碳纤维复合材料与金属接头连接

  碳纤维复合材料,是指将石墨纤维或碳纤维作为增强相,将化学沉积碳成石墨化、碳化硅的树脂作为基体的一种复合性材料。此类材料具有温度升高慢、散热快,线膨胀系数低、抗烧蚀、尺寸稳定、抗腐蚀、质量轻、耐高征等优点,所以在机械制造、航空工业、核工业等领域中得到了广泛应用。

  碳纤维复合材料是一种非金属材料,要对其进行钎焊,难度较大,通常会采用沉积、烧结、镀敷等方法,将金属粉末处理在碳纤维复合材料的表而,再行常规钎焊。另外,也可以采用活性金属法进行钎焊。由于碳纤维复合材料的工艺复杂、制备周期长,应用范围局限性较大,其与金属连接工艺也基本上只在一些科研单位中有应用,所以关于碳纤维复合材料与金属连接的文献报道较少。本文将对碳纤维复合材料与几种常见金属的连接方法及接头力学性能测试进行研究。

  1.与铜的连接

  碳纤维复合材料(CFRP)在与铜连接后,其结构的导热性能良好,同时结构质量比铜更轻,另外,由于铜与CFRP的导热系数较为接近,所以在使用及钎烨时不易产生较大热应力。铜与CFRP的连接主要果用钎焊方式,最早的订料选用Cu-Pb (质量分数为50%),在钎焊冷却后即叫使铜、复合材料,钎料形成连接界面,但该迮接界面的强度较低。随着工业技术的不断发展,发现过渡元素Zr、Ti等的化学活性较强,在液态条件下可与c发生反应,所以在传统钎料中添加.定 量的活性元素,就可使复合材料表而变湿润,从而降低与金属连接的难度。该方法通常在高纯度惰性气体或真空炉环境下实施,一般钎焊连接可一次性完成。

  Ag-Cu-Ti是常用的活性钎料,钎焊通常在真空条件下进行,T值取820℃,通过钎焊所获得的接头强度较高,但其由于核辐射环境中,Ag可发生化学反应,变为Cd,降低接头强度,所以此类接头无法在核聚变装置中使用。钎料选用Ti,进行复合材料与铜的连接,在真空下进行共晶护散,焊接参数l为300s,T为1000℃,并对试样施加一定压力,所获得的接头则可有效避免上述问题。同时,若能使用Cu-Ti膏对复合材料表面进行预涂,所获得的接头强度最高。

  2.与铝合金的连接

  与铝合金相比,铜基、银基等活性钎料的熔点更高,所以高温钎烨法不适用于铝合金与CFRP的连接。据国外文献报道,对7075-T62铝合金和CFRP分别使用螺栓连接、胶结、螺栓+胶结3种方法进行连接,结果显示:选用FM73粘结剂时,粘结剂强度会在很大程度上决定接头强度;选用EA9394S粘结剂时,起决定性作用的是螺检接头强度。一般情况下,在胶结强度低于螺栓连接强度时,混合连接的强度将比螺栓连接强度更大:若胶结强度高于螺栓连接强度,则混合连接强度将比螺栓连接强度更小。

  在将2024-T3铝合金与CFRP做双缺口对接时,在高温条件下使用环氧树脂进行粘结,然后固化24 h(窄温),分别在250℃窄温条件下对此接头做双面剪切试验,发现窄温条件下,接头的抗剪切强度为20 MPa, 断裂发生在复合材料上:250 C条件下,杭剪切强度仅为3.5MPa,断裂发生在接头部位。热循环试验显示,热应力使接口抗剪切强度大为降低,在试验中甚至会出现接头自然断开。