《复合材料工艺与设备》课程教学资源（教案讲义）13 复合材料连接与机加工

第十三章复合材料连接与机加工教学参考资料武汉理工大学精品课程

第十三章 复合材料连接与机加工 教学参考资料 武汉理工大学精品课程

第十六章GRP复材的连接GRP复材连接产生的原因GRP复材连接的主要类型：①胶接；②机械连接；③焊接；④混合连接1胶接的基本概念和胶接机理胶接是用胶接剂将各种材料粘结起来的工艺方法复合材料的胶接主要用于复材之间以及复材与一些金属橡胶及其它非金属之间的连接。复材的胶接与其它连接方式相比，具有胶接结构重量轻、强度较高，应力分布均匀，外形光滑整齐、工艺简单、周期短等优点；但同时也存在着工作温度还不够高，胶接质量不够稳定，粘口不易检查等缺点。为了说明胶接机理，我们首先来看看两种物体表面的粘附作用，由物理化学观点：两种物体贴表面足够紧靠在一起的，都会引起粘附，这种粘附作用分为两种，即本征粘附与机械粘附，本征粘附是前两种物体表面分子间的作用力，而机械粘附，则表示两种物质相互渗入对方表面的孔隙成型及内，而产生的粘接力。根据两种物体的粘附作用，不少学者从不同的实验条件出发进行研究，提出了不同的粘接理论（粘接机理）：①附理论：认为粘接力是建立在胶粘剂与被胶物两种分子之间的分子吸引上面，胶接现象是与吸附现象类似的表面过程。吸附理论进一步认为：形成胶接的过程分为两个阶段：（详见P12-2）②粘接的静电理论③粘接的扩散理论显然，胶接强度主要取决于胶粘剂与被胶物之间的粘附能以及胶粘剂本身的内聚能，由此胶接接头受外力作用发生断裂时的断裂特征可分三种破坏：①内聚破坏：即胶粘剂自身或胶层内部破坏；

第十六章 GRP 复材的连接 GRP 复材连接产生的原因 GRP 复材连接的主要类型：①胶接；②机械连接；③焊接；④混合连接 1 胶接的基本概念和胶接机理 胶接是用胶接剂将各种材料粘结起来的工艺方法 复合材料的胶接主要用于复材之间以及复材与一些金属橡胶及其它非金属 之间的连接。 复材的胶接与其它连接方式相比，具有胶接结构重量轻、强度较高，应力分 布均匀，外形光滑整齐、工艺简单、周期短等优点；但同时也存在着工作温度还 不够高，胶接质量不够瞧稳定，粘口不易检查等缺点。 为了说明胶接机理，我们首先来看看两种物体表面的粘附作用，由物理化学 观点：两种物体贴表面足够紧靠在一起的，都会引起粘附，这种粘附作用分为两 种，即本征粘附与机械粘附，本征粘附是前两种物体表面分子间的作用力，而机 械粘附，则表示两种物质相互渗入对方表面的孔隙成型及内，而产生的粘接力。 根据两种物体的粘附作用，不少学者从不同的实验条件出发进行研究，提出 了不同的粘接理论（粘接机理）： 1 附理论： 认为粘接力是建立在胶粘剂与被胶物两种分子之间的分子吸引上面，胶接现 象是与吸附现象类似的表面过程。 吸附理论进一步认为：形成胶接的过程分为两个阶段：（详见 P12-2） ②粘接的静电理论 ③粘接的扩散理论 显然，胶接强度主要取决于胶粘剂与被胶物之间的粘附能以及胶粘剂本身的 内聚能，由此胶接接头受外力作用发生断裂时的断裂特征可分三种破坏： ①内聚破坏：即胶粘剂自身或胶层内部破坏；

②粘附破坏：胶粘剂与被胶物之间的界面破坏：③混合破坏。2胶粘剂一、胶粘剂的分类胶粘剂常用的分类方法有以下几种：1.按胶接强度分为结构胶粘剂和非结构胶粘剂：2．按胶粘剂主要组分的化学性质分为有机与无机粘胶剂，而有机胶粘剂又包括：动物性有机粘胶剂、植物性有机粘胶剂，高分子合成化合物胶粘剂热固性树脂胶粘剂三类热强性树脂胶粘剂改性多组分胶粘剂目前由于高分子合成科技的发展，这类胶粘剂种类最多，应用最广，是我们讨论的主要内容。3.按胶粘剂的工艺技术，又分为低温固化胶粘剂、常温固化胶粘剂、高温固化胶粘剂。二、胶粘剂的基本组成胶粘剂，特别是合成胶粘剂，共组分通常包括粘料、固化剂、溶剂填料等。1.粘料粘料是胶粘剂的基体可作粘料的物质主要有合成树脂（环氧、本分醛、聚酯、有机石化树脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇溶醛）和合成橡胶（丁腈橡胶和氯丁橡胶等）。从胶层与被胶物间界面粘附性能和胶层内聚强度可以看出。a.热固性树脂（见P12-3）用作结构胶粘剂的粘料：b.热塑性树脂，一般都是线性分子，且受热后软化，较不宜单独做结构胶粘剂的粘料，而是利用它的粘附性和柔韧性与热固性树脂配合使用。2.固化剂3.填料

②粘附破坏：胶粘剂与被胶物之间的界面破坏； ③混合破坏。 2 胶粘剂 一、胶粘剂的分类 胶粘剂常用的分类方法有以下几种： 1. 按胶接强度分为结构胶粘剂和非结构胶粘剂； 2. 按胶粘剂主要组分的化学性质分为有机与无机粘胶剂，而有机胶粘剂又 包括：动物性有机粘胶剂、植物性有机粘胶剂，高分子合成化合物胶粘剂 三类 改性多组分胶粘剂 热强性树脂胶粘剂 热固性树脂胶粘剂 ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 目前由于高分子合成科技的发展，这类胶粘剂种类最多，应用最广，是我们 讨论的主要内容。 3. 按胶粘剂的工艺技术，又分为低温固化胶粘剂、常温固化胶粘剂、高温 固化胶粘剂。 二、胶粘剂的基本组成 胶粘剂，特别是合成胶粘剂，共组分通常包括粘料、固化剂、溶剂填料等。 1. 粘料 粘料是胶粘剂的基体 可作粘料的物质主要有合成树脂（环氧、本分醛、聚酯、有机石化树脂、聚 丙烯酸酯、聚乙烯醇溶醛）和合成橡胶（丁腈橡胶和氯丁橡胶等）。 从胶层与被胶物间界面粘附性能和胶层内聚强度可以看出。 a. 热固性树脂（见 P12-3） 用作结构胶粘剂的粘料； b. 热塑性树脂，一般都是线性分子，且受热后软化，较不宜单独做结构胶粘 剂的粘料，而是利用它的粘附性和柔韧性与热固性树脂配合使用。 2. 固化剂 3. 填料

胶粘剂一般都需要加入填料以改进胶接性能：a.降低胶层的热膨胀系数；减少热固性树脂粘料的固化收流b.提高粘料的弹性模量，使胶层与被胶物（尤其是金属材料）弹性模量相近。c.此外，某些填料还可以降低胶层脆性，提高耐热性等作用。选择填料应注意：①对填料的性能要求（P12-4)；②填料的用量；②填料的表面活性为了提高填料的表面活性，可在填料表面浸渍上一层硅烷处理剂，可以增加填料与粘料间的偶联作用，从而提高粘接强度。常用填料有石灰粉、滑石粉、石棉粉、氧化铝粉、瓷粉、金属粉及其它一些金属氧化物粉。4.溶剂三、几种常用胶粘剂1.HYT-6胶粘剂2.环氧-聚酰胺胶粘剂3.201胶粘剂（FSC-1胶粘剂）4.204胶粘剂（JF-1胶）5.FHJ-5胶粘剂6.桐油酸酐一环氧树脂胶粘剂7.JQ-11胶粘剂（详见P12-5~P12-7)四、各种材料的粘接任何胶粘剂都是有其局限性，因此我们必须根据不同材料的特点，选择合适胶粘剂和胶接方法

胶粘剂一般都需要加入填料以改进胶接性能： a. 降低胶层的热膨胀系数； 减少热固性树脂粘料的固化收流 b. 提高粘料的弹性模量，使胶层与被胶物（尤其是金属材料）弹性模量相 近。 c. 此外，某些填料还可以降低胶层脆性，提高耐热性等作用。 选择填料应注意： ①对填料的性能要求（P12-4）； ②填料的用量； 2 填料的表面活性 为了提高填料的表面活性，可在填料表面浸渍上一层硅烷处理剂，可以增加 填料与粘料间的偶联作用，从而提高粘接强度。 常用填料有石灰粉、滑石粉、石棉粉、氧化铝粉、瓷粉、金属粉及其它一些 金属氧化物粉。 4. 溶剂 三、几种常用胶粘剂 1. HYT-6 胶粘剂 2. 环氧-聚酰胺胶粘剂 3. 201 胶粘剂（FSC-1 胶粘剂） 4. 204 胶粘剂（JF-1 胶） 5. FHJ-5 胶粘剂 6. 桐油酸酐—环氧树脂胶粘剂 7. JQ-11 胶粘剂 （详见 P12-5～P12-7） 四、各种材料的粘接 任何胶粘剂都是有其局限性，因此我们必须根据不同材料的特点， 选择合 适胶粘剂和胶接方法

1.热塑性塑料的溶剂胶接热塑性塑料一般按方法有溶剂溶解的胶接，胶接剂胶接和焊接三种。通常热塑性塑料本身（即同种）的胶接采用溶剂溶解后胶接，即活性剂溶解后胶接。而不同塑料的胶接则采用胶粘剂胶接，热固性树脂固化后为不熔不溶性物质，既不能用热熔（焊接）也不能用溶剂溶解后胶接，只能用胶粘剂来胶接。几种常用塑料溶剂粘接时所用溶剂见表12-1。2.各种材料的粘接3胶接工艺胶接工艺主要包括：胶接接头的设计：被胶件的准备；胶粘剂的配制；胶粘剂的涂布、晾置：胶接面的叠合与胶接剂的固化。有关胶接接头的设计2号及机械连接的有关内容，下面我们分别讲。一、被胶件的准备1.配合间隙配合间隙是决定胶层厚度的关键，配合间隙愈小，胶层厚度愈薄，胶接强度刚度也就愈大。这是因为5点原因（P12-11）实践证明，配合间隙应控制在0.04～0.06mm，效果最佳、最大间隙应不超过0.2mm。2.表面粗糙度被胶件真正平滑的表面是不存在的，都有不同程度的粗糙度，这时如用胶接剂把接触面的间隙填满，就可以供胶接剂与两固体表面的粘附力，使两者表面完全连在一起。那么具有多大的粗糙度对粘接最合适呢。从机理上讲，真正光滑的固体表面并不理想，需要一定的粗糙度：②以增大胶接面积③可以与胶接剂之间发生机械“啮合”作用

1. 热塑性塑料的溶剂胶接 热塑性塑料一般按方法有溶剂溶解的胶接，胶接剂胶接和焊接三种。 通常热塑性塑料本身（即同种）的胶接采用溶剂溶解后胶接，即活性剂溶解 后胶接。 而不同塑料的胶接则采用胶粘剂胶接，热固性树脂固化后为不熔不溶性物 质，既不能用热熔（焊接）也不能用溶剂溶解后胶接，只能用胶粘剂来胶接。 几种常用塑料溶剂粘接时所用溶剂见表 12-1。 2. 各种材料的粘接 3 胶接工艺 胶接工艺主要包括：胶接接头的设计；被胶件的准备；胶粘剂的配制；胶粘 剂的涂布、晾置；胶接面的叠合与胶接剂的固化。 有关胶接接头的设计 2 号及机械连接的有关内容，下面我们分别讲。 一、被胶件的准备 1. 配合间隙 配合间隙是决定胶层厚度的关键，配合间隙愈小，胶层厚度愈薄，胶接强度、 刚度也就愈大。 这是因为 5 点原因（P12-11） 实践证明，配合间隙应控制在 0.04～0.06mm，效果最佳、最大间隙应不超过 0.2mm。 2. 表面粗糙度 被胶件真正平滑的表面是不存在的，都有不同程度的粗糙度，这时如用胶接 剂把接触面的间隙填满，就可以供胶接剂与两固体表面的粘附力，使两者表面完 全连在一起。 那么具有多大的粗糙度对粘接最合适呢。 从机理上讲，真正光滑的固体表面并不理想，需要一定的粗糙度： 2 以增大胶接面积 3 可以与胶接剂之间发生机械“啮合”作用

但是表面如果有十分明显的凹凸不平现象，会影响胶接效果：①在凹处会由于积有水份、空气而产生气泡。②在凸处则会由于缺胶而出现胶层不连续点。这两者都将导致胶接强度下降。对机械加工的表面，被胶体表面光滑度以VZ和V为宜。3.胶接件的表面处理对胶接件进行表面处理，主要是除去被粘物表面的油污、尘埃、水份等。a.存在于胶接面上的无机盐类和其他可溶性物质，一般都会有一定的水分，这些水分在加热固化过程中将产生起泡现象，降低粘附力。b.金属表面的氧化物非常疏松和不稳定，容易水解，其水解产物的内聚力比较低，使胶接强度下降。c.油污、尘埃、破坏了胶接剂与被胶物之间的接触经过表面处理后（尤其是化学处理），提高了表面能、表面形成稳定的，不易水化的、耐腐蚀并且有极性的活性层，并形成一个较粗糙的表面，胶接强度一般能增加30%。不同的材料，将采用不同的方法，以获得最佳的效果。（1）金属材料的表面处理金属材料的表面处理主要有脱脂处理、机械处理和化学处理。①脱脂处理目的除去表面的油脂、机械杂物等脏物方法：采用有机溶积清洗（cd4、丙酮、汽油、三氯乙烯等）②机械处理主要是用机械方法对被胶件进行打磨和喷砂。④学处理其作用是通过化学药品的作用，使金属表面的油污分解、溶解而去除，也有的是通过化学作用使金属表面腐蚀、氧化、得到的新的氧化层，表12-4介绍了几种主要化学处理剂的配方处理条件

但是表面如果有十分明显的凹凸不平现象，会影响胶接效果； ①在凹处会由于积有水份、空气而产生气泡。 ②在凸处则会由于缺胶而出现胶层不连续点。 这两者都将导致胶接强度下降。 对机械加工的表面，被胶体表面光滑度以∇Z 和∇ψ 为宜。 3. 胶接件的表面处理 对胶接件进行表面处理，主要是除去被粘物表面的油污、尘埃、水份等。 a. 存在于胶接面上的无机盐类和其他可溶性物质，一般都会有一定的水分， 这些水分在加热固化过程中将产生起泡现象，降低粘附力。 b. 金属表面的氧化物非常疏松和不稳定，容易水解，其水解产物的内聚力比 较低，使胶接强度下降。 c. 油污、尘埃、破坏了胶接剂与被胶物之间的接触 经过表面处理后（尤其是化学处理），提高了表面能、表面形成稳定的，不 易水化的、耐腐蚀并且有极性的活性层，并形成一个较粗糙的表面，胶接强度一 般能增加 30%。 不同的材料，将采用不同的方法，以获得最佳的效果。 （1）金属材料的表面处理 金属材料的表面处理主要有脱脂处理、机械处理和化学处理。 ①脱脂处理 目的除去表面的油脂、机械杂物等脏物 方法：采用有机溶积清洗（cd4、丙酮、汽油、三氯乙烯等） ②机械处理 主要是用机械方法对被胶件进行打磨和啧砂。 4 学处理 其作用是通过化学药品的作用，使金属表面的油污分解、溶解而去除，也有 的是通过化学作用使金属表面腐蚀、氧化、得到的新的氧化层，表 12-4 介绍了 几种主要化学处理剂的配方处理条件

（2）复材的表面处理（P12-13）（3）其他非金属材料的处理（见表12-5）二、胶粘剂的配制三、胶的涂布1.涂胶的方法2.涂胶量的确定（胶粘剂的用量会影响胶接质量）对中液态、音状和粉状胶粘剂，其用量以g/m?数控制和计算。用量确定：①胶的浓度和比重；②胶接面的修配质量；③表面粗糙度或疏松度；④制作结构（胶接面变红）而对胶膜则以面积和厚度计算胶膜厚度的选择，通常为0.1~0.2mm四、散开晾置与叠合①散开晾置的用品②开晾置时间和温度（应取决于胶的性质，溶剂含量及环境）以BC-10T胶为例。（图12-2、12-3）每种胶合散开晾置时间和温度都应较上述一样由实验确定。五、胶粘剂的固化固化过程是胶接工艺中最重要和必不可少的工序。最重要的工艺参数有固化压力、固化温度及保持时间。①固化压力a.加压的作用b.压力大小对质量的影响c.单位压力的确定②固化温度

（2）复材的表面处理（P12-13） （3）其他非金属材料的处理 （见表 12-5） 二、胶粘剂的配制 三、胶的涂布 1. 涂胶的方法 2. 涂胶量的确定（胶粘剂的用量会影响胶接质量） 对中液态、音状和粉状胶粘剂，其用量以 g/m2数控制和计算。 用量确定：①胶的浓度和比重； ②胶接面的修配质量； ③表面粗糙度或疏松度； ④制作结构（胶接面变红） 而对胶膜则以面积和厚度计算 胶膜厚度的选择，通常为 0.1～0.2mm 四、敞开晾置与叠合 ①敞开晾置的用品 ②敞开晾置时间和温度（应取决于胶的性质，溶剂含量及环境）以 BC-10T 胶为例。（图 12-2、12-3） 每种胶合敞开晾置时间和温度都应较上述一样由实验确定。 五、胶粘剂的固化 固化过程是胶接工艺中最重要和必不可少的工序。 最重要的工艺参数有固化压力、固化温度及保持时间。 ①固化压力 a.加压的作用 b.压力大小对质量的影响 c.单位压力的确定 ②固化温度

a.作用b.固化温度高低的确定表12-6列举了几种常用胶粘剂的工艺参数

a. 作用 b. 固化温度高低的确定 表 12-6 列举了几种常用胶粘剂的工艺参数