碳纤维管与金属件胶接的强度分析

  新材料的利用是实现轻量化设计的一个重要途径,碳纤维作为一种新型的复合材料,具有密度小、优越的抗拉强度、耐疲劳强度和耐腐蚀等优点,某型号赛车的悬架若采用碳纤维管代替钢管可使悬架杆件的重量减少62%。设计中,碳纤维管与铝合金接头的胶接技术是实现设计与制造的关键。考虑到有诸多因素影响胶接强度,因此,对碳纤维管及铝合金接头的胶接进行分析与试验,为设计和加工制作提供试验依据。

  根据赛车工况中杆件的受力情况,碳纤维管选用T300碳纤维缠绕型管材(内径为16mm,壁厚为2mm),拉伸强度为3.53GPa,抗压强度为2.02GPa,密度为1.76g/cm2;铝合金接头材料为7075,拉伸强度为524MPa,屈服强度为455MPa。

  胶接表面的粗糙度和化学处理也是影响胶接强度的因素,适当的粗糙度可增加胶接强度,过大的粗糙度会使表面深度凹陷处包藏有空气,从而产生空隙,使胶接强度下降。铝合金接头的表面粗糙度通过粗车、精车、砂纸打磨和表面滚花的加工方式获得;由于胶接材料在胶接之前需要做除油去污处理,为了增强胶接强度,通常还采用化学方法除去表面疏质层,而不同的化学处理对胶接强度的影响也不同,对铝合金表面的常用化学处理有去脂、P2处理(非铬酸盐浸蚀)、FPL(硫酸-重铬酸盐浸蚀)处理和阳极化处理,这几种表面化学处理可作为考察因素。

  由于目前碳纤维管表面机械方法处理困难,因此,碳纤维管内表面只做去脂处理。理论上胶层厚度尺寸越大,提供的抗剪切力就越大,但是胶层厚度越大,越容易在粘结剂中产生空穴或气泡,反而降低了胶接强度,因此胶层厚度也作为考察因素,胶层厚度水平根据供应商推荐的胶层厚度范围0.1~0.3mm确定。

  根据实验总结得出胶接长度增加了胶接的面积,从而增加了胶接强度;最佳的胶层厚度为0.15mm,被胶接面粗糙度过大使得胶接强度有减少的趋势;影响试件胶接强度的首要因素是胶接长度,次要因素是铝合金接头表面的化学处理方式,最后是胶层厚度和铝合金接头表面粗糙度。