淺析樹脂基復(fù)合材料加工和連接工藝

目前,先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制造大量采用整體成形的共固化及共膠接技術(shù)，大大減少了飛機(jī)機(jī)械連接件的數(shù)量，但由于當(dāng)前共固化及共膠接技術(shù)水平的限制,以及復(fù)合材料不可避免地與金屬連接或開孔等，從使用、安裝和維護(hù)的需要出發(fā)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上仍存在著大量的加工連接問題。與金屬結(jié)構(gòu)相比,復(fù)合材料連接部位是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì),復(fù)合材料有70%以上的破壞都是發(fā)生在連接部位,因此,解決復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加工連接問題,對(duì)減輕結(jié)構(gòu)重量、改善飛行器性能、促進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用具有重要的意義。

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料雖具有一般復(fù)合材料不具備的優(yōu)點(diǎn),但它也存在一定的弱點(diǎn)，如比較脆(斷裂伸長(zhǎng)率僅為1%~ 3%)、層間強(qiáng)度低、抗沖擊能力差，復(fù)合材料在加工連接時(shí)必須解決安裝損傷、容易被拉脫、安裝載荷的不一致性、孔周應(yīng)力高度集中等問題,復(fù)合材料的裝配還要考慮腐蝕等問題,先進(jìn)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中大量采用了電磁兼容、隱身等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對(duì)加工連接以及裝配中的制孔質(zhì)量、所用緊固件、連接裝配方法提出更高的要求。因此,復(fù)合材料加工連接的好壞，將直接影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想、制造質(zhì)量、生產(chǎn)效率，甚至限制復(fù)合材料的應(yīng)用水平。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)在連接、制孔、緊固件、裝配工藝等方面取得較大的進(jìn)展;隨著飛機(jī)用復(fù)合材料量的增多,加工連接的工作有較大增長(zhǎng)。另外,要滿足飛機(jī)日益增長(zhǎng)的新材料、新結(jié)構(gòu)、新功能的要求,因此,復(fù)合材料的技術(shù)應(yīng)用水平的提高，要求連接技術(shù)應(yīng)有較大的發(fā)展，才能跟上復(fù)合材料的發(fā)展速度。

機(jī)械連接

樹脂基復(fù)合材料包含三個(gè)層次的連接:微觀力學(xué)層次的纖維和基體的連接、宏觀層次的層與層之間的粘接以及結(jié)構(gòu)層次的復(fù)合材料零件的連接。

樹脂基復(fù)合材料可以劃分為兩大基本類型:熱塑性基體復(fù)合材料和熱固性基體復(fù)合材料。對(duì)于熱固性基體復(fù)合材料，固化后聚合物的長(zhǎng)鏈之間通過主化學(xué)鍵相互交聯(lián)。因此，熱固性樹脂基復(fù)合材料不能加熱軟化或熔化,也就不能焊接。所以熱固性復(fù)合材料只能通過機(jī)械連接或膠接。

對(duì)于熱塑性材料,聚合物的長(zhǎng)鏈主要由次化學(xué)鍵相互連接。加熱時(shí)，這些鍵會(huì)斷裂，鏈與鏈之間可以相對(duì)移動(dòng)。因此，熱塑性復(fù)合材料可以加熱軟化或熔化,也可以焊接。熱塑性復(fù)合材料也可以通過機(jī)械連接或膠接。

熱塑性復(fù)合材料可以進(jìn)一步分為兩類:非晶態(tài)或半結(jié)晶態(tài)。非晶態(tài)熱塑性材料的鏈?zhǔn)请S機(jī)排列的;半晶態(tài)熱塑性材料在某些區(qū)間內(nèi)鏈?zhǔn)请S機(jī)排列的，而在另外的區(qū)間內(nèi)鏈的排列是有序的。對(duì)于非晶態(tài)聚合物,軟化的臨界溫度是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度;對(duì)于半晶態(tài)高聚物,臨界溫度是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔化溫度。

聚合物基復(fù)合材料的連接方法主要包括三類:機(jī)械連接、膠接和混合連接(機(jī)械緊固和膠接)。其中混合連接法除了用于增強(qiáng)弱膠接區(qū)域或者是消除從膠接端部引發(fā)的I型剝離外很少使用。因此，下面的討論主要集中在前面的兩種連接方法。膠接連接可以劃分為普通膠接和焊接，普通膠接的膠層形成一個(gè)獨(dú)立的相,而焊接是以基體聚合物材料(典型的是熱塑性的塑料)形成連接界面。

特定連接技術(shù)的選擇取決于應(yīng)用需求, 例如載荷強(qiáng)弱,幾何形態(tài)、操作環(huán)境、可靠性權(quán)重以及所選用的聚合物基體體系的成本。作為一般規(guī)律,機(jī)械連接主要用于高載荷、高可靠性、關(guān)鍵連接。膠接和焊接用于優(yōu)先考慮重量和成本的中等載荷的連接場(chǎng)合。對(duì)相似的幾何形狀和加載構(gòu)型,膠接連接具有更好的剛性。

機(jī)械連接有如下優(yōu)點(diǎn):無需表面處理;不受熱循環(huán)及高濕度環(huán)境的負(fù)面影響;易檢可測(cè)。

機(jī)械連接包括鉆孔,適當(dāng)?shù)难b配工藝,以及通常較嚴(yán)格的公差。這些會(huì)提高復(fù)合材料加工的成本。除此之外，由于引入了孔，造成相應(yīng)的應(yīng)力集中，進(jìn)而強(qiáng)度受到限制,增加金屬緊固件還會(huì)增加零件數(shù)量和重量。

樹脂基復(fù)合材料制孔技術(shù)

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、大型化以及要求加工精度的提高，在復(fù)合材料制孔上發(fā)展了大量的機(jī)器人制孔、數(shù)控鉆床制孔、數(shù)控加工中心制孔等來保證先進(jìn)復(fù)合材料制孔要求。

在復(fù)合材料構(gòu)件的連接中,機(jī)械連接占據(jù)著重要的地位,因此，在復(fù)合材料構(gòu)件裝配時(shí)，需加工出成千上萬個(gè)緊固件孔，緊固件孔不僅數(shù)量多,質(zhì)量要求也高，而且難度大，是復(fù)合材料加工中最難的加工工序之一。

由于復(fù)合材料層合板的主要特點(diǎn)之一是層間剪切強(qiáng)度低，這就使得鉆孔中的軸向力容易產(chǎn)生層間分層和出口端的分層，如不加以防范，會(huì)導(dǎo)致昂貴的復(fù)合材料的報(bào)廢。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)復(fù)合材料裝配中，制孔缺陷造成的報(bào)廢要占所有報(bào)廢零件的60%以上。復(fù)合材料制孔的另外一個(gè)主要問題是碳纖維復(fù)合材料的硬度高(62 ~ 65HRC),相當(dāng)于高速鋼的硬度, 因此，對(duì)刀具的磨損特別嚴(yán)重，刀具耐用度很低。如高速鋼鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料時(shí),每刃磨一次僅能鉆削3~5個(gè)孔，因此,無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。在復(fù)合材料制孔加工中還有一個(gè)必須注意的問題:纖維粉塵的污染會(huì)危害人體的健康,而且它的導(dǎo)電性會(huì)使電器設(shè)備和電網(wǎng)短路,所以施工中必須采取安全措施。樹脂基復(fù)合材料的制孔工藝主要包括:硬質(zhì)合金制刀具的選擇、鉆頭幾何參數(shù)的選擇、鉆削工藝參數(shù)的選擇、鉸孔工藝、防止分層的工藝措施等方面。

在復(fù)合材料(或任何材料)中引入開孔會(huì)導(dǎo)致孔邊的應(yīng)力集中，因此,需要在部件鉆孔的機(jī)械連接會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。對(duì)于各向同性彈性材料，無限大板在拉伸載荷作用下孔周圍的應(yīng)力分布由Timoshenko和Goodier給出。