摘要
构件的轻量化设计是提高性能、节约能源、减少环境污染的有效途径之一，聚合物基复合材料与铝合金异质结构能够满足结构性能和轻量化设计的双重指标。本文针对聚合物及聚合物基复合材料与铝合金焊缝成形困难、界面热膨胀系数差异大导致的失配和力学性能低等问题，基于搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）技术，兼顾冶金连接与机械连接双重模式，开展了CF/PEEK复合材料与2060-T8铝合金焊接界面结合、强度提升及连接和损伤机制研究，对实现聚合物基复合材料与铝合金异质接头的优质高强连接具有重要的指导意义。 针对异质接头宏观机械连接效果，设计了三铣平面螺纹搅拌针，有效地促进了焊接过程中热塑性材料动态流动，辅以焊接工艺参数优化，实现了焊接过程热输入和材料塑性流变的调控，优化了“铝铆”结构尺寸与力学性能和界面形态。在较低的焊接速度下，获得的“铝铆”结构与搅拌针长度比值达到0.8，有利于提高异质接头的界面咬合能力。当旋转速率为800rpm且焊接速度为50mm/min时，接头最大拉剪强度为20MPa。 为进一步促进异质接头焊缝成形，设计了主要包含外部静止轴肩和内部三铣平面螺纹搅拌针的焊具。其中，内部三铣平面螺纹搅拌针决定焊缝内部成形和“铝铆”结构尺寸，外部静止轴肩控制焊缝表面完整性。基于新型焊具设计和搭接匹配（CF/PEEK复合材料在上层、2060-T8铝合金在下层），成功地获得了表面成形和内部成形均良好的复合材料与铝合金异质接头。三铣平面螺纹搅拌针产生的材料动态流动促进了大尺寸“铝铆”结构直接扎入复合材料板材，形成自铆接结构，为复合材料与铝合金接头主要连接机制。材料塑性流变促进了铝合金板材的平直表面向非平直表面转变，强化了复合材料与铝合金之间的微观机械咬合能力。同时，纤维扎入铝合金引起的载荷传递效应和复合材料与铝合金之间的冶金连接起辅助作用。接头拉剪性能与“铝铆”结构尺寸、有效板材厚度和纤维形态与分布密切相关。当旋转速率为1600rpm且焊接速度为30mm/min时，“铝铆”结构长度为1.8mm，复合材料有效连接厚度为1.0mm，碳纤维断裂程度低且弥散分布，增强了拉剪过程中载荷传递效应，接头拉剪强度最大为33MPa，异质接头拉伸断裂呈“铝铆”结构的拔出与断裂和碳纤维的拔出与断裂特征。 兼顾冶金连接与机械连接，提出了复合材料与铝合金铆焊复合连接概念，通过多孔中间层结构和宏观预置孔辅助，实现了复合材料与铝合金的摩擦自铆焊（Friction self-riveting welding，FSRW）。采用微弧氧化技术在铝合金表面制备多孔氧化膜，促进复合材料与铝合金之间冶金连接，提升异种材料界面结合；同时，多孔氧化膜结构与塑性聚合物材料之间实现了微结构多孔镶嵌，强化了微观机械咬合，有利于提升接头承载能力；与未制备氧化膜接头相比，拉剪强度提升50%。铝合金侧引入预制孔，摩擦挤压作用促进了聚合物材料挤压填充预制铝合金孔，有效的材料流动增加了微结构多孔镶嵌效率，促进了铝合金与复合材料之间宏/微观机械咬合；形成了复合材料铆钉结构，主要由聚合物基体和再分布的纤维组成；摩擦热和强塑性形变促进复合材料铆钉与基体板材之间纤维互混和分子链缠结，提升载荷传递效应，延缓裂纹形成和扩展，提高了异质接头力学性能。当多孔氧化膜平均孔径为5μm且面积孔隙率为5%、预制孔直径为2mm时，FSRW异质接头最大拉剪强度为27MPa，较未制备多孔氧化膜和预制孔接头拉剪强度提升170%，FSRW异质接头断裂属于混合断裂，以聚合物撕裂与纤维断裂为主。为解决F S RW预制孔过大难以实现有效填充问题，引入额外聚合物填充塞，其不仅作为有效的机械铆钉提升了铆焊效果，而且与铝合金材料紧密结合，实现了异质结构高质量连接，有效地拓宽了F S RW的应用范围。 基于以上的研究，兼顾冶金连接与机械连接双重模式，设计了包含静止轴肩和三铣平面螺纹搅拌针的焊具，有效地促进了异质接头焊缝成形，改善了界面结合特性。为进一步增强宏/微观机械咬合和界面连接效果，提出了FSRW技术，引入了多孔氧化膜结构中间层和宏观预制孔，实现了聚合物基复合材料与铝合金异质结构的双模式连接复合强化设计，为聚合物基复合材料与铝合金异质结构的高可靠连接提供了技术方案。
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