CN112497764B - 一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构及制备方法，柔性连接结构包括：相互插接的第一碳纤维复合材料圆管和第二碳纤维复合材料圆管，第一碳纤维复合材料圆管与第二碳纤维复合材料圆管插接后相叠合的界面之间依次设有第一粘接胶层、柔性连接层、第二粘接胶层；柔性连接层为复合材料层，柔性连接层的增强材料为纤维三维编织物，柔性连接层的基体材料为树脂材料。该碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构及其制备方法，通过在粘接界面直接设置柔性连接层，柔性连接层的模量介于碳纤维复合材料圆筒与粘接剂的模量之间，起到变形协调的作用，吸收外界载荷带来的能量冲击，避免界面产生损坏，提高碳纤维复合材料圆管的界面连接效果。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构及制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料在国民经济和国防军事领域的应用已非常普遍。实现复合材料构件的整体性制造是该领域技术发展的趋势。碳纤维复合材料圆管指由碳纤维复合材料制成的圆管材料，实际应用中，常会遇到需要将两内外径不同的碳纤维复合材料圆管插接连接的情况。
目前，碳纤维复合材料圆管的连接方式主要有以下三种：(1)机械连接：机械连接是采用铆钉、螺钉、螺栓等紧固件进行连接。连接件可以拆卸和再装配，连接强度高，能传递大载荷，抗剥离性能好，连接表面不用进行专门清洁处理。缺点是连接处要开孔，破坏了部分纤维的连续性，降低了部件强度并在开孔处容易分层。(2)胶接连接：胶接的优点是避免了由于机械连接需要打孔引起的材料损坏问题，而且具有应力分布均匀，连接效率高，结构重量轻的特点。胶接是减少重量和改善结构性能的有效技术途径。缺点是抗剥离性能差，不能传递大载荷。(3)混合连接：是机械连接与胶接连接的组合，可克服前两种工艺的缺点，提高连接件的抗剥离、抗剪切及抗疲劳性能，但增加了制造成本，只在有特殊要求的情况下采用。
目前，碳纤维复合材料圆管采用胶接连接时，存在的主要技术问题是连接界面之间的模量匹配性差，圆管在受到外载荷作用时变形不协调，在薄弱区域首先出现破坏，进而引起界面分离，发生脱粘，造成整个连接结构的失效。国内外工程技术人员也一直在探索碳纤维复合材料圆管的胶接方法，如：申请号为CN201610181722.0的中国专利文献提供了一种复合材料圆管的胶接连接结构的制作方法，介绍了一种在复合材料圆管连接处设有若干注胶孔和密封槽的方法，解决缺胶和性能分散的问题，可大幅度减少复合材料胶接缺陷，提高复合材料胶接连接的性能和可靠性。申请号为CN201521140850.8的中国专利文献提供了一种复合材料胶接专用涂胶装置的制造方法，介绍了一种专用涂胶装置，解决粘接界面胶层厚度不一、胶量不均匀的问题，避免出现贫胶、气泡等现象。但是，上述方法虽然可以提高粘接剂的粘接性，改善界面粘接性能，但是不能从根本上改变粘接剂与碳纤维复合材料圆筒的模量匹配性差的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构及制备方法，通过在粘接界面直接设置柔性连接层，柔性连接层的模量介于碳纤维复合材料圆筒与粘接剂的模量之间，起到变形协调的作用，吸收外界载荷带来的能量冲击，避免界面产生损坏，提高碳纤维复合材料圆管的界面连接效果。
为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构：
包括相互插接的第一碳纤维复合材料圆管和第二碳纤维复合材料圆管，所述第一碳纤维复合材料圆管与所述第二碳纤维复合材料圆管插接后相叠合的界面之间依次设有第一粘接胶层、柔性连接层、第二粘接胶层；
所述柔性连接层为复合材料层，所述柔性连接层的增强材料为纤维三维编织物，所述柔性连接层的基体材料为树脂材料。
优选地，所述纤维三维编织物为玻璃纤维与碳纤维的混编织物，玻璃纤维与碳纤维的质量比为(0.2-0.55)：1。
优选地，所述纤维三维编织物的厚度为0.25～2mm；
所述纤维三维编织物包括依次设置的上表面、中间立面、下表面，所述上表面和所述下表面的纤维编织角度为±30°～±45°；所述中间立面的纤维编织角度为±45°～±75°。
优选地，所述树脂材料的制备原料包括以下质量份数的成分：二异氰酸酯1.6-2.1份、大分子多元醇0.8-1.2份、扩链剂1-1.5份。
优选地，所述第一粘接胶层和/或所述第二粘接胶层的厚度为0.2-0.5mm。
本发明的另一方面提供一种制备上述的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的方法，包括以下步骤：
S1.在所述第一碳纤维复合材料圆管和所述第二碳纤维复合材料圆管的插接时相叠合的界面上涂抹粘接胶；
S2.将所述柔性连接层贴敷于所述第一碳纤维复合材料圆管或所述第二碳纤维复合材料圆管上的粘接胶处；
S3.将所述第一碳纤维复合材料圆管和所述第二碳纤维复合材料圆管插接，经固化得到所述碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构。
优选地，步骤S3中，固化温度为70-90℃，固化时间为12-20h。
优选地，所述柔性连接层的制备方法包括以下步骤：
S201.编织得到纤维三维编织物；
S202.将所述纤维三维编织物置于树脂材料的制备原料中进行浸渍，并烘干；
S203.将步骤S202中得到的浸渍后的纤维三维编织物固化，然后进行裁剪，得到所述柔性连接层。
优选地，步骤S203之前，还重复步骤S202 3-5次。
优选地，步骤S203中，固化制度为：升温至85-105℃，固化时间为2-6h，然后升温至115-135℃，固化时间为6-12h。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构及其制备方法，在碳纤维复合材料圆管与粘接胶层之间设置了柔性连接层，其中，柔性连接层为高弹性的聚氨酯树脂基复合材料，由于粘接胶层的模量为3～8GPa，碳纤维复合材料的模量为80～120GPa，柔性连接层的模量为30～70Gpa，柔性连接层的弹性模量介于碳纤维复合材料和粘接胶层之间，能起到变形协调的作用，吸收外界载荷带来的能量冲击，避免界面产生损坏，其具体的受力过程是，胶接部位在拉伸、压缩、扭转、冲击等载荷作用下，第一复合材料碳纤维圆管在外载荷作用下首先产生变形，将载荷传递到柔性连接层，再传递到第二碳纤维复合材料圆管，柔性过渡结构具有特殊的三维网状结构，能够产生较大的变形，从而降低了界面损伤破坏的风险。
2.本发明的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构及其制备方法，通过对柔性连接层中纤维三维编织物：纤维材料中玻璃纤维、碳纤维的混合比例；上表面、下表面、中间立面的编织角度；纤维三维编织物整体厚度的合理调控，使柔性连接层具有与复合材料圆筒和粘接胶层最匹配的弹性模量，从而使连接结构具有优异的界面连接强度。
附图说明
图1是本发明实施例所述的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的结构示意图。
其中：1-第一碳纤维复合材料圆管；2-第二碳纤维复合材料圆管；3-第一粘接胶层；4-柔性连接层；5-第二粘接胶层。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，包括：
相互插接的第一碳纤维复合材料圆管1和第二碳纤维复合材料圆管2，第一碳纤维复合材料圆管1与第二碳纤维复合材料圆管2插接后相叠合的界面之间依次设有第一粘接胶层3、柔性连接层4、第二粘接胶层5；柔性连接层4为复合材料层，柔性连接层的增强材料为纤维三维编织物，柔性连接层的基体材料为树脂材料。具体地，本实施例中，被粘接的碳纤维复合材料圆管外径分别为100mm和90mm，壁厚均为4.5mm。
本实施例的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.先将外径为100mm的第一碳纤维复合材料圆管内表面用200#的砂纸进行打磨，长度50mm，打磨部位用酒精进行清洗3次，晾干，然后将外径为90mm的第二碳纤维复合材料圆管的外表面进行同样的处理，再将两个管材进行适配；准备粘接胶LC159，在第一碳纤维复合材料圆管和第二碳纤维复合材料圆管的插接时相叠合的界面上用刮板涂抹粘接胶，粘接胶层的厚度约0.3mm；
S2.制备柔性连接层，然后将柔性连接层贴敷于外径为100mm的第一碳纤维复合材料圆管上的粘接胶处；其中，柔性连接层的制备方法包括以下步骤：
S201.将玻璃纤维与碳纤维按照0.3:1的质量比混合，将混合纤维按照30°编织成型上表面、下表面，然后采用穿刺方法将斜向纱按照75°的角度将上、下表面勾连，形成中间立面，中间立面纤维用量为表面用量的25％，最后得到纤维三维编织物，厚度为0.5mm；
S202.将所述纤维三维编织物置于树脂材料的制备原料中浸渍30min，并于60℃下烘干60min，然后重复上述步骤4次；树脂材料采用高弹性的聚氨酯合成材料，本实施例中直接采用日本住友公司的CM5079型聚氨酯材料，其中包含：二异氰酸酯约2份、大分子多元醇约1份、扩链剂约1.2份；
S203.将步骤S202中得到的浸渍后得到的预成型体按照按照由室温升温至95℃并保持2h，然后升温至125℃保持6h的固化制度进行高温固化，使材料的表面硬度达到邵氏65以上；然后将其裁剪为283mm×50mm的尺寸，得到柔性连接层。
S3.将外径为100mm的第一碳纤维复合材料圆管和外径为90mm的第二碳纤维复合材料圆管插接，先在室温下放置24h，然后在80℃下固化12h，得到碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构。
实施例2
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于本实施例中柔性连接层的增强材料纤维三维编织物，采用质量比为0.2:1的玻璃纤维与碳纤维的混合纤维编织，其中，纤维三维编织物的上表面、下表面按照45°进行编织，中间立面按照60°进行编织，最后得到纤维三维编织物，厚度为0.6mm。
实施例3
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于本实施例中柔性连接层的增强材料纤维三维编织物，采用质量比为0.55:1的玻璃纤维与碳纤维的混合纤维编织，其中，纤维三维编织物的上表面、下表面按照30°进行编织，中间立面按照45°进行编织，最后得到纤维三维编织物，厚度为0.7mm。
实施例4
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于本实施例中柔性连接层的增强材料纤维三维编织物厚度为0.25mm。
实施例5
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于本实施例中柔性连接层的增强材料纤维三维编织物厚度为2mm。
实施例6
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于本实施例中柔性连接层的增强材料纤维三维编织物，采用质量比为0.1:1的玻璃纤维与碳纤维的混合纤维编织，其中，纤维三维编织物的上表面、下表面按照15°进行编织，中间立面按照60°进行编织，最后得到纤维三维编织物，厚度为0.15mm。
实施例7
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于本实施例中柔性连接层的增强材料纤维三维编织物，采用质量比为0.6:1的玻璃纤维与碳纤维的混合纤维编织，其中，纤维三维编织物的上表面、下表面按照60°进行编织，中间立面按照15°进行编织，最后得到纤维三维编织物，厚度为2.5mm。
对比例1
本对比例仅采用粘接剂对第一碳纤维复合材料圆管、第二碳纤维复合材料圆管之间进行粘接，且第一碳纤维复合材料圆管、第二碳纤维复合材料圆管及粘接剂与实施例1相同，未在复合材料圆管与粘接剂层之间设置柔性连接层。
按照相关标准ASTM D5656《复合材料拉伸载荷剪切作用下厚粘剂金属搭剪连接的应力应变行为测试标准》，对上述各实施例及对比例的粘接结构进行拉伸强度进行测试，测试结果见表1，由表1的结果可以看出，相比于对比例1的采用粘接剂直接粘接相比，本发明的柔性连接结构界面拉伸强度得到显著提高，破坏形式为整体破坏；相比之下，实施例1-5为优选实施例，其界面拉伸强度较实施例6、7更强。
表1
实施例8
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于被粘接的碳纤维复合材料圆管外径分别为150mm和130mm，壁厚均为9.5mm；玻璃纤维与碳纤维按照0.4:1的质量比混合，将混合纤维按照30°编织成型上表面、下表面，然后采用穿刺方法将斜向纱按照75°的角度将上、下表面勾连，形成中间立面，中间立面纤维用量为表面用量的25％，最后得到纤维三维编织物，厚度为0.4mm。
实施例9
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例8中均相同，区别在于纤维三维编织物厚度为0.6mm。
实施例10
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例8中均相同，区别在于纤维三维编织物厚度为0.8mm。
实施例11
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例8中均相同，区别在于纤维三维编织物厚度为0.15mm。
实施例12
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例8中均相同，区别在于纤维三维编织物厚度为2.5mm。
对比例2
本对比例仅采用粘接剂对第一碳纤维复合材料圆管、第二碳纤维复合材料圆管之间进行粘接，且第一碳纤维复合材料圆管、第二碳纤维复合材料圆管及粘接剂与实施例8相同，未在复合材料圆管与粘接剂层之间设置柔性连接层。
参照相关标准GB T 10128-2007《金属材料室温扭转试验方法标准》，对上述各实施例及对比例1的粘接结构进行扭转强度测试，测试结果见表2。由表2的结果可以看出，相比于对比例2的采用粘接剂直接粘接相比，本发明的柔性连接结构界面扭转强度得到显著提高，破坏形式为整体破坏；相比之下，实施例8-10为优选实施例，其界面扭转强度较实施例11、12更强。
表2
实施例13
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例1中均相同，区别在于被粘接的碳纤维复合材料圆管外径分别为220mm和210mm，壁厚均为4.5mm；玻璃纤维与碳纤维按照0.2:1的质量比混合，将混合纤维按照30°编织成型上表面、下表面，然后采用穿刺方法将斜向纱按照75°的角度将上、下表面勾连，形成中间立面，中间立面纤维用量为表面用量的25％，最后得到纤维三维编织物，厚度为0.4mm。
实施例14
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例13中均相同，区别在于纤维三维编织物，厚度为0.5mm。
实施例15
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例13中均相同，区别在于纤维三维编织物，厚度为0.6mm。
实施例16
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例13中均相同，区别在于玻璃纤维与碳纤维按照0.1:1的质量比混合。
实施例17
本实施例的一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其余结构、制备方法与实施例13中均相同，区别在于玻璃纤维与碳纤维按照0.6:1的质量比混合。
对比例3
本对比例仅采用粘接剂对第一碳纤维复合材料圆管、第二碳纤维复合材料圆管之间进行粘接，且第一碳纤维复合材料圆管、第二碳纤维复合材料圆管及粘接剂与实施例13相同，未在复合材料圆管与粘接剂层之间设置柔性连接层。
参照相关标准GB T 33614-2017《三维编织物及其树脂基复合材料压缩性能试验方法》，对上述各实施例及对比例1的粘接结构的压缩强度进行测试，测试结果见表3。由表3的结果可以看出，相比于对比例3的采用粘接剂直接粘接相比，本发明的柔性连接结构压缩强度得到显著提高，破坏形式为整体破坏；相比之下，实施例13-15为优选实施例，其界面压缩强度较实施例16、17更强。
表3
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其特征在于：
包括相互插接的第一碳纤维复合材料圆管和第二碳纤维复合材料圆管，所述第一碳纤维复合材料圆管与所述第二碳纤维复合材料圆管插接后相叠合的界面之间依次设有第一粘接胶层、柔性连接层、第二粘接胶层；
所述柔性连接层为复合材料层，所述柔性连接层的增强材料为纤维三维编织物，所述柔性连接层的基体材料为高弹性的聚氨酯树脂材料，所述柔性连接层的弹性模量介于碳纤维复合材料和粘接胶层之间。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其特征在于：
所述纤维三维编织物为玻璃纤维与碳纤维的混编织物，玻璃纤维与碳纤维的质量比为（0.2-0.55）：1。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其特征在于：
所述纤维三维编织物的厚度为0.25~2mm；
所述纤维三维编织物包括依次设置的上表面、中间立面、下表面，所述上表面和所述下表面的纤维编织角度为±30°~±45°；所述中间立面的纤维编织角度为±45°~±75°。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其特征在于：
所述树脂材料的制备原料包括以下质量份数的成分：二异氰酸酯1.6-2.1份、大分子多元醇0.8-1.2份、扩链剂1-1.5份。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构，其特征在于：
所述第一粘接胶层和/或所述第二粘接胶层的厚度为0.2-0.5mm。
6.一种制备如权利要求1-5任一所述的碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在所述第一碳纤维复合材料圆管和所述第二碳纤维复合材料圆管的插接时相叠合的界面上涂抹粘接胶；
S2. 将所述柔性连接层贴敷于所述第一碳纤维复合材料圆管或所述第二碳纤维复合材料圆管上的粘接胶处；
S3. 将所述第一碳纤维复合材料圆管和所述第二碳纤维复合材料圆管插接，经固化得到所述碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构。
7.根据权利要求6所述的制备碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的方法，其特征在于：
步骤S3中，固化温度为70-90℃，固化时间为12-20h。
8.根据权利要求6所述的制备碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的方法，其特征在于，所述柔性连接层的制备方法包括以下步骤：
S201. 编织得到纤维三维编织物；
S202. 将所述纤维三维编织物置于树脂材料的制备原料中进行浸渍，并烘干；
S203. 将步骤S202中得到的浸渍后的纤维三维编织物固化，然后进行裁剪，得到所述柔性连接层。
9.根据权利要求8所述的制备碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的方法，其特征在于：
步骤S203之前，还重复步骤S202 3-5次。
10.根据权利要求8所述的制备碳纤维复合材料圆管胶接的柔性连接结构的方法，其特征在于：
步骤S203中，固化制度为：升温至85-105℃，固化时间为2-6h，然后升温至115-135℃，固化时间为6-12h。
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2020
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