碳纤维层合板胶接增强技术与接头性能研究

作     者：原文慧 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨涛

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：碳纤维层合板 胶接接头 力学性能 超声振动预处理 纳米颗粒 

摘      要：碳纤维复合材料具有质量轻、比强度和比刚度高、耐磨性好等特性,已广泛应用于航空航天等领域。随着复合材料使用量的增多,材料结构会出现多种形式的损伤。为了避免经济损失及材料结构的浪费,众多学者开始对其进行修理研究,其中,胶接修理技术因其优异的性能而得到高度重视。本文主要通过使用不同的方法增强胶接接头的力学性能并对影响参数进行优化,增强接头的可靠性。以T300碳纤维预浸料为原料制备层合板,其中,单根纤维直径为7μm,纤维密度为1.76 g/cm。层合板经合理裁剪及表面处理后,采用3M DP270胶粘剂进行粘接。本文主要研究内容如下:(1)超声振动可以加速液体胶粘剂的流动性,使胶粘剂与层合板表面粘接更紧密,进而增强胶接接头的力学性能。在胶粘剂固化前对粘接接头进行超声振动辅助预处理,能有效增强胶接接头的单向拉伸性能。试验过程中,设置了四种超声振动预处理时间(5 min、20 min、40 min、60 min)及四种预处理功率(200W、300 W、400 W、500 W),研究超声时间及功率对胶接接头拉伸性能的影响,并与未经超声振动预处理的试件对比,得到胶接接头剪切强度和刚度的最大增长率。进一步分析接头的断裂形貌,通过软件计算得到接头表面胶粘剂面积占整个搭接区域面积的百分比,与试验结果变化趋势相一致。(2)胶粘剂中分散纳米颗粒可以减少胶粘剂中的气泡和空隙,同时能够提高胶粘剂的拉伸和剪切强度。将3M DP270胶粘剂中分散三种不同质量分数(1.5%、2.0%、2.5%)的碳纳米管(CNTs)颗粒,研究其对胶接接头单向拉伸性能和三点弯曲性能的影响,并与胶粘剂中没有分散CNTs颗粒的胶接接头进行对比,得到最佳的CNTs质量分数及增长率。对断裂后接头进行SEM分析,得到胶粘剂中分散CNTs颗粒后,胶粘剂中的部分气泡被纳米颗粒填充,能有效提升接头的各项性能。(3)将胶粘剂中分散最佳质量分数的CNTs颗粒后,对胶接接头进行超声振动辅助预处理,研究纳米颗粒与超声辅助协同作用时胶接接头力学性能的提升情况。在两种作用协同增强的情况下,改变超声预处理功率,分别为200 W、300W、400 W和500 W,得到最佳的超声预处理功率及协同增强时胶接接头力学性能的最大增长率,并分析接头的断裂形貌。