本發(fā)明涉及異質(zhì)材料連接結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，尤其是涉及一種復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的制造方法。

背景技術(shù)：

相比傳統(tǒng)的金屬材料，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、各向異性、耐疲勞、耐腐蝕、性能可設(shè)計(jì)和多功能性等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用對(duì)促進(jìn)航空航天裝備的輕量化和高性能化具有至關(guān)重要的作用。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用不可避免會(huì)遇到復(fù)合材料與金屬這兩種異質(zhì)材料的連接問(wèn)題，如在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上大量存在的井字梁接頭、桁條等金屬件與復(fù)合材料蒙皮之間的連接。

現(xiàn)有的該連接結(jié)構(gòu)的制造方法，在小型結(jié)構(gòu)上應(yīng)用時(shí)，可以利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行定位鉆孔。但應(yīng)用到大型結(jié)構(gòu)時(shí)，鉆孔無(wú)法在數(shù)控機(jī)床完成。為保證孔的精確定位，需要開(kāi)發(fā)適用于大型結(jié)構(gòu)的鉆孔方法。此外由于孔很小且需要保證被連接件的相對(duì)位置，傳統(tǒng)的利用已固化的膠粘膜先固定位置再打孔的方法容易導(dǎo)致鉆頭折斷(鉆頭直徑低于1毫米)。因此，需要開(kāi)發(fā)一種能夠解決現(xiàn)有連接工藝所存在問(wèn)題的新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的制造方法，本發(fā)明方法既能保證大型連接件孔間的精確定位，又解決了在已固化膠膜上打孔鉆頭易斷等問(wèn)題。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：

(1)表面處理：對(duì)金屬件與復(fù)合材料件搭接區(qū)域表面進(jìn)行丙酮清洗、干燥、打磨、再清洗、再干燥的處理，尤其是金屬與復(fù)合材料搭接區(qū)域；

(2)鋪膠：在經(jīng)表面處理過(guò)的金屬件與復(fù)合材料件搭接區(qū)域鋪膠，使得金屬件與復(fù)合材料件通過(guò)質(zhì)檢的膠粘膜實(shí)現(xiàn)搭接區(qū)域的預(yù)定位；

(3)搭接區(qū)域定位打孔：利用定位打孔夾具在金屬件與復(fù)合材料件的搭接區(qū)域進(jìn)行可重復(fù)定位鉆孔；

(4)插入涂有膠粘劑的細(xì)針：首先對(duì)細(xì)針進(jìn)行表面處理，然后在細(xì)針表面和貫穿于金屬件與復(fù)合材料件的孔中均勻涂抹膠粘劑，之后將涂有膠粘劑的細(xì)針插入孔中；

(5)加溫加壓固化：在高溫環(huán)境下保持一定時(shí)長(zhǎng)，固化過(guò)程中要保持金屬件與復(fù)合材料件之間的壓力，然后溫度自然降至室溫，得到復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)。

貫穿于金屬件的孔與貫穿于復(fù)合材料件的孔位置重合。

所述復(fù)合材料件的材質(zhì)為已固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

膠粘區(qū)域包括金屬件與復(fù)合材料件的貼合區(qū)域，以及細(xì)針與被連接件上孔的貼合區(qū)域。

步驟(3)中所述的定位打孔夾具包含上夾具與下夾具，上夾具下側(cè)形成置放復(fù)合材料件的腔體，下夾具上側(cè)形成置放金屬件的腔體，在下夾具置放金屬件的腔體下側(cè)為碎屑槽，置放復(fù)合材料件的腔體一端閉合，另一端為復(fù)合材料件延伸出去的開(kāi)口，置放金屬件的腔體一端閉合，另一端為金屬件延伸出去的開(kāi)口，所述的上夾具與下夾具的端部設(shè)置緊固螺栓孔，所述的上夾具上設(shè)置有導(dǎo)向孔，使用時(shí)，將復(fù)合材料件放置于上夾具內(nèi)，金屬件放置于下夾具內(nèi)，在兩側(cè)緊固螺栓孔中通過(guò)緊固螺栓夾緊固定后，鉆頭通過(guò)上夾具上的導(dǎo)向孔對(duì)金屬件與復(fù)合材料件搭接區(qū)域進(jìn)行打孔。

上夾具上所述的導(dǎo)向孔直徑為0.5-1.5mm之間，導(dǎo)向孔之間互相平行，導(dǎo)向孔可以垂直分布也可以成一定角度分布。

步驟(4)中所述的細(xì)針可以為碳纖維束或金屬細(xì)針，其兩端與被連接的復(fù)合材料件與金屬件表面平齊。

步驟(4)中將涂有膠粘劑的細(xì)針插入孔中的方法可以為手工操作，也可以通過(guò)襯套導(dǎo)引，空氣壓入等半自動(dòng)化方式將細(xì)針嵌入孔中。

步驟(5)中所述的固化方法由膠粘劑的種類(lèi)決定，連接結(jié)構(gòu)可以在室溫下完成固化，也可以采用電熱毯或微波加熱等局部加熱方法完成固化，還可以在溫度箱中完成固化。

步驟(5)中所述固化過(guò)程中要保持一定壓力，可以用緊固螺栓實(shí)現(xiàn)，也可以用真空袋壓縮實(shí)現(xiàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

本發(fā)明采用定位打孔夾具進(jìn)行可重復(fù)定位鉆孔，克服了大型結(jié)構(gòu)上對(duì)連接件打孔時(shí)定位不準(zhǔn)的問(wèn)題。此外，本發(fā)明在膠膜未固化前利用定位打孔夾具進(jìn)行打孔，解決了膠膜固化后打孔由于膠層阻擋導(dǎo)致鉆頭易折斷的問(wèn)題。通過(guò)該方法制造的連接件有效解決機(jī)械連接孔邊應(yīng)力集中、重量大等缺點(diǎn)，以及膠接分散性大、可靠性低等缺點(diǎn)。而且通過(guò)本發(fā)明得到的連接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，提高復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的承載能力和可靠性，并降低連接結(jié)構(gòu)破壞的突發(fā)性。而且本發(fā)明能夠適用于大型結(jié)構(gòu)連接件，工藝簡(jiǎn)單，成本低，有較強(qiáng)的推廣性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明制造方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明所針對(duì)的復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的可重復(fù)定位鉆孔夾具示意圖；

圖4是本發(fā)明的試驗(yàn)件進(jìn)行定位鉆孔加工示意圖。

圖中，1是復(fù)合材料件，2是細(xì)針，3是膠粘膜，4是金屬件，5是上夾具，6是下夾具，7是緊固螺栓孔，8是碎屑槽，9是導(dǎo)向孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例

一種復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的制造方法，如圖1所示，包括以下步驟：

(1)原材料準(zhǔn)備：復(fù)合材料件和金屬件為165mm×100mm×3mm各一塊，Hysol EA9696中溫固化膠膜，AB膠，直徑為1mm，長(zhǎng)度為6mm的不銹鋼細(xì)針。

(2)表面處理：對(duì)金屬件與復(fù)合材料件搭接區(qū)域表面進(jìn)行丙酮擦拭，等干燥后先用500目粗砂紙打磨表面，隨后再用2000目細(xì)砂紙打磨表面，然后再次用丙酮清洗，放置在通風(fēng)處等待自然干燥；

(3)鋪膠：在經(jīng)表面處理過(guò)的金屬件與復(fù)合材料件搭接區(qū)域鋪Hysol EA9696膠粘膜，在常溫(未固化)下加一定壓力并放置30分鐘，使得金屬件與復(fù)合材料件通過(guò)質(zhì)檢的膠粘膜實(shí)現(xiàn)搭接區(qū)域的預(yù)定位；

(4)搭接區(qū)域定位打孔：利用定位打孔夾具在金屬件與復(fù)合材料件的搭接區(qū)域進(jìn)行可重復(fù)定位鉆孔；

(5)插入涂有膠粘劑的細(xì)針：首先對(duì)細(xì)針進(jìn)行表面處理，打磨、清洗、干燥，然后在細(xì)針表面和貫穿于金屬件與復(fù)合材料件的孔中均勻涂抹膠粘劑，之后將涂有膠粘劑的細(xì)針插入孔中；

(6)加溫加壓固化：將打好孔的試件和夾具一起放入120℃的溫度箱中保持60分鐘，固化過(guò)程中要保持粘接件之間的壓力(200kPa)，關(guān)閉溫度箱，將連接件溫度自然降至室溫。

(7)分剪與檢驗(yàn)

將固化后的整個(gè)連接件分剪成寬度為25mm的5個(gè)連接件，之后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)對(duì)每個(gè)連接件進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試，經(jīng)測(cè)試本實(shí)施例所得復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，克服了常規(guī)機(jī)械連接導(dǎo)致的孔邊應(yīng)力集中問(wèn)題，提高了復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)的承載能力和可靠性，并降低連接結(jié)構(gòu)破壞的突發(fā)性。而且本發(fā)明能夠適用于大型結(jié)構(gòu)連接件，工藝簡(jiǎn)單，成本低，有較強(qiáng)的推廣性。

如圖2所示本實(shí)施例的復(fù)合材料與金屬連接結(jié)構(gòu)包括：帶有通孔的復(fù)合材料件1，涂有膠粘劑的細(xì)針2，位于貼合面的膠粘膜3，帶有通孔的金屬件4。

其中，貫穿于金屬件的孔與貫穿于復(fù)合材料件的孔位置重合。

本實(shí)施例中，復(fù)合材料件的材質(zhì)為已固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

本實(shí)施例中，膠粘區(qū)域包括金屬件與復(fù)合材料件的貼合區(qū)域，以及細(xì)針與被連接件上孔的貼合區(qū)域。

如圖3、圖4所示，步驟(3)中定位打孔夾具包含上夾具5與下夾具6，上夾具5下側(cè)形成置放復(fù)合材料件的腔體，下夾具6上側(cè)形成置放金屬件的腔體，在下夾具6置放金屬件的腔體下側(cè)為碎屑槽8，置放復(fù)合材料件的腔體一端閉合，另一端為復(fù)合材料件延伸出去的開(kāi)口，置放金屬件的腔體一端閉合，另一端為金屬件延伸出去的開(kāi)口，上夾具5與下夾具6的端部設(shè)置緊固螺栓孔7，上夾具5上設(shè)置有導(dǎo)向孔9，使用時(shí)，將復(fù)合材料件1放置于上夾具5內(nèi)，金屬件4放置于下夾具6內(nèi)，在兩側(cè)緊固螺栓孔7中通過(guò)緊固螺栓夾緊固定后，鉆頭通過(guò)上夾具5上的導(dǎo)向孔9對(duì)復(fù)合材料件1與金屬件4搭接區(qū)域進(jìn)行打孔。參考ASTM D1002-10標(biāo)準(zhǔn)，為保證試驗(yàn)件的一致性，降低試驗(yàn)結(jié)果的分散性，在專(zhuān)有夾具上分布5組孔，每組分布著5*3共15個(gè)孔。

上夾具8上導(dǎo)向孔9直徑為0.5-1.5mm之間，導(dǎo)向孔9之間互相平行，導(dǎo)向孔可以垂直分布也可以成一定角度分布。

步驟(4)中細(xì)針可以為碳纖維束或金屬細(xì)針，其兩端與被連接的復(fù)合材料件與金屬件表面平齊。

步驟(4)中將涂有膠粘劑的細(xì)針插入孔中的方法可以為手工操作，也可以通過(guò)襯套導(dǎo)引，空氣壓入等半自動(dòng)化方式將細(xì)針嵌入孔中。

步驟(5)中固化方法由膠粘劑的種類(lèi)決定，連接結(jié)構(gòu)可以在室溫下完成固化，也可以采用電熱毯或微波加熱等局部加熱方法完成固化，還可以在溫度箱中完成固化。

步驟(5)中所述固化過(guò)程中要保持一定壓力，可以用緊固螺栓實(shí)現(xiàn)，也可以用真空袋壓縮實(shí)現(xiàn)。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。