CN106863822B - 热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热塑性Z‑pin增强复合材料的销钉结构及其制造方法，包括热塑性复合材料构件一、热塑性复合材料构件二和Z‑pin，所述热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二相互连接且连接处设有孔洞，所述孔洞贯穿热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二，所述Z‑pin用于植入孔洞内从而提高热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二之间的连接强度，所述Z‑pin的两端为销钉形状；本发明在不损害或极少损害待连接构件中纤维的前提下，用植入Z‑pin的方法连接热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二，并将Z‑pin两端处理成销钉形状，有效提高连接强度。

Description

热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料增强技术领域，具体涉及一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构及其制造方法。
背景技术
热塑性材料用作纤维增强复合材料的基体材料已稳步发展，尤其是在汽车和航天航空应用领域中，主要是因为热塑性材料可循环利用，并且能够被快速加工。它们具有优于热固性树脂的断裂韧性，还能采用焊接技术，易于连接。热塑性材料不同于热固性树脂，它可存放较长时期，并且不减损任何性能。
在汽车行业中，为了满足低成本，高效率的批量生产，采用化整为零的方法，提出“部件生产—连接”的生产模式。
目前，超声波焊接是热塑性制件的最佳焊接方法之一，是采用低振幅、高频率振动能量使表面的分子摩擦产生焊接所需要的热量。超声波一般用于小部件的焊接，对于大面积和特殊形状的焊接则不适用。焊接接头也必须经过专门设计，以便将振动能量集中到熔化点，通用性较差。超声波对复合材料的破坏，尤其是对接头处的纤维排列破坏较大。
而目前Z-pin三维增强技术借鉴了不连续缝合方法，将Z-pin以一定的角度和分布密度植入到复合材料层合板坯材中。该项技术将层合板中铺层与铺层结合成整体，有效提高层间强度和层间断裂韧性，具有可设计性强、操作简单、减重性好、对纤维损伤小等优点，适用于预浸料工艺和局部增强。
Z-pin是纤维与树脂复合后，经拉挤工艺制成的针状细杆，Z-pin三维增强技术目前主要应用于热固性复合材料。Z-pin的植入方法主要为超声波震动植入，这样的植入方法会一定程度的损伤Z-pin的力学性能，且这种植入方法不适用于热塑性复合材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构及其制造方法，本热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构及其制造方法在不损害或极少损害待连接构件中纤维的前提下，用植入Z-pin的方法连接两个构件，并将Z-pin两端处理成销钉形状，有效提高连接强度。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构，包括热塑性复合材料构件一、热塑性复合材料构件二和Z-pin，所述热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二相互连接且连接处设有孔洞，所述孔洞贯穿热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二，所述Z-pin用于植入孔洞内从而提高热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二之间的连接强度，所述Z-pin的两端为销钉形状。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述Z-pin植入孔洞内的方向垂直于热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二的纤维方向。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述热塑性复合材料构件一、热塑性复合材料构件二和Z-pin的材质相同。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述销钉形状包括圆帽型或沉头型。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：通过拉挤设备制备Z-pin，根据Z-pin的直径选择打孔装置中打孔钻头的直径，所述打孔装置包括依次连接的打孔钻头、孔洞端头形状控制配件和加热装置；
步骤2：将热塑性复合材料构件一放置在热塑性复合材料构件二的上面，使用固定装置将热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二进行固定，所述固定装置对热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二具有上下加压的作用。
步骤3：确定Z-pin植入的位置，即确定热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二需要的打孔位置，标记打孔位置；
步骤4：将打孔装置的打孔钻头对准标记的打孔位置，加热装置将热量通过打孔钻头对打孔位置进行局部热传递，将打孔钻头从热塑性复合材料构件一向热塑性复合材料构件二移动从而在在热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二的连接处形成一孔洞；
步骤5：拆除打孔装置，把拉挤好的Z-pin植入孔洞内；
步骤6：将植入的Z-pin的两端处理成销钉形状；
步骤7：冷却固化，拆除固定装置。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤4还包括：打孔钻头连接的孔洞端头形状控制配件从孔洞的上端口向下移动从而在孔洞的上端口形成与孔洞端头形状控制配件相同的形状，孔洞端头形状控制配件再从孔洞的下端口向上移动从而在孔洞的下端口形成与孔洞端头形状控制配件相同的形状。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述打孔装置的孔洞端头形状控制配件活动连接在所述打孔钻头和加热装置之间。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤6中Z-pin两端的处理方式为热处理。
本发明提供一种采用“打孔-植入Z-pin”的工艺实现热塑性复合材料构件的连接，并将植入Z-pin的两端处理成销钉的结构，与现有的超声波震动植入的Z-pin的方法相比，不会损伤Z-pin的力学性能；本发明的打孔过程，因打孔处的热塑性复合材料构件一或热塑性复合材料构件二内的树脂因温度的升高而变得有流动性，对该处的纤维束缚力变小，所以热塑性复合材料构件一或热塑性复合材料构件二中的纤维会随着打孔装置的进入而向两边移动，并不会断裂；本发明改善了超声波焊接通用性较差，超声波对复合材料的破坏，尤其是对接头处的纤维排列破坏较大的缺点，以及现有的一些连接方式的不足，在不损害或极少损害待连接构件中纤维的前提下，用植入Z-pin的方法连接热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二，并将Z-pin两端处理成销钉形状，有效提高连接强度；本发明在处理Z-pin端部时，热塑性复合材料构件一或热塑性复合材料构件二的连接处上下表面处于被挤压的状态，因此Z-pin端部处理好后，会存在预应力的作用，一定程度上提高了连接强度。
附图说明
图1为本发明打孔装置的结构示意图。
图2为本发明完成打孔后，打孔装置停留在热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二中的结构示意图。
图3为本发明Z-pin植入孔洞中的结构示意图。
图4为本发明第一实施例的Z-pin端头形状示意图。
图5为本发明第二实施例的Z-pin端头形状示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
第一实施例：参见图3和图4，一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构，包括热塑性复合材料构件一4、热塑性复合材料构件二5和Z-pin7，所述热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5相互连接且连接处设有孔洞，所述孔洞贯穿热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5，所述Z-pin7用于植入孔洞内从而提高热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5之间的连接强度，所述Z-pin7的两端为圆帽型形状8。
本实施例中，所述Z-pin7植入孔洞内的方向垂直于热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5的纤维方向。
本实施例中，所述热塑性复合材料构件一4、热塑性复合材料构件二5和Z-pin7的材质相同。
一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：通过拉挤设备制备Z-pin7，根据Z-pin7的直径选择打孔装置中打孔钻头1的直径，参见图1，所述打孔装置包括依次连接的打孔钻头1、孔洞端头形状控制配件2和加热装置3；
步骤2：参见图2，将热塑性复合材料构件一4放置在热塑性复合材料构件二5的上面，使用固定装置6将热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5进行固定，所述固定装置6对热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5具有上下加压的作用。
步骤3：根据成品的使用环境要求在热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5的连接处设计Z-pin7植入的位置，即确定热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5需要的打孔位置，标记打孔位置；
步骤4：将打孔装置的打孔钻头1对准热塑性复合材料构件一4上的标记的打孔位置，加热装置3将热量通过打孔钻头1对打孔位置进行局部热传递，将打孔钻头1从热塑性复合材料构件一4向热塑性复合材料构件二5慢慢移动从而在热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5的连接处形成一孔洞，随着打孔装置的移动，完成打孔；
步骤5：拆除打孔装置，把拉挤好的Z-pin7植入孔洞内，参见图3；
步骤6：参见图4，根据加工后成品的不同使用环境及要求，将植入的Z-pin7的两端处理成圆帽型形状8；对Z-pin7两端的处理方式为热处理，可以使用温度达到热塑性树脂加工温度的模具使Z-pin7端头成型；
步骤7：冷却固化，拆除固定装置6。
本实施例中涉及的热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5中的热塑性树脂均包括聚醚醚酮（PEEK）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PPSU）、聚醚砜（PESU）、聚酰亚胺（PI）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）或聚苯乙烯（PS）等。
本实施例中涉及的热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5中的纤维包括玻璃纤维、碳纤维等。
本实施例也适用于热塑性复合材料的层合板之间的层间增强。
第二实施例：参见图5，一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构，包括热塑性复合材料构件一4、热塑性复合材料构件二5和Z-pin7，所述热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5相互连接且连接处设有孔洞，所述孔洞贯穿热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5，所述Z-pin7用于植入孔洞内从而提高热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5之间的连接强度，所述孔洞的两端为沉头型形状9，所述Z-pin7的两端为沉头型形状9。
本实施例中，所述Z-pin7植入孔洞内的方向垂直于热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5的纤维方向。
本实施例中，所述热塑性复合材料构件一4、热塑性复合材料构件二5和Z-pin7的材质相同。
一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：通过拉挤设备制备Z-pin7，根据Z-pin7的直径选择打孔装置中打孔钻头1的直径，参见图1，所述打孔装置包括依次连接的打孔钻头1、孔洞端头形状控制配件2和加热装置3，所述孔洞端头形状控制配件2为沉头型形状；
步骤2：参见图5，将热塑性复合材料构件一4放置在热塑性复合材料构件二5的上面，使用固定装置6将热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5进行固定，所述固定装置6对热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5具有上下加压的作用。
步骤3：确定Z-pin7植入的位置，即确定热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5需要的打孔位置，标记打孔位置；
步骤4：参见图2，将打孔装置的打孔钻头1对准热塑性复合材料构件一4上的标记的打孔位置，加热装置3将热量通过打孔钻头1对打孔位置进行局部热传递，将打孔钻头1从热塑性复合材料构件一4向热塑性复合材料构件二5慢慢移动从而在热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5的连接处形成一孔洞；打孔钻头1连接的孔洞端头形状控制配件2从孔洞的上端口继续向下移动从而在孔洞的上端口形成与孔洞端头形状控制配件2相同的沉头型形状9；再将打孔钻头1从孔洞的下端口向上移动，即从热塑性复合材料构件二5向热塑性复合材料构件一4的方向上移动，打孔钻头1连接的孔洞端头形状控制配件2从孔洞的下端口继续向上移动从而在孔洞的下端口形成与孔洞端头形状控制配件2的相同的沉头型形状9，完成打孔；
步骤5：拆除打孔装置，把拉挤好的Z-pin7植入孔洞内；
步骤6：参见图5，根据加工后成品的不同使用环境及要求，将植入的Z-pin7的两端处理成沉头型形状9；对Z-pin7两端的处理方式为热处理，可以使用温度达到热塑性树脂加工温度的模具使Z-pin7端头成型；
步骤7：冷却固化，拆除固定装置6。
本实施例中，所述打孔装置的孔洞端头形状控制配件2活动连接在所述打孔钻头1和加热装置3之间。本发明可以通过对打孔装置的孔洞端头形状控制配件2的更换可实现制作不同的孔洞两端形状。
本实施例与第一实施例相比，植入Z-pin7后的热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5的表面依旧为平面，适用于对表面质量要求较高的情况。并且可以通过更换打孔装置中孔洞端头形状控制配件2，来实现对沉头角度的控制，当连接件收到平行于Z-pin7方向的载荷力时，可以将剪切力部分转换成挤压力，提高连接性能。
本发明不限于第一实施例和第二实施例中的Z-pin7的两端的形状，根据不同的需求将Z-pin7的两端处理成不同的销钉形状，本发明提供一种采用“打孔-植入Z-pin7”的工艺实现热塑性复合材料构件的连接，并将植入Z-pin7的两端处理成销钉的结构及其制造方法；本发明的打孔过程，因打孔处的热塑性复合材料构件一4或热塑性复合材料构件二5内的树脂因温度的升高而变得有流动性，对该处的纤维束缚力变小，所以热塑性复合材料构件一4或热塑性复合材料构件二5中的纤维会随着打孔装置的进入而向两边移动，并不会断裂；本发明在不损害或极少损害待连接构件中纤维的前提下，用植入Z-pin7的方法连接热塑性复合材料构件一4和热塑性复合材料构件二5，并将Z-pin7两端处理成销钉形状，有效提高连接强度；本发明在处理Z-pin7端部时，热塑性复合材料构件一4或热塑性复合材料构件二5的连接处上下表面处于被挤压的状态，因此Z-pin7端部处理好后，会存在预应力的作用，一定程度上提高了连接强度。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，其特征在于：热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构包括热塑性复合材料构件一、热塑性复合材料构件二和Z-pin，所述热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二相互连接且连接处设有孔洞，所述孔洞贯穿热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二，所述Z-pin用于植入孔洞内从而提高热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二之间的连接强度，所述Z-pin的两端为销钉形状，热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：通过拉挤设备制备Z-pin，根据Z-pin的直径选择打孔装置中打孔钻头的直径，所述打孔装置包括依次连接的打孔钻头、孔洞端头形状控制配件和加热装置；
步骤2：将热塑性复合材料构件一放置在热塑性复合材料构件二的上面，使用固定装置将热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二进行固定，所述固定装置对热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二具有上下加压的作用；
步骤3：确定Z-pin植入的位置，即确定热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二需要的打孔位置，标记打孔位置；
步骤4：将打孔装置的打孔钻头对准标记的打孔位置，加热装置将热量通过打孔钻头对打孔位置进行局部热传递，将打孔钻头从热塑性复合材料构件一向热塑性复合材料构件二移动从而在热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二的连接处形成一孔洞；
步骤5：拆除打孔装置，把拉挤好的Z-pin植入孔洞内；
步骤6：将植入的Z-pin的两端处理成销钉形状；
步骤7：冷却固化，拆除固定装置。
2.根据权利要求1所述的热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，其特征在于：所述Z-pin植入孔洞内的方向垂直于热塑性复合材料构件一和热塑性复合材料构件二的纤维方向。
3.根据权利要求2所述的热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，其特征在于：所述热塑性复合材料构件一、热塑性复合材料构件二和Z-pin的材质相同。
4.根据权利要求2所述的热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，其特征在于：所述销钉形状包括圆帽型或沉头型。
5.根据权利要求4所述的热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，其特征在于，所述的步骤4还包括： 打孔钻头连接的孔洞端头形状控制配件从孔洞的上端口向下移动从而在孔洞的上端口形成与孔洞端头形状控制配件相同的形状，孔洞端头形状控制配件再从孔洞的下端口向上移动从而在孔洞的下端口形成与孔洞端头形状控制配件相同的形状。
6.根据权利要求4或5所述的热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，其特征在于：所述打孔装置的孔洞端头形状控制配件活动连接在所述打孔钻头和加热装置之间。
7.根据权利要求6所述的热塑性Z-pin增强复合材料的销钉结构的制造方法，其特征在于：所述步骤6中Z-pin两端的处理方式为热处理。
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