本公開涉及異種材料的連接技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，復(fù)合材料由于其具有很高的比強(qiáng)度和比剛度以及很好的抗疲勞和耐腐蝕性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軍事及體育用品等工程領(lǐng)域。在應(yīng)用過程當(dāng)中，不可避免地需要把復(fù)合材料與其他異種材料尤其是金屬材料進(jìn)行連接以結(jié)合各自材料的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前復(fù)合材料與金屬的連接主要有膠接、機(jī)械連接和混合連接三種。其中機(jī)械連接可以傳遞較大的載荷，然而其需要在結(jié)構(gòu)中開孔，造成復(fù)合材料纖維破壞并在孔的周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，此外由于需要引入較重的金屬緊固件，不利于結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)?；旌线B接方式綜合了膠接和機(jī)械連接方法，然而其往往會(huì)導(dǎo)致更高的成本及更大的重量。膠接連接不需要開孔，不需要較重的金屬緊固件因此不會(huì)引起應(yīng)力集中并且接頭較輕，價(jià)格較低，但是其承載能力和連接強(qiáng)度卻相對較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的目的是提供一種復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接結(jié)構(gòu)及其制備方法，本公開提供的膠接連接結(jié)構(gòu)低成本、設(shè)計(jì)制造簡單和連接強(qiáng)度高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本公開提供一種復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接結(jié)構(gòu)，該膠接連接結(jié)構(gòu)包括復(fù)合材料連接板、金屬連接件和補(bǔ)強(qiáng)片，所述金屬連接件包括相互平行且沿水平方向間隔設(shè)置的第一子連接板、第二子連接板以及連接所述第一子連接板和第二子連接板的第三子連接板，所述第一子連接板設(shè)置于第二子連接板側(cè)上方，所述第三子連接板與所述第一子連接板和第二子連接板在長度方向上所形成的連接角α為20-90°，所述復(fù)合材料連接板通過第一膠接層與所述第二子連接板和第三子連接板相貼合，所述補(bǔ)強(qiáng)片設(shè)置于所述第一子連接板和復(fù)合材料連接板的上方且通過第二膠接層同時(shí)連接所述第一子連接板和復(fù)合材料連接板。

可選的，所述連接角α為45-90°。

可選的，所述金屬連接件的材料為選自鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金中的至少一種；所述復(fù)合材料連接板的材料為高分子基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中所述高分子基體為熱塑性樹脂和/或熱固性塑料，所述纖維為選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和天然纖維中的至少一種。

可選的，所述第一膠接層和第二膠接層的材料各自獨(dú)立地為環(huán)氧樹脂和/或聚氨酯；所述補(bǔ)強(qiáng)片的材料為高分子基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中所述高分子基體為熱塑性樹脂和/或熱固性塑料，所述纖維為選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和天然纖維中的至少一種。

可選的，與所述第一膠接層和第二膠接層相接觸的金屬連接件的表面經(jīng)過表面處理，其中，所述表面處理為選自機(jī)械打磨、砂紙打磨、噴丸處理、陽極氧化、酸處理、激光刻蝕和等離子噴涂中的至少一種。

本公開還提供一種復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括：a、制備金屬連接件，其中，所述金屬連接件包括相互平行且沿水平方向間隔設(shè)置的第一子連接板、第二子連接板以及連接所述第一子連接板和第二子連接板的第三子連接板，所述第一子連接板設(shè)置于第二子連接板側(cè)上方，所述第三子連接板與所述第一子連接板和第二子連接板在長度方向上所形成的連接角α為20-90°；b、將復(fù)合材料連接板通過第一膠接層與所述第二子連接板和第三子連接板相貼合；c、將補(bǔ)強(qiáng)片設(shè)置于所述第一子連接板和復(fù)合材料連接板的上方且通過第二膠接層同時(shí)連接所述第一子連接板和復(fù)合材料連接板。

可選的，所述連接角α為45-90°。

可選的，所述金屬連接件的材料為選自鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金中的至少一種；所述復(fù)合材料連接板的材料為高分子基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中所述高分子基體為熱塑性樹脂和/或熱固性塑料，所述纖維為選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和天然纖維中的至少一種。

可選的，所述第一膠接層和第二膠接層的材料各自獨(dú)立地為環(huán)氧樹脂和/或聚氨酯；所述補(bǔ)強(qiáng)片的材料為高分子基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中所述高分子基體為熱塑性樹脂和/或熱固性塑料，所述纖維為選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和天然纖維中的至少一種。

可選的，在步驟b之前，將與所述第一膠接層和第二膠接層相接觸的金屬連接件的表面進(jìn)行表面處理，其中，所述表面處理為選自機(jī)械打磨、砂紙打磨、噴丸處理、陽極氧化、酸處理、激光刻蝕和等離子噴涂中的至少一種。

本公開將金屬連接件設(shè)計(jì)為具有20-90°的連接角，并且采用補(bǔ)強(qiáng)片對復(fù)合材料連接板和金屬連接件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，提高了膠接連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

本公開的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本公開的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本公開，但并不構(gòu)成對本公開的限制。在附圖中：

圖1是本公開膠接連接結(jié)構(gòu)一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本公開膠接連接結(jié)構(gòu)另一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明

1復(fù)合材料連接板2金屬連接件3補(bǔ)強(qiáng)片

21第一子連接板22第二子連接板23第三子連接板

41第一膠接層42第二膠接層

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本公開的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說明和解釋本公開，并不用于限制本公開。

在本公開中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如“上、下”通常是指附圖方向的上下。

如圖1-2所示，本公開提供一種復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接結(jié)構(gòu)，該膠接連接結(jié)構(gòu)包括復(fù)合材料連接板1、金屬連接件2和補(bǔ)強(qiáng)片3，所述金屬連接件2包括相互平行且沿水平方向間隔設(shè)置的第一子連接板21、第二子連接板22以及連接所述第一子連接板21和第二子連接板22的第三子連接板23，所述第一子連接板21設(shè)置于第二子連接板22側(cè)上方，所述第三子連接板23與所述第一子連接板21和第二子連接板22在長度方向上所形成的連接角α為20-90°，所述復(fù)合材料連接板1通過第一膠接層41與所述第二子連接板22和第三子連接板23相貼合，所述補(bǔ)強(qiáng)片3設(shè)置于所述第一子連接板21和復(fù)合材料連接板1的上方且通過第二膠接層42同時(shí)連接所述第一子連接板21和復(fù)合材料連接板1。

本公開在復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接中，對金屬連接件引入連接角設(shè)計(jì)，從而減少了連接結(jié)構(gòu)在拉伸或壓縮載荷下由載荷偏心所引起的剝離效應(yīng)，此外通過在連接結(jié)構(gòu)中引入補(bǔ)強(qiáng)片，從而大大提高連接結(jié)構(gòu)在拉伸、壓縮及彎曲載荷下的承載能力和連接強(qiáng)度。該結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，成本低廉，相對于原始單搭接及折曲搭接連接結(jié)構(gòu)具有顯著提高的承載能力和連接強(qiáng)度，相對于雙搭接連接結(jié)構(gòu)具有較低的成本和輕量化效果。

本公開發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，異種材料膠接的強(qiáng)度與連接角具有直接關(guān)系。如圖1-2所示，所述連接角為三塊子連接板在各自的長度方向或在豎直平面內(nèi)所形成的角度，且經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，隨著連接角的增加，連接結(jié)構(gòu)的載荷增加，因此，所述連接角α優(yōu)選為45-90°，更優(yōu)選為60-90°，進(jìn)一步優(yōu)選為75-90°，更進(jìn)一步優(yōu)選為85-90°，最優(yōu)選為90°。根據(jù)外載荷類型以及大小可以對連接角進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)本公開，金屬連接件與復(fù)合材料連接板為異種材料，例如，所述金屬連接件2的材料可以為選自鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金中的至少一種；復(fù)合材料連接板的材料可以為非金屬材料，優(yōu)選為高分子復(fù)合材料，更優(yōu)選為高分子基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中所述高分子基體可以為熱塑性樹脂和/或熱固性塑料，所述熱塑性樹脂可以為環(huán)氧樹脂、酚醛、雙馬來酰亞胺和聚酰亞胺等，所述熱固性塑料可以為尼龍、聚醚醚酮、聚醚砜等，所述纖維為選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和天然纖維中的至少一種，也可以為其它有機(jī)或無機(jī)纖維。纖維的類型可以包括短纖維、長纖維及連續(xù)纖維等。所述復(fù)合材料連接板可以使用注塑成型、模壓成型或采用熱壓罐、樹脂傳遞模塑成型等工藝制備。

根據(jù)本公開，膠接層是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，用于膠接金屬連接件、復(fù)合材料連接板和補(bǔ)強(qiáng)片，例如所述第一膠接層41和第二膠接層42的材料可以各自獨(dú)立地為環(huán)氧樹脂和/或聚氨酯，膠接層的厚度及膠接區(qū)的長度和大小可以根據(jù)外載荷的類型及大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；補(bǔ)強(qiáng)片也是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，可以為各種材料，例如所述補(bǔ)強(qiáng)片的材料可以為高分子基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中所述高分子基體可以為熱塑性樹脂和/或熱固性塑料，所述熱塑性樹脂可以為環(huán)氧樹脂、酚醛、雙馬來酰亞胺和聚酰亞胺等，所述熱固性塑料可以為尼龍、聚醚醚酮、聚醚砜等，所述纖維為選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和天然纖維中的至少一種，也可以為其它有機(jī)或無機(jī)纖維。纖維的類型可以包括短纖維、長纖維及連續(xù)纖維等。補(bǔ)強(qiáng)片大小、厚度及纖維鋪層角度或編織角度和方式可以根據(jù)外載荷的類型及大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量避免載荷偏心。

根據(jù)本公開，為了增加金屬連接件與復(fù)合材料連接板和補(bǔ)強(qiáng)片的連接強(qiáng)度，與所述第一膠接層41和第二膠接層42相接觸的金屬連接件2的表面可以經(jīng)過表面處理，其中，所述表面處理可以為選自機(jī)械打磨、砂紙打磨、噴丸處理、陽極氧化、酸處理、激光刻蝕和等離子噴涂中的至少一種。經(jīng)過表面處理的金屬連接件其表面積增加，從而使金屬連接件與膠接層的膠接面積增加，提高了膠接強(qiáng)度。

如圖1-2所示，本公開還提供一種復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括：a、制備金屬連接件2，該制備方式可以為一體式?jīng)_壓成型或分段式焊接成型，其中，所述金屬連接件2包括相互平行且沿水平方向間隔設(shè)置的第一子連接板21、第二子連接板22以及連接所述第一子連接板21和第二子連接板22的第三子連接板23，所述第一子連接板21設(shè)置于第二子連接板22側(cè)上方，所述第三子連接板23與所述第一子連接板21和第二子連接板22在長度方向上所形成的連接角α為20-90°；b、將復(fù)合材料連接板1通過第一膠接層41與所述第二子連接板22和第三子連接板23相貼合；該第一膠接層可以通過膠膜或共固化的形式形成；c、將補(bǔ)強(qiáng)片3設(shè)置于所述第一子連接板21和復(fù)合材料連接板1的上方且通過第二膠接層42同時(shí)連接所述第一子連接板21和復(fù)合材料連接板1；該第二膠接層也可以通過膠膜或共固化的形式形成。

本公開在復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接制備過程中，對金屬連接件引入連接角設(shè)計(jì)，從而減少了連接結(jié)構(gòu)在拉伸或壓縮載荷下由載荷偏心所引起的剝離效應(yīng)，此外通過在連接結(jié)構(gòu)中引入補(bǔ)強(qiáng)片，從而大大提高連接結(jié)構(gòu)在拉伸、壓縮及彎曲載荷下的承載能力和連接強(qiáng)度。該結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，成本低廉，相對于原始單搭接及折曲搭接連接結(jié)構(gòu)具有顯著提高的承載能力和連接強(qiáng)度，相對于雙搭接連接結(jié)構(gòu)具有較低的成本和輕量化效果。本公開復(fù)合材料與金屬材料連接結(jié)構(gòu)制作過程簡單，成本較低，但效果顯著，對于制造高性能的復(fù)合材料與金屬材料的膠接連接結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本公開，但是并不因此而限制本公開。

實(shí)施例1

該實(shí)施例所使用的復(fù)合材料連接板為碳纖維與玻璃纖維混合三維編織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(商業(yè)牌號(hào)為rim935/rimh936)，金屬連接件為普通鋼板，膠膜采用聚氨酯(商業(yè)牌號(hào)為dowbetaforce9050s)。

具體的制作步驟如下：

1.采用沖壓的方式把鋼板加工一個(gè)90°連接角，鋼板厚度為1.2mm，所形成第二子連接板22的長度為13.7mm，寬度為25mm，第三子連接板23的長度2.6mm，寬度為25mm。

2.采用厚度為1mm、寬度為25mm、長度為25mm并與復(fù)合材料連接板相同的復(fù)合材料作為補(bǔ)強(qiáng)片。

3.采用0.6mm厚的膠膜把復(fù)合材料連接片，金屬連接片及復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)片膠接在一起，所得連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過采用abaqus軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為4229.9n，極限彎曲載荷為1317.6n。

實(shí)施例2

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于步驟1中連接角沖壓為45°。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為3847.0n，極限彎曲載荷為1105.4n。

實(shí)施例3

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于步驟1中連接角沖壓為30°。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為3441.0n，極限彎曲載荷為1028.0n。

實(shí)施例4

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于步驟1中連接角沖壓為60°。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為3925.1n，極限彎曲載荷為1220.9n。

實(shí)施例5

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于步驟1中連接角沖壓為75°。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為4095.0n，極限彎曲載荷為1222.9n。

實(shí)施例6

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于步驟1中連接角沖壓為85°。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為4181.1n，極限彎曲載荷為1311.0n。

對比例1

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于不設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)片3。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為2072.3n，極限彎曲載荷為307.3n。

對比例2

與對比例1基本相同，不同之處在于步驟1中鋼板不進(jìn)行沖壓，且鋼板與復(fù)合材料連接板的連接長度等于第三子連接板23和第二子連接板22的長度之和，即采用單搭接形式進(jìn)行連接。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為3093.9n，極限彎曲載荷為254.6n。

對比例3

與實(shí)施例2基本相同，不同之處在于，同時(shí)將鋼板和復(fù)合材料連接板沖壓45°的連接角，然后將二者采用折曲連接的方式采用膠膜進(jìn)行連接，不設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)片。通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為1838.2n，極限彎曲載荷為294.5n。

對比例4

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于將復(fù)合材料連接板替換為鋼板，通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為4162.57n，極限彎曲載荷為261.9n。

對比例5

與實(shí)施例2基本相同，不同之處在于將復(fù)合材料連接板替換為鋼板，通過試驗(yàn)和分析計(jì)算可知，該連接結(jié)構(gòu)的極限拉伸載荷為4786.7n，極限彎曲載荷的彎曲載荷為271.6n。

通過實(shí)施例1-6可以看出，本公開的膠接連接結(jié)構(gòu)極限拉伸荷載、極限彎曲荷載和壓縮承載能力高，且隨著連接角的增加而增加。

通過與對比例1-3的對比可知，不設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)片的連接結(jié)構(gòu)、單搭接連接結(jié)構(gòu)和折曲連接結(jié)構(gòu)，均會(huì)降低極限拉伸荷載和極限彎曲荷載。

通過對比例4-5可知，相比于異種材料膠接，同種材料膠接的極限拉伸載荷和極限彎曲載荷并非隨著連接角增加而增加。

本公開復(fù)合材料與金屬材料膠接連接結(jié)構(gòu)制作過程簡單，成本較低，效果顯著，對于汽車、航空航天等領(lǐng)域內(nèi)制造高性能的復(fù)合材料與金屬材料的連接結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義和工程價(jià)值。

以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本公開的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本公開并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本公開的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本公開的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本公開的保護(hù)范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本公開對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本公開的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本公開的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本公開所公開的內(nèi)容。