强轻巧轻便，碳纤维增强塑料（CFRP）为汽车和航空航天制造商提供了许多好处。许多工程师因潜在的材料应用而感兴趣，但通过加入挑战仍然令人沮丧。然而，新产品使其比以前更容易地组装成铝和钢等异种材料的复合材料。
碳纤维复合材料提供更轻的重量，更好的耐腐蚀和更高的冲击强度比金属。它们的重量约为钢的五分之一，轻于铝的三分之一，但根据纤维的等级、取向和加工技术，它们在电阻和强度方面具有可比性。
但是，与传统的钢冲压器不同，碳纤维部件通常更昂贵，需要更长时间生产。在连接复合材料时，还需要解决许多蠕变和疲劳问题。
这项技术已经被航空工业广泛应用于许多领域，包括机身和机翼等结构部件。此外，碳纤维部件越来越多地被用于更实际的应用，从自行车、吉他、笔记本电脑和储油罐到海上石油平台、铁路汽车、拖车和风力涡轮机叶片。
汽车工程师也在对该技术进行更紧密地关注。一旦保留在raceCars和高性能跑车中的低批量使用，碳纤维部件现在正在使用更多关于大规模生产的车辆，例如奥迪A8和BMW 7系列轿车和GMC Sierra拾取卡车。
“Carbon-fiber composite applications in the auto industry are growing as the technology becomes more mature, the cost comes down and the flexibility of manufacturing becomes more precise,” says Mike Mowins, president of global licensing at the Phillips Screw Co. “We’re seeing more Tier 1 suppliers using the material as a replacement for metallic parts, especially in applications such as doors, instrument panels and seats.”
“一般做法是使用CFRP制造单独的组分，然后使用粘合剂或紧固件加入其含有功能的金属部件，”Fraunhofer研究所铸造，复合材料和加工技术研究所的工程师Daniel Gunther Notes Daniel Gunther。“换句话说，可以使用CFRP制造连接长扩散和传输负载的组件，而金属被保留用于功能部件和附接点，例如转向机构。”
“即使公司目前没有使用碳 - 纤维复合材料，它也是他们的材料表格列表中的一个项目，”3M的应用工程师“Greg Moriarty”。“制造商希望减轻重量，但匹配与金属相同的性能。我们看到的大多数应用涉及将复合部件连接到不同的材料，例如陶瓷，玻璃或金属。
“更多工程师今天对复合材料变得舒适，”Moriarty说。“与最近在大学技术接触到技术的年轻工程师尤其如此。”
EWI聚合物应用工程师Miranda Marcus补充道:“减少结构组件重量的驱动是促使人们对碳纤维复合材料兴趣增加的一个重要因素。”“然而，与金属和塑料不同，焊接不是一种可行的连接选择。
“关键挑战是纤维或填料，内容往往非常重要，留下焊缝的小基层材料，”马库斯解释说。“另外，纤维或填料非常不可能过于焊接边界，这意味着焊缝永远不会满足基材的增强强度。
“目前，最受欢迎的装配方法是通过粘合剂和紧固件，”马库斯说。“这些都是用于结构和承重应用的完善的连接方法。”
机械紧固
当应用程序需要拆卸和修复时，紧固件通常是最佳装配替代方案。但是，在大表面上传播载荷是碳纤维复合材料的关键问题。
分层和压裂可能对材料的结构完整性有害。这就是为什么有些应用程序结合绑定和紧固以解决问题。
莫文斯说:“工程师们犯的最大错误是没有充分分散整个结构的负载。”“他们倾向于使用传统的机械连接金属结构，这样就不会出现你在复合材料中看到的开裂和分层。
“了解复合材料如何工作，”莫罗斯是很重要的。“工程师应始终避免在联合区域创建撤消压力。传统的塑料往往能够变形，并且不会像碳纤维增强材料一样脆弱或脆弱。
“我们的新点驱动螺纹端凹陷产品和具有大号轴承表面的设计通常用于将碳纤维复合部件连接到金属结构，”Mowins解释。
“与复合关节要求良好对准的紧固件解决方案可以显着降低复杂性和相关的组装成本，同时提供可维护性，”Semblex Corp.“的Brandt Ruszkiewicz，Ph.D.ID.Ind Development Enginemer在粘合剂的关键应用中提供考虑或要求，使用机械紧固提供额外的剥离强度，粘合剂可能无法提供。这对高影响或'崩溃'情景尤为重要。“
加入复合材料的一个挑战是电流腐蚀的风险。由于碳是一种强大的阴极材料，因此当与诸如低碳钢等阳极材料的阳极材料相结合时，它会腐蚀。要解决该问题，工程师应考虑使用替代材料进行紧固件和涂层。
工程师可能遇到的另一个挑战，特别是螺纹成型或自钻紧固件，是材料在装配过程中脱落或除尘。这会在关节处造成潜在的污染。
Semblex提供几种解决这些问题的产品。例如，流量Delta PT紧固件（由Ejot GmbH＆Co.设计和许可）非常适合将CFRP加入诸如铝的薄金属。
“此产品创建自己的孔，在安装过程中形成线程，以最小的材料剥落，”Ruszkiewicz解释说。“此外，我们扩展了我们的技术和产品开发团队，专注于下一代轻型材料的新解决方案和技术，如热固性CFRP。”
粘合剂粘合
机械紧固件通常需要额外的生产步骤，这可能导致应力集中和过早失效。例如，在复合材料中钻孔会由于基体和增强纤维的不连续性而降低强度。粘合剂将应力均匀地分布在粘结线上，而机械紧固件会产生应力集中点，从而导致过早失效。
粘合剂粘合是最常见的装配工艺与碳纤维复合材料一起使用，因为它避免了该问题并提供了设计灵活性。特别是结构粘合剂是连接复合材料和多级组件的最通用和可靠的替代方案之一。
“结构粘合剂优选使用复合材料的许多工程师，”Moriarty索赔。“它们提供连续的粘合线，这提供了更好的性能，特别是当关节需要吸收能量时。
“用复合材料和多种材料设计允许您使用更薄的更轻的基板来创建具有改善的灵活性和更高抗振和运动的产品，”Moriarty说。“加入组装中的这些部件需要新的机械紧固件和焊接的新方法。”
3M提供各种丙烯酸，环氧树脂和氨基甲酸酯，可与碳纤维复合材料一起使用。例如，其DP6310NS和DP6330NS Scotch-Wald多型复合氨基乙烷是用于复合部件的耐用粘接的两部分粘合剂。
专为粘接复合零件而设计的另一种产品是杜邦的Betaforce 9050米。双组分聚氨酯用于加入热加速和环境温度固化工艺和间隙填充应用中的多型结构部件。
杜邦研发总监Andreas Lutz称:“Betaforce 9050M提供了更高的承载能力，以及更高的静、动刚度。”“它在大温度和环境湿度范围内提供了特别稳定的物理性能，这有助于确保在所有气候条件下的性能。”
辅助粘合剂用奥迪使用，以连接轻质零件，例如A8轿车中的碳纤维复合后壁结构。
“超高强度，扭转后的后面板对车辆的轻质设计有贡献，”Lutz说。“它[提供]额外的33％的车辆整体扭转僵硬度和与其前身相比的24％的改进。
“粘合剂可以经过热加速治愈而不损害粘附性和性能，”Lutz解释。“这使得这使得循环时间约为1分钟，同时提供目前在制造后面板零件的制造中的TAPT时间的显着减少。”
“粘合剂最小化或消除像冲压孔一样的二次操作，这是许多紧固件应用所需的，”Henkel Corp的Gustavo Reyes，全球技术和段头VRM增加了“使用粘合剂的一些额外益处是：形成强债券;在增加产品耐用性的同时降低总体成本;比机械紧固件更轻。
“耐久性得到改善，因为粘合剂在整个粘合区域分布压力，而紧固件可以产生应力浓度，导致基板上的弱点，”雷耶斯说。“美学是使用粘合剂的另一个优点，因为它提供了一种干净的外观[虽然还是]，使工程师能够创建满足结构完整性要求的产品。”
增加对纤维增强的需求，树脂 - 基质复合材料最近促使Henkel的研发部门创造了几种新型粘合剂。
“我们最新的创新是一系列普遍的结构粘结器，采用专利的混合动力技术，”注释雷亚斯。“这些粘合剂将两个非常不同化学品的优点结合在一起，在一系列基材上实现增强的粘合强度，固化速度和耐久性，包括塑料，金属和复合材料。
Reyes指出:“我们已经开发了六种混合通用粘合剂，将即时粘合技术与丙烯酸和环氧技术结合起来。”“生产出来的产品在几秒钟内固化到夹具强度，在几分钟内固化到功能强度。它们是环保的，无害的，用户友好的和GHS合规。他们还提供抗紫外线和耐环境。
“Loctite Hy4070是一种氰基丙烯酸酯 - 丙烯酸丙烯酸，其配制成快速固化，同时提供工程师期望丙烯酸粘合剂的刚性粘合线，振动，冲击和紫外线，”索赔雷元。“类似地，我们的氰基丙烯酸酯 - 环氧杂交物，卵曲率4090迅速固化并提供环氧树脂的韧性和耐化学性。
“这两种杂交粘合剂都可以钻，砂磨，涂漆和以其他方式治疗，以递送所需的美学，”雷鱼添加。“他们可以粘合任何形状或尺寸的装配。”
一种对粘合剂组装碳纤维复合材料的一种常见误操作是这些基材容易粘合。然而，重要的是要进行必要的表面制剂以确保良好的粘合。
“很多次，复合材料涂有脱模剂或凝胶涂层，这抑制了它们粘合到其他基材上的能力，”Reyes警告。“因此，需要进行彻底的脱脂以提供无任何污染物的表面。通常，复合材料的机械磨损也是[进行的]，以进一步提高它们的粘合强度。
Reyes说:“但是，必须谨慎，以确保增强纤维在磨损时不会暴露或损坏。”“两种技术的结合将产生最佳的结果。”
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