结构胶搭接剪切曲线分析及数值模拟

结构胶广泛应用于白车身、电池包等结构增强及轻量化设计,其力学性能及失效机理对其合理应用具有重要指导意义。本文通过对两种材料、不同粘接长度接头的搭接剪切测试结果曲线分析,结合数字图像相关法(DIC),阐述了结构胶在搭接剪切过程中由弹性变形、内部损伤至最终破坏的过程,并证明在脆性结构胶中,应力分布的不均匀性。同时明确了搭接剪切试验曲线与BK本构模型的对应关系,形成模拟计算对应的材料卡片,能够很好地体现材料搭接剪切失效过程。

搭接剪切试样粘接工装研制

介绍了粘接组合的搭接剪切试样的结构特点及要求,分析了试样的制作工艺。对粘接组合的搭接剪切试样制样工装进行详细结构设计。制作工装进行实际运用验证,并对其进行优化。通过该工装的研制提高了粘接组合的搭接剪切试样制作的精度及效率。

热压作用下菌丝体粘接杨木单板的机理研究

菌丝体复合材料在成型过程中,菌丝体作为粘合剂发挥着至关重要的作用。基质表面与菌丝体形成特殊的胶合界面,热压可改善界面的结合性能,对于复合材料的力学性能具有重要影响。以杨木单板为研究对象,采用云芝栓孔菌(Trametes versicolor)、木蹄层孔菌(Fomes fomentarius)和血红密孔菌(Pycnoporus sanguineus)3种白腐菌对其定殖14 d,在热压作用下构建菌丝体/木材胶合界面,并通过单搭接拉伸剪切试验评估杨木单板/菌丝体的界面胶合强度。结果表明:菌丝体/杨木单板胶合界面的形成过程中,白腐菌腐朽引起单板表面性质的变化,热压促进了界面层的反应。血红密孔菌菌丝体膜的胶合性能最优,在150℃,1.5 MPa的热压条件下,其胶合强度可达(1.34±0.11)MPa。菌丝体与木材之间的胶合界面通过机械互锁、氢键、席夫碱反应和木质素再聚合形成。研究结论可为菌丝体复合材料的性能调控提供参考。

聚四氟乙烯网格状人工缺陷对复合材料胶结结构力学性能的影响

通过在胶接接头界面处插入网格状的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜作为人工缺陷,设计了5种不同PTFE缺陷网格含量(P)的复合材料胶接结构,采用工业CT和超声C扫的无损检测(NDT)手段对置入的PTFE网格进行检测,利用单搭接测试(SLJ)和Ⅰ型断裂韧性测试(DCB)进行力学性能表征。相比于超声C扫,工业CT可以清晰检测出置入的PTFE网格。SLJ结果表明,当P值低于10%时,胶接接头的剪切强度从13.85 MPa增加到15.15 MPa;当P值超过10%时,剪切强度随缺陷值增加而下降。SLJ胶接接头破坏形貌表明,随缺陷值的增加,失效模式从内聚失效转向混合失效,最后变成界面失效。DCB结果表明,G_(IC)随缺陷值增加呈现先升后降趋势,裂纹扩展状态从近稳定连续转向“粘-滑”的不稳定扩展。

碳纤维增强聚芳醚酮热塑性复合材料电阻焊接工艺研究

本文研究了以不锈钢金属网为电阻加热元件的热塑性复合材料电阻焊接技术,考察了电阻焊接工艺参数如绝缘膜材质和规格、焊接功率、焊接时间、焊接压力等对焊接质量的影响,揭示了各参数之间的多重关联制约关系。通过工艺优化,解决了焊接过程中的边缘效应和电流泄漏等问题,实现了180 mm长焊缝的高质量焊接。研究结果表明,当绝缘层为0.1 mm厚的PEI膜,焊接压力为2.0 MPa时,焊接试样的单搭接剪切强度达到40.5 MPa,高于材料本征值。

平纹玻纤/MC尼龙复合材料熔融黏合深度与搭接方式对力学性能的影响

平纹玻纤/MC尼龙复合材料具有比强度高、耐腐蚀、可回收等优点,是未来汽车领域值得关注的材料之一。本文采用实验方法研究了熔融连接工艺下平纹玻纤/MC尼龙复合材料搭接方式与融合深度对连接接头强度的影响。实验表明,相同工艺参数下,双搭接对接的搭接方式具有最好的力学性能,单搭接接头的拉伸剪切强度随熔融深度的增加呈现先升后降的趋势,搭接处熔融深度为2 mm时剪切强度达到最佳,为19.24 MPa。通过Micro-CT技术对不同熔融深度的单搭接试样进行扫描,结果显示:随着熔化深度的增加,搭接界面基体逐渐减少。失效形式随熔融深度增加依次为尼龙基体的塑性变形和开裂、尼龙基体的开裂与玻璃纤维与尼龙基体的脱黏、玻璃纤维与尼龙基体的脱黏。

碳纤维增强热塑性复合材料感应焊接的温度控制及接头强度

随着热塑性复合材料在航空领域的用量日益增加,如何解决结构复杂热塑性航空部件的连接问题引起了研究者的广泛关注。利用其可二次成型的特点可采用焊接,感应焊接是其中一种快捷、可靠的连接方式。感应焊接工艺过程稳定,可实现连续化焊接,是一种人为因素介入较少、小(焊接装置小)、快(焊接速度快)、灵活的焊接技术,也被视为热塑性复合材料连接技术未来最重要的发展方向。本文采用热电偶测温研究了连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)焊接试样厚度方向上温度分布及温度随时间的变化规律,确定了不同功率下焊接试样可焊的最长时间。采用定点焊接的方式研究了焊接功率及时间对单搭接剪切强度的影响,并探索了不同植入层用于CF/PPS热塑性复合材料感应焊接的可行性。

水性聚氨酯热熔胶的制备及性能

以甲苯二异氰酸酯、聚己二酸-1,4-丁二醇酯(PBA)、聚环氧丙烷醚三醇(PPO)为主要单体,2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)为羧基单体,1,4-丁二醇为扩链剂合成了聚氨酯预聚体,并以三乙胺为中和剂,进一步制备了阴离子水性聚氨酯乳液。考察了交联单体PPO含量对乳液及胶膜性能的影响。结果表明,n(PBA)∶n(PPO)=9∶1时,乳液稳定性好,聚氨酯膜的拉伸强度为44.18 MPa,断裂伸长率为742.94%,其热分解温度为239℃,对皮革的黏接强度高于皮革的内聚强度,对不锈钢的黏接剪切强度为14.76 MPa。

CF/PEI复合材料超声焊工艺优化及机理研究

碳纤维复合材料(CFRP)广泛应用于航空航天领域,高效连接技术是影响CFRP构件制造成本和使用安全的关键因素之一。利用超声焊技术对碳纤维增强聚醚酰亚胺树脂基复合材料(CF/PEI)进行焊接,采用单搭接剪切强度(LSS)测试研究了超声焊接压力和焊接时间对复合材料超声焊接头强度的影响,利用扫描电镜对断面微观形貌进行表征;并对实验数据进行线性拟合分析,结合BP神经网络与遗传算法对时间和压力参数进行优化并预测接头强度;最后研究了保压时间对接头强度的影响机理。结果表明:当焊接时间为2.5 s,焊接压力为0.45 MPa时,LSS达到最大值为25.6 MPa,较高的焊接强度是由于接头表面形成致密稳定的结构所致;BP神经网络将实验数据细化,遗传算法模拟出的LSS值为24.8 MPa,与实验结果误差仅为3%;随着保压时间的增加,超声焊接头强度呈现先快速增大后趋于稳定的变化趋势,当保压时间为5 s,时焊接界面处的熔融树脂基本固化完全,PEI树脂与碳纤维形成致密结构,焊接头强度达到稳定。

复合材料用国产中温固化结构胶膜性能研究

研制了一种新型国产中温固化结构胶膜ACTECH®1206F,通过DSC、流变、挥发分和单位面积重量等测试表征其理化性能,通过单搭接剪切强度、滚筒剥离强度、平面拉伸强度等测试表征其对不同基材的粘接性能,并与目前常用的进口胶膜FM-73进行对比试验。结果显示,与FM-73相比,ACTECH®1206F胶膜在室温下Al-Al单搭接剪切强度、室温下碳纤复合材料单搭接剪切强度、室温下蜂窝夹层结构平面拉伸强度等方面表现较好,室温下Al-Al单搭接剪切强度可达37.7 MPa,室温下碳纤复合材料(BA3202W)单搭接剪切强度可达28.8 MPa,室温下蜂窝夹层结构平面拉伸强度可达10.32 MPa。同时,通过SEM观察了ACTECH®1206F胶膜树脂浇铸体的断口形貌,断口较为粗糙,具有明显的曲折裂痕,是典型的韧性断裂,表明ACTECH®1206F胶膜树脂具有良好的韧性。整体来看,ACTECH®1206F胶膜整体性能与FM-73大致相同,可以基本满足民机复合材料领域对中温固化结构胶膜的需求。

顺酐化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物离聚体的制备及其结构和性能

在甲苯/环己烷混合溶剂体系中考察了顺酐化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)的制备条件,得到马来酸酐/SBS过/氧化苯甲酰质量比为30/100/1、SBS质量浓度为0.10 g/mL、过氧化苯甲酰/甲苯引发液的滴加时间为10 min及75℃下反应4 h的较为理想的反应条件。在此条件下既可以避免凝胶的生成,又可获得较高的接枝率(6.87%)。所得顺酐化SBS经氢氧化钠溶液中和后生成钠离聚体,傅里叶变换红外光谱分析证实接枝反应和离聚体的合成均得到预期的产物。差示扫描量热分析结果表明离子化微区的存在使得离聚体在高温段有1个玻璃化转变温度。离聚体的拉伸强度、搭接剪切强度和乳化性能均随顺酐化程度的提高而改善。

短切纤维对复合材料焊接强度的增强作用

研究短切纤维作为增强剂对复合材料焊接界面的强化效果。以不锈钢网作为加热体,利用脉冲电阻焊接技术连接玻璃纤维增强聚醚酰亚胺(GF/PEI)层合板。对芳纶纤维(AF)、玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强剂的焊件分别进行单搭接剪切实验,以评估焊接头的强度。结果表明,纤维通过与不锈钢网加热体共同承担焊接头的力学性能来实现焊接界面强化。断口分析显示,在纤维的增强作用下,焊接初期主要失效模式均为纤维和基体剥离;焊件强度达到最佳时,失效模式转变为不锈钢网加热体和纤维同时撕裂。

风冷和导热板对CF/PPS复合材料自感应焊接的影响

随着热塑性复合材料在飞机上的用量日趋增多,感应焊接作为未来热塑性结构件连接技术的最重要发展方向而倍受重视。感应焊接技术目前存在的主要问题在于焊接过程中最高温度面难以锁定于焊接面,而常位于更靠近线圈的表面附近。本文针对连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)层合板,研究了空气喷嘴和陶瓷导热板对于CF/PPS复合材料感应焊接过程的影响规律。结果表明,空气喷嘴和导热板的使用均可以有效地降低焊接过程中层合板上表面的温度,避免靠近线圈的上表面树脂在焊接过程中发生高温熔融或降解,从而保证CF/PPS自感应接头的外观完整性。此外,本文研究了单向预浸料制备的CF/PPS层合板进行自感应焊接的可行性。结果表明,由0°和90°交替铺层的CF/PPS层合板由于内部存在交流导电回路,可在低频高功率条件下实现自感应焊接。

激光处理对CFRP与铝胶接性能的研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质高强的特点,被广泛应用于汽车、航空航天、建筑等领域。但CFRP表面惰性高,使得CFRP与其他异质材料复合时的胶接强度低,不能满足使用。采用激光(光纤激光器)对CFRP进行表面处理后,再与铝进行胶接测试。利用SEM、接触角测试和光学轮廓仪测试对不同脉宽的激光处理后的CFRP表面形貌、表面能、表面粗糙度进行研究。结果表明,随脉宽增加,处理后的CFRP表面树脂残留量减少,表面粗糙度增加,表面自由能也相应增加。对比激光处理与机械打磨两种方式与铝的胶接性能发现,激光处理的CFRP与铝的胶接强度比未处理提高了1.95倍,比打磨处理提高了1.02倍。对其胶接断面进行分析可知,激光处理试样的断裂模式主要为纤维撕裂破坏。

膨润土在有机硅导电黏合剂中应用

在α,ω-二羟基聚硅氧烷中添加膨润土和镀银铜粉,制备了有机硅导电黏合剂。着重考察了膨润土填充量对导电黏合剂搭接剪切强度、剥离强度、导电性能及硬度的影响。研究结果表明:随着膨润土填充量的增加,能够显著增加导电黏合剂固化后的导电性能,电阻率先降低后趋于稳定;黏合剂的硬度则随膨润土填充量的增加逐渐增大,搭接剪切强度、剥离强度则是先增大后逐渐降低。当w(膨润土)=10%(相对于黏合剂总质量而言)时,导电黏合剂体积电阻率小于0.01Ω·cm,邵氏硬度为63A,剥离强度为1.00 N/mm,搭接剪切强度为0.84 MPa。

CF/PPS复合材料层板电阻焊接研究

针对航空结构用碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料层板采用电阻焊接进行了实验研究,电阻热元件选择了CF/PPS混编织物,重点研究了输入功率、输入能量、焊接时间与压力对焊接接头性能的影响。结果表明,焊接过程中,CF/PPS混编织物加热元件在焊接结合面上产生的温度场两端略高于中间,整体温度分布均匀;在1~1.5 MPa压力范围下和80~170 kW/m^2的功率范围内,可获得质量良好的焊接接头;通过电阻焊接实现最大剪切强度(均值17.92 MPa)与模压制备基准试样剪切强度(均值17.88 MPa)相当;剪切断口观测分析表明,焊接质量良好的焊接接头主要失效形式为层内失效破坏;同时,提出了采用CF/PPS混编织物作为电阻元件焊接CF/PPS复合材料层板的最佳工艺窗口。

聚芳硫醚砜/酮共聚物与钛合金的粘接性能

采用4,4’-二氯苯砜、4,4’-二氟二苯甲酮等为原料,通过两步法制备得到不同酮基含量的聚芳硫醚砜/酮聚合物(K-PASS)。采用红外光谱、X射线光电子能谱、搭接剪切性能等测试对聚合物的制备以及聚合物与钛合金的搭接剪切强度进行了研究。结果表明,通过常压法成功制备了不同酮基含量的K-PASS,K-PASS与钛合金的搭接剪切强度随着酮基含量的增加呈现先增大后减小的趋势,当酮基含量为50%时,搭接剪切强度达到最大值,为12.6MPa,相较于PASS纯树脂与钛合金的剪切强度提高了34.5%。

复合钢板树脂层力学性能试验研究

通过搭接剪切试验,获得了复合钢板中黏结树脂层的切向力学性能数据,切向黏结强度为10.64MPa;针对T剥离试验应用于本研究对象的缺点,设计了一种制作法向拉伸试样的夹具,并利用该夹具通过单向拉伸获得了树脂层法向力学性能数据,法向黏结强度为13.04MPa.最后对该复合钢板进行V形折弯试验,通过分析回弹角随时间的变化规律,认为树脂层黏性不明显.这些工作为后续复合钢板折弯回弹成形影响因素数值模拟的参数化分析建模提供了依据.

碳纤维增强聚苯硫醚复合材料感应焊接研究

以碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)层合板为研究对象,采用DOE方法优化设计感应焊接实验方案,研究焊接接头性能,并对其截面和断口形貌进行观察,揭示焊接工艺参数对焊接接头性能的影响机制。结果表明,通过DOE方法获得最佳焊接工艺参数(功率2.0 kW、压力1.5 MPa、时间3.0 min),焊接接头最大单搭接剪切强度为13.87 MPa,与实验验证结果(13.25 MPa)相近;接头剪切强度随着焊接工艺参数值的增加,均呈现先增大后减小的变化趋势;在最佳焊接工艺参数下,焊接接头结合紧密,失效形式为不锈钢网的撕裂与纤维的断裂拔出,呈现出高剪切强度;而在过低或过高焊接工艺参数下,界面脱黏为主要失效形式,剪切强度较低。

P2352W-19预浸料与可剥布匹配性研究

为了进一步了解P2352W-19预浸料匹配可剥布对胶接质量的影响,使用干态和湿态聚酯可剥布处理待胶接表面,并通过Ⅰ型双悬臂梁断裂韧性试验和双搭接剪切试验来考察可剥布处理后试验件的胶接表面力学性能表现,将试验结果结合试验件破坏模式进行分析。研究了层板材料匹配两种高温胶膜的共胶接及二次胶接质量,确定了P2352W-19预浸料最佳匹配可剥布。