[发明专利]一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法

说明书

本发明揭示一种复合材料和金属材料的高强度螺栓连接的设计方法，该方法克服了连接部位强度低的问题。利用普通的两轴(biaxial)编制方孔的碳纤维布。利用3D扫描碳纤维编制布和3D打印技术的钛合金基材料薄片。钛合金基材料薄片和纤维编制布一层一层叠加，利用电加热热压和超声波焊接在低温下就可以做出在螺栓周围承载区局部，制造出高强度的金属基的碳纤维编制复合材料。本发明可以广泛地应用在航空国防领域上，特别是，商业飞机发动机复合材料叶片和金属材料叶片的连接。直升飞机复合材料叶片和金属转子之间的连接。还有各种其它飞机零部件。坦克，汽车零部轻量化研究。复合材料的船只和舰艇等。本发明提高了复合材料结构和金属材料结构的螺栓连接的强度和寿命，对航空国防有战略的影响力。

技术领域

本发明属于航天国防技术领域，特别涉及一种通过金属基复合材料的金属和复合材料的螺栓连方法。

背景技术

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。狭义的复合材料就是纤维增强性复合材料(Fiber Reinforced composite)。纤维增强复合材料主要有三种：碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced composite)、玻璃纤维增强复合材料(Glass FiberReinforced composite)和芳纶纤维增强复合材料(Aramid Fiber Reinforcedcomposite).由于长纤维可以像布一样的编织，在环氧树脂(epoxy)的固化下就形成了纤维增强性层合复合材料(fiber reinforced laminated composite materials).复合材料具有重量轻，较高的强度比、较好的延展性、抗疲劳、等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。复合材料可以帮助人们设计围观组织和结构功能一体化的零部件。

除了焊接外，螺栓连接是金属连接的最常见方式之一，它的优点施工简单，装拆方便。飞机发动机转子之间，直升飞机转子和主螺旋桨之间均采用螺栓连接。现有的复合材料金属键链接结构是把复合材料板件当作金属板间来连接，其实复合材料板件有着很大的不同：

1.复合材料中纤维方向上的材料强度要比环氧树脂基材料的强度大的多。纤维复合材料只能承受沿纤维的方向上拉应力。在垂直纤维方向与纤维的方向上承受压力的时候都是由环氧树脂基材料承担的。螺栓连接的时候螺栓和复合材料纤维没有直接接触而是由环氧树脂基材料承担的，这就大大的降低了复合材料螺栓连接件的结构强度。

2.层合复合材料的破坏模式是层间剥离(delamination)。对于复合材料螺栓连接件，由于应力集中的存在，很容易产生层间剥离。

3.纤维复合材料比起金属材料不耐磨。

4.环氧树脂基材纤维复合材料不耐高温。工作温度在200℃以下。

金属基的复合材料衬套(bushing)是一种解决办法.高熔点的合金同城材料强度比较好，低熔点的金属(eutectic alloy)强度比较差。融化高熔点的合金涉及高温技术资金设备上有挑战性。

生产碳纤维增强金属复合材料的主要困难是在碳纤维细丝与它们所嵌入的金属的界面处实现了牢固的结合。熔融金属和碳纤维不浸润。为了克服以上矛盾，在碳纤维的表面上气相沉积钛-硼或硼化钛薄膜来预处理碳纤维。沉积厚度在0.01-2.0微米范围内的该薄膜牢固地粘附在碳纤维表面上，这样碳纤维就被熔融金属浸润了，并在金属凝固时粘附在其上。钛-硼薄膜作为碳纤维的防护涂层，防止它们被金属基质材料侵蚀而形成金属碳化物。

上面提到的在金属复合材料中用于碳纤维的钛-硼涂层的使用更全面地描述在下面：

U.S.Pat.No.3,860,443 of Jan.14，1975 to Lachman et al andU.S.Pat.No.4,082,864 to Kendall et al.