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碳纤维复合材料的前瞻性连接方法研究

  对(dui)碳纤(xian)维复(fu)合(he)材料进行(xing)机械连接(jie)(jie)时,在孔洞位置容(rong)易产生应力集中,同(tong)时材料的微观(guan)结(jie)构也会(hui)存(cun)在损伤(shang),通(tong)常会(hui)引起构件低应力破坏。而碳纤(xian)维复(fu)合(he)材料的汽化温(wen)度高达3000摄氏(shi)度以(yi)上,难以(yi)采(cai)用(yong)传统的熔化方法进行(xing)焊接(jie)(jie)。目前,国内(nei)外对(dui)于碳纤(xian)维复(fu)合(he)材料间(jian)的连接(jie)(jie)多采(cai)用(yong)引入中间(jian)过(guo)渡层的连接(jie)(jie)方法,比如固相扩散连接(jie)(jie)、活(huo)性(xing)金属(shu)钎焊和玻璃连接(jie)(jie)等,下面分别进行(xing)简单介绍。

  一、固相扩散连接(jie)

  固相扩散(san)连(lian)(lian)(lian)接(jie)是(shi)在(zai)(zai)高(gao)(gao)温(wen)(wen)高(gao)(gao)压下(xia),中间(jian)(jian)(jian)层材(cai)(cai)料(liao)(liao)发生原位化学反(fan)(fan)应,界面(mian)处元素相互扩散(san),结果是(shi)在(zai)(zai)连(lian)(lian)(lian)接(jie)界面(mian)处形成稳定(ding)的界面(mian)层,从而获得(de)高(gao)(gao)温(wen)(wen)高(gao)(gao)强接(jie)头。中间(jian)(jian)(jian)层材(cai)(cai)料(liao)(liao)多(duo)采(cai)用高(gao)(gao)温(wen)(wen)合金和(he)陶瓷粉体,或者(zhe)是(shi)陶瓷的有机前体。国(guo)内外诸多(duo)专家(jia)研究了分(fen)别(bie)使用硼(peng)和(he)石墨混合粉、金属(shu)钨粉和(he)碳粉、钨改性酚醛(quan)树脂和(he)钨粉混合物等作为中间(jian)(jian)(jian)层材(cai)(cai)料(liao)(liao),在(zai)(zai)不同压力和(he)温(wen)(wen)度下(xia)对碳纤维(wei)复(fu)合材(cai)(cai)料(liao)(liao)进(jin)行反(fan)(fan)应扩散(san)连(lian)(lian)(lian)接(jie),结果表(biao)明(ming)连(lian)(lian)(lian)接(jie)件在(zai)(zai)1500摄氏度以(yi)上(shang)高(gao)(gao)温(wen)(wen)环境中,最大(da)剪切强度可以(yi)达到16Mpa以(yi)上(shang)。

  二、活性金属钎焊

  活性金属(shu)钎(qian)焊是利用(yong)Si、Ti、Zr、Pd等活性元素与碳纤维(wei)复合材料基体发生(sheng)反(fan)(fan)应,通(tong)过在界(jie)(jie)面(mian)处(chu)形(xing)成(cheng)稳定的反(fan)(fan)应层(ceng)或改善(shan)界(jie)(jie)面(mian)润湿性而(er)获得高(gao)强度(du)接(jie)(jie)(jie)头(tou)(tou)的连(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)方(fang)法。使用(yong)金属(shu)化合物(wu)TiSi2对(dui)3D碳纤维(wei)复合材料进(jin)行连(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)。在TiSi2熔点附近保(bao)温2分钟(zhong),可(ke)以获得SiC、TiC和TiSi2等反(fan)(fan)应物(wu)。在1164摄氏度(du)时,接(jie)(jie)(jie)头(tou)(tou)的平均剪切强度(du)可(ke)以达到(dao)34.4Mpa。有研究表(biao)明高(gao)温钎(qian)料中(zhong)增(zeng)加(jia)(jia)活性元素Ti、Cr、V的含(han)量,会在连(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)界(jie)(jie)面(mian)处(chu)生(sheng)产扩散(san)产物(wu)TiC、Cr23C6、V2C,从而(er)起到(dao)改善(shan)钎(qian)料的润湿性,增(zeng)加(jia)(jia)接(jie)(jie)(jie)头(tou)(tou)连(lian)(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)强度(du)的作用(yong)。

  三、玻璃连接(jie)

  玻(bo)璃(li)(li)(li)连接(jie)可(ke)以通过调整玻(bo)璃(li)(li)(li)组(zu)分(fen),制备出(chu)与连接(jie)母材(cai)膨胀系数相匹配的(de)玻(bo)璃(li)(li)(li)材(cai)料(liao)(liao)。有(you)学者首先使用硅溶胶高温裂解在材(cai)料(liao)(liao)表(biao)面形成成β-SiC层,再采用SABB玻(bo)璃(li)(li)(li)对碳纤维(wei)复合(he)材(cai)料(liao)(liao)进(jin)行连接(jie),研究表(biao)明在1200摄氏度附近,保(bao)温60min可(ke)获得性能(neng)较好的(de)接(jie)头(tou)。

  碳纤(xian)维(wei)复合(he)材料的(de)(de)大量使(shi)用(yong)是(shi)未来飞机结构设(she)计与制造(zao)的(de)(de)发展趋势(shi),只(zhi)有开发和(he)设(she)计出高(gao)(gao)可靠性(xing)、高(gao)(gao)性(xing)能的(de)(de)连(lian)(lian)接技术(shu),将(jiang)各种构型的(de)(de)复合(he)材料零(ling)件连(lian)(lian)接成(cheng)一(yi)个整体,才能充分发挥碳纤(xian)维(wei)复合(he)材料的(de)(de)优异性(xing)能。目前工业领(ling)域对碳纤(xian)维(wei)复合(he)材料的(de)(de)连(lian)(lian)接方法仍然采用(yong)的(de)(de)是(shi)胶接、螺接、铆(mao)接等机械连(lian)(lian)接方法。对于以上前瞻(zhan)性(xing)的(de)(de)新型连(lian)(lian)接技术(shu)的(de)(de)研(yan)究(jiu),相信随着技术(shu)的(de)(de)不(bu)断发展进步(bu),也将(jiang)在工业领(ling)域逐渐得到(dao)应(ying)用(yong)。


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