碳纤维复合材料与轻金属的新型连接方法

  按照轻量化要求,现有碳纤维复合材料与轻质金属相连接的组合形式是未来的发展趋势。两种材料的冶金结合对已有的连接技术提出了新的挑战。因此对碳纤维复合材料与轻质金属连接技术进行研究,对于汽车、航空航天、风能和体育设备等许多领域以及传统机械结构的设计与维修都具有十分重要的意义。

  一、碳纤维复合材料与铝合金的连接

  目前有研究人员使用Al-10Si-4Cu钎料采用高频感应纤焊方法实现了C/Al复合材料的连接,接头抗剪强度达75MPa。德国先进材料制造研究所采用高压压铸方法,在700℃下,将放入到高压铸造模具中的碳纤维复合材料组件,在塑料区域内铸造铝。优化工艺和材料参数,获得的连接强度达20MPa。美国俄亥俄州立大学提出一种超声波增材制造方法(UAM)连接碳纤维复合材料与铝合金,虽然UAM是一种金属3D打印工艺,但它在这里被用于生产连续的CF-AA过渡接头,该过渡接头可以在CF和AA组分上具有均匀的厚度。接头强度通过AA矩阵内CF回路的机械联锁实现:拉伸试验表明,采用UAM方法制造的CFRP-AA接头的强度达到129.5MPa。

  二、碳纤维复合材料与镁合金的连接

  国内某研究人员提出一种碳纤维增强镁基复合材料的制备方法,将碳纤维与金属属进行机械搅拌结合,真空烧结,热挤压制备碳纤维增强镁基复合材料。真空烧结具有良好的还原性,防止镁合金氧化且获得孔隙率较低的坯料,有利于基体与增强相浸润、复合和增进界面结合吧,目前C/Mg复合材料主要有液相法和固相法两种制备方法。液相法相较于固相法可以一次成型,质量稳定,已经成为制备复合材料的主要方法。另外,有研究人员采用Mg、Cu、Ti粉按比例混合作为中间层,置于镁合金和碳纤锥复合材料之间,并放入充满保护气体的容器中,利用等离子弧焊接在超声波环境下将中间层与部分镁合金熔化,缓慢冷却实现碳纤维复合材料与镁合金材料的连接。

  三、碳纤维复合材料与钛合金的连接

  有研究人员采用Cu-ABA,TiCuNi和TiCuiSi,厚度为50um的铝箔作为钎料,钎焊连接碳纤维复合材料与纯钛。经过溶质的再分配和扩散实现治金结合,得到钎料对基体的良好润湿性。结果表明:采用Cu-ABA纤料能够获得最佳的接头性能;且碳纤维复合材料中的C纤维束方向垂直于i管轴获得的接头承载能力最高,C纤维束方向平行于于管轴获得的接头承载能力最低,对碳纤维复合材料和TC4钛合金的钎焊进行研究,焊接时TC4钛合金中的Ti扩散到钎料和碳纤维复合材料中,提高了纤料对碳纤维复合材料的润湿性且和钎料、母材发生化学反应,剪切强度在880℃时可保持33MPa达10min。

  通过在碳纤维复合材料、TC4钛合金与箔状钛基钎料之间添加Cu、Mo中间层,钎焊碳纤维复合材料和TC4钛合金。结果表明:随着钎焊温度和保温时间的增加,Cu和Mo中间层的溶解加剧,形成连续、厚度较大的反应层,目前纤焊是碳纤维复合材料与钛合金焊接的主要手段,优势在于Ti本身对碳纤维复合材料的润湿性比较好,通过在母材表面沉积镍层等处理方式降低钎焊温度,使钎焊温度不超过钛合金的相变温度,从而保证接头性能。

  为了充分发挥碳纤维复合材料与轻质金属材料的性能特点,提高两种材料连接接头的质量是关键技术。相信随着碳纤维复合材料、轻质金属及连接技术不断进步,会使两种材料在越来越多的领域发挥其重要作用。

 

     阅读延伸:《碳纤维管与金属部件的四种连接方式