CN108661994A - 一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料应用领域，具体涉及一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构及安装方法，本发明在保证舰船结构连接强度和各项技术指标不下降的情况下，解决碳纤维复合材料与钢结构的电化学腐蚀问题，同时还能有效提高连接处水密特性。本发明提供的一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构包括碳纤维复合材料板、金属搭接板和螺栓，碳纤维复合材料板与金属搭接板通过螺栓连接，碳纤维复合材料板与金属搭接板交接处至少设有有2层玻璃纤维布；碳纤维复合材料板与螺栓之间设有绝缘层。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料应用领域，具体涉及一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构及安装方法。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)具有耐腐蚀、比强度高、热膨胀系数小以及优异的可设计性和复杂结构整体成型的显著特点，目前已广泛应用于船舶与海洋结构物设计工程。
但是，由于CFRP保留了碳本身的电化学特性，即碳纤维具有独特的电化学性能，其电极电位为正，与偶接金属材料接触后，在电解质环境下，导致电极电位为负的金属腐蚀速率加快，在很短的时间内即对钢构架造成严重损伤及有效破坏。
发明内容
本发明针对上述问题，仔细研究得出CFRP与金属搭接板组成的机械连接结构在电解质环境下产生电化学腐蚀主要有两个原因：一是复合材料结构表层碳纤维层与金属搭接板直接接触，加速金属构件腐蚀速度；二是复合材料结构层内部碳纤维与金属螺栓直接接触，由于金属螺栓是导体，碳纤维在螺栓导体作用下，间接与金属搭接板构成通路，从而加速腐蚀金属搭接板与螺栓构件。
本发明提供一种有效防止碳纤维复合材料与金属产生电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，在保证舰船结构连接强度和各项技术指标不下降的情况下，解决碳纤维复合材料与钢结构的电化学腐蚀问题，同时还能有效提高连接处水密特性。
本发明提供的一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构包括碳纤维复合材料板、金属搭接板和螺栓，碳纤维复合材料板与金属搭接板通过螺栓连接，碳纤维复合材料板与金属搭接板交接处至少设有2层玻璃纤维布；碳纤维复合材料板与螺栓之间设有绝缘层。
作为本发明的进一步优化，螺栓整体外表面包覆有绝缘漆，碳纤维复合材料板与绝缘漆之间设有密封胶泥。
作为本发明的进一步优化，还包括绝缘套筒，绝缘套筒设于绝缘漆与密封胶泥之间，绝缘套筒与绝缘漆之间设有螺纹密封胶。
作为本发明的进一步优化，螺栓为外六角头螺栓或内六角圆柱头螺栓。
作为本发明的进一步优化，碳纤维复合材料板与螺栓头部的接触面至少设有2层玻璃纤维布。
作为本发明的进一步优化，绝缘套筒的一端设有外凸边缘，外凸边缘设于螺栓头部与碳纤维复合材料板之间以避免螺栓头部与碳纤维复合材料板接触。
作为本发明的进一步优化，碳纤维复合材料板纤维织物平铺于金属搭接板表面与金属搭接板固化成一体胶接结构。
作为本发明的进一步优化，碳纤维复合材料板为碳玻混杂复合材料或者单一碳纤维复合材料。
作为本发明的进一步优化，碳纤维复合材料板一次真空成型或者分次真空成型。
本发明还提供一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构的安装方法，步骤如下：
S1：采用喷砂工艺去除金属搭接板上与碳纤维复合材料板接触面的锈迹；
S2：用丙酮擦洗步骤S1中的除锈面；
S3：涂刷偶联剂溶液对步骤S2中的擦洗面进行表面处理；
S4：在步骤S3中处理面平铺碳纤维复合材料板纤维织物，采用真空成型工艺将碳纤维复合材料板与金属搭板固化成一体胶接结构；
S5：对步骤S4中的一体胶接结构开通孔；
S6：将绝缘套筒套装在喷涂有绝缘材料的外六角头螺栓后一起塞入通孔内；
S7：在绝缘套筒与外六角头螺栓的螺杆部之间注入螺纹密封胶；
S8：在绝缘套筒与碳纤维复合材料板通孔内表面之间填满密封胶泥；
S9：将金属搭接板背面伸出部分与螺母拧紧，并在外六角头螺栓与螺母表面涂设密封胶泥，待密封胶泥固化后形成胶螺混合连接结构。
本发明提供的一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构主要应用于水下航行器，采用碳纤维复合材料的机械连接结构，在保证结构连接处具有足够的强度及刚度要求的同时，较好地解决了碳纤维复合材料与金属产生电化学腐蚀的问题。
从结构设计工程角度进行分析，为防止碳纤维复合材料与金属搭接板产生电化学腐蚀现象，本发明采用了如下设计：一方面碳纤维复合材料采用真空成型工艺，解决了手糊成型导致结构性能不均匀的问题，有效提高了结构连接处的强度及刚度特性；另一方面，提出在螺栓及复合材料通孔之间添加绝缘隔离材料，在保证结构连接处强度/刚度不降低的前提下，将碳纤维复合材料与螺栓有效隔离；此外，在螺栓外表面喷涂绝缘漆，是防止螺栓与海水介质以及碳纤维接触的最后一道屏障。
附图说明
图1是本发明实施例1结构示意图；
图2是本发明实施例2结构示意图；
图3是本发明实施例3结构示意图；
图4是本发明实施例4结构示意图；
其中，碳纤维复合材料板1，金属搭接板2，螺栓3，螺栓杆部31，螺母32，绝缘套筒4，绝缘漆5，螺纹密封胶6，密封胶泥7。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例包括碳纤维复合材料板1、金属搭接板2和螺栓3，碳纤维复合材料板1与金属搭接板2通过螺栓3连接，碳纤维复合材料板1与金属搭接板2交接处设有2层玻璃纤维布；碳纤维复合材料板1与螺栓3之间设有绝缘层。
本实施例中碳纤维复合材料板1主体采用单一碳纤织物，碳纤维织物：T300正交织物；碳纤维复合材料板1的两个表层面均铺设有2层EWT400双轴向玻璃纤维布，树脂基体：430LV乙烯基树脂，并采用真空一体成型工艺，与金属搭接板2一体成型。金属搭接板2采用Q235船体钢。螺栓3采用外六角头螺栓，当然螺栓3也可采用内六角圆柱头螺栓替换，螺栓3型号规格为M16，材质为45#钢。
本实施例中的绝缘层是指在螺栓3整体外表面均匀涂覆绝缘漆5，涂绝缘漆5除了用作绝缘隔离层，还能防止螺栓3与海水等电解质接触。绝缘漆5厚度约为0.1mm，绝缘漆5材质最好选用环氧粉末，环氧粉末具有耐摩擦、腐蚀的作用，还与金属还具有良好的界面粘结强度。
本实施例中的绝缘层还包括设在碳纤维复合材料板1与绝缘漆5之间的密封胶泥7。
本实施例安装步骤如下：
(1)采用喷砂工艺去除金属搭接板2上与碳纤维复合材料板1接触面的锈迹；
(2)用丙酮将除锈面擦洗干净；
(3)涂刷偶联剂溶液(KH560)对擦洗面进行表面处理；
(4)EWT400玻璃纤维布和T300碳纤布按顺序平铺于金属搭接板2表面，采用真空成型工艺将碳纤维复合材料板1与金属搭接板2固化成一体胶接结构；
(5)对一体胶接结构开通孔，通孔直径φ＝16.4mm；
(6)将喷涂有绝缘漆5的外六角头螺栓塞入通孔内，在螺栓杆部31与碳纤维复合材料板1通孔内表面之间填塞密封胶泥7；
(7)在金属搭接板2背面伸出部分用螺母32拧紧，并将螺栓3头部及螺母32均用密封胶泥7进行覆盖，待密封胶泥7固化后形成胶螺混合连接结构。
实施例2
如图2所示，本实施例中与实施例1大致相同，区别在于，所述碳纤维复合材料板1主体采用碳玻面内混杂织物，碳纤维织物：T300，玻璃纤维织物：SW220缎纹织物；碳纤维复合材料板1的两个表层均铺设有5层SW080玻璃纤维织物，树脂基体：430LV乙烯基树脂。金属搭接板2采用316L不锈钢，螺栓3为外六角头螺栓，型号规格为M14，材质为45#钢。
本实施例中的绝缘层还包括绝缘套筒4，绝缘套筒4结构及尺寸型式与螺栓3相匹配，绝缘套筒4厚度为0.5mm，绝缘套筒4设于绝缘漆5与密封胶泥7之间，绝缘套筒4与绝缘漆5之间设有螺纹密封胶6。本实施例中的绝缘套筒4的一端设有外凸边缘，外凸边缘设于螺栓的头部与碳纤维复合材料板之间以避免螺栓头部与碳纤维复合材料板接触，这种设置不单能起到进一步加强碳纤维复合材料板1与螺栓3头部之间绝缘层的隔绝效果，还能有效防止金属材质的螺栓3头部在压紧碳纤维复合材料板1时将SW080玻璃纤维布压破。
本实施例安装步骤如下：
(1)采用喷砂工艺去除金属搭接板2上与碳纤维复合材料板1接触面的锈迹；
(2)用丙酮将除锈面擦洗干净；
(3)涂刷偶联剂溶液(KH560)对擦洗面进行表面处理；
(4)SW080玻璃纤维布和S2/T300面内混杂织物按顺序平铺于金属搭接板2表面，采用真空成型工艺将碳纤维复合材料板1与金属搭接板2固化成一体胶接结构；
(5)对一体胶接结构开通孔，通孔直径φ＝15.6mm；
(6)将绝缘套筒4套装于喷涂有绝缘漆5的外六角头螺栓后一起塞入通孔内，绝缘套筒4终止于碳纤维复合材料板1和金属搭接板2交接面处；
(7)在绝缘套筒4与螺栓杆部31之间均匀注入螺纹密封胶6；
(8)在绝缘套筒4与碳纤维复合材料板1通孔内表面之间填满密封胶泥7；
(9)将金属搭接板2背面伸出部分与螺母32拧紧，并在螺栓33及螺母32表面涂密封胶泥7，避免螺栓3与海水等电解质接触，待密封胶泥7固化结束后，碳纤维复合材料板1通孔内部结构胶结为含绝缘套筒4的胶螺混合连接结构。
实施例3
如图3所示，本实施例中与实施例1大致相同，区别在于，本实施例碳纤维复合材料板1采用碳玻混杂纤维增强复合材料，混杂方式为层间混杂，碳纤维材料采用单向纤维织物，其中增强纤维：T700单向布、E800多轴向布、SW220平纹织物，树脂：350环氧树脂，SW220正交织物处于T700单向布、E800多轴向布之间以提高层间界面强度，SW220正交织物还位于碳纤维复合材料板1与金属搭接板2相交界面处，织物数量为4层，铺层顺序：0/90°正交铺层；织物铺层顺序关于碳纤维复合材料板1中性面对称。碳纤维复合材料板1开有通孔，通孔直径φ＝14.00mm；此外，碳纤维复合材料板1采用分次真空成型工艺，且采用等厚度设计，厚度为12.00mm。金属搭接板2采用船体45#钢加工制作，采用平板结构型式，其厚度为10.00mm。螺栓3采用内六角沉头螺栓，材质为低碳合金钢，型号为M12；碳纤维复合材料板1与金属搭接板2通过螺栓3连接为整体。
本实施例同样设有绝缘套筒4，绝缘套筒4采用聚酯材料经过磨具浇铸成型或车床切削而成，厚度为0.8mm，绝缘套筒4的长度与碳纤维复合材料板1厚度相同，型式与螺栓3类型相适应，呈漏斗型。
本实施例安装步骤如下：
(1)用砂纸将金属搭接板2上与碳纤维复合材料板1接触面打磨光顺；
(2)用丙酮将打磨面擦洗干净；
(3)在金属搭接板2上开有通孔，通孔直径φ＝12.00mm，并对通孔内部进行攻丝处理；
(4)将绝缘套筒4套装于喷涂有绝缘漆5的内六角沉头螺栓后一起塞入碳纤维复合材料板1和金属搭接板2通孔内，绝缘套筒4终止于碳纤维复合材料板1和金属搭接板2交接面处，并拧紧螺栓3使碳纤维复合材料板1与金属搭接板2两部分紧固连接，需注意的是，须将SW200玻璃纤维布面贴向金属搭接板2，此时，绝缘套筒4可以绕螺栓3转动；
(5)在绝缘套筒4与螺栓杆部31之间注入螺纹密封胶6，螺纹密封胶6均匀注入，绝缘密封胶起到绝缘的同时还能消除绝缘套筒4与绝缘漆5之间间隙，螺纹密封胶6厚度约为0.1mm，待螺纹密封胶6固化后，绝缘套筒4与螺栓3之间胶结为整体；
(6)在绝缘套筒4与碳纤维复合材料板1通孔内表面之间填满密封胶泥7，密封胶泥7厚度约为0.1mm；
(7)在螺栓3沉头表面及金属搭接板2底部外伸螺杆部位均匀涂覆密封胶泥7，防止螺栓3与海水接触，待密封胶泥7固化结束后，碳纤维复合材料板1通孔内部结构胶结为含绝缘套筒4的胶螺混合连接结构。
实施例4
如图4所示，本实施例与实施例3基本相同，区别在于，本实施例不采用绝缘套筒4；碳纤维复合材料板1与金属搭接板2一体真空成型，沉头螺栓与金属搭接板2固定采用螺母32紧固连接。
本实施例步骤如下：
(1)采用喷砂工艺去除金属搭接板2上与碳纤维复合材料板1接触面的锈迹；
(2)用丙酮将除锈面擦洗干净；
(3)涂刷偶联剂溶液(KH560)对擦洗面进行表面处理；
(4)碳纤维复合材料板1纤维织物依顺序平铺于金属搭接板2表面，采用真空成型工艺将碳纤维复合材料板1与金属搭板固化成一体胶接结构；
(5)对一体胶接结构开通孔，通孔直径φ＝12.5mm；
(6)将喷涂有绝缘漆5的螺栓3塞入通孔内，并在金属搭接板2背面伸出部分用螺母32拧紧；
(7)在螺栓3与碳纤维复合材料板1通孔内表面之间填塞密封胶泥7；
(8)在螺栓3沉头表面及搭接板底部外伸螺杆部位均匀涂覆密封胶泥7，防止螺栓3与海水接触，待密封胶泥7固化结束后，碳纤维复合材料板1通孔内部结构胶结为含绝缘套筒4的胶螺混合连接结构。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，包括碳纤维复合材料板、金属搭接板和螺栓，碳纤维复合材料板与金属搭接板通过螺栓连接，其特征在于，碳纤维复合材料板与金属搭接板交接处至少设有2层玻璃纤维布；碳纤维复合材料板与螺栓之间设有绝缘层。
2.根据权利要求1所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，螺栓整体外表面包覆有绝缘漆，碳纤维复合材料板与绝缘漆之间设有密封胶泥。
3.根据权利要求2所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，还包括绝缘套筒，绝缘套筒设于绝缘漆与密封胶泥之间，绝缘套筒与绝缘漆之间设有螺纹密封胶。
4.根据权利要求3所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，螺栓为外六角头螺栓或内六角圆柱头螺栓。
5.根据权利要求4所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，碳纤维复合材料板与螺栓头部的接触面至少设有2层玻璃纤维布。
6.根据权利要求4或5所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，绝缘套筒的一端设有外凸边缘，外凸边缘设于螺栓头部与碳纤维复合材料板之间以避免螺栓头部与碳纤维复合材料板接触。
7.根据权利要求1所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，碳纤维复合材料板纤维织物平铺于金属搭接板表面与金属搭接板固化成一体胶接结构。
8.根据权利要求1所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，碳纤维复合材料板为碳玻混杂复合材料或者单一碳纤维复合材料。
9.根据权利要求1所述一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构，其特征在于，碳纤维复合材料板一次真空成型或者分次真空成型。
10.一种防电化学腐蚀的胶螺混合连接结构的安装方法，其特征在于，步骤如下：
S1：采用喷砂工艺去除金属搭接板上与碳纤维复合材料板接触面的锈迹；
S2：用丙酮擦洗步骤S1中的除锈面；
S3：涂刷偶联剂溶液对步骤S2中的擦洗面进行表面处理；
S4：在步骤S3中处理面平铺碳纤维复合材料板纤维织物，采用真空成型工艺将碳纤维复合材料板与金属搭板固化成一体胶接结构；
S5：对步骤S4中的一体胶接结构开通孔；
S6：将绝缘套筒套装在喷涂有绝缘材料的外六角头螺栓后一起塞入通孔内；
S7：在绝缘套筒与外六角头螺栓的螺杆部之间注入螺纹密封胶；
S8：在绝缘套筒与碳纤维复合材料板通孔内表面之间填满密封胶泥；
S9：将金属搭接板背面伸出部分与螺母拧紧，并在外六角头螺栓与螺母表面涂设密封胶泥，待密封胶泥固化后形成胶螺混合连接结构。
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