碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接工艺

本文针对航空器结构用碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料为研究对象，开展电阻焊接工艺研究；利用CF/PPS复合材料混编织物作为电阻元件，成功制备了CF/PPS复合材料层板电阻焊接接头；重点利用Taguchi方法和方差分析获取CF/PPS复合材料层板电阻焊接最佳工艺参数(电流为12 A，压力为1.5 MPa，时间为30 min)及各参数对焊接接头剪切强度的贡献(电流为83.37%，压力为9.55%，时间为6.02%)。最佳焊接工艺参数焊接的接头单搭接剪切强度约为17.88 MPa；同时，对最佳参数焊接试样(H-LSS)和较低剪切强度试样(L-LSS)的焊接接头截面和剪切失效断口形貌进行了观察和分析。结果表明:H-LSS试样的焊缝区域树脂填充和浸润良好，且主要剪切失效形式为层间剪切失效，即为纤维与树脂基体脱黏及CF/PPS织物复合材料断裂混合失效；L-LSS试样的焊缝区域树脂填充和浸润较差，存在较多空隙，且剪切失效形式为焊缝界面脱黏失效。      

短切纤维对复合材料焊接强度的增强作用

研究短切纤维作为增强剂对复合材料焊接界面的强化效果。以不锈钢网作为加热体,利用脉冲电阻焊接技术连接玻璃纤维增强聚醚酰亚胺(GF/PEI)层合板。对芳纶纤维(AF)、玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强剂的焊件分别进行单搭接剪切实验,以评估焊接头的强度。结果表明,纤维通过与不锈钢网加热体共同承担焊接头的力学性能来实现焊接界面强化。断口分析显示,在纤维的增强作用下,焊接初期主要失效模式均为纤维和基体剥离;焊件强度达到最佳时,失效模式转变为不锈钢网加热体和纤维同时撕裂。     

基于碳纤维表面修饰制备碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)热塑性复合材料

碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)复合材料是重要的热塑性航空复合材料,其难点为提高碳纤维(CF)与基体的浸润性及界面强度。探讨了CF表面修饰对CFF/PPS界面结合强度的影响,对比了热处理去浆及三种表面修饰剂对碳纤维单丝及CFF/PPS复合材料的改性效果。采用X射线光电子能谱分析(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、单丝强度测试、复合材料静力学测试和动态力学分析等手段对CF表面修饰效果进行评价,建立了基于CF表面修饰制备高性能CFF/PPS热塑性航空复合材料的方法。制备的复合材料层间剪切强度达91.4MPa,弯曲强度953.7MPa,拉伸强度797.4MPa,模量68.4GPa,冲击强度58.3kJ/m2,用SEM观察到CF表面包覆大量PPS树脂。     

湿热环境对抽油杆CF/VE拉挤复合材料的影响

研究了95℃蒸馏水环境中油田抽油杆用碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)拉挤复合材料的吸湿特性,以及材料的力学性能和动态热机械性能的变化,并观察了湿热老化前后该复合材料的表面和断口形貌。结果表明,CF/VE拉挤复合材料的吸湿行为符合菲克第二定律,材料的平衡含湿量M_m约为1.046％,水分在复合材料中的扩散系数约为2.233×10-6 mm2/s;复合材料的性能下降趋势与吸湿率的增加趋势相对应,浸泡1176 h后,弯曲强度和层间剪切强度的最终保留率分别约为49％和54％;DMTA及SEM结果表明,湿热环境导致该复合材料发生基体溶胀、塑化和界面脱粘,引起基体和界面形貌的变化,但未发生化学老化。      

不同湿热条件下碳纤维/环氧复合材料湿热性能实验研究

对比研究了环氧5228A树脂及碳纤维/环氧5228A树脂复合材料层合板在3种湿热环境(水煮、70℃水浸,70℃85%相对湿度)下的湿热性能,考察了湿热条件对复合材料层间剪切性能的影响规律,并从吸湿特性、物理化学特性、树脂力学性能、湿应力等方面分析了不同湿热环境下复合材料性能衰减的机制。研究表明,碳纤维/高温固化环氧树脂复合材料层间剪切性能主要是由吸湿率决定,相同吸湿率不同湿热条件下性能的下降幅度基本相同;3种湿热条件下该树脂及其复合材料未发生化学反应、微裂纹等不可逆变化,复合材料层合板湿热老化机制主要是吸入水分后基体增塑和树脂、纤维湿应变不一致导致的湿应力对复合材料性能的负面作用。     

电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响

碳纤维/树脂复合材料广泛应用于民用航空器结构中,在服役期间会受到复杂环境（湿热、腐蚀、复杂应力和电热作用等）的作用,低强度电流对碳纤维/树脂复合材料的影响受到的关注较少。以碳纤维/树脂复合材料为研究对象,根据碳纤维的温敏效应和通电时的电阻变化规律,计算出碳纤维单丝/环氧树脂复合试样的界面温度范围,之后采用拉曼光谱测试和单丝断裂实验研究了低强度电流对单丝复合体系界面应力和界面剪切强度的影响。结果表明:随着电流强度的提高,单丝复合体系的界面温度随之升高,电流为8 mA时,界面温度高达约200℃。随着电流强度的增大,单丝复合体系的界面压缩应力表现为先增大后减小的趋势,电流高于7 mA后,界面处树脂出现烧蚀降解破坏;单丝断裂实验结果表明随着电流强度增大,单丝复合体系的界面剪切强度呈现先升后降的趋势,在6 mA时界面剪切强度达到最大值62.39 MPa,而8 mA时界面剪切强度仅为34.95 MPa。      

碳纤维-碳纳米管增强相的构筑及其三相复合材料力学性能

利用化学接枝的方法成功将碳纳米管(CNT)-聚醚酰亚胺(PEI)接枝到碳纤维(CF)表面，构筑CF-g-CNT增强相。结果表明，CF-g-CNT纤维的构筑可以有效地改善复合材料的界面、抗冲击和弯曲性能。考虑增强相对复合材料力学性能的影响，与双马来酰亚胺(BMI)复合后形成的CF-g-CNT/BMI复合材料的界面剪切强度、冲击强度、弯曲模量和弯曲强度分别较CF/BMI提高48.8%,10.8%,5.2%和14.6%;CF-g-CNT/BMI-PEI-CNT复合材料的界面剪切强度、冲击强度、弯曲模量和弯曲强度分别较CF/BMI-PEI-CNT提高56.9%,27.1%,12.5%和16.1%。综合考虑基体相和增强相对复合材料力学性能的影响，CF-g-CNT/BMI-PEI-CNT复合材料的界面剪切强度、冲击强度、弯曲模量和弯曲强度分别较CF/BMI提高57.7%,33.7%,20.0%和23.7%。CF-g-CNT中CNT-PEI可以有效地改变复合材料界面构成，改变界面处水平应力和垂直应力的扩展路径，有效避免应力集中，进而提高复合材料的力学性能。     

循环湿热环境中CCF300/5405复合材料的吸湿脱湿行为

研究了CCF300碳纤维/5405双马树脂复合材料在71 ℃恒温水浸循环吸湿-脱湿行为。试样经过三次饱和吸湿-脱湿过程, 探讨不同循环次数CCF300/5405复合材料的吸湿率和水分扩散速率变化, 并采用SEM观察纤维/基体界面变化, 分析了造成循环湿热环境下复合材料体系吸湿-脱湿变化的原因。研究结果表明: CCF300/5405复合材料的吸湿行为基本满足Fick第二定律, 并且在水浸14天后达到饱和吸湿状态, 饱和吸湿率约为0.66%; 材料吸湿处理后, 纤维与基体间的界面遭到水分破坏, 产生大量空隙和裂纹, 使水分的扩散速率明显增加, 饱和吸湿率略有增大, 并且这种破坏不可逆。      

CF/PEI复合材料超声焊工艺优化及机理研究EI北大核心

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。     

全湿热场下碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度

针对T700/TR1219B碳纤维/环氧树脂复合材料,在不同湿/热/力耦合条件下进行层间剪切实验,对比分析性能衰减规律,通过峰值力纳米力学模量成像技术定量表征界面尺寸变化,并结合微观断口形貌分析探究湿热损伤机制。结果表明,T700/TR1219B的层间剪切性能受湿、热场影响显著,当吸湿率为2%时,层间剪切强度从原样的72.64 MPa下降到46.92 MPa;随温度的升高,层间剪切性能呈线性递减趋势,降幅约为0.35 MPa/℃;高温高湿环境下层间剪切强度最大降幅达到93%,且温度场造成的损伤效应高于湿度场。微观表征结果表明,吸湿作用是导致界面尺寸增大的主要因素,而高温高湿环境会对纤维、树脂及其界面均造成明显损伤。通过对比分析湿、热单一和耦合作用下T700/TR1219B层间剪切强度的变化规律,建立了全湿热场下层间剪切强度模型。     

基于激光毛化的铝合金/CFRTP激光连接特性研究

目的 针对目前铝合金和碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)直接连接接头强度低的问题,对铝合金表面进行预处理,以提升异种材料的激光连接强度。方法 通过激光毛化工艺在铝合金表面预制微织构,然后利用光纤激光连接铝合金与CFRTP,研究了激光焊接工艺参数对铝合金与CFRTP焊接接头拉剪性能的影响。结果 当激光功率为750 W、焊接速度为0.2 m/min时,铝合金/CFRTP接头拉剪力达到最大值5 209 N,是未激光毛化的接头拉剪力的2.29倍。通过扫描电镜(SEM)对断口进行分析,发现界面断裂形式主要为CFRTP脱出和剪切断裂。采用SEM及能谱仪(EDS)对接头截面进行分析,发现结合界面处存在微观机械嵌合作用,同时在界面处存在元素过渡层。结论 随着激光功率的增大,焊接接头的拉剪力增大,但焊接功率较大会导致热输入过大,造成树脂发生热分解,导致焊接接头拉剪力降低。随着焊接速度的增大,焊接热输入降低,导致焊接过程中树脂熔化量减少,焊接接头的拉剪力降低。界面的机械嵌合作用使焊接接头具有较高的结合强度。     

Resistance welding of thermoplastic composites skin/stringer joints

An experimental investigation of resistance welding of APC-2/AS4 PEEK/carbon fibre composite using a stainless steel mesh heating element is presented. A special specimen geometry, the skin/stringer configuration, was used to represent a typical reinforced aerospace structural joint. The specimens consisted of a flange, representing a stringer or frame, welded onto a skin laminate. The effects of the welding parameters such as the input power level and clamping distance on the weld quality and performance were investigated. The welding parameters were optimised using short beam shear tests, ultrasonic C-scan inspection and optical microscopy. The mechanical performance of the resistance-welded skin/stringer configuration was investigated using three- and four-point bending tests and the failure mechanisms were characterised by optical and scanning electron microscopy. Two methods were used to reduce the stress concentration at the flange tip. The first method was to machine a 20° taper angle at the edge of the flange and the second one was to create a resin fillet at the flange tip. No mechanical performance improvement was obtained with the resin fillet method but the taper angle method showed 25% mechanical performance improvement when the taper angles were machined after the welding operation.     

Fatigue failure characterisation of resistance-welded thermoplastic composites skin/stringer joints

An experimental investigation characterising the fatigue failure mechanisms of resistance-welded thermoplastic composites skin/stringer joints is presented. Unidirectional (UD) and quasi-isotropic adherends were welded using stainless steel meshes as heating elements. The specimen geometry consisted of a flange laminate, representing a stringer, welded onto a skin laminate. In order to avoid current leakage to the electrically conductive adherends, a ceramic-coated heating element (TiO₂ HE) was used for welding the UD specimens and some of the quasi-isotropic specimens. The fatigue performance of the welded joints was investigated under three-point bending. An indefinite fatigue life was obtained at 40% and 35% of the static damage initiation load for the UD and quasi-isotropic specimens, respectively. The failure mechanisms were documented based on observation of the fatigue cracks initiation and growth. UD specimens failed at the weld interface while quasi-isotropic specimens showed delaminations both in the flange or skin laminates and at the weld interface. The TiO₂ HE did not show any fatigue mechanical performance reduction. However, debonding at the weld interface was shown to occur between the metal mesh wires and the TiO₂ coating instead of between the laminates and the weld.     

玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板对球形弹斜冲击响应特性实验研究

为了研究玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板在球形弹高速斜冲击下的损伤特性,利用一级气炮对2 mm厚度的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板和含一层、三层304不锈钢网的玻璃纤维-不锈钢网混杂增强环氧树脂层合板进行倾角为30°的冲击实验,以揭示304不锈钢网对层合板弹道极限和能量吸收的影响规律,并分析层合板损伤特征及其机理。通过实验发现,含有三层不锈钢网层合板的弹道极限最高,而不含不锈钢网层合板和含一层不锈钢网层合板的弹道极限速度接近。层合板吸收的能量随着弹体速度增加呈现出先增加后趋于平稳,然后急剧上升的趋势。层合板损伤模式为基体开裂和破碎、分层、不锈钢丝拉伸断裂、纤维拉伸断裂和剪切断裂。层合板分层损伤面积随弹体速度增大先增大后减小,最后趋于稳定。当弹体速度较低时,层合板主要发生纤维拉伸断裂、基体开裂、层间有分层损伤产生。随着弹体速度的增大,层合板正面纤维逐渐发生压剪断裂、基体破碎,背面纤维发生严重的拉伸撕裂。      

不锈钢—碳钢单、双面复合板的爆炸焊接及性能研究

研究了不锈钢－碳钢单面、双面复合板爆炸焊接质量,结合界面的微观结构,剪切强度及耐蚀性能,结果表明,单、双面不锈钢－低碳爆炸焊接复合板的结合界面均为波状结构,结合面两侧存在一定组织变形,近界面处为角结晶组织,稍远处为拉伸变形后的维状组织,结合界面碳钢－侧过渡区存在增碳区,不锈钢一侧有一个脱碳层,双面复合界面的结合过渡区的单面为１．５倍宽,脱碳区也接近单面的１．５倍,采用切割爆炸焊接法有利于改善不锈钢－低碳钢复合板的边缘焊合,在同一基板上进行了双面不锈钢复合时,第一面复合界面的剪切强度比第二面复合界面的差,还是双面复合板,其界面结面强度均由起爆端的末端逐渐降低,结合界面的脱碳层对复合的耐蚀性能无明显影响。     

服役低温老化对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头力学性能的影响及失效预测

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂(BFRP)复合材料粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,加工了铝合金-BFRP复合材料粘接接头。结合汽车服役中的温度区间,选取?10℃和?40℃的低温老化环境,对接头进行0、10、20、30天的老化。对老化后的粘接接头进行准静态拉伸试验和剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度。结合DSC和FTIR分析低温老化对BFRP复合材料的影响,并对粘接接头的失效断面进行宏观分析和SEM分析。结果表明:在低温老化环境中,胶粘剂与BFRP复合材料的化学性质受低温老化作用影响不大,BFRP中的官能团与玻璃化转变温度(T_g)没有发生明显的变化,接头的失效强度和失效模式主要受胶粘剂与粘接基材的热应力影响。对于拉伸接头,随着低温老化时间的增加,BFRP复合材料纤维与树脂基体间的结合力降低,铝合金-BFRP复合材料接头的失效断面中纤维撕裂的比例逐渐减少,拉伸接头失效强度逐渐下降。老化后剪切接头仍为内聚失效,BFRP复合材料的低温老化对铝合金-BFRP复合材料剪切接头的失效强度几乎没有影响,剪切接头失效强度的下降主要是胶粘剂与粘接基材热膨胀系数不一致引起的热应力的影响。采用二次应力准则公式对?10℃和?40℃低温环境下,拉应力、剪应力值随老化时间的变化规律进行了拟合,在此失效准则的基础上,根据响应面原理,建立接头失效强度随老化时间变化的三维曲面,为粘接技术在车身结构中的工程应用提供参考。      

Comparative study on microstructure and mechanical properties of laser welded–brazed Mg/mild steel and Mg/stainless steel joints

A laser welding–brazing (LWB) technology using Mg based filler has been developed for joining Mg alloy to mild steel and Mg alloy to stainless steel in a lap configuration. Microstructure and mechanical properties of laser welded–brazed lap joints in both cases were comparatively studied. The results indicated that no distinct reaction layer was observed at the interface of Mg/mild steel and subsequently the interface was confirmed as mechanical bonding, whereas an ultra thin reaction layer with a continuous and uniform morphology was evidenced at the Mg/stainless steel interface, which was indicative of metallurgical bonding. The newly formed interfacial layer was indexed as FeAl phase by transmission electron microscopy (TEM) combined with energy dispersive spectroscopy (EDS). The average tensile–shear strength of Mg/mild steel joint was only 142 N/mm with typical interfacial failure, while that of Mg/stainless steel joint could reach 270 N/mm, representing 82.4% joint efficiency relative to the Mg alloy base metal. The fracture location of Mg/stainless steel joint was at Mg fusion welding side, suggesting the interface was not weak point due to the formation of ultra thin interfacial layer. The role of alloying elements in base metal and bonding mechanism of the interfacial layer were discussed, respectively.     

国产炭纤维CCF300与T300炭纤维复合材料剪切载荷下的失效模式研究

对国产炭纤维与T300炭纤维复合材料层合板在常温干态、常温湿态、高温干态与高温湿态四种环境条件下进行了短梁剪切实验.采用宏观和微观相结合的方法,对其剪切性能、失效模式与损伤机理进行了对比研究.结果表明:界面性能是影响纤维树脂基复合材料剪切性能与失效模式最为重要的因素,而国产炭纤维复合材料在界面性能的控制上还有待改进.因...