CN113530933A - 一种形状记忆复合材料连接装置 - Google Patents
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Abstract
连接是复合材料零部件中必不可少的环节，连接的性能直接影响整个结构的性能，但是目前的复合材料的螺栓或铆钉连接存在开孔破断纤维、容易产生应力集中、结构可靠性差等问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种形状记忆复合材料连接装置，属于新材料技术领域，该装置基于形状记忆复合材料的形状记忆恢复功能，采用电加热控制温度变化，控制连接管上的凸起锁合环的变形，实现与接头沟槽的机械锁合。装配时，将连接管加热后插入接头，加热停止，冷却至室温实现机械锁合。该连接装置是一种轻量化、可无损拆卸、可自动控制的复合材料结构用连接装置，可应用于航空航天、汽车、高铁等领域备中，具有非常广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有自动控制锁合功能的连接接头，尤其涉及一种形状记忆复合材料连接装置，属于新材料技术领域。
背景技术
复合材料具有密度低、比模量和比强度高、耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车、高铁、船舶等装备中的应用越来越广泛。不同复合材料零件装配时，必须要进行连接的操作，因此连接结构是复合材料应用中必不可少的环节，连接的性能直接影响整个结构的性能。目前，常用的复合材料连接方式有螺栓连接、铆接和胶接。螺栓或铆钉都会导致纤维的断裂，进而降低结构的承载性能，而且可能成为失效的根源。胶接运用胶粘剂连接不同零件，无需打孔，工艺性好，但受环境影响大，可靠性和稳定性差，而且为永久性连接，难以拆卸。形状记忆复合材料是在形状记忆聚合物的基础上，加入了纤维增强材料后得到的一种新材料，它不仅具备良好的形状记忆功能，而且具有优异的力学性能。采用形状记忆复合材料，设计一种新型的连接装置，可以实现不同复合材料零件之间的机械锁合连接，具有非常广阔的应用前景。
发明内容
1、发明目的：
为了解决上述背景技术中的问题，本发明利用形状记忆复合材料在温度激励下的形变可控的特性，提供了一种可以自动控制锁合状态的新型复合材料连接装置，能够实现复合材料零件之间的稳固连接，而且便于拆卸。
2、技术方案：
本发明一种形状记忆复合材料连接装置，其特征在于，包括：第一连接管、接头、第二连接管、第一连接管凸台、接头的第一沟槽、接头的第二沟槽、第二连接管凸台、第一连接管加热后的形态、第一连接管的凸起锁合环、第二连接管加热后的形态、第二连接管的凸起锁合环、加热电极；它们之间的关系与工作原理是：第一连接管凸台位于第一连接管的端部，第二连接管凸台位于第二连接管的端部；接头的第一沟槽和接头的第二沟槽位于接头的左右两侧；第一连接管加热后的形态是第一连接管经过加热电极加热后的形态，第一连接管的凸起锁合环位于第一连接管加热后的形态的端部；第二连接管加热后的形态是第二连接管经过加热电极加热后的形态，第二连接管的凸起锁合环位于第二连接管加热后的形态的端部；加热电极断电后，温度降低，整个连接装置处于室温条件时，第一连接管的凸起锁合环发生凸起形变，变成第一连接管凸台，第二连接管的凸起锁合环发生凸起形变，变成第二连接管凸台；第一连接管凸台与接头的第一沟槽形成机械锁合，第二连接管凸台与接头的第二沟槽形成机械锁合；
所述形状记忆复合材料连接装置装配时，使用加热电极分别加热两根连接管到聚合物基体材料的玻璃化转变温度Tg以上，得到第一连接管加热后的形态、第二连接管加热后的形态；将第一连接管加热后的形态插入接头中，通过表面的微小凸起定位特征，使第一连接管的凸起锁合环到达与接头的第一沟槽匹配的位置；将第二连接管加热后的形态插入接头中，通过表面的微小凸起定位特征，使第二连接管的凸起锁合环到达与接头的第二沟槽匹配的位置；然后停止加热，随着温度降低，第一连接管的凸起锁合环、第二连接管的凸起锁合环慢慢鼓起，到达室温后，完成鼓起动作，形成第一连接管凸台、第二连接管凸台，此时机械锁合结构形成；拆卸时，给加热电极通电加热，第一连接管凸台、第二连接管凸台的变形恢复到第一连接管的凸起锁合环、第二连接管的凸起锁合环状态，此时拔出连接管即完成无损拆卸，这种设计使拆卸简单方便，而且连接装置可以重复利用；当需要提高连接强度时，可以在接头的第一沟槽和接头的第二沟槽的表面涂抹热熔性的胶粘剂，形成胶接加上机械锁合的混合连接结构，需要拆卸时，给加热电极通电加热，热熔性的胶粘剂熔化，胶接分离，第一连接管凸台、第二连接管凸台的变形恢复到第一连接管的凸起锁合环、第二连接管的凸起锁合环状态，此时拔出连接管即完成无损拆卸，这种设计使胶接/机械混合连接具备了拆卸功能，克服了传统的胶接/机械混合连接不能拆卸的问题，而且连接装置能够重复利用；
所述热熔性的胶粘剂，其特征在于，室温条件下具有胶粘性，可以粘接物体，加热后胶粘剂熔融软化，胶粘性明显弱化或失去胶粘性；
所述第一连接管和第二连接管，采用形状记忆复合材料制成，具有形状记忆功能；复合材料由形状记忆聚合物和纤维增强材料组成，形状记忆聚合物基体为氰酸酯，环氧树脂，聚氨酯，聚酰胺，苯乙烯，纤维增强材料为碳纤维丝束，玻璃纤维丝束，聚乙烯纤维丝束，硼纤维丝束，玄武岩纤维丝束，形状记忆合金丝与纤维的混合丝束；在高温环境箱中，将复合材料加热到聚合物基体的玻璃化转变温度Tg以上后，在复合材料连接管的端部施加压力，在非预设变形区使用金属套管夹持，连接管的预凸起锁合环处发生凸起变形，使用工装固定连接管的形状，保持压力不变，降低温度到室温，冷却定型，制成形状记忆复合材料连接管；
所述第一连接管和第二连接管在加热电极的作用下加热至玻璃化转变温度Tg后，凸台消失，在凸台位置处仍保留微小凸起，便于装配时定位，这种设计可以使装配过程更加快速和准确；
所述第一连接管和第二连接管的形状回复率的计算公式如下：
式中，RN为第N次展开的形状回复率，θ0为初始的弯曲角度，θN为第N次的弯曲角度；经过二十次的弯曲展开循环，连接管的形状回复率需保持在90％以上，以保证足够的锁合力和使用寿命，这个回复率的要求，可以满足连接装置的性能要求，还可以节约成本；
所述接头，采用高强度钢材料、玻璃增强复合材料或碳纤增强复合材料制成，内壁设置有接头的第一沟槽和接头的第二沟槽，接头第一沟槽与第一连接管凸台锁合，接头的第二沟槽与第二连接管凸台锁合。
3、本发明一种形状记忆复合材料连接装置，相比现有技术具有以下进步和优点：
(1)可以实现复合材料零件之间的无损连接，无需打孔或冲孔，不剪断纤维，不破坏零件结构，整体性好，可靠性高，连接强度好，应用范围广；
(2)具有自动控制功能，可以应用智能设备中，实现两个零件之间连接的分开和接合；
(3)装配和拆卸过程简单，可以实现无损拆卸，能够重复利用。
总之，该连接装置是一种轻量化、可无损拆卸、可自动控制、可靠的复合材料结构用连接装置，可以应用于飞机、汽车、海洋平台、高铁、宇宙飞船、空间站、卫星等装备中，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的装配体示意图。
图2为本发明的剖面图。
图3为本发明中的形状记忆变形示意图。
图4为本发明的工作原理示意图。
图中符号说明如下：
1-第一连接管、2-接头、3-第二连接管、101-第一连接管凸台、201-接头的第一沟槽、
202-接头的第二沟槽、301-第二连接管凸台、4-第一连接管加热后的形态、401-第一连接管的凸起锁合环、5-第二连接管加热后的形态、501-第二连接管的凸起锁合环、6-加热电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：
如附图1-4所示，本发明一种形状记忆复合材料连接装置，包括：第一连接管1、接头2、第二连接管3、第一连接管凸台101、接头的第一沟槽201、接头的第二沟槽202、第二连接管凸台301、第一连接管加热后的形态4、第一连接管的凸起锁合环401、第二连接管加热后的形态5、第二连接管的凸起锁合环501、加热电极6；它们之间的关系与工作原理是：第一连接管凸台101位于第一连接管1的端部，第二连接管凸台301位于第二连接管3的端部；接头的第一沟槽201和接头的第二沟槽202位于接头2的左右两侧；第一连接管加热后的形态4是第一连接管1经过加热电极6加热后的形态，第一连接管的凸起锁合环401位于第一连接管加热后的形态4的端部；第二连接管加热后的形态5是第二连接管3经过加热电极6加热后的形态，第二连接管的凸起锁合环501位于第二连接管加热后的形态5的端部；加热电极6断电后，温度降低，整个连接装置处于室温条件时，第一连接管的凸起锁合环401发生凸起形变，变成第一连接管凸台101，第二连接管的凸起锁合环501发生凸起形变，变成第二连接管凸台301；第一连接管凸台101与接头的第一沟槽201形成机械锁合，第二连接管凸台301与接头的第二沟槽202形成机械锁合；
所述第一连接管1和第二连接管3，采用形状记忆复合材料制成，具有形状记忆功能；复合材料由形状记忆聚合物和纤维增强材料组成，形状记忆聚合物基体为氰酸酯，环氧树脂，聚氨酯，聚酰胺，苯乙烯，纤维增强材料为碳纤维丝束，玻璃纤维丝束，聚乙烯纤维丝束，硼纤维丝束，玄武岩纤维丝束，形状记忆合金丝与纤维的混合丝束；在高温环境箱中，将复合材料加热到聚合物基体的玻璃化转变温度Tg以上后，在复合材料连接管的端部施加压力，在非预设变形区使用金属套管夹持，连接管的预凸起锁合环处发生凸起变形，使用工装固定连接管的形状，保持压力不变，降低温度到室温，冷却定型，制成形状记忆复合材料连接管；
所述第一连接管1和第二连接管3在加热电极6的作用下加热至玻璃化转变温度Tg后，凸台消失，在凸台位置处仍保留微小凸起，便于装配时定位，这种设计可以使装配过程更加快速和准确；
所述第一连接管1和第二连接管3的形状回复率的计算公式如下：
式中，RN为第N次展开的形状回复率，θ0为初始的弯曲角度，θN为第N次的弯曲角度；经过二十次的弯曲展开循环，连接管的形状回复率需保持在90％以上，以保证足够的锁合力和使用寿命，这个回复率的要求，既可以满足连接装置的性能要求，又可以节约成本；
所述接头2，采用高强度钢材料、玻璃增强复合材料或碳纤增强复合材料制成，内壁设置有接头的第一沟槽201和接头的第二沟槽202，接头第一沟槽201与第一连接管凸台101锁合，接头的第二沟槽202与第二连接管凸台锁合；
如附图4所示，装配时，使用加热电极6分别加热两根连接管到聚合物基体材料的玻璃化转变温度Tg以上，得到第一连接管加热后的形态4、第二连接管加热后的形态5；将第一连接管加热后的形态4插入接头2中，通过表面的微小凸起定位特征，使第一连接管的凸起锁合环401到达与接头的第一沟槽201匹配的位置；将第二连接管加热后的形态5插入接头2中，通过表面的微小凸起定位特征，使第二连接管的凸起锁合环501到达与接头的第二沟槽202匹配的位置；然后停止加热，随着温度降低，第一连接管的凸起锁合环401、第二连接管的凸起锁合环501慢慢鼓起，到达室温后，完成鼓起动作，形成第一连接管凸台101、第二连接管凸台301，此时机械锁合结构形成；拆卸时，给加热电极6通电加热，第一连接管凸台101、第二连接管凸台301的变形恢复到第一连接管的凸起锁合环401、第二连接管的凸起锁合环501状态，此时拔出连接管即完成无损拆卸，这种设计使拆卸简单方便，而且连接装置可以重复利用；当需要提高连接强度时，可以在接头的第一沟槽201和接头的第二沟槽202的表面涂抹热熔性的胶粘剂，形成胶接加上机械锁合的混合连接结构，需要拆卸时，给加热电极6通电加热，热熔性的胶粘剂熔化，胶接分离，第一连接管凸台101、第二连接管凸台301的变形恢复到第一连接管的凸起锁合环401、第二连接管的凸起锁合环501状态，此时拔出连接管即完成无损拆卸，这种设计使胶接/机械混合连接具备了拆卸功能，克服了传统的胶接/机械混合连接不能拆卸的问题，而且连接装置能够重复利用；
所述热熔性的胶粘剂，其特征在于，室温条件下具有胶粘性，可以粘接物体，加热后胶粘剂熔融软化，胶粘性明显弱化或失去胶粘性。
本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种形状记忆复合材料连接装置，其特征在于：第一连接管、接头、第二连接管、第一连接管凸台、接头的第一沟槽、接头的第二沟槽、第二连接管凸台、第一连接管加热后的形态、第一连接管的凸起锁合环、第二连接管加热后的形态、第二连接管的凸起锁合环、加热电极；它们之间的关系与工作原理是：第一连接管凸台位于第一连接管的端部，第二连接管凸台位于第二连接管的端部；接头的第一沟槽和接头的第二沟槽位于接头的左右两侧；第一连接管加热后的形态是第一连接管经过加热电极加热后的形态，第一连接管的凸起锁合环位于第一连接管加热后的形态的端部；第二连接管加热后的形态是第二连接管经过加热电极加热后的形态，第二连接管的凸起锁合环位于第二连接管加热后的形态的端部；加热电极断电后，温度降低，整个连接装置处于室温条件时，第一连接管的凸起锁合环发生凸起形变，变成第一连接管凸台，第二连接管的凸起锁合环发生凸起形变，变成第二连接管凸台；第一连接管凸台与接头的第一沟槽形成机械锁合，第二连接管凸台与接头的第二沟槽形成机械锁合；
所述形状记忆复合材料连接装置装配时，使用加热电极分别加热两根连接管到聚合物基体材料的玻璃化转变温度Tg以上，得到第一连接管加热后的形态、第二连接管加热后的形态；将第一连接管加热后的形态插入接头中，通过表面的微小凸起定位特征，使第一连接管的凸起锁合环到达与接头的第一沟槽匹配的位置；将第二连接管加热后的形态插入接头中，通过表面的微小凸起定位特征，使第二连接管的凸起锁合环到达与接头的第二沟槽匹配的位置；然后停止加热，随着温度降低，第一连接管的凸起锁合环、第二连接管的凸起锁合环慢慢鼓起，到达室温后，完成鼓起动作，形成第一连接管凸台、第二连接管凸台，此时机械锁合结构形成；拆卸时，给加热电极通电加热，第一连接管凸台、第二连接管凸台的变形恢复到第一连接管的凸起锁合环、第二连接管的凸起锁合环状态，此时拔出连接管即完成无损拆卸，这种设计使拆卸简单方便，而且连接装置可以重复利用；当需要提高连接强度时，可以在接头的第一沟槽和接头的第二沟槽的表面涂抹热熔性的胶粘剂，形成胶接加上机械锁合的混合连接结构，需要拆卸时，给加热电极通电加热，热熔性的胶粘剂熔化，胶接分离，第一连接管凸台、第二连接管凸台的变形恢复到第一连接管的凸起锁合环、第二连接管的凸起锁合环状态，此时拔出连接管即完成无损拆卸，这种设计使胶接/机械混合连接具备了拆卸功能，克服了传统的胶接/机械混合连接不能拆卸的问题，而且连接装置能够重复利用；
所述热熔性的胶粘剂，其特征在于，室温条件下具有胶粘性，可以粘接物体，加热后胶粘剂熔融软化，胶粘性明显弱化或失去胶粘性；
所述第一连接管和第二连接管，采用形状记忆复合材料制成，具有形状记忆功能；复合材料由形状记忆聚合物和纤维增强材料组成，形状记忆聚合物基体为氰酸酯，环氧树脂，聚氨酯，聚酰胺，苯乙烯，纤维增强材料为碳纤维丝束，玻璃纤维丝束，聚乙烯纤维丝束，硼纤维丝束，玄武岩纤维丝束，形状记忆合金丝与纤维的混合丝束；在高温环境箱中，将复合材料加热到聚合物基体的玻璃化转变温度Tg以上后，在复合材料连接管的端部施加压力，在非预设变形区使用金属套管夹持，连接管的预凸起锁合环处发生凸起变形，使用工装固定连接管的形状，保持压力不变，降低温度到室温，冷却定型，制成形状记忆复合材料连接管；
所述第一连接管和第二连接管在加热电极的作用下加热至玻璃化转变温度Tg后，凸台消失，在凸台位置处仍保留微小凸起，便于装配时定位，这种设计可以使装配过程更加快速和准确；
所述第一连接管和第二连接管的形状回复率的计算公式如下：
式中，RN为第N次展开的形状回复率，θ0为初始的弯曲角度，θN为第N次的弯曲角度；经过二十次的弯曲展开循环，连接管的形状回复率需保持在90％以上，以保证足够的锁合力和使用寿命，这个回复率的要求，可以满足连接装置的性能要求，还可以节约成本。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆复合材料连接装置，其特征在于：所述接头，采用高强度钢材料、玻璃增强复合材料或碳纤增强复合材料制成，内壁设置有接头的第一沟槽和接头的第二沟槽，接头第一沟槽与第一连接管凸台锁合，接头的第二沟槽与第二连接管凸台锁合。
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