关于热塑性复合材料与旋入式 盲铆钉接合强度影响因素的研究

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多材料构造方法有助于实现经济高效的轻量化设计。但是，为了结合不同的材料，还需要用合适的工艺将它们连接起来。塑料以低密度、高几何自由度以及不断增加的材料多样性和增强的性能而著称。塑料的机械连接有一种特别经济的方案，即具有高拉拔力的直接螺钉安装。除此之外，还有一种具有单面可达性和密封功能的盲铆接方法。

德国帕德博恩大学塑料技术学院（KTP）开发的旋入式盲铆钉方法结合了上述两种连接方法，最终产生了多种协同效应。旋入式盲铆接具有与直接螺钉连接相似的高强度和经济效益，并且具有单面连接性和密封功能。旋入式盲铆钉可被用作单独的连接元件或在注塑成型过程中直接模制到塑料部件上。它由一个螺纹管和一个将螺纹管与底板（或部件）相连的轴组成。薄壁轴上有一个凹口，可在连接过程中让轴脱离。

第一步是将装在其中一个部件上的盲铆钉插入另一个部件的钻孔。随后，将螺钉拧入螺丝孔直到螺钉头碰到表面。进一步拧紧螺钉时，轴在底板和螺纹管之间的凹口处脱离（图 1）。通过位于被连接部件表面下方的凹口，其凸起部分与另一个部件接触并确保连接牢固无间隙。

三个模制旋入式盲铆钉

考虑到轻量化结构潜力，纤维增强型塑料最为合适，尤其是热塑性复合材料。因此，还需要新的或改良的连接工艺。它们可以在加热过程中成型，也可以用肋条背模成型。但是，用旋入式盲铆钉作为连接元件进行模制也存在可行性。该方法具有多种优势。开放的纤维末端用新的基体材料包覆成型并固定，热塑性复合材料上的螺丝孔有助于组装过程的稳固定位。

在 KTP的研究过程中，旋入式盲铆钉被模制在热塑性复合材料片上。在测试过程中，热塑性复合材料的样品制备会有变化，红外线灯加热工艺以及注塑工艺参数也是如此。盲铆钉和热塑性复合材料之间的接合强度用拉拔试验辅助进行评估。样品用Allrounder 420 C注塑机（制造商：阿博格）生产，其中三个不同直径的盲铆钉被集成在位于底板之上的模具中。

含聚丙烯基体的热塑性复合材料（型号：Tepex Dynalite，生产商：Bond-Laminates）由呈0°/90°方向排列的三层玻璃纤维组成，厚度分别为1.5mm和1mm。它们被插入2mm厚的底板凹槽中。由此产生的间隙取代了专门的浇注点，用于将熔体送入螺丝孔（图2）。要将螺丝孔模制到底板上，必须将热塑性复合材料切割成匹配模具的尺寸（84 x 24 mm）。钻孔（直径DS1 = 8mm，DS2 = 10mm，DS3 = 12mm）位于盲铆钉靠后的位置。制备的热塑性复合材料悬浮于注塑模具之中并用红外线灯加热。在用聚丙烯（型号：Moplen HP 400R，利安德巴塞尔公司）注塑成型之后，含三个模制盲铆钉的热塑性复合材料（图2）被移除。为了进行拉伸测试（测试速度：50mm/min），盲铆钉通过塑料适用的螺钉（德国毅结特公司生产的Delta PT）以及另一个连接部件的钢片固定。钢片有一个用于夹紧的底切。通过热塑性复合材料加固的盲铆钉底板被放置在样品架（有30mm通孔的钢板）上（图 3）。

热塑性复合材料几何形状的作用

实验计划分为多道工序，每道工序都使用上一道工序的最佳参数（图4）。未模制在热塑性复合材料上的旋入式盲铆钉（VP 0）被选作参考。首先，热塑性复合材料的外缘有所改变：有时没有倒角，有时在铆钉一侧有倒角，有时在背对铆钉的一侧有倒角（VP 1）。有了倒角和钻孔，热塑性复合材料的固定无须多言。倒角还可用于控制熔体从热塑性复合材料的哪一侧流向铆钉。

模制在具有垂直边缘的热塑性复合材料上的旋入式盲铆钉的强度略低于未模制在热塑性复合材料上的盲铆钉。此外，利用热塑性复合材料，其刚度也明显增加。热塑性复合材料面向铆钉一侧的倒角获得了最佳的机械强度数据，因此被用于后续研究（VP 1.3）。

此外，热塑性复合材料的厚度（VP 2.1）和钻孔的边缘（VP 2.2）均有改变。较薄的热塑性复合材料被证明是不合适的，因为热塑性复合材料和铆钉组合的位移显著下降。钻孔上的倒角获得了更高的刚度和相当的强度数据。

最后，用于沉浸模芯的钻孔直径dB从原来的10mm改为9mm（VP 3.1）和12mm（VP 3.2）（受限于模具和部件的几何形状）。减少到9mm时，强度略有提高。

为了测试工艺参数（使用优化的几何形状参数（VP 3.1）），注射速度、料筒温度、热塑性复合材料的预热时间、保压压力和模具温度都有变化（图5）。注塑机设置均基于材料制造商推荐的加工参数。

不同工艺参数的影响

注射速度直接影响着分子链的排列和取向方向的强度。料筒温度越高，就会在熔体和热塑性复合材料之间的接触区产生更高的温度。同时，熔体的粘度下降。

熔体和嵌件之间的接触面是一个薄弱环节。通过预热热塑性复合材料，基体表面塑化。此处用Heraeus红外线灯（200 W）在距离热塑性复合材料25mm处加热。

热塑性复合材料中的纤维织物阻碍了部件收缩，从而导致产生内应力。为避免产生缩痕和分层，注射之后必须保压，而这会对其后的内应力产生影响。

较高的模具温度降低了塑料熔体与模壁之间的温差，从而减缓了熔体的冷却速度。它提高了与热塑性复合材料接触面的温度并提高了熔接线的强度。

结果（图 5）表明，提高注射速度（VP 4.1b）和熔体温度（VP 4.2b）会对热塑性复合材料和盲铆钉之间的接合强度产生积极的影响。但是，红外线预热（VP 4.3）应加以限制。较短的加热时间可获得更好的拉伸强度数据。较高的保压压力（VP 4.4b）有助于强度的略微提升。模具温度未在测试范围内产生任何影响。

提高熔体温度和注射速度会导致熔体前沿（乳白色/透明）在接近热塑性复合材料时温度升高，从而导致热塑性复合材料的热塑性基质（黑色）塑化，然后与注入的聚丙烯连接。此外，在断裂模式下还能实现更好的连接（图6）。最后，将最佳参数转移到直径为 8mm和12mm的铆钉上。热塑性复合材料增强的旋入式盲铆钉与未增强的同类铆钉的对比结果表明，它们具有相似的拉伸强度（图6）。因此，热塑性复合材料与盲铆钉之间的粘合性良好。同时，接合的刚性也显著提高。在旋入式盲铆钉直径为12mm的情况下，拉伸强度的增强非常明显。这一结果是通过未增强的底板在拉伸测试中比铆钉更早失败发现的。

展望

测试表明，旋入式盲铆钉可以模制在热塑性复合材料上而不影响其强度。通过此处使用的测试装置，还可发现显著的硬化效果。在未来的测试中，热塑性复合材料中的钻孔可以用沿着纤维方向的十字切口代替。在这种情况下，预热的热塑性复合材料的纤维可以被拉入螺丝孔的底部，从而在拉伸剪切载荷下产生显著的增强效果。

来源：荣格-《国际塑料商情》

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