CN117962350A - 一种连续纤维层合板跨层结构连接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续纤维层合板跨层结构连接工艺，具体包括以下步骤：S1、所述连续纤维层合板由若干层开孔的连续纤维预浸带组成，所述连续纤维层合板上的开孔处设置有金属夹层结构，所述金属夹层结构包括若干层搭接金属薄板组；相邻两层所述连续纤维预浸带之间设置有一组所述搭接金属薄板组；制备时，第一层为所述连续纤维预浸带，然后逐层交替铺设所述搭接金属薄板组和所述连续纤维预浸带，最后通过热压成形得到所述连续纤维层合板；S2、使两个所述连续纤维层合板的开孔处对齐，通过在开孔处安装机械紧固件将两个所述连续纤维层合板连接在一起。本发明的技术方案解决了现有技术中连接过程中层合板表面承载差、连接处层间分层的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及轻量化复合材料连接技术领域，具体而言，尤其涉及一种连续纤维层合板跨层结构连接工艺。
背景技术
连续纤维层合板是指连续纤维增强塑料根据不同铺层角度铺置的一种复合材料。层合板因为其具有的轻质、高比模量、高比强度、耐腐蚀等优良性能，已经在航空航天、汽车工业、风力发电和体育休闲器械等领域有非常广泛的应用。
传统复合材料连接有胶接和机械连接两种。胶接通过在母材之间添加胶接剂，依靠胶接剂与母材之间的吸附力实现材料之间的连接，但其受到环境影响较大，尤其温度、光照和湿度对接头的老化程度有直接的关系。机械紧固法是使用额外的夹紧件形成有效接头的一种连接方法，机械紧固件连接过程中会对孔周围形成应力集中的现象，会导致接头强度降低并引发连接件受腐蚀的问题，尤其层合板局部呈脆性，在机械紧固连接过程中易发生局部基体树脂失效，将会诱导更严重的破坏模式。传统复合材料每一层为同种材料，层间存在明显的界面效应。在层合板连接过程中，界面是最容易出现失效的地方。
发明内容
为了解决现有技术中连接过程层合板表面承载差、连接处层间分层的技术问题，而提供一种连续纤维层合板跨层结构连接工艺。
本发明采用的技术手段如下：
一种连续纤维层合板跨层结构连接工艺，具体包括以下步骤：
S1、所述连续纤维层合板的铺层制备
所述连续纤维层合板由若干层开孔的连续纤维预浸带组成，所述连续纤维层合板上的开孔处设置有金属夹层结构，所述金属夹层结构包括若干层搭接金属薄板组；相邻两层所述连续纤维预浸带之间设置有一组所述搭接金属薄板组，所述搭接金属薄板组包括层叠设置的两片圆环形金属薄板，分别为上层金属薄板和下层金属薄板，所述上层金属薄板的内径和外径均大于所述下层金属薄板，所述上层金属薄板内边缘搭接于所述下层金属薄板外边缘，形成了搭接区；所述连续纤维预浸带在所述上层金属薄板与所述下层金属薄板的搭接处形成了倾斜的跨层区；在所述金属夹层结构内，各层所述搭接金属薄板组的所述搭接区的连线相对于所述连续纤维层合板表面倾斜，且所述搭接区的连线倾斜方向与所述跨层区的倾斜方向相互垂直；
制备时，第一层为所述连续纤维预浸带，然后逐层交替铺设所述搭接金属薄板组和所述连续纤维预浸带，所述搭接金属薄板组位于所述连续纤维预浸带的开孔处，且铺设的最后一层为所述搭接金属薄板组，最后通过热压成形得到所述连续纤维层合板；
所述连续纤维预浸带的所述跨层区两侧与上下两侧的所述搭接金属薄板组之间的空隙为树脂富集区，在进行热压成形的过程中，所述连续纤维预浸带中的树脂会流动，树脂会填充所述树脂富集区；
S2、连接两个所述连续纤维层合板
使两个所述连续纤维层合板的开孔处对齐，并使所述连续纤维层合板铺设有最后一层所述搭接金属薄板组的一侧表面朝外，通过在开孔处安装机械紧固件将两个所述连续纤维层合板连接在一起。
进一步地，所述搭接金属薄板组的尺寸大于所述所述机械紧固件，步骤S2中，连接时所述机械紧固件与所述搭接金属薄板组相接触。
进一步地，步骤S2中，连接时所述连续纤维层合板的受压力方向为所述金属夹层结构内，各层所述搭接金属薄板组的所述搭接区的连线的倾斜方向。
进一步地，所述金属薄板的材质为铝合金。
进一步地，所述金属薄板和所述连续纤维预浸带的厚度相同。
进一步地，所述金属薄板在铺层之间进行预处理，包括酸洗、碱洗、阳极氧化。
进一步地，步骤S2中所述的机械紧固件为螺栓和螺母或者铆接件。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的连续纤维层合板跨层结构连接工艺，通过在层合板开孔处设计跨层连续纤维，增加了层与层之间的韧性，有效解决在服役情况下层合板的层间破坏；金属的加入提高了层合板的整体韧性，降低层合板在连接时的局部塑性破坏，能保证接头质量的稳定；本发明可以避免超负载时树脂基复材瞬间失效，在接头处提供一定程度的塑性变形，提高接头服役过程中的安全性。
基于上述理由本发明可在轻量化复合材料连接领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为所述连续纤维层合板跨层结构连接工艺示意图。
图2为所述金属夹层结构示意图。
图中：1、连续纤维层合板；11、连续纤维预浸带；12、金属薄板；13、树脂富集区；14、跨层区；2、螺栓；3、螺母。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-2所示，本发明提供了一种连续纤维层合板跨层结构连接工艺，具体包括以下步骤：
S1、所述连续纤维层合板1的铺层制备
所述连续纤维层合板1由若干层开孔的连续纤维预浸带11组成，所述连续纤维层合板1上的开孔处设置有金属夹层结构，所述连续纤维层合板1具有脆性，而本发明设置的所述金属夹层结构能够加强提高层合板开孔处力学性能；所述金属夹层结构包括若干层搭接金属薄板组；相邻两层所述连续纤维预浸带11之间设置有一组所述搭接金属薄板组，所述搭接金属薄板组包括层叠设置的两片圆环形金属薄板12，分别为上层金属薄板和下层金属薄板，所述上层金属薄板的内径和外径均大于所述下层金属薄板，所述上层金属薄板内边缘搭接于所述下层金属薄板外边缘，形成了搭接区；所述连续纤维预浸带11在所述上层金属薄板与所述下层金属薄板的搭接处形成了倾斜的跨层区14；在所述金属夹层结构内，各层所述搭接金属薄板组的所述搭接区的连线相对于所述连续纤维层合板1表面倾斜，且所述搭接区的连线倾斜方向与所述跨层区14的倾斜方向相互垂直；
制备时，第一层为所述连续纤维预浸带11，然后逐层交替铺设所述搭接金属薄板组和所述连续纤维预浸带11，所述搭接金属薄板组位于所述连续纤维预浸带11的开孔处，且铺设的最后一层为所述搭接金属薄板组，最后通过热压成形得到所述连续纤维层合板1；
所述连续纤维预浸带11的所述跨层区两侧与上下两侧的所述搭接金属薄板组之间的空隙为树脂富集区13，在进行热压成形的过程中，在热和压力的作用下，所述连续纤维预浸带11中的树脂会流动，树脂会填充所述树脂富集区13，所述金属薄板12与所述连续纤维预浸带之间的空隙被流动的树脂填充，可以使最终得到的层合板是致密的板子，不会存在气泡；
S2、连接两个所述连续纤维层合板1
使两个所述连续纤维层合板1的开孔处对齐，并使所述连续纤维层合板1铺设有最后一层所述搭接金属薄板组的一侧表面朝外，通过在开孔处安装机械紧固件将两个所述连续纤维层合板1连接在一起。
进一步地，所述搭接金属薄板组的尺寸大于所述所述机械紧固件，步骤S2中，连接时所述机械紧固件与所述搭接金属薄板组相接触，在连接两个所述连续纤维层合板1时，整个受力失效过程中，与所述机械紧固件接触的地方会最先出现损伤，连续纤维呈脆性，因此连续纤维出现失效的程度远大于具有一定塑性的金属，本发明设置连接时所述机械紧固件与所述搭接金属薄板组相接触，能够避免所述连续纤维预浸带与所述机械紧固件的直接接触，从而导致的连接时的局部塑性破坏。
进一步地，步骤S2中，连接时所述连续纤维层合板1的受压力方向为所述金属夹层结构内，各层所述搭接金属薄板组的所述搭接区的连线的倾斜方向(如图1中箭头所示)，由于本发明设置所述搭接区的连线倾斜方向与所述跨层区的倾斜方向相互垂直，能够使层合板受力时的压力能够更好的分散至所述金属夹层结构，从而提高了层合板的整体韧性，降低层合板在连接时的局部塑性破坏，能保证接头质量的稳定。
进一步地，所述金属薄板12的材质为铝合金，或者钛合金、钢板等其他金属。
进一步地，所述金属薄板12和所述连续纤维预浸带的厚度相同，大约为0.1mm。
进一步地，所述金属薄板12在铺层之间进行预处理，包括酸洗、碱洗、阳极氧化等操作，预处理清洗表面能够提高层间连接强度。
进一步地，步骤S2中所述的机械紧固件为螺栓2和螺母3或者铆接件。
在本实施例中，制作170mm×36mm层合板拉伸试件，金属薄板和连续纤维预浸带的厚度一致，均选用0.12mm厚度；为提高层间连接强度，金属薄板在铺层之间应进行酸洗、碱洗、阳极氧化预处理；第一层铺设连续碳纤维预浸带，第二层铺设孔径为13.92mm的铝合金金属薄板组和连续碳纤维预浸带，第三层铺设孔径为13.72mm的铝合金金属薄板组和连续碳纤维预浸带，依次类推……，最后通过热压成形得到层合板。各层铝合金金属薄板组中下层金属薄板的尺寸依次为，外径13.9mm、内径13.72mm、外径13.5mm、内径13.32mm、外径13.1mm、内径12.92mm、外径12.7mm、内径12.52mm、外径12.3mm、内径12.12mm、外径11.9mm、内径11.72mm、外径11.5mm、内径11.32mm、外径11.1mm、内径10.92mm、外径10.7mm、内径10.54mm。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种连续纤维层合板跨层结构连接工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、所述连续纤维层合板的铺层制备
所述连续纤维层合板由若干层开孔的连续纤维预浸带组成，所述连续纤维层合板上的开孔处设置有金属夹层结构，所述金属夹层结构包括若干层搭接金属薄板组；相邻两层所述连续纤维预浸带之间设置有一组所述搭接金属薄板组，所述搭接金属薄板组包括层叠设置的两片圆环形金属薄板，分别为上层金属薄板和下层金属薄板，所述上层金属薄板的内径和外径均大于所述下层金属薄板，所述上层金属薄板内边缘搭接于所述下层金属薄板外边缘，形成了搭接区；所述连续纤维预浸带在所述上层金属薄板与所述下层金属薄板的搭接处形成了倾斜的跨层区；在所述金属夹层结构内，各层所述搭接金属薄板组的所述搭接区的连线相对于所述连续纤维层合板表面倾斜，且所述搭接区的连线倾斜方向与所述跨层区的倾斜方向相互垂直；
制备时，第一层为所述连续纤维预浸带，然后逐层交替铺设所述搭接金属薄板组和所述连续纤维预浸带，所述搭接金属薄板组位于所述连续纤维预浸带的开孔处，且铺设的最后一层为所述搭接金属薄板组，最后通过热压成形得到所述连续纤维层合板；
所述连续纤维预浸带的所述跨层区两侧与上下两侧的所述搭接金属薄板组之间的空隙为树脂富集区，在进行热压成形的过程中，所述连续纤维预浸带中的树脂会流动，树脂会填充所述树脂富集区；
S2、连接两个所述连续纤维层合板
使两个所述连续纤维层合板的开孔处对齐，并使所述连续纤维层合板铺设有最后一层所述搭接金属薄板组的一侧表面朝外，通过在开孔处安装机械紧固件将两个所述连续纤维层合板连接在一起。
2.根据权利要求1所述的连续纤维层合板跨层结构连接工艺，其特征在于，所述搭接金属薄板组的尺寸大于所述所述机械紧固件，步骤S2中，连接时所述机械紧固件与所述搭接金属薄板组相接触。
3.根据权利要求1所述的连续纤维层合板跨层结构连接工艺，其特征在于，步骤S2中，连接时所述连续纤维层合板的受压力方向为所述金属夹层结构内，各层所述搭接金属薄板组的所述搭接区的连线的倾斜方向。
4.根据权利要求1所述的连续纤维层合板跨层结构连接工艺，其特征在于，所述金属薄板的材质为铝合金。
5.根据权利要求1所述的连续纤维层合板跨层结构连接工艺，其特征在于，所述金属薄板和所述连续纤维预浸带的厚度相同。
6.根据权利要求1所述的连续纤维层合板跨层结构连接工艺，其特征在于，所述金属薄板在铺层之间进行预处理，包括酸洗、碱洗、阳极氧化。
7.根据权利要求1所述的连续纤维层合板跨层结构连接工艺，其特征在于，步骤S2中所述的机械紧固件为螺栓和螺母或者铆接件。
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