CN116538174A - 一种金属与复合纤维材料的连接结构及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属与纤维复合材料的连接结构，包括：金属材料和纤维复合材料，金属材料具有与纤维复合材料相互配合的连接面；多个突触结构组件，突触结构组件包括头部和根部，突触结构组件通过根部固定于金属材料的连接面，突触结构组件通过头部插入纤维复合材料的内部。通过突触结构组件，为表面难以加工螺栓孔的复杂金属材料零件增加新的连接方式，减少了螺栓等装配件的出现，且突触结构组件插入纤维复合材料时不切断纤维，保证纤维复合材料的连续性，保护复合纤维材料的力学特性，受拉伸作用时通过突触结构组件使金属材料和纤维复合材料的接触面积更大、整体连接结构抗剪切能力更强。
Description
技术领域
本说明书涉及异质材料连接技术领域，具体涉及一种金属与复合纤维材料的连接结构及加工方法。
背景技术
增材制造，也称为3D打印，是根据所设计的3D模型，通过3D打印设备将材料逐层增加来制造三维产品的技术，由于其制造灵活度较高，在工业生产与日常生活中有重大作用。其突出优势在于可以构建出其它制造工艺所不能实现或无法想象的形状,可以从纯粹考虑功能性的方面来设计部件，而无需考虑与制造相关的限制；允许采用非常低的生产批量，包括单件生产，就能达到经济合理的打印生产目的；所有近净成形工艺当中，增材制造是净成形水平最高的工艺，其后续机加工所必须切削掉的材料数量是很微量的；所构建的复杂形状可以一体成形，取代那些目前还需采用众多部件装配而成的产品。
通常金属和FRP的连接技术分为单一连接如胶接、机械连接、焊接、和混合连接如胶螺混合连接。胶接是指在金属和复合材料中间使用胶粘剂将两表面结合起来的连接技术。由于胶粘剂的存在使得两表面并不会直接接触，减少了电化学腐蚀的出现，且胶接应力分布均匀可避免出现应力集中、有效减少连接结构重量，不会破坏复合材料内部结构。但其对于连接表面有着较为苛刻的要求，且胶层易受环境影响容易出现老化、分层等问题。机械连接指在金属和FRP局部开孔使用螺栓、铆钉等连接起来的技术，在大型异质材料连接中被广泛使用。但由于机械部件穿透FRP，切断部分纤维，,从而导致孔局部应力集中、耐疲劳性能差等问题。焊接技术利用热塑性基体的局部熔化来实现连接,不适用于热固性基体复合材料。混合连接技术则是多种连接技术混合连接，如胶螺混合连接结构中，螺栓连接一方面可以降低胶层的剥离应力,阻止裂纹扩展；另一方面相较于纯胶接结构,螺栓可以防止胶层突然失效,但由于不同连接方式失效模式不同，承载机理不同使得使用过程中调控载荷比困难，承载能力提升效果不佳。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种金属与复合纤维材料的连接结构及加工方法，以达到保护复合纤维材料的力学特性、提高连接结构整体承载和抗剪切能力的目的。
本说明书实施例提供以下技术方案：
一种金属与复合纤维材料的连接结构，包括：
金属材料和纤维复合材料，金属材料具有与纤维复合材料相互配合的连接面；
多个突触结构组件，突触结构组件包括头部和根部，突触结构组件通过根部固定于金属材料的连接面，突触结构组件通过头部插入纤维复合材料的内部。
进一步地，突触结构组件还包括颈部和腰部，颈部的直径小于头部的直径，颈部的一端与头部连接，颈部的另一端通过腰部与根部连接，腰部的中轴线与连接面的朝向金属材料的方向具有小于90°的夹角，头部、颈部、腰部和根部的径向切面均为曲面。
进一步地，腰部朝向连接面的方向扩张，腰部的高度为C1，其中，C1大于或等于纤维复合材料的厚度。
进一步地，头部为圆形台，圆形台的直径为A1，A1小于纤维复合材料的编织孔隙，且0.3mm≤A1≤1mm，圆形台的外侧弧面半径为A2，且0.1mm≤A2≤0.2mm。
进一步地，颈部朝向连接面的方向收缩后扩张，颈部的直径小于头部及腰部的直径，颈部外侧弧面的圆角半径为B1，且0.5mm≤B1≤1mm。
进一步地，根部朝向连接面的方向扩张，根部的直径为D2，0.5mm≤D2≤2mm，根部的外侧弧面的半径为D1，且0.3mm≤D1≤0.5mm。
进一步地，金属材料与突触结构组件通过增材制造方法一体成型，增材制造方法包括激光选取熔融法。
进一步地，金属材料为不锈钢、高温合金、钛合金的一种或者多种组合，纤维复合材料为树脂基碳纤维复合材料的一种或者多种组合。
进一步地，连接面的竖直切面为Z字型。
一种金属与复合纤维材料的连接结构的加工方法，用于制造金属与复合纤维材料的连接结构，加工方法包括如下步骤：
根据连接强度要求和纤维复合材料的纤维缝隙，设计突触结构组件的尺寸以及排布；
使用增材制造方法一体化制作金属材料和突触结构组件；
对金属材料的连接面进行混酸阳极化处理；
将纤维复合材料铺覆在金属材料的连接面，并将突触结构组件穿过纤维复合材料的纤维缝隙；
将纤维复合材料和金属材料合模，等待整体固化成型为模具后，将模具去模修饰。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
突触结构组件可以为表面难以加工螺栓孔的复杂金属材料增加新的连接方式，减少了螺栓等装配件的出现，且突触结构组件插入纤维复合材料时不切断纤维，保证复合纤维材料的连续性，保护纤维复合材料的力学特性，受拉伸作用时通过突触结构组件使金属材料和纤维复合材料的接触面积更大，使整体连接结构抗剪切能力更强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例金属与复合纤维材料的连接结构的整体结构示意图；
图2是本发明实施例连接结构的突触结构组件结构示意图；
图3是本发明实施例连接结构的金属材料与突触结构组件结构示意图；
图4是本发明实施例金属与复合纤维材料的连接结构脱模后结构示意图。
附图标记说明：1、金属材料；2、突触结构组件；3、纤维复合材料；4、模具；5、连接面。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
现如今对穿透增强连接研究发现，优化连接突触形状与高度可以极大增强连接强度，球头销比圆柱形销抗拉强度提升40％，金字塔形比圆柱形提高20％连接强度，线性销钉比圆柱形失效强度提升两倍，破坏方式也发生变化。
以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。
参考图1和图2，本发明实施例的金属与复合纤维材料的连接结构，包括：金属材料1、纤维复合材料3和多个突触结构组件2，金属材料1具有与纤维复合材料3相互配合的连接面5，突触结构组件2固定于金属材料1的连接面5，突触结构组件2插入纤维复合材料3的内部。在加工连接结构时，外部使用模具4固化成型。
突触结构组件2包括头部、根部、颈部和腰部，突触结构组件2通过根部固定于金属材料1的连接面，突触结构组件2通过头部插入纤维复合材料的内部。颈部的直径小于头部的直径，颈部的一端与头部连接，颈部的另一端通过腰部与根部连接。
头部、颈部、腰部和根部的径向切面均为曲面，整体圆滑设计，避免棱角出现使得连接过程中出现纤维复合材料3的纤维在使用过程中被切断，有效的提升了连接强度。
头部为圆形台，圆形台的直径为A1，A1小于纤维复合材料3的编织孔隙，A1为0.3mm至1mm(0.3mm≤A1≤1mm)，圆形台的外侧弧面半径为A2，A2为0.1mm至0.2mm(0.1mm≤A2≤0.2mm)。头部的圆形台保证连接过程中减少突触弯曲后纤维复合材料3在拉伸作用下被拉脱现象。
腰部沿朝向连接面5的方向逐渐变粗，腰部的高度为C1，其中，C1大于或等于纤维复合材料3的厚度。腰部的中轴线与连接面5朝向金属材料1的方向具有小于90°的夹角，即腰部靠近纤维复合材料3的方向呈倾斜分布，倾斜的方向垂直于金属件1的连接面5向左，倾斜设计提升了受力均匀性，有效提升突触结构组件2的刚度，防止突触结构的变形。
颈部朝向连接面5扩张，颈部的直径小于头部及腰部的直径，颈部外侧弧面的圆角半径为B1，B1为0.5mm至1mm(0.5mm≤B1≤1mm)。颈部平滑过渡避免突触结构组件2与纤维复合材料3连接时出现应力集中不产生上部的纤维分层断裂失效。
根部朝向连接面5扩张，根部的直径为D2，D2为0.5mm至2mm(0.5mm≤D2≤2mm)，根部的外侧弧面的半径为D1，D1为0.3mm至0.5mm(0.3mm≤D1≤0.5mm)。根部形状设计有效提升根部断裂强度，抗剪切能力更强。
如图3所示，金属材料1与突触结构组件2通过增材制造方法一体成型，增材制造方法包括激光选取熔融法。通过增材制造一体成型金属件，连接部分表面的突触结构组件可以为表面难以加工螺栓孔的复杂零件增加新式突触连接方式，减少了螺栓等装配件的出现，且通过突触结构组件2连接不切断碳纤维，保证碳纤维的连续性，保护碳纤维的力学特性，受拉伸作用时其金属和复合材料接触面积更大，突触结构组件2的抗剪切能力更强。
金属材料1可为不锈钢、高温合金、钛合金的一种或者多种组合，纤维复合材料3可为树脂基碳纤维复合材料的一种或者多种组合。
在一些实施方式中，以制备碳纤维复合材料板(纤维复合材料3)与铝板(金属材料1)的连接件为例，铝板和碳纤维复合材料件的长×宽×高均为60mm×60mm×10mm，连接区域的面积为60mm×20mm，具体加工方法如下：
步骤一、根据连接强度要求和纤维复合材料3的纤维缝隙，设计突触结构组件2的尺寸以及排布。
具体的，突触结构组件2的头部直径A1的尺寸在0.3mm至1mm，A2半径为0.1mm至0.2mm。突触结构组件2的颈部直径小于头部及腰部的尺寸，形状为圆弧，外侧弧面的圆角半径B1的尺寸为0.5mm至1mm。突触结构组件2的腰部一侧呈倾斜分布，腰部倾斜的方向垂直于金属材料1的连接面5朝向金属材料1，高度不大于被连接的纤维复合材料3的厚度。突触结构组件2的腰部沿高度方向逐渐变粗，在根部处直径最大突触的剖切面可以为圆形，也可以为椭圆形，但不可带有棱直角。头部、颈部、腰部和根部的整体尺寸与纤维复合材料3的制作孔隙和使用场景相关，由试验和仿真可知，若纤维复合材料3编织的纤维缝隙较大且外载荷较大时，可将头部、颈部、腰部和根部的尺寸增大，若纤维复合材料3编织的纤维缝隙较小且外载荷较小时，头部、颈部、腰部和根部采用小尺寸。但均不可低于上述区间的最小尺寸，因为尺寸效应使得突触结构组件2极易失效无法增强连接强度并极大提升增材制造制作难度。
突触结构组件2排布密度与该连接使用场景有关，在对于连接强度要求不高的使用场景，采用低密度突触排布，因纤维复合材料3的纤维缝隙通常小于2mm，在大孔隙时可以选择采用设计上限才确定尺寸，如果空隙过小，可以采用设计下限。下限的确定和尺寸效应有关，过小的尺寸自身强度和刚度性能在无法达到外载荷需求，同时会使得增材制造加工过程十分繁琐。例如在剪切强度小于20MPa，可采用6*6突触排布。
顶端采用球形其抗拉性能相比于圆柱形结构其抗拉强度提升40％。同样在实际仿真中发现，其突触结构组件2的弯曲力矩和剪切力随着高度降低逐渐增加，因此设计成倾斜形状根部最大，其连接强度相比于圆柱形突触有显著增强。腰部的高度与被连接厚度一致，试验过程中发现，若腰部的高度低于被连接件厚度，和纤维复合材料3在使用过程中易出现分层、断裂、滑移等破坏形式，显著降低连接强度。在对其尺寸范围下界为标准制作样件进行试验发现，力学性能已有一部分降低，但提升排布密度时其连接强度又显著提升，但增材制造制作过程变得繁琐困难，故选用头部、颈部、腰部和根部的上述最小值为下界。
步骤二、如图3所示，通过增材制造一体制作金属材料1和突触结构组件2。
具体的，连接面5的竖直切面为Z字型，有效提升连接平整度。
步骤三、对金属材料1的连接面5进行混酸阳极化处理。
具体的，混酸阳极化处理的时间为4至4.5小时。
步骤四、将纤维复合材料3铺覆在金属材料1的连接面5，并将突触结构组件2穿过纤维复合材料3的纤维缝隙。
具体的，纤维复合材料3可分为碳纤维复合材料预浸料或干碳纤维增强体，将纤维复合材料3铺覆在金属材料1的连接面5，突触结构组件2的头部首先穿透碳纤维复合材料预浸料或干碳纤维增强体的纤维缝隙，并将整个突触结构组件都插入到纤维复合材料3中。
步骤五、将纤维复合材料3和金属材料1合模。并用螺栓紧固上下模，在保证模具密封的前提下，预留0.2mm左右的合模间隙，检查模具的气密性，10min真空度下降不超过0.005MPa；
具体的，将合模后的碳纤维复合材料预浸料的模具4以不大于3℃/min升温至80℃保温3h，以不大于2℃/min降温至60℃以下取出后55℃-60℃保温2小时，即固化成型的方法为模压成型。或者将干碳纤维增强体的纤维复合材料3的注胶口与小型注胶设备的注胶嘴连接，模具的出胶口与树脂收集器的进胶口连接，调整注射压力，在合理范围内注射树脂(在做正式试验件以前，通过3个模拟试验件确定最终产品的注射压力)，当出胶口流出的树脂基本没有气泡时，依次关闭注胶口和出胶口，将模具以不大于2℃/min升温至80℃，保温5h，以不大于2℃/min降温至60℃以下固化成型，即固化成型的方法为模塑成型。
步骤六、等待整体固化成型为模具4后，将模具4去模修饰。
具体的，脱模后的金属与复合纤维材料的连接结构如图4所示。
根据实际试验和仿真数据可知，本实施例的突触结构组件2的连接比普通胶接抗拉抗冲击性能提升，可用在承受连接拉力更强、冲击较大的金属与复合材料连接处。
本发明实施例实现了如下技术效果：本发明实施例以增材制造方式为主要设计手段，在制作复杂金属零部件时，辅助化学方法处理金属表面，防止出现金属和碳纤维复合材料电化学腐蚀，降低连接强度。由于连接结构是模压/模塑一体成型，金属突触结构穿过碳纤维预浸料或干碳纤维增强体缝隙，未剪切碳纤维复合材料，保证碳纤维复合材料的连续性，受拉伸作用时其金属和复合材料接触面积更大，连接结构抗剪切能力更强。与其他连接方式相比，能避免机械连接的应力集中和切断碳纤维出现的复合材料断裂失效，与胶结分散性大、可靠性低，在检测修复过程中，若内部细微结构无损伤，金属接头部分可重复使用，便于维护。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，包括：
金属材料(1)和纤维复合材料(3)，金属材料(1)具有与纤维复合材料(3)相互配合的连接面(5)；
多个突触结构组件(2)，突触结构组件(2)包括头部和根部，突触结构组件(2)通过所述根部固定于金属材料(1)的连接面(5)，突触结构组件(2)通过所述头部插入纤维复合材料(3)的内部。
2.根据权利要求1所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，突触结构组件(2)还包括颈部和腰部，所述颈部的直径小于所述头部的直径，所述颈部的一端与所述头部连接，所述颈部的另一端通过所述腰部与所述根部连接，所述腰部的中轴线与连接面(5)朝向金属材料(1)的方向具有小于90°的夹角，所述头部、所述颈部、所述腰部和所述根部的径向切面均为曲面。
3.根据权利要求2所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，所述腰部朝向连接面(5)的方向扩张，所述腰部的高度为C1，其中，C1大于或等于纤维复合材料(3)的厚度。
4.根据权利要求2所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，所述头部为圆形台，所述圆形台的直径为A1，A1小于纤维复合材料(3)的编织孔隙，且0.3mm≤A1≤1mm，所述圆形台的外侧弧面半径为A2，且0.1mm≤A2≤0.2mm。
5.根据权利要求2所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，所述颈部朝向连接面(5)的方向收缩后扩张，所述颈部的直径小于所述头部及所述腰部的直径，所述颈部外侧弧面的圆角半径为B1，且0.5mm≤B1≤1mm。
6.根据权利要求2所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，所述根部朝向连接面(5)的方向扩张，所述根部的直径为D2，且0.5mm≤D2≤2mm，所述根部的外侧弧面的半径为D1，且0.3mm≤D1≤0.5mm。
7.根据权利要求1所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，金属材料(1)与突触结构组件(2)通过增材制造方法一体成型，所述增材制造方法包括激光选取熔融法。
8.根据权利要求1所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，金属材料(1)为不锈钢、高温合金、钛合金的一种或者多种组合，纤维复合材料(3)为树脂基碳纤维复合材料的一种或者多种组合。
9.根据权利要求1所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，连接面(5)的竖直切面为Z字型。
10.一种金属与复合纤维材料的连接结构的加工方法，用于制造权利要求1至9中任一项所述的金属与复合纤维材料的连接结构，其特征在于，所述加工方法包括如下步骤：
根据连接强度要求和纤维复合材料(3)的纤维缝隙，设计突触结构组件(2)的尺寸以及排布；
使用增材制造方法一体化制作金属材料(1)和突触结构组件(2)；
对金属材料(1)的连接面(5)进行混酸阳极化处理；
将纤维复合材料(3)铺覆在金属材料(1)的连接面(5)，并将突触结构组件(2)穿过纤维复合材料(3)的纤维缝隙；
将纤维复合材料(3)和金属材料(1)合模，等待整体固化成型为模具(4)后，将模具(4)去模修饰。
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| CN202310357675.0A CN116538174A (zh) | 2023-04-04 | 2023-04-04 | 一种金属与复合纤维材料的连接结构及加工方法 |
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2023
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