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碳纤维—铝合金薄板新型胶铆接合工艺研究

郑学丰  
【摘要】:近年来,全球工业迅速发展,对能源的消耗日益剧增。由此带来的能源日益枯竭、生存环境持续恶化等问题已成为社会发展、国家富强道路上的最大障碍。2017年9月,工信部正式印发《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》,该政策一方面督促各类车企降低自身燃料消耗水平,积极推进节能减排,另一方面大力倡导新能源乘用车逐步向高度能源清洁转变并增加其市场渗透率。以节能减排倒逼汽车轻量化。汽车轻量化主要通过优化结构设计、应用高强度和轻质材料、采用先进的轻量化制造及连接技术三个方面来实现。其中连接技术是最关键、最具性价比的一环。本文针对铝合金材料和碳纤维复合材料的连接问题,对当下新型连接技术中相对成熟的自冲铆接技术进行了根本性的改进,解决了碳纤维复合材料塑性小、回弹大,以及冲压钻孔造成的碳纤维复合材料板分层、撕裂等问题,提高了铝合金/碳纤维复合材料层合板的连接强度。研究主要包括以下几部分内容:首先对本批次的碳纤维预浸带作DSC测试,以探究碳纤维预浸带在冷冻、常温、加热时,树脂状态随温度的变化情况。再结合传统的、已经成熟的热压罐制作碳纤维板的工艺,制定了铝合金/碳纤维复合材料新型胶铆接合工艺:对碳纤维预浸带进行正交铺层形成碳纤维预制板、放入冰柜中冷冻半小时以提高预制板硬度、对碳纤维预制板和铝合金板进行铆接、将连接件放入热压罐中一体固化成形。通过改变铝合金/碳纤维复合材料的叠层顺序、改变碳纤维铺层层数、改变中间层等,来探究影响胶铆接合强度的因素。利用万能试验机对试样做拉剪性能测试,以明确不同工艺下试样的连接强度。将拉伸后的试样制作成金相试样,在金相显微镜下进行观察,明确其具体的失效形式,找到背后的理论支撑。最后利用电子显微镜对试样进行能谱分析,查看元素的扩散情况,明确微观上的连接机理,以找到最佳的工艺路线来提高胶铆接合的连接强度。本文采用试验研究的方法,利用“先铆接,后一体固化成形”的工艺制备了碳纤维复合材料预浸带/铝合金薄板新型自冲铆接试验件。制备了不同碳纤维预浸带铺层层数、碳纤维预浸带与铝合金板不同叠层顺序的试验件,并对其进行拉伸性能测试及微观组织观察以探究两种变量对试验件连接强度的影响。为了检验新型自冲铆接工艺在提高连接强度上的优越性,同时制备了传统工艺下的自冲铆接试验件,并将两种工艺下试验件的拉伸载荷-位移曲线、金相组织结构进行对比,探究性能差异背后的理论依据。最后,还试制了新型胶铆复合连接试验件,并对其进行拉伸强度测试,分析影响其连接强度的因素,以求进一步提高连接强度和试验件制备效率。为实现碳纤维复合材料/铝合金板更高强度、更高效率的连接提供一定参考。


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