CN103925267A - 一种复合材料与金属连接结构及形成所述连接结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料与金属的连接结构，包括金属连接件、复合材料连接件，其特征在于，在金属连接件与复合材料连接件的相连接部位，还设置有细针，所述细针一端固定连接在金属连接件上，另一端插入复合材料内部。本发明还公开了一种形成所述连接结构的方法，包括如下步骤，a，将细针一端固定连接在金属连接件上；b，将细针另一端置于复合材料内部，且不切断纤维增强材料，纤维的走向与细针形状匹配；c，对复合材料进行固化成型。本发明的有益效果是，金属连接件上的细针不切断复合材料纤维，没有制孔导致的孔边应力集中问题，可抑制胶层开裂和层压板面外分层的作用，本结构同时具有了胶接结构和机械连接结构的优点，并很大程度上克服了二者的缺点。

Description

一种复合材料与金属连接结构及形成所述连接结构的方法

技术领域

本发明专利涉及一种异质材料之间的连接方式，尤其是一种纤维增强复合材料与金属材料之间的连接技术。

背景技术

相比传统的金属材料，纤维增强复合材料（包括树脂基碳纤维增强复合材料、树脂基玻璃纤维增强复合材料、树脂基纺纶纤维增强复合材料、树脂基硼纤维增强复合材料、树脂基石墨纤维增强复合材料，以及金属基和陶瓷基复合材料，等）具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计、各向异性、多功能性和可发展性等优势，使得复合材料越来越多地应用于航空、航天、车辆、船舶、建筑、石油、桥梁、风电和建筑等工程领域。然而，相比金属材料，纤维增强复合材料也普遍具有耐湿热性差、挤压强度低、层间强度低、价格昂贵等缺点，导致其还不能完全取代金属材料。因此，虽然复合材料的应用可以通过整体成型的方式制作成大型构件而降低装配工作，但在某些部位还需要与金属结构进行连接。

复合材料与金属具有不同物理、化学和力学性质，它们之间的连接属于异质材料连接。传统的复合材料与金属的连接工艺包括机械连接、胶接以及二者共同应用的混合连接。相比胶接，机械连接比较可靠，可以传递较大载荷。通过合理的紧固件排布、钉孔配合以及紧固件夹紧力可以在一定程度上提高金属与复合材料机械连接强度。但金属-复合材料机械连接也具有以下缺点：1）由于制孔过程中切断了复合材料纤维和金属材料，导致孔边应力严重集中，从而不得不增加复合材料和金属连接件的厚度，进而导致重量增加；2）大量紧固件的使用，需要大量的制孔和装配工作，成本高、周期长，而且增加了结构重量；3）紧固件与孔可能会带来电位腐蚀问题；4）由于复合材料与金属材料力学性能不同，其对拧紧力矩、干涉配合等装配参数的要求也不同，但在复合材料与金属混合结构机械连接结构中这些参数通常是相同的。

相比机械连接，胶接的结构增重较小，连接部位的应力集中较低，耐疲劳性能好，但是由于胶接的工艺特点，其具有以下缺点：1）胶接结构件的力学性能分散性较大；2）对面外力敏感；3）耐湿热性差、胶层有老化失效的危险；4）脆性，破坏突然发生从而难以预测；5）检测困难；6）不易拆卸。

胶螺混合连接克服前面两种连接方式的缺点并综合发挥它们的优点，但是紧固件的使用提高了成本和结构的重量，在一定程度上削弱了使用复合材料所带来的优点。通过在胶接接头的预浸件中直接嵌入固化好的直径为0.2-1mm的纤维或金属短棒，然后再固化预浸件形成层压板，可以增加复合材料胶接接头的层间开裂的性能，但此工艺所应用的纤维或金属短棒无法嵌入金属，因此不适合于金属与复合材料的混合连接结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服传统复合材料与金属的各种连接方式的缺点，提供一种复合材料与金属的连接结构以及形成该连接结构的方法，使得复合材料与金属连接结构具有更高的承载能力和可靠性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种复合材料与金属的连接结构，包括金属连接件、复合材料连接件，在金属连接件与复合材料连接件的相连接部位，还设置有细针，所述细针一端固定连接在金属连接件上，另一端插入复合材料内部。从而通过该细针结构，使得金属连接件和复合材料连接件之间的结合更牢固、可靠。

进一步地，所述复合材料内部设置有纤维增强材料，在所述金属连接件与复合材料连接件的相连接部位，所述纤维的走向与细针的形状匹配，形成环绕细针的纤维布局结构。

进一步地，所述纤维增强材料设置多层，各层纤维之间走向成一定角度，形成纤维交错排列的结构。

另外，所述细针端头与金属连接件之间的距离小于或等于复合材料连接件在相应位置的厚度，从而不会从复合材料穿出，所述细针通过焊接、胶接、3D打印（激光堆积成形）等工艺技术固定在金属连接件上。

进一步地，所述细针为多个，其截面形状为圆形、椭圆、方形或矩形，所述细针不与金属连接板相连接的一端的端部设置为尺寸变大的柱形、圆形、椭圆形、L形、T形或钩形结构，从而增大细针的抗剥离能力和连接结构的刚度。细针与金属连接板连接处可以有一定半径的导圆，从而增强细针的强度和刚度。

进一步地，所述细针的轴线与金属连接件的连接处的法向一致，或成一定夹角设置，所述各细针相互之间平行或成一定夹角设置。

另外，金属连接件可以为板状，复合材料与金属连接结构金属与复合材料既可以是单搭接结构，即在金属连接件的一侧设置细针，形成连接结构，也可以是双搭接结构，即在金属连接件的相对的两侧分别设置细针，两面均与复合材料相连接，甚至是多连接板连接结构，需要在所有金属连接板的所有贴合面上制作出细针。金属与复合材料连接板的贴合面既可以是平面，也可以是较复杂的曲面。该金属连接件还可以为棒状，棒状的金属连接件环绕该棒状结构设置有细针。所述细针分别插入到复合材料连接件内。

一种形成上述连接结构的方法，包括如下步骤，

a，将细针一端固定连接在金属连接件上；

b，将细针另一端置于复合材料内部，且不切断纤维增强材料，纤维的走向与细针形状匹配；

c，对复合材料进行固化成型。

进一步地，在a步骤中，细针通过焊接、胶接、3D打印等工艺技术固定在金属连接件上；在b步骤中，所述细针插入到复合材料内部，插入过程中仅是把纤维束局部挤离原位。

进一步地，在b步骤中，所述纤维通过铺设或缠绕设置在所述连接件的结合面处，在c步骤中，先对制作好的复合材料与金属连接结构中的铺设或缠绕的纤维结构注入固化剂，然后再将其放置到热压成型装置内加热、加压固化成型。

进一步地，在b步骤中，所述复合材料设置多层，所述多层复合材料内部各层的纤维走向成一定角度，形成纤维交错排列的结构，所述复合材料由预浸料制成或由预制件制成，相应地在c步骤中，对由预浸料制成的复合材料，直接将装配好的复合材料与金属连接结构在热压成型装置内加热、加压固化成型，对由预制件制成的复合材料，先对装配好的复合材料与金属连接结构中的预制件注入固化剂，然后再将其放置到热压成型装置内加热、加压固化成型。

首先根据细针与连接件的材料和几何形状，应用焊接（包括熔焊、扩散焊、钎焊等）、胶接或3D打印等工艺技术在金属连接件的表面制作若干细针，然后把带有细针的金属连接件与复合材料装配件按照相对位置放置、固定，并保证细针穿过复合材料预浸料或预制件的过程中不切断纤维而只是把纤维束局部挤离原位。最后把装配好的金属-复合材料装配件固化成型，从而制成金属与复合材料胶-多细针连接结构件。其中预浸料指的是带有固化剂的还未固化的纤维增强复合材料，预制件指的是未添加固化剂的已铺设成型的复合材料纤维件。其中固化剂主要是指各种胶和树脂，例如环氧树脂、酚醛树脂等热热固性材料。

需要在金属连接件连接区制作若干按照一定位置和姿态排布的细针，然后与复合材料胶接成为一体，这些细针穿入复合材料，形成纤维增强复合材料与金属连接结构，并提高连接结构的承载能力。较优的细针数量、排布和姿态与连接结构的几何和材料特征以及外部载荷有关，需要根据试验或经试验验证的分析技术获得。所述的外部载荷包括静态拉伸载荷、静态压缩载荷、静态剪切载荷、不同应力比的循环载荷、随机载荷以及冲击载荷等。所述的排布，是指细针的行距、列距、端距、边距、行数、列数等空间位置关系。所述的姿态，是指细针的轴线相对金属连接件的位置关系，各个细针的姿态可以相同，也可以不同，各细针轴线与连接件之间的角度依据具体的载荷情况确定。需要根据细针与金属连接件材料和几何形状的不同，选择熔焊、扩散焊、钎焊、3D打印或胶接等工艺在金属连接件表面加工出细针。

 

本发明的有益效果：金属连接件上的细针不切断复合材料纤维，没有制孔导致的孔边应力集中问题，从而不但具有Z-pin和紧固件抑制胶层开裂和层压板面外分层的作用，而且细针通过与复合材料的胶结作用力、轴向摩擦力和横向机械作用力，与连接件之间的贴合面上的胶层一同传递连接件之间的载荷，即同时具有了胶接结构和机械连接结构的优点，并很大程度上克服了二者的缺点，细针的数量、位置和姿态都可以根据连接件形状以及外部载荷的特征进行优化，从而提高复合材料与金属连接结构在静态和疲劳载荷下的强度和刚度。

附图说明

图1是复合材料与金属的胶-多细针连接结构图。

图2是细针与增强纤维和基体之间的位置关系图。

图3是细针垂直于金属连接件表面。

图4是细针倾斜向复合材料连接件。

图5是细针倾斜向金属连接件。

图6是细针相对排列。

图7是细针背向排列。

图8是细针交叉排列。

图9是细针端头为柱形。

图10是细针端头为球形。

图11是细针端头为椭圆形。

图12是细针端头为角形。

图13是细针端头为T形。

图14是细针端头为回形。

图15是一个金属板与两个复合材料板构成的双搭接结构。

图16是两个金属板与一个复合材料板构成的双搭接结构。

图17是多连接板连接结构。

图18是连接贴合面为曲面。

图19是棒状连接件贴合面的截面为多边形。

图20是棒状连接件贴合面的截面为圆形。

图21是细针通过金属板上的盲孔与金属连接件连接。

图22是细针通过金属板上的贯通孔与金属连接件连接。

图中1.复合材料连接件，2.金属连接件，3.胶层，4.细针，5. 0o纤维铺层，6.90o纤维铺层，7.45o纤维铺层，8.45o纤维铺层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种复合材料与金属的连接结构，包括复合材料连接件1和金属连接件2，金属连接件2与复合材料连接件1之间的胶层3，该胶层3可以在金属表面涂覆，也可以为在复合材料连接件1固化过程中自然形成。在金属连接件2与复合材料连接件1的相连接部位，还设置有多个细针4，细针4一端固定连接在金属连接件2上，另一端插入复合材料连接件1内部。

进一步地，所述复合材料2内部设置有纤维增强材料，该纤维可以为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、石墨纤维等材料，形成树脂基碳纤维增强复合材料、树脂基玻璃纤维增强复合材料、树脂基纺纶纤维增强复合材料、树脂基硼纤维增强复合材料、树脂基石墨纤维增强复合材料、以及金属基和陶瓷基复合材料等多种纤维增强复合材料，在金属连接件2与复合材料连接件1的相连接部位，纤维的走向与细针4的形状匹配，即纤维避开细针4，从而形成环绕细针4的纤维布局结构。另外，在复合材料2中，纤维增强材料设置多层，各层纤维之间走向成一定角度，形成纤维交错排列的结构，例如图2所示的0o纤维铺层5、90o纤维铺层6、45o纤维铺层7、45o纤维铺层8等多层结构。

细针4端头与金属连接件2之间的距离小于或等于复合材料连接件1在相应位置的厚度，因而成型后的连接结构细针4不会由复合材料连接件1的表面突出。细针4通过焊接、胶接、3D打印固定在金属连接件1上。在图1中所示结构中，复合材料连接件1与金属连接件2也可以通过胶层3与多个针4相连。

该胶层3可以传递两个连接件之间的剪切载荷。分布于连接区两端的多个细针4与复合材料1中的基体具有胶结作用力和轴向摩擦作用力，与复合材料4中的基体和增强体（包括纤维增强体）均具有横向机械作用力，如图2所示。细针4不但抑制胶层开裂和层压板面外分层，而且与贴合面上的胶层3一同传递两个连接件之间的载荷。

如图3-图8所示，细针4的轴线可以与金属连接件2的连接处的法向一致，或成一定夹角倾斜设置，各细针4相互之间平行或成一定夹角设置。根据连接件的几何和材料特征以及外部载荷情况（拉伸、压缩或剪切，静态、动态或循环等），优化设计金属连接板上的细针几何和布置方案，包括细针的几何特征（截面形状、尺寸、表面质量、端头形状、长度等）、位置（行距、列距、边距、端距等）、数量（行数、列数）以及姿态（细针轴线与金属连接板的角度、不同细针的相对角度等）。细钉的分布既可以是规则的,也可以是不规则的。如果连接件的形状规则、传力均匀，则细针的排布通常也规则；如果连接件形状不规则或传力不均匀，则细针的排布也可以不规则。连接件传递轴向拉伸或压缩载荷时，细针通常位于连接区的两端，因为通常连接区的两端的胶层所承受的面外剥离力以及复合材料连接板承受的层间应力较高，比较容易出现失效；连接区传递面内剪切载荷时，细针通常不规则分布。

如图9-图14所示，细针4的截面形状可以为圆形、椭圆、方形或矩形，细针4不与金属连接板2相连接的一端的端部设置为尺寸变大的柱形、圆形、椭圆形、L形、T形或钩形结构，从而增大细针的抗剥离能力和连接结构的刚度。细针4与金属连接板2连接处可以有一定半径的导圆。

金属连接件2可以为板状，复合材料1与金属连接结构既可以是单搭接结构，如图1所示，即在金属连接件2的一侧设置细针4，形成连接结构，也可以是双搭接结构，如图15和图16所示，即在金属连接件2的相对的两侧分别设置细针4，两面均与复合材料1相连接，甚至是多连接板连接结构，如图17所示，需要在所有金属连接板的所有贴合面上制作出细针，例如在金属板材2的四个侧面均固定细针4。金属与复合材料连接板的贴合面既可以是平面，如图1、15-17所示，也可以是较复杂的曲面，如图18所示。该金属连接件2还可以为棒状，如图19、20所示，棒状的金属连接件环绕该棒状结构设置有细针4。上述细针4分别插入到复合材料连接件1内。在细针4与金属连接件2的连接结构中，也可以在金属连接件2上设置与细针外形匹配的孔，将细针4埋置在金属连接件2中，该孔可以为盲孔，如图21所示，也可以为贯通孔，如图22所示，细针可以通过胶粘结在孔内，也可以通过焊接连接。另外，在为贯通孔的情况下，细针穿过贯通孔，从而可以方便地实现上述双搭接结构或多连接板连接结构，此时细针与金属连接件2之间的固定方式甚至可以不使用胶或焊接等方式，仅仅将细针穿过孔即可，或使用细针与孔的过盈连接方式。

另外，本发明还公开了一种形成上述连接结构的方法，包括如下步骤，

a，将细针4一端固定连接在金属连接件2上；

b，将细针4另一端置于复合材料连接件1内部，且不切断纤维增强材料，纤维的走向与细针形状匹配；

c，对复合材料1进行固化成型。

在a步骤中，细针4通过焊接、胶接、3D打印等工艺技术固定在金属连接件2上；在b步骤中，细针4插入到复合材料1内部，插入过程中仅是把纤维束局部挤离原位。

在b步骤中，为了将细针4设置在复合材料1内部，在金属连接板2设置细针4的部位，将复合材料的纤维通过铺设或缠绕的方式设置在两连接件的结合面处，通过这种对纤维进行铺设或缠绕的方式，增强纤维可以各种方式围绕细针4敷设，可以形成环绕细针4复合材料纤维结构，可以对连接件接头部位的形状进行精确成型，可以获得具有优良力学性能接头结构；在c步骤中，先对制作好的复合材料与金属连接结构中的铺设或缠绕的纤维结构注入固化剂，然后再将其放置到热压罐内加热、加压固化成型。本实施例中选用的固化剂为环氧树脂。

另外，在b步骤中，复合材料1设置多层，所述多层复合材料1内部各层的纤维走向成一定角度，形成纤维交错排列的结构，所述复合材料1由预浸料制成或由预制件制成。相应地，在c步骤中分成两种不同的处理方式，方式一，如果复合材料连接件1由预浸料制成，则细针4穿过按照一定铺层顺序铺放的多层复合材料预浸料，然后固定不同铺层的复合材料预浸料与金属连接件1制件的相对位置，并把装配好的金属-复合材料装配件在热压罐内加热、加压固化成型，从而制成复合材料与金属多细针连接结构件；方式二，如果复合材料连接件1由预制件制成，则细针4穿过已由纤维织成一定形状的预制件，固定纤维预制件与金属连接件2之间的相对位置，然后注入树脂，最后加热固化成形，从而制成复合材料与金属多细针连接结构件。

另外，在a步骤中，细针4在金属连接件2的连接区域可以按照不同的角度和位置排列若干，细针4端头与金属连接板2之间的垂直距离小于复合材料连接件1在相应位置的厚度，以保证所有细针4的端头不会从复合材料连接件1伸出，细针4的轴线与金属连接件2的连接处的法向一致，或成一定夹角倾斜设置，各细针4相互之间平行或成一定夹角设置。

Claims (11)

1.一种复合材料与金属的连接结构，包括金属连接件、复合材料连接件，其特征在于，在金属连接件与复合材料连接件的相连接部位，还设置有细针，所述细针一端固定连接在金属连接件上，另一端插入复合材料内部。

2.根据权利要求1所述的复合材料与金属的连接结构，其特征在于，所述复合材料内部设置有纤维增强材料，形成纤维增强复合材料，在所述金属连接件与复合材料连接件的相连接部位，所述纤维的走向与细针的形状匹配，形成环绕细针的纤维布局结构。

3.根据权利要求2所述的复合材料与金属的连接结构，其特征在于，所述纤维增强材料设置多层，各层纤维之间走向成一定角度，形成纤维交错排列的结构。

4.根据权利要求3所述的复合材料与金属的连接结构，其特征在于，所述细针端头与金属连接件之间的距离小于或等于复合材料连接件在相应位置的厚度，所述细针通过焊接、胶接、3D打印等技术固定在金属连接件上。

5.根据权利要求1-4任一所述的复合材料与金属的连接结构，其特征在于，所述细针为多个，其截面形状为圆形、椭圆、方形或矩形，所述细针不与金属连接板相连接的一端的端部设置为尺寸变大的柱形、圆形、椭圆形、L形、T形或钩形结构。

6.根据权利要求5所述的复合材料与金属的连接结构，其特征在于，所述细针的轴线与金属连接件的连接处的法向一致，或成一定夹角设置，所述各细针相互之间平行或成一定夹角设置。

7.根据权利要求1-6所述的复合材料与金属的连接结构，其特征在于，所述金属连接件为板状或棒状，板状的金属连接件两相对表面固定设置有细针，棒状的金属连接件环绕该棒状结构设置有细针，所述细针分别插入到复合材料连接件内。

8.一种形成权利要求1-7所述连接结构的方法，其特征在于，包括如下步骤，

a，将细针一端固定连接在金属连接件上；

b，将细针另一端置于复合材料内部，且不切断纤维增强材料，纤维的走向与细针形状匹配；

c，对复合材料进行固化成型。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在a步骤中，细针通过焊接、胶接、3D打印等技术固定在金属连接件上；在b步骤中，所述细针插入到复合材料内部，插入过程中仅是把纤维束局部挤离原位。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在b步骤中，所述纤维通过铺设或缠绕设置在所述连接件的结合面处，在c步骤中，先对制作好的复合材料与金属连接结构中的铺设或缠绕的纤维结构注入固化剂，然后再将其放置到热压成型装置内加热、加压固化成型。

11.根据权利要求8、9任一所述的方法，其特征在于，在b步骤中，所述复合材料设置多层，所述多层复合材料内部各层的纤维走向成一定角度，形成纤维交错排列的结构，所述复合材料由预浸料制成或由预制件制成，相应地在c步骤中，对由预浸料制成的复合材料，直接将装配好的复合材料与金属连接结构在热压成型装置内加热、加压固化成型，对由预制件制成的复合材料，先对装配好的复合材料与金属连接结构中的预制件注入固化剂，然后再将其放置到热压成型装置内加热、加压固化成型。