本發(fā)明涉及復(fù)合材料增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

熱塑性材料用作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體材料已穩(wěn)步發(fā)展，尤其是在汽車和航天航空應(yīng)用領(lǐng)域中，主要是因?yàn)闊崴苄圆牧峡裳h(huán)利用，并且能夠被快速加工。它們具有優(yōu)于熱固性樹脂的斷裂韌性，還能采用焊接技術(shù)，易于連接。熱塑性材料不同于熱固性樹脂，它可存放較長時(shí)期，并且不減損任何性能。

在汽車行業(yè)中，為了滿足低成本，高效率的批量生產(chǎn)，采用化整為零的方法，提出 “部件生產(chǎn)—連接”的生產(chǎn)模式。

目前，超聲波焊接是熱塑性制件的最佳焊接方法之一，是采用低振幅、高頻率振動(dòng)能量使表面的分子摩擦產(chǎn)生焊接所需要的熱量。超聲波一般用于小部件的焊接，對(duì)于大面積和特殊形狀的焊接則不適用。焊接接頭也必須經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，以便將振動(dòng)能量集中到熔化點(diǎn)，通用性較差。超聲波對(duì)復(fù)合材料的破壞，尤其是對(duì)接頭處的纖維排列破壞較大。

而目前Z-pin三維增強(qiáng)技術(shù)借鑒了不連續(xù)縫合方法，將Z-pin以一定的角度和分布密度植入到復(fù)合材料層合板坯材中。該項(xiàng)技術(shù)將層合板中鋪層與鋪層結(jié)合成整體，有效提高層間強(qiáng)度和層間斷裂韌性，具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、減重性好、對(duì)纖維損傷小等優(yōu)點(diǎn)，適用于預(yù)浸料工藝和局部增強(qiáng)。

Z-pin是纖維與樹脂復(fù)合后，經(jīng)拉擠工藝制成的針狀細(xì)桿，Z-pin三維增強(qiáng)技術(shù)目前主要應(yīng)用于熱固性復(fù)合材料。Z-pin的植入方法主要為超聲波震動(dòng)植入，這樣的植入方法會(huì)一定程度的損傷Z-pin的力學(xué)性能，且這種植入方法不適用于熱塑性復(fù)合材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)及其制造方法，本熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)及其制造方法在不損害或極少損害待連接構(gòu)件中纖維的前提下，用植入Z-pin的方法連接兩個(gè)構(gòu)件，并將Z-pin兩端處理成銷釘形狀，有效提高連接強(qiáng)度。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)，包括熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一、熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二和Z-pin，所述熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二相互連接且連接處設(shè)有孔洞，所述孔洞貫穿熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二，所述Z-pin用于植入孔洞內(nèi)從而提高熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二之間的連接強(qiáng)度，所述Z-pin的兩端為銷釘形狀。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述Z-pin植入孔洞內(nèi)的方向垂直于熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二的纖維方向。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一、熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二和Z-pin的材質(zhì)相同。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述銷釘形狀包括圓帽型或沉頭型。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的另一個(gè)技術(shù)方案為：

一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：通過拉擠設(shè)備制備Z-pin，根據(jù)Z-pin的直徑選擇打孔裝置中打孔鉆頭的直徑，所述打孔裝置包括依次連接的打孔鉆頭、孔洞端頭形狀控制配件和加熱裝置；

步驟2：將熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一放置在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二的上面，使用固定裝置將熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二進(jìn)行固定，所述固定裝置對(duì)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二具有上下加壓的作用。

步驟3：確定Z-pin植入的位置，即確定熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二需要的打孔位置，標(biāo)記打孔位置；

步驟4：將打孔裝置的打孔鉆頭對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的打孔位置，加熱裝置將熱量通過打孔鉆頭對(duì)打孔位置進(jìn)行局部熱傳遞，將打孔鉆頭從熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一向熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二移動(dòng)從而在在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二的連接處形成一孔洞；

步驟5：拆除打孔裝置，把拉擠好的Z-pin植入孔洞內(nèi)；

步驟6：將植入的Z-pin的兩端處理成銷釘形狀；

步驟7：冷卻固化，拆除固定裝置。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述的步驟4還包括： 打孔鉆頭連接的孔洞端頭形狀控制配件從孔洞的上端口向下移動(dòng)從而在孔洞的上端口形成與孔洞端頭形狀控制配件相同的形狀，孔洞端頭形狀控制配件再從孔洞的下端口向上移動(dòng)從而在孔洞的下端口形成與孔洞端頭形狀控制配件相同的形狀。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述打孔裝置的孔洞端頭形狀控制配件活動(dòng)連接在所述打孔鉆頭和加熱裝置之間。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案，所述步驟6中Z-pin兩端的處理方式為熱處理。

本發(fā)明提供一種采用“打孔-植入Z-pin”的工藝實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的連接，并將植入Z-pin的兩端處理成銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的超聲波震動(dòng)植入的Z-pin的方法相比，不會(huì)損傷Z-pin的力學(xué)性能；本發(fā)明的打孔過程，因打孔處的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一或熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二內(nèi)的樹脂因溫度的升高而變得有流動(dòng)性，對(duì)該處的纖維束縛力變小，所以熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一或熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二中的纖維會(huì)隨著打孔裝置的進(jìn)入而向兩邊移動(dòng)，并不會(huì)斷裂；本發(fā)明改善了超聲波焊接通用性較差，超聲波對(duì)復(fù)合材料的破壞，尤其是對(duì)接頭處的纖維排列破壞較大的缺點(diǎn)，以及現(xiàn)有的一些連接方式的不足，在不損害或極少損害待連接構(gòu)件中纖維的前提下，用植入Z-pin的方法連接熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二，并將Z-pin兩端處理成銷釘形狀，有效提高連接強(qiáng)度；本發(fā)明在處理Z-pin端部時(shí)，熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一或熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二的連接處上下表面處于被擠壓的狀態(tài)，因此Z-pin端部處理好后，會(huì)存在預(yù)應(yīng)力的作用，一定程度上提高了連接強(qiáng)度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明打孔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明完成打孔后，打孔裝置停留在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二中的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明Z-pin植入孔洞中的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明第一實(shí)施例的Z-pin端頭形狀示意圖。

圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例的Z-pin端頭形狀示意圖。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)圖1至圖4對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作出進(jìn)一步說明：

第一實(shí)施例：參見圖3和圖4，一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)，包括熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4、熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5和Z-pin7，所述熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5相互連接且連接處設(shè)有孔洞，所述孔洞貫穿熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5，所述Z-pin7用于植入孔洞內(nèi)從而提高熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5之間的連接強(qiáng)度，所述Z-pin7的兩端為圓帽型形狀8。

本實(shí)施例中，所述Z-pin7植入孔洞內(nèi)的方向垂直于熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的纖維方向。

本實(shí)施例中，所述熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4、熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5和Z-pin7的材質(zhì)相同。

一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：通過拉擠設(shè)備制備Z-pin7，根據(jù)Z-pin7的直徑選擇打孔裝置中打孔鉆頭1的直徑，參見圖1，所述打孔裝置包括依次連接的打孔鉆頭1、孔洞端頭形狀控制配件2和加熱裝置3；

步驟2：參見圖2，將熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4放置在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的上面，使用固定裝置6將熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5進(jìn)行固定，所述固定裝置6對(duì)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5具有上下加壓的作用。

步驟3：根據(jù)成品的使用環(huán)境要求在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的連接處設(shè)計(jì)Z-pin7植入的位置，即確定熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5需要的打孔位置，標(biāo)記打孔位置；

步驟4：將打孔裝置的打孔鉆頭1對(duì)準(zhǔn)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4上的標(biāo)記的打孔位置，加熱裝置3將熱量通過打孔鉆頭1對(duì)打孔位置進(jìn)行局部熱傳遞，將打孔鉆頭1從熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4向熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5慢慢移動(dòng)從而在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的連接處形成一孔洞，隨著打孔裝置的移動(dòng)，完成打孔；

步驟5：拆除打孔裝置，把拉擠好的Z-pin7植入孔洞內(nèi)，參見圖3；

步驟6：參見圖4，根據(jù)加工后成品的不同使用環(huán)境及要求，將植入的Z-pin7的兩端處理成圓帽型形狀8；對(duì)Z-pin7兩端的處理方式為熱處理，可以使用溫度達(dá)到熱塑性樹脂加工溫度的模具使Z-pin7端頭成型；

步驟7：冷卻固化，拆除固定裝置6。

本實(shí)施例中涉及的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5中的熱塑性樹脂均包括聚醚醚酮（PEEK）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、 聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PPSU）、聚醚砜（PESU）、 聚 酰亞胺（PI）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚丙烯（PP）、 聚乙烯（PE）、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）或聚苯乙烯（PS）等。

本實(shí)施例中涉及的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5中的纖維包括玻璃纖維、碳纖維等。

本實(shí)施例也適用于熱塑性復(fù)合材料的層合板之間的層間增強(qiáng)。

第二實(shí)施例：參見圖5，一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)，包括熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4、熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5和Z-pin7，所述熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5相互連接且連接處設(shè)有孔洞，所述孔洞貫穿熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5，所述Z-pin7用于植入孔洞內(nèi)從而提高熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5之間的連接強(qiáng)度，所述孔洞的兩端為沉頭型形狀9，所述Z-pin7的兩端為沉頭型形狀9。

本實(shí)施例中，所述Z-pin7植入孔洞內(nèi)的方向垂直于熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的纖維方向。

本實(shí)施例中，所述熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4、熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5和Z-pin7的材質(zhì)相同。

一種熱塑性Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的銷釘結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：通過拉擠設(shè)備制備Z-pin7，根據(jù)Z-pin7的直徑選擇打孔裝置中打孔鉆頭1的直徑，參見圖1，所述打孔裝置包括依次連接的打孔鉆頭1、孔洞端頭形狀控制配件2和加熱裝置3，所述孔洞端頭形狀控制配件2為沉頭型形狀；

步驟2：參見圖5，將熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4放置在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的上面，使用固定裝置6將熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5進(jìn)行固定，所述固定裝置6對(duì)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5具有上下加壓的作用。

步驟3：確定Z-pin7植入的位置，即確定熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5需要的打孔位置，標(biāo)記打孔位置；

步驟4：參見圖2，將打孔裝置的打孔鉆頭1對(duì)準(zhǔn)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4上的標(biāo)記的打孔位置，加熱裝置3將熱量通過打孔鉆頭1對(duì)打孔位置進(jìn)行局部熱傳遞，將打孔鉆頭1從熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4向熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5慢慢移動(dòng)從而在熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的連接處形成一孔洞；打孔鉆頭1連接的孔洞端頭形狀控制配件2從孔洞的上端口繼續(xù)向下移動(dòng)從而在孔洞的上端口形成與孔洞端頭形狀控制配件2相同的沉頭型形狀9；再將打孔鉆頭1從孔洞的下端口向上移動(dòng)，即從熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5向熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4的方向上移動(dòng)，打孔鉆頭1連接的孔洞端頭形狀控制配件2從孔洞的下端口繼續(xù)向上移動(dòng)從而在孔洞的下端口形成與孔洞端頭形狀控制配件2的相同的沉頭型形狀9，完成打孔；

步驟5：拆除打孔裝置，把拉擠好的Z-pin7植入孔洞內(nèi)；

步驟6：參見圖5，根據(jù)加工后成品的不同使用環(huán)境及要求，將植入的Z-pin7的兩端處理成沉頭型形狀9；對(duì)Z-pin7兩端的處理方式為熱處理，可以使用溫度達(dá)到熱塑性樹脂加工溫度的模具使Z-pin7端頭成型；

步驟7：冷卻固化，拆除固定裝置6。

本實(shí)施例中，所述打孔裝置的孔洞端頭形狀控制配件2活動(dòng)連接在所述打孔鉆頭1和加熱裝置3之間。本發(fā)明可以通過對(duì)打孔裝置的孔洞端頭形狀控制配件2的更換可實(shí)現(xiàn)制作不同的孔洞兩端形狀。

本實(shí)施例與第一實(shí)施例相比，植入Z-pin7后的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的表面依舊為平面，適用于對(duì)表面質(zhì)量要求較高的情況。并且可以通過更換打孔裝置中孔洞端頭形狀控制配件2，來實(shí)現(xiàn)對(duì)沉頭角度的控制，當(dāng)連接件收到平行于Z-pin7方向的載荷力時(shí)，可以將剪切力部分轉(zhuǎn)換成擠壓力，提高連接性能。

本發(fā)明不限于第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中的Z-pin7的兩端的形狀，根據(jù)不同的需求將Z-pin7的兩端處理成不同的銷釘形狀，本發(fā)明提供一種采用“打孔-植入Z-pin7”的工藝實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的連接，并將植入Z-pin7的兩端處理成銷釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)及其制造方法；本發(fā)明的打孔過程，因打孔處的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4或熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5內(nèi)的樹脂因溫度的升高而變得有流動(dòng)性，對(duì)該處的纖維束縛力變小，所以熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4或熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5中的纖維會(huì)隨著打孔裝置的進(jìn)入而向兩邊移動(dòng)，并不會(huì)斷裂；本發(fā)明在不損害或極少損害待連接構(gòu)件中纖維的前提下，用植入Z-pin7的方法連接熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4和熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5，并將Z-pin7兩端處理成銷釘形狀，有效提高連接強(qiáng)度；本發(fā)明在處理Z-pin7端部時(shí)，熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件一4或熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件二5的連接處上下表面處于被擠壓的狀態(tài)，因此Z-pin7端部處理好后，會(huì)存在預(yù)應(yīng)力的作用，一定程度上提高了連接強(qiáng)度。

本發(fā)明的保護(hù)范圍包括但不限于以上實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，任何對(duì)本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進(jìn)均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。