CN103557429B - 复合材料管件及其连接的粘接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料管件，包括复合材料管和连接部件，所述的复合材料管的管口具有多个阶梯的管件粘接面，所述的连接部件上具有与复合材料管的管件粘接面的阶梯一一对应且相互匹配的阶梯状的连接部件粘接面。本发明采用阶梯形状粘接层的连接方法可有效克服现有技术的缺陷，将所有的载荷均匀分配给多个阶梯状的连接部件粘接面，使每层阶梯均匀承受总载荷的一部分，使得每层复合材料管与连接部件之间的剪应力相应降低，不易萌生裂纹，从而达到提高传载能力、提高连接效果，减轻重量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料管件及其连接的粘接方法。
背景技术
为了降低空间桁架的自重，实现轻量化设计，空间桁架的基本部件为轻质、高强的碳纤维复合材料管件和金属（或非金属、复合材料等）连接部件。一般地，复合材料管件与连接部件粘接形式可分为外粘接（连接部件套粘在复合材料管外壁）、内粘接等。
已公开的中国专利“一种复合材料管件与金属法兰内外粘接的方法”（申请公开号：CN 102278342 A）中公开的在复合材料管件内外两侧同时粘接法兰型接头的方法有效地提高了接头的连接效率，但仍然无法达到更好的连接效果，尤其对于承受拉伸载荷情况，往往还是出现接头与管件在粘接层发生脱粘破坏情况，究其具体原因，尽管成倍增加了粘接面积，但连接部件的载荷仍然只是通过内外表面2个胶接层传递到复合材料管，而已有研究结果表明，胶接层内的应力分布呈现明显的两端高，中间低的特点，并且胶层的剪切强度一般只有十几至几十兆帕，且剪切强度越高，胶层越显现出脆性，所以一旦两端的剪切应力峰值达到胶层的剪切强度后便会产生裂纹，且裂纹会沿胶接层内迅速传播，导致接头承载能力下降并最终失效。
复合材料管件目前多采用铺卷、缠绕等工艺制备，属于典型的二维层合结构形式，这里，纤维是承担传力的主体，树脂等基体材料的性能相对于纤维要低得多，尤其是层与层之间完全是通过树脂进行载荷传递，所以层间开裂和剥离是层合复合材料的主要破坏形式，因此也经常观察到拉伸试验中脱落的金属连接部件粘接面上残存有碳纤维的剥落物，这从另一个方面说明了即使粘接层的强度再高，韧性再好，裂纹即使不沿胶接层扩展也会沿表层碳纤维层的层间扩展。
那是否可以进一步加长金属接头与复合材料管件的粘接区长度以降低粘接层内的剪应力水平来提高粘接强度呢？不幸的是，已有的研究与实验证实粘接长度的增加只是降低了层内的平均应力，而对胶接层两端的剪应力峰值降低作用不显著，因此，随着载荷的增加，仍然是在两端部位先产生裂纹，然后裂纹会沿强度较低的粘接层或者首层碳纤维层内快速传播直至破坏。
目前有许多增加胶接接头连接性能的方法，如通过增加夹紧力与增加复合材料管件间的压力、在胶层中添加沙子等提高咬合力或者采用胶铆混合连接等形式，但这些方法仅对部分实心或厚壁管件的连接起到很好的作用，对于相对薄壁的管件基本不适用，而且上述所有方法均会不同程度增加实施难度，增加成本及增加质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术中复合材料管件连接效果不佳的技术问题，提供一种复合材料管件及其粘接方法，采用阶梯形状粘接层的连接方法可有效避免上述缺陷，将所有的载荷均匀分配给多个阶梯状的连接部件粘接面，使每层阶梯均匀承受总载荷的一部分，使得每层复合材料管与连接部件之间的剪应力相应降低，不易萌生裂纹，从而达到提高传载能力、提高连接效果，减轻重量的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合材料管件，包括复合材料管和连接部件，所述的复合材料管的管口具有多个阶梯的管件粘接面，所述的连接部件上具有与复合材料管的管件粘接面的阶梯一一对应且相互匹配的阶梯状的连接部件粘接面。
一种实施例，所述的管件粘接面位于复合材料管的外表面，所述的连接部件粘接面位于连接部件的内表面。
另一种实施例，所述的管件粘接面位于复合材料管的内表面，所述的连接部件粘接面位于连接部件的外表面。
进一步的，所述的管件粘接面与连接部件粘接面之间的间隙为0.1-0.5mm。使胶液可以完全填充满空隙，保证达到好的粘接效果。
进一步的，所述的管件粘接面和连接部件粘接面上设有2-10个阶梯。
进一步的，所述的管件粘接面上的阶梯的高度H为0.2-5mm、长度L为5-50mm。高度H和长度L可根据实际需要设计。
作为优选，降低自重，所述的复合材料管为碳纤维管。
作为优选，降低自重，所述的连接部件为铝合金或钛合金接头或非金属材料接头或复合材料接头。
一种上述复合材料管件的粘接方法，具有如下步骤：
①准备具有管件粘接面的复合材料管和具有连接部件粘接面的连接部件，所述的管件粘接面与连接部件粘接面之间的间隙为0.1-0.5mm；
②对连接部件的连接部件粘接面进行打磨、喷砂、清洗、烘干操作或进行磷酸阳极化处理，对复合材料管的管件粘接面进行打磨、清洗、烘干操作；
③在管件粘接面和/或连接部件粘接面上均匀涂抹胶粘剂；
④将连接部件插接到复合材料管上；
⑤对粘接后的复合材料管件的局部加热处理，使胶粘剂固化。
步骤④中连接部件缓慢的插接到复合材料管上，并保证整个插接过程连接部件与复合材料管始终保持同轴度和同心度。
本发明的有益效果是，本发明采用阶梯形状粘接层的连接方法可有效克服现有技术的缺陷，将所有的载荷均匀分配给多个阶梯状的连接部件粘接面，使每层阶梯均匀承受总载荷的一部分，使得每层复合材料管与连接部件之间的剪应力相应降低，不易萌生裂纹，从而达到提高传载能力、提高连接效果，减轻重量的目的。经实际测试，采用本发明进行管件/管件或管件/管形接头粘接，与单面粘接相比连接效率可提高30%-50%，但工艺复杂度增加很少；与双面粘接相比连接效率可提高10%-30%，且工艺更简单，重量更轻。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的复合材料管件优选实施例的立体图；
图2是本发明的复合材料管件优选实施例的主视图；
图3是本发明的复合材料管优选实施例的局部图；
图4是图3中A出的局部放大图；
图5是本发明的连接部件优选实施例的剖视图。
图中：1、连接部件，2、复合材料管。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1至5所示，本发明的一种复合材料管件，包括复合材料管2和连接部件1，所述的复合材料管2的管口具有多个阶梯的管件粘接面，所述的连接部件1上具有与复合材料管2的管件粘接面的阶梯一一对应且相互匹配的阶梯状的连接部件粘接面。管件粘接面可以采用机加工、模压、RTM、剥离膜（Peel ply）等方法制作。
一种实施例，即外粘接方式，所述的管件粘接面位于复合材料管2的外表面，所述的连接部件粘接面位于连接部件1的内表面。
另一种实施例，即内粘接方式，所述的管件粘接面位于复合材料管2的内表面，所述的连接部件粘接面位于连接部件1的外表面。
进一步的，所述的管件粘接面与连接部件粘接面之间的间隙为0.1-0.3mm。使胶液可以完全填充满空隙，保证达到好的粘接效果。
进一步的，所述的管件粘接面和连接部件粘接面上设有2-10个阶梯。阶梯的数量可根据实际使用需要设计。
进一步的，所述的管件粘接面上的阶梯的高度H为0.2-5mm、长度L为5-50mm。可根据实际使用需要设计。
进一步的，所述的复合材料管为碳纤维管。
作为优选，降低自重，所述的连接部件1为铝合金或钛合金接头或非金属材料接头或复合材料接头。
①准备具有管件粘接面的复合材料管2和具有连接部件粘接面的连接部件1，所述的管件粘接面与连接部件粘接面之间的间隙为0.1-0.5mm；
②对连接部件1的连接部件粘接面进行打磨、喷砂、清洗、烘干操作或进行磷酸阳极化处理，对复合材料管2的管件粘接面进行打磨、清洗、烘干操作；
③在管件粘接面和/或连接部件粘接面上均匀涂抹胶粘剂；
④将连接部件1插接到复合材料管2上；
⑤对粘接后的复合材料管件的局部加热处理，使胶粘剂固化。
步骤④中连接部件1缓慢的插接到复合材料管2上，避免带入空气，并保证整个插接过程连接部件1与复合材料管2始终保持同轴度和同心度。
本发明也可用于复合材料管件之间的套接，以解决大长度结构件的组装和制备，如风机叶片可以分段制作，在每段之间均加工制作阶梯状粘接区，待运至风场后再用胶粘剂在粘接面上粘接并逐段形成完整的叶片，可以解决加工制作场地、模具及运输需求过大等问题。此外还可用于海上平台、输送管道等的连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种复合材料管件的粘接方法，所述的复合材料管件包括复合材料管和连接部件，其特征是：所述的复合材料管的管口具有多个阶梯的管件粘接面，所述的连接部件上具有与复合材料管的管件粘接面的阶梯一一对应且相互匹配的阶梯状的连接部分粘接面；
其特征是具有如下步骤：
①准备具有管件粘接面的复合材料管和具有连接部件粘接面的连接部件，所述的管件粘接面与连接部件粘接面之间的间隙为0.1-0.5mm；
②对连接部件的连接部件粘接面进行打磨、喷砂、清洗、烘干操作或进行磷酸阳极化处理，对复合材料管的管件粘接面进行打磨、清洗、烘干操作；
③在管件粘接面和/或连接部件粘接面上均匀涂抹胶粘剂；
④将连接部件插接到复合材料管上；
⑤对粘接后的复合材料管件的局部加热处理，使胶粘剂固化。
2.如权利要求1所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：步骤④中连接部件缓慢的插接到复合材料管上，并保证整个插接过程连接部件与复合材料管始终保持同轴度和同心度。
3.如权利要求1所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：所述的管件粘接面位于复合材料管的外表面，所述的连接部件粘接面位于连接部件的内表面。
4.如权利要求1所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：所述的管件粘接面位于复合材料管的内表面，所述的连接部件粘接面位于连接部件的外表面。
5.如权利要求3或4所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：所述的管件粘接面与连接部件粘接面之间的间隙为0.1-0.5mm。
6.如权利要求5所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：所述的管件粘接面和连接部件粘接面上设有2-10个阶梯。
7.如权利要求6所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：所述的管件粘接面上的阶梯的高度H为0.2-5mm、长度L为5-50mm。
8.如权利要求1所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：所述的复合材料管为碳纤维管。
9.如权利要求1所述的复合材料管件的粘接方法，其特征是：所述的连接部件为铝合金或钛合金接头或非金属材料接头或复合材料接头。
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