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                    復合材料在現代航天材料中的應用現狀

                    來源:冶金與材料 作者:楊爽,王靜,楊帥
                    發布于:2021-12-21 共2960字
                        本篇論文目錄導航:

                    【第1-2篇】焊接技術論文(經典范文6篇)
                    【第3篇】汽車發動機制造中自動化焊接技術的應用
                    【第4篇】 復合材料在現代航天材料中的應用現狀
                    【第5篇】我國石油開采建設中石油焊接技術的應用
                    【第6篇】關鍵焊技術對提升海工建造整的作用研究

                    焊接技術范文第四篇:復合材料在現代航天材料中的應用現狀

                      摘要:隨著航空工業科學技術的不斷進步對材料的性能要求更高,復合材料在現代航天材料中應用地位越來越高。復合材料的連接方式成為目前的熱點問題,本文通過對復合材料連接方式的連接機理、失效模式、應用發展、優缺點等進行分析比較,重點分析電阻焊接技術在復合材料焊接領域的應用現狀。

                      關鍵詞:熱塑性復合材料;連接;電阻焊;

                      作者簡介:楊爽(2000-),女,遼寧沈陽人,主要研究方向:復合材料焊接。;*王靜(1981-),女,遼寧沈陽人,主要研究方向:聚合物基復合材料。;

                      基金:遼寧省"興遼英才計劃"項目(XLYC1907019);大學生創新創業訓練項目(202010143005);

                      隨著航空航天等領域的不斷創新發展,復合材料具有比強度、比剛度高,相對簡單的成型工藝,可大幅度地降低飛機的自身重量等諸多優點,先進復合材料成為軍事武器以及民用航空器的理想材料。飛機用復合材料已有將近50年的發展歷史,航天器上的大型構件采用化整為零的方法以降低制造難度[1],那么構件的連接將影響材料的整體強度,傳統的機械連接方式不滿足輕量化的要求還會導致應力集中;膠接連接方式,易受環境影響,剝離強度低;焊接連接方式可以很好地解決應力集中,熱膨脹系數等問題[2].新一代空客A320復合材料用量在50%以上龍骨梁使用了碳纖維增強聚醚醚酮復合材料(CF/PEEK)組件采用焊接的連接方式無鉚釘連接。

                      熱塑性復合材料的熔融連接方法有激光焊、電磁感應焊、超聲焊以及電阻焊等,焊接介質的選擇和設計是電阻焊接頭性能的重要影響因素。目前焊接介質主要分為兩類,不銹鋼金屬網加熱元件和碳纖維加熱元件。不銹鋼金屬網導熱性好與電極連接簡單,但界面融合性和接頭力學性能差。碳纖維加熱元件,碳纖維混編織物加熱元件相對于單向碳纖維加熱元件的焊接界面溫度分布更均勻[3],電阻更大,承載的橫向拉伸力更大,焊接接頭性能更好。因此,碳纖維混編織物作加熱元件的電阻焊接工藝流程簡單、成本低[4],產品力學性能好,應用前景廣闊。

                      1 復合材料連接技術的發展

                      航天器所應用的復合材料大多為大型構件,因此復合材料構件間的連接是不可避免的,連接部位的力學性能相對較差,含有結構形狀的各種間斷[5],容易發生局部的應力集中導致破壞失效,對復合材料整體的強度有影響,為了使載荷的有效傳遞,采用合理的連接方式保證復合材料結構性能。本文將對各種連接方式進行逐一分析比較。

                      1.1 機械連接

                      20世紀60年代,美國國家航空航天局就已開始對機械連接方式開展研究[6].機械連接包括螺栓連接和鉚釘連接,但無論哪種連接方式都會導致纖維斷裂,出現應力集中、局部強度降低,但機械連接便于拆卸、可重復裝配、可靠性高、技術應用廣泛、適用于大面積連接。

                      1.2 膠接連接

                      20世紀80年代,復合材料膠接技術在航空航天領域應用廣泛。環氧基、雙馬來酰亞胺基、氰酸酯基等強化樹脂體系是復合材料膠接技術的主要應用范圍。美國土星S-Ⅱ二級運載火箭采用膠接結構,應用52種膠黏劑以此減輕重量,從而增加射程,節約成本。我國生產的運-7,運-8等飛機也大量使用膠接體系及技術,運-7機身有26塊點焊膠接壁。雖然我國在軍用飛機上的膠接技術和體系已經達到先進水平,但大面積膠接技術在大型民用飛機上的應用還有待進一步提高。

                      1.3 焊接

                      復合材料焊接方式有激光焊、感應焊、超聲焊、電阻焊,四種焊接方式均是加熱熔融使樹脂分子擴散融合,基體之間有很好的相容性。

                     。1)激光焊適用于復雜構件,分為激光穿透焊接技術和激光直接連接技術。激光穿透焊適用于透明樹脂與不透明樹脂、碳纖維增強熱塑性樹脂、金屬材料的連接。激光直接焊與電阻焊接相似,激光在材料表面產生熱使界面熔融連接。

                     。2)感應焊的焊接界面需要植入電磁感應器焊接成本高、界面溫度分布不均勻,影響植入物焊接強度[7]

                     。3)超聲焊操作簡單,時間短,不需要做復雜的表面處理,但導能筋的選擇和制作困難。

                     。4)電阻焊工藝簡單成本低,技術相對比較成熟,在很多方面已經取代機械連接和膠接,在復合材料領域具有廣闊前景。

                      2 電阻焊

                      2.1 焊接參數

                      影響電阻焊接效果的工藝參數主要包括電流、壓力和時間。

                     。1)電流的影響:電流與輸入熱量成正比,輸入熱量與熔融體積成正比[6].電流通過電阻元件時會產生焦耳熱,當電流較低時,產生的焦耳熱不能完全熔融焊縫處的樹脂,樹脂分子擴散和連接不充分,導致焊接接頭剪切強度低:當電流較大時,產生的焦耳熱過大會使樹脂分子鏈斷裂、熱降解和燒蝕變性等,使接頭性能下降。

                     。2)壓力的影響;當壓力過低時,受熱軟化熔融的樹脂不能夠充分流動,不能排掉焊縫中的空氣存在空隙,而壓力過高,熔融的樹脂擠出焊接界面導致焊縫的樹脂含量過低,不能夠有效的黏結,因此焊接壓力過高或過低對接頭力學性能都有影響。

                     。3)焊接時間的影響:焊接時間短,熱影響區域小,樹脂流動連接不充分;焊接時間過長會導致樹脂熱解甚至燒蝕,使焊接接頭整體軟化以及纖維排布變形,剪切強度降低。為準確快速找到合適參數,2019年路鵬程等國內學者采用taguchi方法計算信噪比并預測參數的最優組合,是熱塑性復合材料電阻焊接參數優化的一次進步[7].

                      2.2 焊接介質

                      在電阻焊中加熱元件有著至關重要的作用,完成焊接后加熱元件固結在接頭中,影響接頭質量,2013年郭青等[8]國內學者使用聚苯胺作加熱元件,解決了電阻絲的殘留問題,介質與焊件發生互融接頭性能更好。2019年路鵬程等[7]使用CF/PPS混編織物作為加熱元件焊接CF/PPS復合材料,不引入異質材料,接頭性能更好,而且適用于其他的熱塑性復合材料電阻焊,這將是電阻焊的一個發展方向。

                      圖1 CF/PPS單搭接焊接示意圖

                    1.png

                      2.3 電阻焊發展方向

                      電阻焊接具備焊接裝置簡單,成本低,操作簡便等優點。完善焊接裝置可以促進電阻焊接在大型器件中的應用。

                      目前采用碳纖維混編織物作加熱元件還存在一些問題,如不能承受過高電壓,不能實現大尺寸焊接,熱塑性聚合物增韌后能否實現電阻焊接等這些領域還有待研究。

                      3 結語

                      電阻焊具備操作簡單成本低等優點,在航空航天領域得到廣泛應用。選擇合適的碳纖維混編織物作為加熱元件可以改善熱塑性復合材料焊接接頭應力集中等問題,采用taguchi方法可節約實驗成本較快得出最優實驗參數。目前小尺寸復合材料的焊接技術已經成熟,但在大尺寸材料的應用上依然存在問題,仍需繼續研究。

                      參考文獻

                      [1]張增煥,劉紅兵航空領域熱塑性纖維復合材料焊接技術發展研究[J]航空制造技術, 2015(14):72-75.

                      [2]周利,秦志偉,劉杉,等熱塑性樹脂基復合材料連接技術的研究進展[J].材料導報, 2019,33(19):3177-3183.

                      3]劉洪波,迪力穆拉提阿卜力孜,吳旺青,等聚合物基復合材料電阻焊接技術研究進展[J]玻璃鋼/復合材料, 2015(1):97-102.

                      [4]紀朝輝,王宏洋,孫凌豐,等PPS/CF復合材料電阻焊接工藝及性能評價[J]焊接學報, 2020,41(3):80-85.

                      [5]高佳佳,楚瓏晟,駟陽,等。纖維增強樹脂基復合材料連接結構強度與失效分析[J]航空制造技術, 2020,63(11):94-101.

                      [6]姜慶濱,王曉林,閆久春熱塑性樹脂基復合材料焊接研究[J]材料科學與工藝, 2005(03):247-250.

                      [7]路鵬程,陳棟,王志平碳纖維/聚苯硫醚熱塑性復合材料電阻焊接_ I藝[J]復合材料學報, 2020,37(5):1041-1048.

                      [8]郭青,李瑞琦,陳征,等導電聚合物復合材料的產熱特性及電阻焊接工I藝[J]焊接學報,2013,34(5):79-82+117.

                    作者單位:沈陽航空航天大學材料科學與工程學院
                    原文出處:楊爽,王靜,楊帥,李金虹,劉金. 電阻焊接技術在復合材料領域應用進展[J]. 冶金與材料,2021,41(05):127-128.
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