碳纤维复合材料制件超声波振动强化胶接新工艺与机理

Owing to no mounting hole needed in the process, adhesive bonding keeps the continuity of the fiber integral, and eliminates the anisotropy and the notch sensitivity of CFRP (Carbon Fiber-reinforced Plastics), so it has become an important bonding method of CFRP joints. But in the adhesive bonding, it’s hard to apply external forming force to facilitate the process, so the bonding quality is not ensured. Accordingly, the adhesive bonding is not reliable to be used in key parts bonding. In our previous study, a CFRP joint was improved by ultrasonic vibration owing to its effect on the interface adhering. Moreover, ultrasonic vibration can drive fluid flow, enhance diffusion, affect condensed state, and induce chain scission. Based on our experimental fact and the effects of ultrasonic vibration on polymer, the ultrasonic vibration-assisted adhesive bonding method is proposed. According to the factors of the bonding strength, the effect of ultrasonic vibration on the adhesive distribution in an open gap, the micro behaviors of adhesive in the interface, and the structure and the property control are studied to find out the mechanism of the ultrasonic vibration-assisted bonding. Subsequently, the process is optimized and validated, and typical products are manufactured. The success of the project can provide a new method to improve the bonding performance, which overcomes the bonding problems to promote the widespread application of the composites in light-weight products.

胶接无需打连接孔，既保持基体连续性，又可规避材料各向异性、缺口敏感等问题，成为碳纤维复合材料制件连接的关键技术。但因胶接过程难以施加有效外部成形力干预，导致其连接强度不可控而无法成形关键承载部件。基于前期研究发现超声波振动会影响胶接剂在壁面的附着从而改善胶接强度的科学事实，结合超声波振动能够改变流体运动、增强分子扩散、影响微观组织结构以及诱发分子断链等作用，提出超声波振动强化胶接工艺。根据胶接强度的影响因素，研究超声波振动对狭层开放空间中胶层分布的作用、诱发胶/壁界面上材料的微观行为、对胶层固化组织与性能的作用规律等关键基础问题，揭示超声波振动强化胶接的机理。在此基础上，研究超声波振动强化胶接工艺的调控与工艺验证，成形出典型产品。项目成功后，可为胶接强化提供一种新途径，打破胶接技术在复合材料连接成形中的应用局限，为其在轻量化中的大规模应用提供技术支撑。

胶接是碳纤维复合材料制件连接的关键技术。传统胶接依靠自发润湿实现结合，存在胶层分布不均、润湿渗透缓慢无法形成有效的胶/壁连接、胶层存在内应力等问题。本研究提出超声强化胶接方法，通过引入超声振动将胶接界面润湿接触转变为冲击接触，强化胶接改善性能，并对其作用机理进行了研究。项目按原定计划顺利完成，主要研究内容及结果如下：.（1）建立和完善了超声振动强化胶接工艺。通过正交试验优化得到了超声振动强化碳纤维/铝板胶接最优工艺，超声频率为15 kHz，振动时间24 s，振动压力0.40 MPa，振动位置为30 mm，振动幅值为56 µm，可提高胶接强度40%，提高胶接稳定性60%，证实方法的有效性；.（2）建立了超声振动强化碳纤维复合材料/铝板胶接的多相流有限元模型，结合高速摄像机观察分析气泡在流体中的运动规律；.（3）研究超声振动对界面锚固的增强作用与其作用机理，发现超声作用能驱动毛细填缝，同时降低胶粘剂粘度，使得胶粘剂能充分渗透表面；.（4）研究了超声对界面化学键合的作用机理。超声振动作用通过引起微观混合和强化分子碰撞，从而形成更多的化学键，并发现新化学键Al-O-C；.（5）研究了超声对胶粘剂固化的影响，发现超声提高固化速率26.45倍，提高固化后胶粘剂拉伸强度30.9%，超声振动提高了胶粘剂体系温度，促进了体系混合，提高了官能团活性；.（6）将超声强化胶接工艺用于板、管和复杂曲面类对象，验证其实际应用价值。.本研究的开展，在方法创新方面，提出并实现稳定的超声振动辅助胶接工艺，提高胶接强度和稳定性。在理论研究方面，从界面物理嵌合和界面化学键合两方面研究了超声作用下胶接界面的形成机制，建立了超声振动多相流模型分析了超声对胶粘剂分布及气泡排出影响规律，从热效应、机械效应、化学效应三方面研究了超声促进固化的原理，从理论上揭示了超声振动改善胶接的作用机理，丰富了超声对热固性聚合物成形加工的理论。