|
电子束毛化技术 电子束“毛化”技术是近年来发展的一种新型表面加工技术，由于其高效高精度表面形貌可定制的加工特点，使其在复合材料制造领域中有着潜在的应用价值。 电子束“毛化”技术借助于电磁场对电子束进行复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成型效果 , 是在复杂磁场控制下电子束使金属快速熔化、流动、堆积和凝固的复杂冶金过程。
电子束毛化处理后的金属表面 毛化连接技术 Comeld（Composite-Metal-Weld）技术是一种基于电子束“毛化”的连接金属和复合材料的新技术，这种连接技术先是利用电子束“毛化”技术将金属件进行表面处理，“毛化”成所需要的表面形貌。下图所示为金属件表面毛刺结构。
电子束毛化处理后的金属表面 然后在毛化后的金属结构上铺放复合材料预浸带，将金属件预埋在复材件中，一起加温加压固化成型。成型后的结构如下图所示。
复材-金属毛化连接结构 金属表面的“毛刺”嵌入到复合材料中，使“毛刺”与复合材料尤其是与纤维之间相互作用，可以增强金属与复材之间的界面强度，进而提高金属与复合材料连接部位的承载能力。笔者曾见到过几件毛化连接试验，其静强度比相同当量的螺栓连接结构高出几倍。 下图所示的是相同尺寸毛化连接与传统胶接强度的对比。毛化连接强度比胶接强度也要高出许多。
(a) 毛化连接 (b)胶接
载荷位移曲线 毛化连接结构的静强度受毛刺形状、毛刺大小、毛刺方向、毛刺密度、毛刺排列形式、复材铺层、金属件连接区形状等多方面因素的影响，好的毛化连接结构设计是需要经过大量试验和计算分析摸索的。
毛化连接细节有限元分析模型 电子束毛化表面处理过程中，毛刺来源于金属结构本体，凸出的毛刺必然导致本体毛刺以外结构的削弱。因此，又发展出了与电子束毛化类似的增材制造技术，即在原金属结构表面通过3D打印的方式将毛刺打印到金属表面，目前这方面国内外的研究还不是很多，感兴趣的可以关注下。 毛化连接的疲劳问题 毛化连接静强度虽然很好，但是其疲劳强度还有待进一步验证，每一根毛刺都是一个疲劳源，同时，毛刺会刺穿预浸料，使纤维拐折或断裂。毛化连接结构长期服役过程中的疲劳问题就不得不考虑。 国内中国飞机强度研究所针对双剪切毛化连接结构做了一系列试验研究，发现疲劳寿命为1000000次对应的载荷水平为静强度的25%。
双剪毛化连接结构疲劳试验 毛化连接技术应用前景 在当前航空、航天、船舶、汽车、机械设计制造中，复合材料构件不可避免地要与金属相连接，这就给复合材料构件的使用和安装带来大量的连接技术问题，连接件又往往是整体结构的薄弱环节。复合材料结构件中有一半以上的破坏位置都发生在连接部位。 传统的复合材料-金属连接方式有螺栓连接、胶接、螺栓+胶接混合连接等。通常层板螺栓连接时，螺栓孔必然使纤维打断，孔边存在明显应力集中，强度受到削弱，需要在螺栓连接处加宽加厚，赔付重量代价；而胶接疲劳耐久性不好，且缺乏高温胶膜，一旦胶接界面剥离，结构承载能力急剧下降，目前航空中用于次承力部件较多。
传统胶接及螺栓连接技术 鉴于传统螺栓连接及胶接的一些不可避免的弱点，电子束毛化连接技术或许可以成为一种不错的连接方式。这种连接方式比传统的同尺寸螺栓连接及胶接接头能承受更高的载荷，断裂前吸收的能量也远高于后者，在复合材料结构承载和减重方面具有显著又是，有着潜在的应用前景。但考虑到疲劳耐久性问题，在航空领域重复性使用产品中使用时，应对其疲劳性能进行验证。
|
|
|
