复合材料的连接

3> 缝合密度
缝合可以提高复合材料层合板的层间性能,但 缝合的同时缝针对层合板平面方向的纤维会 造成一定程度的损伤。 缝合密度存在一个最优值,超过这个值不仅会 降低层合板的面内力学性能,对层合板的层间 性能也不利。研究表明,缝合密度为5~6针 /cm2时,获得的材料性能较佳。

4> 缝合方向
A
层合板的整体增韧 结构件的连接 在泡沫夹层复合材料中的应用
B
C
（A）层合板的整体增韧

背景：a)层合板的层间韧性较差,在使用中容易引
起分层,这一缺点大大限制了层合复合材料的应用
基本应用，能明显改进材料的层间韧性、冲击损伤容 限、冲击后压缩强度等性能
b)对预浸层合面板整体增韧是z-pinning的最
分层的存在 将造成复合 材料层合板 结构强度和 刚度的降低, 使其性能得 不到充分的 发挥。
因此,如何抑制 复合材料层合 板的分层损伤, 提高其层间强 度和抗分层、 抗冲击的能力 是使用复合材 料层合板时所 必须解决的问 题
B 技术原理

其原理是通过缝合手段,使复合材料在 垂直于铺层平面的方向得到增强,从而 提高材料层间损伤容限

胶螺混合连接
工艺方法
两种方法 一、连接处预先制孔，涂胶后即安装螺 栓并拧紧，然后使胶层固化形成连接接 头 二、在已固化的胶接接头上制孔安装螺 栓，并拧紧形成连接接头
B. 胶铆连接
胶铆连接一般也可采用两种工艺方法 实 现，一种是在胶层固化后铆接；另一 种是在 胶 层 未 固 化 时 铆接。 为了提高胶－铆接头的强度，最好在 胶粘剂固化后再进行复合材料构件的铆 接；而在胶层未固化时铆接，应当分阶 段对胶层施加所需压力，以减少胶铆接 头连接强度的下降。

缝线不但要求具有高强度、一定的可延 伸性和耐磨损性,而且其性能不应受复 合材料固化的影响。常用的缝线有芳纶 纤维、玻璃纤维(GF)、涤纶和碳纤维CF 等
2> 缝线直径

缝线直径大可提高缝合复合材料的层间 断裂韧性和抗冲击损伤能力。不过,缝 线直径增大会引起复合材料更多面内纤 维损伤,从而使其拉伸、压缩强度降低。
将若干z-pin同时嵌入到 层板中,这种方法效率高, 应用广泛

枪,将z-pin以高速打入预 浸料或干织物铺层的层 板里,但这种单根植入的 方法文献报道并不多见。
B)后来又出现了射钉
方法：一种是利用 热压罐的方法,另外 一种是UAZ(超声波 辅助嵌入)技术。这 两种技术都引入了 泡沫预制件
泡沫预制件

无钻孔引起的应力集中，连接效率高， 适宜连接异形、异质、薄壁、复杂的 零件 结构轻，抗疲劳、密封、减振及绝缘性 能好，有阻止裂纹扩展作用，破损安全 性好，能获得光滑气动外形 不同材料连接无电偶腐蚀问题，工艺简便、 操作容易，可节省能源，因而具有一定的 经济效益
质量控制比较困难
胶接性能受环境（湿、热、 腐蚀介质）的影响
存在一定的老化问题，胶 接连接后一般不可拆卸
表面处理
配胶 叠合 检查
涂胶 清理 整修
晾置 固化
表面处理
目的
方法
为了获得最佳的 表面状态，有助于 形成足够的黏合力
物理机械方法 和化学方法
胶接 表面处理方法
物理机械方法：砂纸打磨和喷砂 化学方法：溶剂清洗与脱脂，铬硫酸浸 蚀，阳极氧化处理和溶胶凝方法等，其 中阳极氧化处理是一种较好的方法

利用柱销增加了复合材料的挤压面积,克服了 复合材料本身挤压强度低及无法实现高载荷 螺纹连接的弱点,有效地解决了复合材料的高 载荷轴向连接问题
应用前景


螺栓-柱销连接结构,可以克服复合材料本身挤压强度 低及无法实现高载荷螺纹连接的弱点,实现复合材料 的高载荷轴向连接问题. 织物复合材料的螺栓-柱销连接结构与传统的金属端 框的连接形式相比、成型工艺简便、接头效率高.在 薄壁复合材料构件传递较大的轴向载荷时,该连接结 构具有较大的应用潜力
增加紧固件或铆钉的 重量
（2）胶接连接
A.胶接连接 概念
B.胶接连接 优点和缺点 C.胶接连接 工艺流程
A. 胶接连接 概念
胶接连接是复合材料结构中较普遍 采用的一种连接方法。 这种连接方法是借助胶粘剂将其胶 接零件连接成不可拆卸的整体，是一种 较实用有效的连接工艺技术，有时还能 为研制生产解决关键性工艺技术
汇报人：秦美君
提纲
一 复合材料主要连接类型
CONTENT
二 复合材料连接应用新进展
“连接”的重要性
首先 增强结构的载荷传递必须有相应的连接方式来解决，
而连接部位一般都是结构的薄弱环节。
其次 影响复合材料连接强度的因素要比金属复杂得多，因为
连接区域含有结构形状的各种间断，由此总是导致局部的应力集 中。其连接的失效模式多而且预测强度较困难。
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缝合对原有纤维分布没有大的影响,而通过调整 缝合参数如缝合密度、缝合花样和跨距可获得一定 程度的整体结构,达到合理的均匀应力状态。
text4
缝合可用于局部增强,尤其对自由边的缝合可 大大降低层间垂直应力,减少自由边脱层。
D 缝合参数
1
缝线类型
2
3 4
缝线直径
缝合密度 缝合方向
1> 缝线类型
UAZ技术
该技术采用了一种超声波发生装置,超声波 可以带动枪头触角高频振动,最大输出功率下, 振幅可达20um,频率20 kHz。接触角头高频震 动可以降低嵌入z-pin需要的作用力,振动产生的 热还可以使树脂软化,易于z-pin的转移
Hale Waihona Puke Baidu
工艺流程：（1）

（2）

（4）
3 .z-pinning 技术应用
方法:(1)将含有z-pin的泡沫预制体放在未固化
的层板需要增韧的部位,套上真空袋
(2)随着温度的升高,预浸层板逐渐软化,泡 沫逐渐融溃,z-pin在热压罐产生的压力作 用下将转移到层板里。

(3)待固化后,将材料从热压罐中取出,用 金刚刀割除多余的泡沫和z-pin,就得到 了z-pin增强层合复合材料

固化方法

方法有：室温固化、加热固化、辐射固 化、微波固化、高频固化等
以下对部分固化方法进行阐述：

高温固化（150度以上） 优点：固化速度快，强度高，耐老化 需要的设备：如热压罐，电烘箱，硫化 机，干燥炉，红外线，电吹风等
加热固化：分为中温固化（120度左右）和

线的照射而达到固化的效果 优点是：极快速，高质量，低耗能，高 效率，适合连续生产
连接
(1) 缝合连接
缝合连接
A 应用背景
B 技术原理
C 工艺特点
D 缝合参数
A 应用背景 Background
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进行复合材料层 合板的轻量化设 计时,必须考虑层 合板的外层屈曲 破坏后,破坏的外 层和内层增强材 料之间将产生剥 离载荷,它将影响 层合板材料的强 度
辐射固化：是指通过紫外线、电子束、Y射
微波固化：优点是修复速度快，效能高，
修复后的静强度可以恢复到原材料的102.9% 缺点是当微波照射下会发生电磁激励作 用，从而将胶粘剂中的磁性分子和被胶粘物发 生物理化学变化 设备：微波修复器（全军装备维修表面 工程研究中心研制）
检查方法 1
目测法
2
敲击法
3
溶剂法
第三 这些特点使复合材料连接强度问题变得更复杂，必须予
以足够的重视。
(1)

机械连接
复合材料的机械连接是指将一复合 材料和另一复合材料（或金属或合金） 通过紧固件连接成为一整体

机械连接
优点
便于检查质量，安全 可靠， 强度分散性 小，能传递大载 荷
缺点
开孔引起应力集中降 低了连接效率
便于装卸，对零件连接 表面的准备及处理要求 不高，无胶接固化产生 的残余应力，受环境影 响较小
背景：复合材料的连接大多采用胶接、机械
z-pin连接的优点

研究表明：z-pinning是连接件抵抗分层很有 效的方法, 能显著提高搭接结构件的强度和疲 劳寿命。
Freitas等人证明z-pin增强加劲肋的拉脱强度增加了2. 3~2. 6倍。Paul Chang实验表明z-pin对单搭制件的抗 拉强度可提高40%,伸长率提高55%,疲劳强度增加40%
C 工艺特点
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缝合工艺具备多样性，如铺层方向、铺层距 离和纤维织构可以调整,可以由预浸带经缝合-固 化而成型,也可以由预成型织物工艺经缝合-浸润 -固化而成型
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缝合不仅是一种增强技术,而且也是一种连接技术, 与复合材料的其它连接技术如粘结、铆接相比,缝 合材料整体性强、不易产生局部应力集中,因此为 制作大型复合材料制件提供了一种有效手段
比较 Compare
Z-pin Un z-pin
TITLE Click to add text
z-pin增强层合复合材料能够保持 89% ~98%的面内抗拉强度,使层间断 裂韧性提高18倍,使冲击损伤区域减少 50 %
DIAGRAM
（B）结构件的连接

连接。 （a）胶接连接方式容易由于较弱的胶接 层发生破坏而导致结构失效。 (b)而机械连接一方面增加整个结构的 质量,另一方面在层合板上钻孔,会引起应力集 中和自由边效应引起材料的疲劳破坏。 而z-pin连接能够很好地改善和克服这些不足
连接方法 优选原则
一、当承载较大，可靠性 要求较高时，宜采用机械连接
二、当承载较小、构件较薄、 环境条件 不十分恶劣时，
宜采用胶接连接
三、在某些特殊情况下， 为提高结构的破损 －安全 特性时，可采用混合连接
二. 复合材料连接应用 新进展
缝合 连接
New Joint
z-pinning 连接 螺栓-柱销

目的：为防止z-pin在嵌入层板的过程中发生
屈曲,先将原卷绕贮存的z-pin切割,以一定密度 正交植入泡沫中得到泡沫预制件
制作：泡沫采用两种材料组合而成，低密度
泡沫置于的上层,在嵌入z-pin前对z-pin起到支撑 作用；中密度泡沫置于下层,防止z-pin在受力的 情况下发生弯曲
热压罐嵌入法

这种z-pinning技术整个嵌入过程是在热压 罐中实现的，这种方法适于平面层合板

缝合方向对复合材料的性能影响较 大,常采用的缝合角度为0º 、45º 和90º 。 缝合方向对正交对称层合板的拉伸强度 有较大影响, 0º 缝合引起的强度降小,45º 和90º 缝合引起的强度降基本相同
缝合对复合材料力学性能影响
缝合对复合材料平面性能的影响 (1)面内拉伸强度 (2)面内弯曲性能 (3)面内压缩强度 缝合对复合材料层间性能的影响
2.种类
z-pinning技术可分为两大类, （1）单根植入式，就是将一根根z-pin

分别嵌入未固化的层板里
（2）整体嵌入式，将若干z-pin同时嵌入到
层板中,这种方法效率高,应用广泛

单根植入式
A)采用手工方式将金

整体嵌入式
属短棒单独的嵌入到层 合板内,对于生产大型的 复合材料来说,并不适用。

(2) z-pinning连接
1.概念 2.种类 3. z-pinning技术应用
1.概念

z-pinning 技术主要用于增强铺层预浸料 或泡沫夹层复合材料，它借鉴了缝合复合材 料中不连续缝线方法，在固化前的预浸料或 泡沫夹层厚度方向直接嵌入刚性的短棒，这 种短棒通常称为 z-pin
z-pin 材料可以用金属（不锈钢、铝合金 和钛合金等）或非金属（碳纤维，玻璃纤维 和 Kevlar 等纤维）。

（C）在泡沫夹层复合材料中的应用
z-pin增强泡沫夹层复合材料弥补了传统泡沫 夹层材料的剪切、压缩性能较低、面板与芯材 易发生脱粘破坏及由于进水导致的整体失稳等 缺点
(3) 螺栓-柱销连接
1.原理 2.应用前景

原理

螺柱-柱销连接是在复合材料板的垂直方向安 装连接柱销,在轴线方向安装螺柱,柱销上有连 接螺纹,螺柱和柱销采用螺纹连接,以实现复合 材料的轴向连接
试压法
测量法
4
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超声波法 X射线法 激光法 声阻法 等
6
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(3)二者兼有的连接
A、胶螺连接
B、胶铆连接
A.胶螺连接
胶螺混合连接： 一般是从结构的破损安全角度考虑， 用于提高连接接头的安全裕度以及结构 修补 胶螺混合连接有利于提高接头的承载 力及疲劳寿命

料。
金属 z-pin 常用于对层间剪切性能要求高的复合材
非金属 z-pin 目前采用碳纤维的居多，主要用于材
料的常规增韧

z-pin 的直径一般在0.2mm~1.0mm 之间，最常用
的有 0.28mm 和 0.51mm 两种。对于增强后的层板来 说，相同植入密度下，z-pin 的直径越小对材料面内 性能损伤越小，但成本相对较高。z-pin 在层板中的 体积分数一般在 0.5％ ~4％