CN112709735A - 一种复合材料-金属一体化融合接头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构领域，涉及一种复合材料‑金属一体化融合接头。该接头包括：复合材料件1、毛化金属件2；其中，毛化金属件2包括金属本体21和在金属本体21外表面毛化区22加工出的多排毛刺23，毛化区22为毛化金属件单面或双面的局部区域；复合材料件1采用复合材料层压板结构；毛化金属件的毛刺面与复合材料件融合，使得两者紧固。
Description
技术领域
本发明属于结构领域，涉及一种复合材料-金属一体化融合接头。
背景技术
“毛化”技术是在传统毛化技术的基础上发展起来的一种新型表面加工方法，它利用电子束作为热源，通过电子束流与
材料表面的相互作用而产生各种特殊的成型效果，可用于材料的表面处理、金属与复合材料连接等领域。而目前对毛化结构的理论分析方法还比较欠缺。
发明内容
发明目的：本发明中的毛化连接结构，采用金属与复合材料进行一体化融合，采用毛刺结构进行连接，与传统的螺栓连接相比，具有更高的承载能力，同时其连接结构重量也有所下降，适合在对重量要求高的结构中使用。
技术方案：
一种复合材料-金属一体化融合接头，包括：复合材料件1、毛化金属件2；
其中，毛化金属件2包括金属本体21和在金属本体21外表面毛化区22加工出的多排毛刺23，毛化区22为毛化金属件单面或双面的局部区域；
复合材料件采用复合材料层压板结构；毛化金属件的毛刺面与复合材料件融合，使得两者紧固。
当毛刺23仅加工单面时，复合材料1件只能单面和毛化金属件2的毛刺面融合。
当毛刺加工在双面时，复合材料1件1沿铺层方向开设有凹槽，毛化金属件2具有双面毛刺的部位深入凹槽，和毛化金凹槽内的毛刺融合。
还包括胶黏剂，
胶黏剂用于在复合材料件和毛化金属件融合过程加入，以确保融合更充分。
毛刺23采用交错排列方式，且每两排毛刺23方向相反。
毛刺形状选择偏三角锥型。
复合材料制件的毛化连接区厚度不小于2倍毛刺高度。
对于复合材料件，金属毛刺穿透的厚度区域，其45、-45或者±45铺层的比例应该占该厚度区域的(50±15)％，充分保证复合材料与金属毛刺的连接强度。
有益效果：
复合材料-金属一体化融合接头是一种基于电子束“毛化”技术的新型接头结构形式，它能很好的将复合材料和金属连接到一起。该种接头主要利用电子束“毛化”技术对金属进行表面处理，形成所需的表面形貌，然后将金属与复合材料通过加温加压共固化得到复合材料-金属一体化接头，金属表面的“毛刺”嵌入复合材料，与纤维之间相互作用，通过增强界面强度，提高复合材料与金属连接部位的承载能力。
本发明提供一种毛化连接结构设计方法。该结构包括金属结构，复材结构以及毛刺结构，其中，金属结构选用钛合金，毛刺结构在接头融合区域的金属结构上生成，毛刺一般采用交错排列方式，且每两排毛刺方向一般相反，即奇数排毛刺尖稍的方向与偶数排毛刺尖稍的方向相反，电子束毛化的毛刺形状选择偏三角锥型，电子束毛化区域的毛刺密度越大越好，但必须保证，相邻毛刺之间的富树脂区不能连续，金属零件进行电子束毛化工艺后，必须进行无损检验，确保电子束毛化产生的毛刺完好率满足设计要求。
附图说明
图1为单面毛化连接件的结构示意图；
图2为双面毛化连接件的结构示意图；
图3为毛刺排列一般原则示意图；
图4为典型电子束毛刺形状示意图。
具体实施方式
一种复合材料-金属一体化融合接头，如图1-2所示，包括：复合材料件1、毛化金属件2；
其中，毛化金属件2包括金属本体21和在金属本体21外表面毛化区22加工出的多排毛刺23，毛化区22为毛化金属件单面或双面的局部区域；
复合材料件采用复合材料层压板结构；毛化金属件的毛刺面与复合材料件融合，使得两者紧固。
如图1所示，当毛刺23仅加工单面时，复合材料1件只能单面和毛化金属件2的毛刺面融合。
如图2所示，当毛刺加工在双面时，复合材料1件1沿铺层方向开设有凹槽，毛化金属件2具有双面毛刺的部位深入凹槽，和毛化金凹槽内的毛刺融合。
复合材料制件大多采用复合材料层压板结构。在复合材料层压板接头设计中，除遵循复合材料层压板结构件设计的一般原则外，按照以下方法设计：
(1)采用限制许用应变/许用应力设计。目前，层合板设计许用应变控制在0.3％～0.4％范围；孔边挤压应力控制在300～350MPa；接头耳片剪应力τ极限小于等于250MPa；要接头考虑附加安全系数1.15或较大的安全裕度；
(2)接头区域的层压板一般采用的0，±45，90铺层设计，且与主传力方向成±45层的铺层百分比大于或等于45％；0层的铺层百分比大于25％；90层的铺层应不小于10％。这样，既可保证连接处有足够的拉豁强度和挤压强度，同时又有利于载荷扩散和改善应力集中。
(3)复合材料件的铺层设计，尽量选用织物预浸料。织物易成形复杂接头形状，转角处可避免单向预浸带容易出现的纤维束裂开和分层。
(4)对复合材料接头加厚区到正常厚度区域的丢层距离，不满足常规丢层比例丢层距离的情况，应设计有相应试验进行验证。
(5)对于复合材料件，金属毛刺穿透的厚度区域，其45、-45或者(±45)铺层的比例应该占该厚度区域的(50±15)％，充分保证复合材料与金属毛刺的连接强度。
非毛刺穿透厚度区，可按照一般层压板铺层设计原则。
(6)复合材料制件的毛化连接区厚度，应不小于2倍毛刺高度。
毛化金属件设计方法
对于复合材料-金属一体化融合接头，电子束毛化金属件上的毛刺是与复合材料连接的基本单元。电子束毛化产生的毛刺参数设计会直接影响复合材料-金属一体化融合接头的连接性能。电子束毛化金属件的设计需遵循以下方法：
(1)毛化金属件材料一般选用钛合金。相比其他金属材料，目前开展的试验显示，钛合金材料形成的毛刺性能比较稳定，毛刺不合格率较低，且具有比较成熟工艺实施经验。
(2)接头融合区域的毛刺一般采用交错排列方式，且每两排毛刺方向一般相反，如图所示，即图中奇数排毛刺尖稍的方向与偶数排毛刺尖稍的方向相反，如图3所示。
(3)电子束毛化的毛刺形状一般选择偏三角锥型，如图4所示：
(4)一般来说，电子束毛化区域的毛刺密度越大越好，但必须保证，相邻毛刺之间的富树脂区(胶黏剂所处区域)不能连续，否则，毛化连接性能将会大大降低，从而影响复合材料-金属一体化融合接头承载能力。
(5)金属零件进行电子束毛化工艺后，必须按照设计要求进行无损检验，确保电子束毛化产生的毛刺完好率满足设计要求。
复合材料-金属一体化融合接头中，毛化连接技术是该类接头的核心技术。该连接方式是在金属连接件表面生成金属针刺，与复合材料制件咬合，达到金属与复材连接的效果，本发明的毛化连接结构设计方法，综合了粘接和机械连接的优良特性，为复合材料金属混合结构设计提供了更大的自由度，同时对复合材料部件造成的损伤更小。在一体化融合接头的设计中，除了分别进行复合材料件和毛化金属件的设计外，还充分考虑了毛化连接技术对复合材料件和金属结构件的设计影响。
Claims (8)
1.一种复合材料-金属一体化融合接头，其特征在于，包括：复合材料件(1)、毛化金属件(2)；
其中，毛化金属件(2)包括金属本体(21)和在金属本体(21)外表面毛化区(22)加工出的多排毛刺(23)，毛化区(22)为毛化金属件单面或双面的局部区域；
复合材料件(1)采用复合材料层压板结构；毛化金属件(2)的毛刺面与复合材料件融合，使得两者紧固。
2.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，当毛刺(23)仅加工单面时，复合材料(1)件只能单面和毛化金属件(2)的毛刺面融合。
3.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，当毛刺加工在双面时，复合材料件(1)沿铺层方向开设有凹槽，毛化金属件(2)具有双面毛刺的部位深入凹槽，和毛化金凹槽内的毛刺融合。
4.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，还包括胶黏剂，
胶黏剂用于在复合材料件和毛化金属件融合过程加入，以确保融合更充分。
5.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，毛刺(23)采用交错排列方式，且每两排毛刺(23)方向相反。
6.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，毛刺形状选择偏三角锥型。
7.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，复合材料制件的毛化连接区厚度不小于2倍毛刺高度。
8.根据权利要求1所述的接头，其特征在于，对于复合材料件，金属毛刺穿透的厚度区域，其45、-45或者±45铺层的比例占该厚度区域的(50±15)％，充分保证复合材料与金属毛刺的连接强度。
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