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。

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。

搅拌头倾斜角对搅拌摩擦焊AA2014-T6铝合金焊接接头强度和显微组织的影响（英文）

结合各种焊接参数,包括焊接速度、转速、轴肩和搅拌针直径、搅拌头倾斜角等,搅拌摩擦焊(FSW)已经广泛应用于制造铝合金接头。FSW参数能够显著影响焊接强度,其中,搅拌头倾斜角是一种重要的过程参数。因此,本文作者研究搅拌头倾斜角对搅拌摩擦焊铝合金(AA2014-T6)搭接焊接强度的影响。搅拌头倾斜角的变化范围为0°~4°,等值增量为1°,其他参数保持一致。采用宏观和微观组织分析、显微硬度测量、扫描电镜、透射电镜和能谱分析等方法对搅拌摩擦搭接接头的搭接剪切强度进行测定。结果表明,当搅拌头倾斜角为1°~3°时,可获得无缺陷的焊接接头;当倾斜角为2°时,可获得具有最大剪切强度(14.42 kN)和显微硬度(HV 132)的接头。采用1°和3°倾斜角焊接的接头其剪切强度较差,这是搅拌摩擦焊过程中焊接区域内物料流动不平衡导致的。

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。

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。

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。

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%。

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。

热收缩带热熔胶粘剂湿热老化性能

依据GB/T 2792—1998和GB/T 7124—2008,研究了湿热加速老化对2种热收缩带产品热熔胶粘剂的剥离强度和搭接剪切强度的影响。研究表明:常温条件下,2种产品热熔胶粘剂对环氧底漆钢和主管道PE防腐层的剥离强度和搭接剪切强度随加速老化时间的延长而降低,且剥离强度降低幅度较大。高温条件下,2种产品热熔胶粘剂对环氧底漆钢和主管道PE防腐层的剥离强度和搭接剪切强度受湿热加速老化的影响较小。论述了在热收缩带产品的实验室检测标准中,增加热熔胶粘剂长期粘接性能和"热熔胶粘剂/主管道PE防腐层"结构件剪切性能测试要求的必要性。分析了热熔胶粘剂粘接性能衰减的原因,对于热熔胶粘剂的配方,提出了调节极性组分与非极性组分的匹配性、避免小分子组分、加宽各组分的分子量分布等改进建议。

预固化环氧树脂基复合材料自粘结性能研究

通过拉丝法测定了5228A环氧树脂在不同温度下的凝胶时间,选择了特定的预固化温度;在预固化温度下制备了不同预固化度的碳纤维增强环氧树脂基复合材料,采用DMA测试了预固化复合材料层板的玻璃化转变温度;采用自制粘接模具制备了复合材料自粘结接头,测试了复合材料接头的搭接剪切性能;采用光学显微镜观测了自粘结搭接结构和剪切断口形貌,分析了搭接结构对剪切强度的影响。结果表明:复合材料层板的预固化度<αgel时,接头的搭接剪切强度变化不大,当预固化度>αgel时,接头的搭接剪切强度降低幅度较大;剪切性能受搭接结构的完整性影响较大。

表面打磨对钛合金/聚氨酯电阻焊接性能的影响

采用砂纸表面打磨及碱溶液腐蚀方式改变车用TB6钛合金表面焊接区域的粗糙度,通过扫描电镜及剪切性能测试研究了表面打磨对TB6钛合金/聚氨酯电阻焊接性能的影响。结果表明,350℃下焊接时间80s时可获得性能最优接头,此时搭界剪切强度为6.63MPa。焊接头表面粗糙度1.5μm时凹槽更加明显,宽度为25μm。对焊接头表面打磨处理后,随着粗糙度增加,在钛合金的表面区域形成更大接触角,从而使钛合金表面产生更多处于结合状态的聚氨酯,增大界面结合力,显著提高其力学强度。

湿热环境对碳纤维增强聚苯硫醚层合板感应焊接接头性能的影响

以碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon fiber reinforced polyphenylene sulfide, CF/PPS)复合材料层合板为研究对象,采用感应焊接方法对CF/PPS层板进行了焊接,重点研究了湿热环境对CF/PPS层板焊接接头性能的影响,实验结果表明:吸湿前后PPS树脂未发生化学变化;室温环境下,随着吸湿时间的增加,焊接接头剪切强度逐渐下降,与干态焊接接头相比分别降低了15%、18%、23%、32%和38%,不锈钢网-树脂基体-碳纤维界面处的湿应力不断增大,削弱了焊接接头界面的结合性能,影响了焊接接头的失效形式;120℃环境下,不同吸湿时间焊接接头剪切强度的下降率分别为12%、15%、22%、37%和44%,高温高湿使不锈钢网-树脂基体-碳纤维界面处热应力和湿应力增大,加剧了界面结合的损伤,界面脱粘成为焊接接头主要的失效形式。

国外开发出具有80%~90%伸长率的高延伸环氧树脂

近期,MasterBoml公司开发出一种双组分环氧体系树脂--EP40Med树脂,它兼具韧性和低拉伸模量,同时仍具有较高的搭接剪切强度。这种柔性环氧树脂具有80%~90%的伸长率,11.0~12.4MPa的搭接剪切强度和172.4~344.8MPa的低拉伸模量。