无人机机翼用复合材料的胶接与性能研究.docxVIP

摘要

为了提升无人机机翼用碳纤维/铝复合材料的胶接强度，采用4因素5水平的正交试验法对超声振动胶接工艺参数进行了优化，并与传统未施加超声振动的胶接接头进行了对比。结果表明，超声振动胶接工艺中对胶接强度影响最大的是振动时间，其次为振动幅值，振动位置的影响最小；正交试验结果表明，碳纤维/铝胶接接头的最佳工艺参数为A3B5C3D5，即振动时间23s、振动压力0.40MPa、振动位置30mm和振动幅值56μm，此时碳纤维/铝胶接接头胶接强度最大。相较于未施加超声振动的胶接接头，正交优化工艺下胶接接头的最大拉伸荷载平均值提高42.13%，胶接强度平均值提高41.59%。

随着现代化电子信息技术和材料产业的快速发展，基于小型化、信息化和轻量化的无人机产业迎来了良好发展机遇，这主要是因为：不仅军用无人机可以应用于高科技战争，如通用原子公司制造的MQ-1捕食者无人机，能够发射AGM-114地狱火空对地导弹；工业无人机和消费无人机还可以应用于农业植保、地质勘探、森林防火、视频航拍和遥控玩具等领域。

且由于低人工干预、高自主、高智能科技发展的需要，轻量化无人机也逐渐朝着多元化趋势方向发展，这就要求现代化无人机具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐辐照等性能。其中，碳纤维和铝合金由于具有较高的比强度、耐腐蚀性能等而成为了无人机机翼用材的首选，然而在使用过程中，碳纤维与铝合金属于不同的材料，物理和化学性质方面存在较大差异，需要采用胶接方式实现二者的连接，但是胶接过程中传统胶接工艺会由于工艺参数控制不当等因素，严重影响无人机机翼用碳纤维/铝板的胶接强度，且胶接过程中还存在稳定性差等问题。在此基础上，本文创新性将超声振动引入碳纤维/铝板的胶接工艺中，探索了基于超声振动的胶接工艺参数对碳纤维/铝板的胶接强度的影响，结果将有助高胶接强度的无人机机翼用碳纤维/铝板的胶接工艺开发并推动其在实际工业中的应用。

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材料与方法?

1.1?试验材料

试验材料包括：威海豪仕达碳纤科技有限公司提供的3K-T700碳纤维板，尺寸为102.7mm×26.5mm×2.5mm；西南铝业股份有限公司提供的7075+Er合金板，尺寸为102.7mm×26.5mm×2.5mm。

1.2?胶接工艺

胶接试样的尺寸示意图如图1所示，胶黏剂为3M-DP460型AB胶胶黏剂。胶接过程中控制的胶接工艺参数包括振动时间、振动压力、振动位置（振动工具头至铝板的距离）和振动幅值，选择4因素5水平正交试验法研究胶接工艺参数对无人机机翼用碳纤维/铝板胶接性能的影响，正交试验见表1。

1.3?测试方法

根据ASTMD5868-01标准，在MTS-810型液压伺服万能材料试验机上对无人机机翼用碳纤维/铝板胶接试样进行拉伸，拉伸速率为5mm/min，温度为室温，并记录破坏时的最大荷载，计算碳纤维/铝板胶接试样的胶接强度?。采用JSM6800型钨灯丝扫描电子显微镜观察碳纤维/铝板胶接接头的断口形貌。

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结果与分析??

2.1?正交工艺

表2为无人机机翼用碳纤维/铝胶接试样的正交试验结果，以碳纤维/铝胶接接头的最大拉伸荷载和胶接强度作为评价指标。

图2为正交试验表的均值主效应图。从正交试验结果和均值主效应图可知，在其它胶接工艺参数不变前提下，胶接工艺参数中的振动时间、振动压力、振动位置和振动幅值都会在一定程度上影响碳纤维/铝胶接接头的最大拉伸荷载和胶接强度。

表3为正交极差分析结果，其中极差R反映了胶接工艺参数（振动时间、振动压力、振动位置和振动幅值）对胶接强度的影响，R值越大则表示对应的胶接工艺参数对碳纤维/铝胶接接头胶接强度的影响越大。从表3的计算结果可知，对胶接强度影响从大至小的顺序为：振动时间振动幅值振动压力振动位置。对于碳纤维/铝胶接接头的胶接工艺而言，振动时间对胶接接头的影响最大，其次为振动幅值，而振动位置对胶接强度的影响最小。从正交极差分析结果优化得到的碳纤维/铝胶接接头的最佳工艺参数为A3B5C3D5，即振动时间23s、振动压力0.40MPa、振动位置30mm和振动幅值56μm，此时碳纤维/铝胶接接头胶接强度最大。

2.2对比验证

为了进一步证实超声振动强化对碳纤维/铝胶接接头的胶接强度的影响，在不施加超声振动的条件下，对碳纤维/铝板进行了胶接，其他工艺参数一样。将最优工艺下胶接接头的力学性能作为优化组，不施加超声振动的胶接接头的力学性能作为传统组，对比结果见表4。

对比分析可知，传统组试样的最大拉伸荷载平均值为4735N，优化组的最大拉伸荷载平均值为6730N，传统组试样的胶接强度平均值为7.43MPa，优化组的胶接强度平均值为10.52MPa。可见，相较于未施加超声振动的胶接接头，正交优化工艺下胶接接头的最大拉伸荷载