高强铝合金板/CFRP材料热冲压成形研究

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汽车的发展需要汽车在减轻重量的同时提高安全性,因此汽车制造业越来越多的使用更高比强度的材料,例如铝合金和碳纤维。使用CFRP材料进行局部增强从而提高金属零件性能是一种经济有效的方法。本文研究通过热冲压工艺实现铝合金板料与CFRP预浸料结合,探究既符合热冲压零件生产的要求同时完成多材料(Multi-materials)零件制作的工艺参数,具体结论如下:(1)通过剥离实验研究铝合金表面处理、热冲压过程中保压时间、保压压力,CFRP材料表面改性对高强铝合金板/CFRP多材料零件粘结接头强度的影响。结果表明分别对铝合金表面进行打磨处理、碱洗、酸洗,增加了铝合金表面与环氧树脂的接触面积从而提高混合接头强度。相比未打磨试样,不同表面处理方式后接头强度分别提高155.10%,338.77%,369.38%;保压时间对接头强度的影响不呈线性增长,当保压时间从10 s增加到30 s的过程中,接头强度迅速增加,从30 s提高到60 s,接头强度增加趋势降低,超过60 s,接头强度几乎不变。保压时间为30s,即能保证常规的热冲压过程,同时保证多材料零件具有很高的粘合强度。研究中,保压压力应保持在1.0 MPa左右,有利于防止树脂溢胶且具有最大接头强度;对碳纤维进行改性处理,使用GO改性材料提高接头强度30%,而CNT改性材料对接头性能无提高。(2)通过三点弯曲实验探究铺设CFRP预浸料层数对多材料板弯曲性能和吸能性能的影响。铺设2,4,6,8层CFRP材料对铝合金/CFRP多材料板的能量吸收和弯曲性能分别提高16.69%,34.05%,395.41%,150.40%和5.28%,24.84%,57.24%,36.38%。随着层数的增加,能量吸收值和弯曲性能的提升不呈现线性增长,在铺设层数超过6层后,碳纤维层之间的粘结力对材料性能的影响增大。因此为保证铺设CFRP材料具有高的性价比,铺设6层CFRP材料较为合理。(3)通过短梁弯曲实验得到断裂韧性能量Ⅰ5507.6//m~2和Ⅱ51043.9//m~2,并依据断裂韧性能量建立内聚力模型、Hashin渐进失效模型,探究剥离实验过程中多材料接头的失效形式。结果显示,剥离过程中铝合金与CFRP均未发生明显的失效,而接头粘结区域树脂基体发生拉伸损伤并且接头发生内聚力损伤,粘结损伤首先发生在粘结区域边界,并从边界区域向粘结中心扩展。综上所述,使用热冲压工艺进行铝合金/CFRP多材料零件制作,较为合适的工艺参数为:采用打磨和磷酸清洗的方式进行铝合金表面处理,热冲压成型过程中保压时间30 s,保压时间1.0 MPa,CFRP铺设层数6层。
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