[发明专利]一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料与金属的连接方法。

背景技术

碳纤维是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维，碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变、耐疲劳性能好、比热和导电性介于金属和非金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性能好，同时具有纤维的柔韧性和可编性。尽管碳纤维可单独使用发挥其诸多优点，不过由于它属于脆性材料，只有将其与基体材料牢固地结合在一起，才能利用其优异的力学性能，使之更好地承载负荷。碳纤维增强树脂基复合材料是目前最先进的复合材料，它以轻质、耐高温、抗腐蚀和热力学性能优良等特点广泛被用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，这些材料在航空航天工业中获得了广泛的应用。但是，碳纤维增强复合材料在应用中常与传统金属材料骨架连接在一起，传统连接方法采用铝合金或钛合金铆钉连接，属于间隙连接，由于间隙存在产生连接钉载分配不均和钉孔应力集中等明显缺陷。而且，由于铆接过程中存在冲击，会导致铆接部位会出现不同程度的分层损伤，分层率超过30%，可靠性差；钉杆变形不均匀，干涉量不均匀、不可控。上述这些问题均导致连接结构疲劳寿命低，疲劳寿命增益效果差。

发明内容

本发明是要解决传统碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法存在冲击，干涉量不均匀，从而导致连接结构疲劳寿命低，疲劳寿命增益效果差的技术问题，从而提供一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法。

本发明的一种碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法是按以下步骤进行：

一、将纯度为99%～99.92%的Ti片、99%～99.95%的Ni片和99%～99.99%的Nb片放入到水冷铜坩埚自耗真空电弧炉中，然后将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉抽真空，使得水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的真空度为1.0×10^-4Torr～2.0×10^-4Torr，将水冷铜坩埚自耗真空电弧炉的温度升至2200℃～2600℃，并在2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，自然冷却至室温得到合金，用砂轮机去除合金的表面氧化皮得到干净的合金，然后将干净的合金在悬浮炉中真空度为1.0×10^-4Torr～2.0×10^-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，随炉冷却至室温，再在悬浮炉中真空度为1.0×10^-4Torr～2.0×10^-4Torr和温度为2200℃～2600℃的条件下熔炼10min～15min，浇入石墨模中，自然冷却至室温得到铸锭，将铸锭在850℃～900℃的条件下退火10h～14h，随炉自然冷却至室温，得到退火处理后的铸锭，用砂轮机去除退火处理后的铸锭的表面氧化皮和冒口得到干净的铸锭；其中，步骤一中所述的纯度为99%～99.92%的Ti片和99%～99.99%的Nb片的摩尔比为（40～45）:9，99%～99.95%的Ni片和99%～99.99%的Nb片的摩尔比为（46～51）:9；

二、将步骤一得到的干净的铸锭在温度为750℃～900℃的条件下锻造成棒料，然后在普通多机座连续轧机上在起轧温度为800℃～840℃的条件下将棒料进行热轧成T型TiNiNb合金连接紧固件，且T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端为直径为φ1的圆柱形，碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔孔径为φ2，金属骨架的连接孔孔径为φ3，其中所述φ2=φ3，(φ1-φ2)/φ2=19%～25%，将盐酸水溶液、硝酸水溶液和去离子水均匀混合得到混合酸水溶液，将T型TiNiNb合金连接紧固件浸泡在混合酸水溶液中5min～7min得到酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件，用去离子水清洗酸化的T型TiNiNb合金连接紧固件得到干净的T型TiNiNb合金连接紧固件，利用低温拉伸机将干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端在-60℃～-80℃下拉伸变形，至干净的T型TiNiNb合金连接紧固件的连接端直径为φ2为止，即得到T型连接固定件；步骤二中所述的混合酸水溶液中盐酸、硝酸和水的摩尔比为1：2：10；

三、利用步骤二得到的T型连接固定件通过碳纤维增强树脂基复合材料的连接孔和金属骨架的连接孔将碳纤维增强树脂基复合材料和金属骨架连接在一起，然后从室温加热至70℃～80℃，并在70℃～80℃保温10s～20s，即完成碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接。

本发明的碳纤维增强树脂基复合材料与金属的连接方法具有如下优点：