钛合金-芳纶纤维复合材料胶接结构破坏模式及机理研究
发布时间：2020-12-11 03:28
随着复合材料在航空器结构中使用比例不断提高,其与钛合金、铝锂合金等金属材料连接应用日趋广泛。与机械连接相比,胶接连接成本低、重量轻,且无钻孔引起的应力集中,金属-复合材料胶接结构具备独有优势。然而,金属与复合材料在材料表面、刚度与热膨胀系数等方面存在差异,且复合材料层间性能薄弱,胶接结构破坏模式复杂。因此,系统深入地研究金属-复合材料胶接结构破坏模式及机理,对此类结构的设计与应用具有重要意义。本文采用钛合金与芳纶纤维复合材料制备不同搭接材料、搭接长度、胶层厚度的单搭接胶接接头,在不同环境温度下进行拉伸试验,利用数字图像相关技术、应变采集系统与光学显微镜,对接头表面应变与破坏模式进行表征,探究异质材料胶接接头破坏机制及微观机理。主要研究内容及结论如下:对不同连接参数异质材料接头进行拉伸试验,分析不同环境温度下的接头拉伸性能。结果表明:异质材料胶接接头承载能力弱于同质材料,当搭接长度由20mm增至80mm,接头极限载荷均值从4.38kN提升至6.36kN,当胶层厚度由0.2mm增至1.2mm,接头极限载荷均值从6.13kN降低至5.89kN,-50℃与100℃环境温度下,接头极限载荷均值分...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-复合材料结构的破坏模式
/mol。物理连接包含两种连接理论：吸附理论与静电吸引理论。吸附理论中，胶粘剂必须润湿被胶接件表面，依据该理论，胶粘剂表面张力需低于被胶接件。例如，环氧树脂可润湿钢，所得胶接结构性能优异，但环氧树脂无法润湿聚乙烯、聚丙烯与聚四氟乙烯等烯烃聚合物，也无法胶接此类材料[37]。静电吸引理论中，观察到胶粘剂从被胶接件上剥离时出现放电现象，该理论认为胶粘剂与被胶接件中，一个表面带有净正电荷，另一个表面带有净负电荷，使界面处形成带静电的双离子层，两个表面间产生吸引力，且界面胶接强度取决于电荷密度，如图1-2所示[40]。例如，硅烷整理剂能够与玻璃、二氧化硅和氧化铝等酸性或中性增强材料有效结合，但与镁、石棉和碳酸钙等碱性表面的材料结合效果不佳。图1-2静电吸引理论下的胶接连接化学连接理论中，胶粘剂表面化学基团与被胶接件表面相容化学基团间形成化学键，如图1-3所示。化学键的强度取决于键的数量和类型，界面破坏时化学键断裂[39,40]。化学连接过程中，原子与分子通过扩散移动，界面处形成固溶体和化合物，并形成一定厚度的反应区，包括所有类型的共价键、离子键与金属键，键能约为40-400kJ/mol[38]。例如，聚合物基复合材料中，经偶联剂处理的玻璃纤
中国民航大学硕士学位论文7维与表面氧化处理的碳纤维能够与大部分热固性和非晶态热塑性聚合物连接[41]。为提高胶接结构耐久性，通常对材料表面进行处理，使表面产生具有不同化学组成与氧化物化学计量比的化学物质，从而影响化学键性质，改变结构胶接性能。图1-3材料表面A、B基团形成的化学连接扩散或互扩散理论中，胶粘剂包含了一种能够匹配被胶接件的溶剂，分子穿过材料界面，出现类似于金属扩散连接的连接方式，扩散后能消除材料表面间隙及弱点。如图1-4所示，材料表面聚合物分子扩散到另一表面，并形成分子网络，从而在两个聚合物表面间形成键，其连接强度取决于缠绕分子数量[42-44]。此外，溶剂可促进相互扩散，扩散分子量取决于分子构象、成分和运动的难易程度。例如，通过硅烷偶联剂，玻璃纤维和聚合物树脂间界面区域的分子相互扩散，并形成互穿网络（InterpenetratingNetwork,IPN）[45-49]。由分子扩散形成的界面区域厚度较大，并且其化学、物理和机械性能不同于纤维和基体本身的性能。图1-4材料表面分子扩散后缠绕连接机械连接理论中，如图1-5所示，仅通过两个表面机械互锁产生结合力，这是由于微观尺度下，材料表面粗糙度较大，当液体胶粘剂位于被胶接件材料表面之间时，胶粘剂穿透缝隙与孔洞后固化，胶层与两侧材料表面互锁并形成机械结合力。例如，经过表面处理且表面粗糙度较高的材料具有较优的胶接性能，若处理后的材料长时间放置或受到污染，将会影响胶粘剂浸润孔隙，使胶接性能降低[37,40]。与化学连接相比，机械连接键能较低，但当载荷平行于胶接界面时，机械连接具有较高的承载能力，且粗糙度越高界面抗剪强度越大。
本文编号：2909825
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-复合材料结构的破坏模式
/mol。物理连接包含两种连接理论：吸附理论与静电吸引理论。吸附理论中，胶粘剂必须润湿被胶接件表面，依据该理论，胶粘剂表面张力需低于被胶接件。例如，环氧树脂可润湿钢，所得胶接结构性能优异，但环氧树脂无法润湿聚乙烯、聚丙烯与聚四氟乙烯等烯烃聚合物，也无法胶接此类材料[37]。静电吸引理论中，观察到胶粘剂从被胶接件上剥离时出现放电现象，该理论认为胶粘剂与被胶接件中，一个表面带有净正电荷，另一个表面带有净负电荷，使界面处形成带静电的双离子层，两个表面间产生吸引力，且界面胶接强度取决于电荷密度，如图1-2所示[40]。例如，硅烷整理剂能够与玻璃、二氧化硅和氧化铝等酸性或中性增强材料有效结合，但与镁、石棉和碳酸钙等碱性表面的材料结合效果不佳。图1-2静电吸引理论下的胶接连接化学连接理论中，胶粘剂表面化学基团与被胶接件表面相容化学基团间形成化学键，如图1-3所示。化学键的强度取决于键的数量和类型，界面破坏时化学键断裂[39,40]。化学连接过程中，原子与分子通过扩散移动，界面处形成固溶体和化合物，并形成一定厚度的反应区，包括所有类型的共价键、离子键与金属键，键能约为40-400kJ/mol[38]。例如，聚合物基复合材料中，经偶联剂处理的玻璃纤
中国民航大学硕士学位论文7维与表面氧化处理的碳纤维能够与大部分热固性和非晶态热塑性聚合物连接[41]。为提高胶接结构耐久性，通常对材料表面进行处理，使表面产生具有不同化学组成与氧化物化学计量比的化学物质，从而影响化学键性质，改变结构胶接性能。图1-3材料表面A、B基团形成的化学连接扩散或互扩散理论中，胶粘剂包含了一种能够匹配被胶接件的溶剂，分子穿过材料界面，出现类似于金属扩散连接的连接方式，扩散后能消除材料表面间隙及弱点。如图1-4所示，材料表面聚合物分子扩散到另一表面，并形成分子网络，从而在两个聚合物表面间形成键，其连接强度取决于缠绕分子数量[42-44]。此外，溶剂可促进相互扩散，扩散分子量取决于分子构象、成分和运动的难易程度。例如，通过硅烷偶联剂，玻璃纤维和聚合物树脂间界面区域的分子相互扩散，并形成互穿网络（InterpenetratingNetwork,IPN）[45-49]。由分子扩散形成的界面区域厚度较大，并且其化学、物理和机械性能不同于纤维和基体本身的性能。图1-4材料表面分子扩散后缠绕连接机械连接理论中，如图1-5所示，仅通过两个表面机械互锁产生结合力，这是由于微观尺度下，材料表面粗糙度较大，当液体胶粘剂位于被胶接件材料表面之间时，胶粘剂穿透缝隙与孔洞后固化，胶层与两侧材料表面互锁并形成机械结合力。例如，经过表面处理且表面粗糙度较高的材料具有较优的胶接性能，若处理后的材料长时间放置或受到污染，将会影响胶粘剂浸润孔隙，使胶接性能降低[37,40]。与化学连接相比，机械连接键能较低，但当载荷平行于胶接界面时，机械连接具有较高的承载能力，且粗糙度越高界面抗剪强度越大。
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