图；

图7是本发明铺覆干态纤维织物11的结构示意图；

在图中：1、复合材料壳板A；2、金属耳板A；3、金属骨架A；4、螺栓A；5、填充材料A；6、金属耳板B；7、金属骨架B；8、螺孔；9、填充材料B；10、螺栓；11、干态纤维织物；12、复合材料壳板B。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例：

1)备料：预先加工好金属骨架B7和金属耳板B6，进一步在加工好的金属骨架B7的内部设置填充材料B9，所述的填充材料B9为环氧发泡材料或橡胶材料；

2)在上述步骤的基础上，在金属耳板B6上面的中部钻孔并攻丝；

3)在上述步骤的基础上，将螺栓10的螺杆部分涂抹环氧胶黏剂，然后拧入金属骨架B7上已钻好并且完成攻丝的螺孔8中，螺栓10露出在金属骨架上面的高度小于铺层的厚度为0.5mm～6mm，用丙酮将暴露的螺栓上的胶黏剂擦拭干净并室温固化；所述室温固化时间为24小时～48小时。

4)在上述步骤的基础上，根据复合材料壳板B12的厚度以及所需制品的尺寸，决定干态纤维织物11的层数以及尺寸，将干态纤维织物11进行裁剪为设计尺寸的尺寸；

5)在上述步骤的基础上，逐层将干态纤维织物11平铺在内部有填充材料的金属骨架B7的上面，将干态纤维织物11贴实在金属骨架上面，在有螺栓10突起的部位，对干态纤维织物11进行开孔或开口，使螺帽穿过干态纤维织物11；所述对干态纤维织物11开孔方式为圆孔；开口的方式为“十”字开口、“一”字开口或“米”字型开口，所述圆孔的尺寸与螺帽的最大直径一致，“十”字开口、“一”字开口或“米”字型开口的尺寸为10mm～60mm；按照上述方法逐层铺覆，直至完成铺覆后在干态纤维织物11铺覆层的上面铺放导流介质；所述导流介质为透气毡、脱模布、隔离膜或吸胶毡；所述的干态纤维织物11替换为预浸料，所述的干态纤维织物11为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维；所述的预浸料为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维的环氧树脂或不饱和树脂等的预浸料；

6)在上述步骤的基础上，对整个模型进行密封，并采用复合材料液体成型工艺或热压罐成型工艺；所述的复合材料液体成型工艺首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强体材料预成型体，采用注射设备将树脂注入闭合模腔或加热熔化模腔内的树脂膜；模具具有周边密封和紧固及由CAD辅助设计的注射及排气系统，以保证树脂流动顺畅并排除模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并加热熔化模腔内的树脂膜的模具；所述的复合材料液体成型工艺为树脂传递模塑工艺(RTM)、真空辅助成型工艺(VARI)、真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM)、真空灌注工艺(VIP)、热膨胀树脂传递模塑工艺(TERTM)、橡胶辅助树脂传递模塑工艺(RARTM)、轻质树脂传递模塑工艺(Light-RTM)、希曼树脂注射模塑成型工艺(SCRIMP)、共注射树脂传递模塑工艺(CIRTM)和树脂膜注射成型工艺(RFI)；所述的热压罐成型工艺是通过铺覆预浸料而获得的模型毛坯上，用真空袋密封，置于热压罐中，在真空或非真空状态下，经过升温→加压→保温→降温和卸压过程，使其成为所需要的形状和质量状态的成型工艺方法；

7)在上述步骤的基础上，制品初步在室温下固化24小时～72小时后，去除密封层和导流介质后在60℃～100℃的温度下再次固化2～6小时，打磨表面，即可获得制品。

实施例一

加工如图1所示的金属骨架以及高度为35mm标准的M10不锈钢沉头螺栓。

在金属骨架内部填充密度为50kg/m³～100kg/m³聚氨酯泡沫，填充完成后，通过真空灌注树脂的方法填充泡沫与泡沫之间的间隙、泡沫与金属骨架之间的间隙，树脂固化后，打磨泡沫，直至泡沫线性与金属骨架线性一致。

采用Ф8.4mm的钻头在在骨架的筋板交接处钻孔，孔深25mm～35mm，然后攻丝为M10的螺孔。在螺栓的螺杆部位均匀涂抹Araldite 2015胶黏剂，然后拧入金属骨架中的螺孔，螺栓暴露在金属骨架外面的高度为8mm～12mm，用丙酮将暴露的螺栓上的胶黏剂擦拭干净，室温固化24小时～48小时。

在泡沫和金属骨架表面，逐层正交铺覆面密度为200g/m²～250g/m²的E玻纤平纹织物，纤维织物与泡沫和金属骨架表面贴实，在有螺栓处，对纤维织物开“一”字型口，“一”字型口的长度为20mm～35mm，然后使螺栓的螺帽通过“一”字型口暴露出来，整理、压实螺栓附近的纤维织物，用剪刀剪去螺栓周围多余的纤维织物，采用正交的方式铺覆下一层纤维织物，纤维织物的“一”字型开口同样与上一层的开口正交，对螺栓周围的纤维织物进行同样的处理，采用同样的方法依次逐层铺覆，直至完成40～60层纤维织物的铺覆。

采用真空辅助成型工艺(VARI)进行成型。采用脱模布对包含金属骨架、泡沫、螺栓和纤维织物的模型进行完全包覆，在纤维织物面铺覆导流布，在模型的一端铺放树脂管，在对应的另一端铺放真空管，用真空袋膜密封整个模型，抽真空，配制乙烯基酯树脂901，在真空压力下灌注树脂成型复合材料壳板，室温固化24小时～72小时后，60℃～100℃摄氏度固化2～6小时，完成纤维增强树脂基复合材料壳板与金属骨架的连接。

本实施例中得到的复合材料壳板与金属骨架连接结构与传统配钻方法成型的连接结构的力学性能对比如表1所示。

表1传统配钻方法成型的连接结构与实施例一的结构的力学性能对比

由表1所示可以知道，与传统配钻方法成型的复合材料壳板与金属骨架间连接结构相比，本发明的连接结构的挤压剪切应力提高了33.8％，轴向拉脱应力提高了12.3％。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于纤维织物的开口为“十”字型口，其他步骤与实施例一相同。

本实施例中得到的复合材料壳板与金属骨架连接结构与传统配钻方法成型的连接结构的力学性能对比如表2所示。

表2传统配钻方法成型的连接结构与实施例二的结构的力学性能对比

由表2所示可以知道，与传统配钻方法成型的复合材料壳板与金属骨架间连接结构相比，本发明的连接结构的挤压剪切应力提高了24.5％，轴向拉脱应力提高了14.6％。

实施例三

本实施例与实施例一的不同之处在于复合材料壳板成型工艺采用了树脂传递模塑成型工艺(RTM)；其他步骤与实施例一相同。

本实施例中的力学性能提高幅度与实施例一或二相同。

实施例四

本实施例与实施例一的不同之处在于复合材料壳板材料采用了自制的环氧树脂预浸料、成型工艺采用了热压罐成型工艺(RTM)；其他步骤与实施例一相同。

本实施例中的力学性能提高幅度与实施例一相同。

实施例五

本实施例与实施例一的不同之处在于纤维织物的开口长度为35mm～55mm，其他步骤与实施例一相同。

本实施例中的力学性能提高幅度与实施例一相同。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims

1.一种复合材料壳板与金属构件的连接方法，其特征是：所述方法具体操作步骤如下：

1)备料：预先加工好金属骨架B(7)和金属耳板B(6)，进一步在加工好的金属骨架B(7)的内部设置填充材料B(9)，填充材料B(9)为环氧发泡材料或橡胶材料；

2)在上述步骤的基础上，在金属耳板B(6)上面的中部钻孔并攻丝；

3)在上述步骤的基础上，将螺栓(10)的螺杆部分涂抹环氧胶黏剂，然后拧入金属耳板B(6)上已钻好并且完成攻丝的螺孔(8)中，螺栓(10)露出在金属骨架B(7)上面的高度小于铺层的厚度为0.5mm～6mm，用丙酮将暴露的螺栓上的胶黏剂擦拭干净并室温固化；

4)在上述步骤的基础上，根据复合材料壳板B(12)的厚度以及所需制品的尺寸，决定干态纤维织物(11)的层数以及尺寸，将干态纤维织物(11)进行裁剪为设计尺寸的尺寸；

5)在上述步骤的基础上，逐层将干态纤维织物(11)平铺在内部有填充材料的金属骨架B(7)的上面，逐层铺覆过程为：将干态纤维织物(11)贴实在金属骨架B(7)上面，在有螺栓(10)突起的部位，对干态纤维织物(11)进行开口，使螺帽穿过干态纤维织物(11)，按照上述方法逐层铺覆，直至完成铺覆后在干态纤维织物(11)铺覆层的上面铺放导流介质；

7)在上述步骤的基础上，制品初步在室温下固化后，去除密封层和导流介质后再次固化，打磨表面，获得制品，初步固化的时间为24小时～72小时，去除密封层和导流介质后在60℃～100℃的温度下再次固化的时间为2～6小时。

2.根据权利要求1所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，其特征是：所述导流介质包括透气毡、脱模布、隔离膜和吸胶毡。

3.根据权利要求1所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，其特征是：在步骤3中的室温固化时间为24小时～48小时。

4.根据权利要求1所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，其特征是：在步骤5的逐层铺覆过程中对干态纤维织物(11)开口方式为圆孔；开口的方式为“十”字开口、“一”字开口或“米”字型开口，所述圆孔的尺寸与螺帽的最大直径一致，“十”字开口、“一”字开口或“米”字型开口的尺寸均为10mm～60mm。

5.根据权利要求1所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，其特征是：所述的干态纤维织物(11)替换为预浸料，所述的干态纤维织物(11)为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维；所述的预浸料为玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉纤维的环氧树脂或不饱和树脂的预浸料。

6.根据权利要求1所述的复合材料壳板与金属构件的连接方法，其特征是：所述步骤6中的复合材料液体成型工艺为树脂传递模塑工艺(RTM)、真空灌注工艺(VIP)、希曼树脂注射模塑成型工艺(SCRIMP)或树脂膜注射成型工艺(RFI)。