[发明专利]航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，可应用在航空、航天、汽车、轨道交通技术领域，特别是在一些承载较大的结构件中尤其重要，类属于轻量化复合材料制造技术领域。

背景技术

对于航空、航天、汽车、轨道交通车辆来说，轻量化便可以获得节能的效果。但是传统的以金属件为主导的结构部件往往满足不了轻量化的要求，在满足强度与刚度的条件下，部件的重量太重，使得整机笨重耗能。通过碳纤维加强复合材料（CFK）便可以在满足部件功能（强度与刚度）的条件下显著降低重量。

目前在航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域中使用最多的结构件是碳纤维加强材料的承载杆件。这些承载杆件都会涉及到金属承载部件在碳纤维复合材料中的镶嵌问题，于是金属部件与碳纤维复合材料的结合技术问题便成为工程应用的关键技术问题。如果承载金属部件与碳纤维复合材料无法结合牢固，很难传递载荷至碳纤维复合材料上，而且碳纤维的纵向强度远高于横向，所以如何利用各向各异的特性是设计轻型复合材料的主题。有许多复合材料的结构件采用外加夹板（金属部件）进行固定，这样的设计很难达到部件轻量化与安全可靠的效果。因为碳纤维与金属之间的粘结效果还不足以满足直接承载的条件，简单的在金属构件外缠绕碳纤维的方法也很难满足安全可靠的要求。所以如何解决通过金属构件的载荷传递，使其均布在碳纤维复合材料上便是本发明所要解决的技术问题。

近年来在欧美地区产生了许多较为先进的金属部件与碳纤维结合的方法，如：DE4430502C2描述了如何使用螺栓固定的方法；DE10206614A1描述了如何使用螺栓与几何形状轮廓固定的方法；DE19649133C1描述了碳纤维材质的液压缸设计中的固定方法；EP0640186B1描述了碳纤维材料制造的航空用气缸的固定方法；US4685384描述了在碳纤维材料制造的流体流量控制机构上的固定方；DE102006047412B4、DE10200604713A1描述了航空用液压缸的制造方法和金属与碳纤维复合材料的连接技术等。这些结合技术存在着如下缺点：

1) 金属构件的体积过大，导致自重过重；

2) 简单缠绕碳纤维方法很难保证无金属部件与碳纤维复合材料之间的松动；

3) 制造工艺较为复杂，导致承载杆件的成本较高。

发明内容

本发明的目的是提出一种航空用承载杆件的承载耳片中金属构件与碳纤维复合材料的结合方法，利用金属构件的形状和载荷均匀传递方式，将“水滴”型金属构件镶嵌在由碳纤维复合材料制成的承载杆件的耳片内，充分利用碳纤维在纵向承载能力最大的特点，以碳纤维之间的牢固粘合形成拟合金属构件形状连接固定。 

为达到上述目的，本发明提供了一种航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，该结合方法包含以下具体步骤：

步骤1，将机加工“水滴”型金属构件固定在碳纤维复合承载杆件的成型模具两端的耳片部位中；

步骤2，将高模碳纤维纵向缠绕在“水滴”型金属构件上，每层之间横向穿插低模碳纤维，以固定缠绕高模碳纤维；每编制一层均需涂热固性树脂；

步骤3，在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维，纤维之间取向夹角为30-60度；

步骤4，经25分钟、烘干温度80℃预定型，以及，3小时、烘焙温度350℃成型，脱模，取出成型产品。

上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述结合方法还包含步骤1之前的预处理步骤，以增加金属构件表面与碳纤维复合材料中树脂的粘合力：对机加工“水滴”型金属构件的外表面进行喷砂预处理，喷砂的沙粒为0.5-1.5mm的石英砂。

上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的结合方法还包含：步骤5，成型产品冷却后，经清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡成型承载杆件的耳片部位，再进行渗碳化硅处理，然后对磨光的耳片表面进行镀镍处理。

上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的金属构件具有尖端和具有圆形通孔的大头端，在成型模具的两端，两个金属构件以尖端对尖端的位置放置。

上述的航空用结构件中金属部件与碳纤维复合材料的结合方法，其中，所述的金属构件具有沿尖端至大头端纵向环设若干纵向槽（如单槽、双槽或多槽），以固定纵向缠绕的承载碳纤维。