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发表于 2021-4-7 14:27:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
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碳纤维复合材料与铝合金连接方式选型研究
李文中1 李振兴1 吴皓亮1 马杰2 和仕超2 马秋1
(1.吉利汽车研究院(宁波)有限公司,宁波 315336;2.宁波吉利汽车研究开发有限公司,宁波 315336)
摘 要:多材料混合车身设计是汽车轻量化的重要手段,其中铝和碳纤维的连接是轻量化车身结构设计和工艺装配面临的挑战。研究了SPR、FDR、抽芯铆钉3 种连接方式及结构胶应用于碳纤维复合材料和铝合金异种材料的连接,测定了连接结构的剪切和十字拉伸性能,分析了连接方式和结构胶对力学性能和失效模式的影响,旨在指导碳纤维复合材料连接设计与选择。
关键词:碳纤维复合材料 铝合金 连接技术
1 前言

将直径5~10 μm 碳纤维丝按照统一方向排布形成12K/24K/48K 丝束,然后丝束按照不同的铺层设计通过不同的工艺过程(预浸料、树脂传递模塑、湿法模压等)与树脂复合,形成特定物性的碳纤维复合材料。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)以其优异的比强度和比刚度在航空和汽车制造领域广泛应用。随着车身多材料技术的发展,碳纤维结构件开始逐步应用于白车身,如宝马7 系、奥迪A8 和蔚来ES8。连接结构的强度和刚度是决定白车身框架整体强度和刚度的重要因素之一。碳纤维结构件不可避免的与车身框架的其他金属钣金发生连接,如果碳纤维复合材料与金属件接头强度、刚度不足可能会带来异响、扭转刚度降低等NVH 问题以及电化学腐蚀、安全、耐久、可靠性等问题[1]。

为了充分发挥CFRP 的优势,需要在设计开发过程中准确描述这类连接形式。特别是当进行虚拟设计验证时,需要合理描述连接单元的力学性能等信息。故有必要研究CFRP 与铝合金的连接方式对接头强度的影响,分析其不同连接形式的失效加载力和失效模式。目前多数前人的工作主要集中在抽芯铆钉或是螺栓的连接方式[2],但是它们都需要预开孔且螺栓紧固件会增加较多重量。随着连接技术的发展,可尝试使用自冲铆接(Selfpiercing Riveting,SPR)和热熔流钻铆接(Flow Drilling Riveting,FDR)等方式来进行异种材料的连接,这也为车身的设计提供了更多的自由度。

一般的,制造工艺时间、连接性能和成本是影响连接方式选型的重要因素。选取SPR、抽芯铆钉及FDR 3种不同的连接方式进行不同连接形式的试验研究,对试验结果及其失效模式进行了分析,期望这些结果可以作为连接结构设计选型参考的依据。

2 试验方法

考察对象是碳纤维复合材料与铝合金板材的连接,碳纤维复合材料层合板料选择连续高强度碳纤维T700 制备,纤维体积含量为50%;采用高压树脂传递模塑(HP-RTM)成型工艺,共有8 个铺层(0/+45/-45/90)s(s 表示铺层关于中面对称),总厚度为2.5 mm,0°方向沿着板长方向;0°方向静态拉伸强度415 MPa,弹性模量40 GPa,90°方向静态拉伸518 MPa,弹性模量42 GPa。铝合金选用6016-T4状态,板料厚度为2.5 mm,抗拉强度247 MPa,弹性模量70 GPa。

碳纤维复合材料与铝合金的连接选用3种方式,自冲铆接、抽芯铆钉和流钻铆接,如表1所示,表中简单描述了3种不同连接方式的剖面图和优缺点。

表1 3种连接方式的剖面图和优缺点

选用的SPR 铆钉是埃姆哈特公司生产,型号为C5.3×6.5H4;抽芯铆钉也为是埃姆哈特公司生产,专门用于碳纤维复合材料连接的VGrip-ZRE,预开孔尺寸为(5±0.1)mm;FDR 铆接是GESIPA 公司开发的FDR 技术,型号为φ4.8×13 PG A2A2 FDR。具体的铆钉参数如表2 所示。

表2 3种连接方式铆钉参数

此外连接所用的结构胶是陶氏的1840C,涂胶之后模拟烘烤180 ℃/30 min固化。选用电子万能试验机测试连接强度,设定的加载速率10 mm/min。连接测试料片的尺寸规格为100 mm×40 mm,分别进行剪切(Shear)及十字拉伸(Cross tensile)试验研究,剪切试验用料片形状及规格示意参见图1a,十字拉伸用料片形状及规格试验参见图1b。搭接组合叠放顺序为碳纤维复合材料在上,铝合金板料在下,连接中心为图1所示几何中心上。

3 试验结果及讨论3.1 不加胶的结果

对铆接后的搭接组合进行纯剪切和十字拉伸测试,结果如表3 所示。抽芯铆钉连接的剪切力小于SPR 和FDR,主要是由于连接方式本身结构强度不同导致的。SPR 虽然也是中空结构,但是SPR铆钉本身进行热处理,强度高于抽芯铆钉,而FDR主要是因为材料强度本身要比SPR 和抽芯铆钉大。而对于十字拉伸性能来说,抽芯铆钉和FDR相对于SPR 均有尺寸较大的铆钉头部,故十字拉伸性能较好。FDR 是把碳纤维母材中的纤维丝束挤开,没有出现SPR 连接铆钉钉脚会破坏纤维丝束,导致铆钉钉脚周围局部纤维树脂层结构被破坏。此外抽芯铆钉预开孔会导致截面强度降低,且若钻孔不慎,容易导致孔周围出现裂纹,成为失效过程中裂纹扩展的源头。所以,对于碳纤维复合材料不加胶情况下的连接,FDR 对于强度的保证有一定的优势。

图1 连接强度测试用料片形状及规格

表3 连接方式力学性能测试结果及失效模式

3.2 加胶的结果

从表4 可以看出,结构胶对连接结构剪切强度的增强作用还是比较明显的。加胶之后,剪切力明显增加,达到13 kN 以上;但是也可以看出,结构胶对十字拉伸的连接强度并没有明显提升,甚至还略有下降,这主要跟失效模式有关。添加结构胶后,十字拉伸表现的失效模式(下文展开讨论)均为碳纤维母材层内撕裂模式。因为结构胶强化了碳纤维与铝合金板材的连接强度,但是碳纤维层间的连接强度主要是靠复合的树脂本身的强度,一般较低,容易发生树脂层内撕裂。

3.3 失效模式与连接选型讨论

CFRP 连接结构的破坏模式称为失效模式,直接影响着连接强度,如图2 失效示意图及表5 试验失效实物图所示。挤压失效(Bearing failure)是由于孔壁受到压缩损坏引起,压缩载荷通常导致较高的层间法向应力和剪切应力,从而促进孔的边缘发生的褶皱伸长变形和孔边缘分层,类似于金属材料的塑性变形过程。故在结构设计时,可通过调整机械连接间距和切边距离设计可有效增加此种失效模式发生的概率。

表4 结构胶对连接方式力学性能和失效模式的影响

图2 碳纤维复合材料连接失效模式

在垂直于碳纤维板料的方向开始发生剪切失效导致铆钉从板料中拔出,这种现象称为拉脱失效(Rivet punching failure)。这种失效模式下,不仅树脂发生断裂产生裂纹扩展,甚至从电镜放大图可以观察到其内部的部分纤维也有可能会发生断裂。

如果采用较厚的板料或者铆钉本身强度不足,铆钉本身可能会发生剪切破坏,这种失效模式称为铆钉本身失效(Rivet failure)。

由于碳纤维铺层设计不合理或者碳纤维母材开孔不光滑,在孔边缘处引发的裂纹会沿着垂直于载荷方向的截面传播,而这种破坏称为净截面失效(Net-section failure)。出现这种失效模式时,就需要检查碳纤维铺层设计、开孔质量以及连接板料与铆钉的匹配性是否合理。

表5 碳纤维复合材料连接失效实物

结合连接形式的峰值力与失效模式来看,针对未添加结构胶的剪切工况来讲,SPR 和FDR 均表现出挤压失效,其峰值力明显大于抽芯铆钉的铆钉本身失效模式。而添加结构胶后SPR 连接,由于胶结强度大于碳纤维母材层内剪切强度,故导致碳纤维母材首先层内撕裂,之后呈现出挤压失效模式。

对于未添加结构胶的十字拉伸工况,SPR 和FDR 连接均为拉脱失效,在垂直于碳纤维板料的方向发生树脂和纤维束的剪切,由于FDR 钉头覆盖面积大于SPR,故其峰值力较大。而抽芯铆钉由于本身强度低,失效模式为铆钉本身被拉断。

添加结构胶后,SPR 连接首先是层内撕裂导致垂直于碳纤维板料的母材厚度降低,更容易被拉脱失效,故其十字拉伸的峰值力相对于未添加结构胶的方式出现了降低。特别是抽芯铆钉,由于碳纤维母材层内撕裂较严重,甚至出现了净截面失效。以SPR 连接为例进一步分析添加结构胶后十字拉伸试验的失效,碳纤维与铝合金板的连接结构从点连接转变为面连接,点连接时碳纤维与铝合金板为整体分离,继而碳纤维板拉脱;而面连接时多一道分离过程,即结构胶与碳纤维首层连接后导致碳纤维先产生层内撕裂后再变为整体分离,间接导致碳纤维板料厚下降,从而铆钉拉脱时拉力下降,故碳纤维树脂的选择和所用连接结构胶要匹配设计,即碳纤维与铝合金板的连接结构胶的强度需要合理定义。

失效模式也直接影响着连接结构的力位移曲线。从图3 不同连接形式的力—位移曲线也可以看出,剪切比十字拉伸工况可以吸收更多的能量。针对剪切工况,挤压失效模式下,由于存在类似于金属材料的塑性变形区,故可以在峰值力附近保持一段位移,从而吸收更多的能量;而铆钉本身失效达到峰值力后很快下降,吸收的能量较小。但是FDR 无论是剪切还是十字拉伸工况,破坏FDR 连接结构均需要更多的能量。针对十字拉伸工况,拉脱失效相对于铆钉本身失效在达到峰值力后并未迅速下降,同样是缓慢下降,这样有助于碰撞能量的吸收。

图3 不同连接形式的力—位移曲线

为了研究碳纤维复合材料对连接结构的影响,我们对比了碳纤维与铝合金以及铝合金本身的SPR连接强度和失效模式,讨论了碳纤维复合材料对连接结构设计的影响以及改善措施。从图3 可以看出,SPR铆接Al+Al(铝合金+铝合金)双层板对应的峰值力和吸能效果最优,剪切力为9 kN,十字拉伸力为5.25 kN。说明对于铝合金铆接,SPR这种连接方式的设计是非常成功的。特别是十字拉伸工况,Al+Al双层板的力位移曲线有一段平台区,这是由于拉伸过程中铝板本身的塑性变形引起的。这一特点也有助于缓冲碰撞对连接结构的冲击,降低瞬时加速度,提高铆接强度和稳定性。另外如图4所示,由于SPR铆接Al+Al双层板的剪切和十字拉伸工况均表现出铆钉钉脚从底层板滑脱,不同于CFRP+Al的SPR连接失效模式,故直接影响到相应的峰值力和力—位移曲线。而且从双层铝板的剖切来看,其钉脚互锁值为1.18 mm,明显要大于CFRP+Al组合(0.90 mm),这也是导致十字拉伸峰值力高于碳纤维的原因之一。从另一个侧面说明,常规的SPR 连接方式可能并不适用于CFRP这种脆性材料,其十字拉伸工况下的拉脱失效模式均会恶化峰值力和吸能效果,从而弱化连接点的强度和刚度。

图4 SPR铆接Al+Al双层板连接失效模式及剖切图

综上给我们的启示是,在进行连接设计时,需综合考量以下4 点要素。

a.铆钉本身的连接形式、尺寸规格和材料强度;

b.连接板料本身的材料强度和板料厚度;

c.考虑结构胶的选择与树脂选型的匹配性;

d.碳纤维板料铺层设计和性能的各向异性。

组成连接结构的上述4 大要素均合理设计,才能更好的保证连接强度的有效性、经济性。工程师在进行连接结构设计时,应尽可能使连接结构出现的工况以剪切工况为主,减少十字拉伸工况的发生,且要尽可能使结构设计出现挤压失效模式。当出现净截面失效模式时,需寻找原因并优化结构设计。如果要改善连接结构的十字拉伸工况,可选择增大抽芯铆钉、FDR 的头部尺寸或者增加金属垫片,减少连接处应力集中诱导的碳纤维母材的开裂,为使承载的拉脱力增大,而选择结构胶增强十字拉伸力是无效的。此外,在使用碳纤维复合材料代替铝合金减重时,应充分利用碳纤维板料各向异性的可设计性,充分分析受力工况和失效模式,设计合理的铺层。如果简单使用各向同性的典型铺层设计,不但连接强度、刚度降低,且其提升性能和减重的效果可能不明显,也没有发挥碳纤维复合材料应有的优势。

4 结论

通过对不同连接形式的力学测试,可以得到如下结论。

a.当SPR、FDR、抽芯铆钉3 种连接结构不使用结构胶时,剪切力普遍在4 kN 左右,十字拉伸力在2 kN。其中,以FDR 连接强度最优,且连接过程无需板料预开孔;

b.结构胶添加可以改善连接结构的剪切效果(陶氏1840C 胶,涂胶模拟烘烤180 ℃/30 min 固化),提升在3 倍以上,但不能改善连接结构的十字拉伸效果;

c.进行连接结构设计时,应优先选择挤压失效模式并合理设计碳纤维复合材料的铺层。

以上试验结果可以为碳纤维复合材料连接设计提供指导和借鉴意义,多材料混合车身设计时,给出适用于碳纤维复合材料和铝合金连接的设计准则。

由于篇幅有限,针对前文中提到的添加结构胶的合理匹配设计方面的内容,本文暂不作阐述。

参考文献:

[1]庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京:机械工业出版社,2015.

[2]A Pramanik,A K Basak,Y.Dong,et al.Joining of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composites and alumini&#8259;um alloys– A review[J]..Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2017,101:1-29.



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