先进热塑性复合材料连接技术发展热点分析

01概述

纤维增强树脂基复合材料（FRP）因其优异的物理性质和设计灵活性，在航空航天领域中发挥着关键作用。这类材料以其高比强度、高比刚度、良好的耐高温性能和轻量化的特点而受到广泛应用。在飞机结构中，热固性复合材料（TSC）虽然已得到广泛应用，但其内在缺陷推动了对具有更高性能和更可持续发展潜力的热塑性复合材料（TPC）的研究关注。碳纤维增强的热塑性复合材料在各类航空器结构中的应用日益增加，例如Gulfstream G650公务机的尾翼、空客A330/A340的内侧壁板扣件以及H-160直升机的中央旋翼桨榖等，均采用此类材料制造，表明了TPC在航空领域的广泛应用潜力。

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料显示出更高的抗疲劳性、更好的冲击损伤容忍性、更短的固化周期，并且便于进行二次加工和回收利用。这些优势使得TPC成为未来航空结构材料发展的一个重要方向。

在制造大型或复杂的航空结构件时，连接技术是组装过程中的一个关键环节。复合材料的连接方法主要包括机械连接、胶接以及熔融焊接。自20世纪60年代起，美国国家航空航天局（NASA）便在复合材料的机械连接领域进行了深入研究，建立了一套针对复合材料连接的设计、制造和应用指导规范。1997年，美国启动的“复合材料经济可承受性（CAI）”项目，针对低成本大型结构胶接技术的研究取得了显著成果，其中F-35战斗机的胶接结构应用便是一个成功案例。

对于热塑性复合材料，由于其树脂的低表面能特性，传统的胶接方法面临挑战，而热塑性的加热软化和冷却硬化特性使得熔融焊接成为一种有效的新型连接方法。波音公司的一项成本比较研究显示，与传统的螺栓连接相比，采用熔焊连接复合材料结构部件可大幅降低劳动力成本，进一步证实了熔融焊接技术在复合材料连接领域的应用价值。

02近年热门的先进热塑性复合材料连接技术

2.1熔融焊接

在复合材料的连接过程中，机械连接法通过预制孔的方式容易损害增强纤维，这种做法不仅降低了材料的整体结构性能，而且在连接异种材料时可能导致电偶腐蚀，进而削弱材料界面的强度。胶接技术虽然可以避免预制孔造成的直接物理损伤，但其在实际应用中面临诸如环境敏感性和较长的黏结剂固化时间等挑战。此外，热塑性复合材料（TPC）的胶接过程通常需要对表面进行预处理，以提升材料表面的润湿性和表面张力，从而改善黏接效果。

图 常见熔融链接方法

2.2电阻焊接

电阻焊接技术利用电流通过加热元件产生焦耳热，熔化热塑性树脂并通过压力形成焊接接头。关键在于精准控制焊接参数以保证接头质量。早期研究依赖搭接剪切强度测试（LSST）评估接头力学性能，但后续研究提出需通过韧性试验评估接头的复杂断裂行为。加热元件的选择对焊接质量至关重要，研究表明织物加热元件比单向纤维具有更均匀的温度分布，而后者在相同材料间的结合性能更佳。不锈钢网加热元件的丝束密度直接影响树脂扩散和加热效率。为防止电阻焊接中的漏电问题，开发了一种涂有TiO2陶瓷涂层的不锈钢网，通过改进加热均匀性和隔绝电流泄漏，提高焊接接头的质量和性能。

图 电阻焊接

2.3感应焊接

感应焊接 ( IW) 的原理是在导电线圈上施加交流电压时产生交流电，感应出时变磁场，当加热元件被放置在时变磁场附近时，就会产生涡流，涡流流过导电回路在焊接界面产生热量，因此也可以使用编织增强纤维产生闭环，如图所示。与电阻焊接不同的是，感应焊接不需要感应线圈与加热元件接触，能够更好地控制加热区域。

图 感应焊接原理

2.4超声焊接

在1984年，Potente首次阐述了利用超声波焊接热塑性高分子材料的机制，其中涉及将待焊材料与一称为导能筋（感受器）的元件在焊接压力作用下固定接触。通过超声波发生器，高频交流电被转换为高频振动，这种小振幅的运动通过分子间摩擦产生热能，该热能随后通过导能筋传递至接头界面，使之熔融并在压力作用下与待焊件形成稳定连接。相较于电阻焊接和感应焊接，超声焊接因其快速且适用于大批量及自动化生产而突显优势，特别是在不引入外来材料或纤维的情况下，通过在焊接界面放置一层特定的树脂材料——超声波导能筋（ED），以减少潜在影响。

图 超声焊接

随着研究的发展，超声焊接技术的优化焦点包括工艺参数的调整、焊接控制方法、导能筋的选型及不同热塑性复合材料的焊接。控制超声焊接的主要参数有压力、振幅和时间，其中振动时间决定了输入到焊接接头的能量及其最终的质量。研究指出，接头质量会随着焊接时间的延长而提高，但过长的焊接时间可能会导致接头处出现较大的孔洞和裂纹。不同频率下的焊接实验表明，高频率（67～180 kHz）下的焊接接头具有更高的强度，这归因于高频能提供更高的界面温度。此外，焊接过程中的振动时间可以通过设定值直接控制或通过调节焊接能量和超声波发生器的垂直位移来间接控制。与能量控制相比，位移控制能够实现更稳定和可靠的焊接质量。导能筋作为超声焊接中至关重要的部分，通过其自身低于被焊材料刚度的特性和与被焊材料的相对运动，集中产生热量，促进摩擦加热和黏弹性加热，其形状如三角形、半圆形和矩形等。

图 导能筋类型

2.5其他连接技术

在连接技术领域，除了传统方法如电阻焊接和感应焊接外，搅拌摩擦焊和摩擦自铆焊等新兴技术展示了其广阔的研究与发展潜力。同时，探索创新的连接技术，特别是在化学键合、异种材料连接及新型结构设计方面，变得至关重要。具体而言，Ageorges等人提出的热塑性树脂混杂夹层连接法，通过机械联锁实现热塑性与热固性树脂的结合；Meng等人通过设计特殊的接头结构，实现了摩擦自铆焊接的高抗剪强度。此外，Deng等人的研究为热塑性复合材料与其他材料的连接提供了理论基础，而Hufenbach等人的工作则拓展了新型热塑性复合材料连接技术的可能性。Jiang等人对搅拌摩擦焊与其他新型连接技术的结合提出了未来发展的方向。这些进展不仅推动了连接技术的创新，也为未来的材料设计与应用提供了新的思路和解决方案。

03应用领域

3.1航空航天

熔融焊接作为一种创新的连接技术，通过加热界面处的树脂至黏性状态，促使树脂基体之间发生相互扩散，随后冷却固化形成焊接接头。这种方法被证明在制作如新A320飞机后压力舱壁展示件时非常有效，德国宇航中心利用电阻焊接技术，成功地将多块CF/PPS复合材料部件焊接在一起，同时以碳纤维结构替代了传统的金属网。同样，荷兰Fokker公司也通过感应焊接技术，为湾流G650飞机的方向舵和升降舵采用了CF/PPS复合材料，进一步证明了熔融焊接在提供可靠和稳定接头方面相较于机械连接和胶接具有显著的优势。此外，焊接方法还避免了机械连接中的纤维损伤和胶接中的环境敏感性问题，显示出良好的发展潜力。

图 GulfstreamG650的垂直尾舵及其蒙皮和盒翼

3.2生活日用

在包装行业中，热封技术是保持产品新鲜和延长保质期的关键环节。它被广泛用于密封由热塑性塑料制成的袋子、薄膜和容器。这些应用不仅限于食品包装，还扩展到医药、化妆品和电子产品的包装。在食品包装中，塑料盒和托盘的密封对于预制容器、托盘或盆是至关重要的，它们可以用塑料薄膜、铝箔或纸质盖板密封。盖板既可以预先切割也可以从卷料上供给，这种灵活性使得生产过程可以根据需要进行调整。密封材料铺在容器的开放面上，并与容器热密封，通过这一过程，托盘和盖板上的密封层会在热密封过程中形成紧密的粘结。

然而，这个过程中也存在挑战。例如，托盘或薄膜上的污染，如食物残渣或油脂，会显著影响最终的密封强度。这是因为污染物可以阻碍热封层之间的直接接触，从而减少它们之间的粘合力。在这种情况下，可能需要调整密封机器上的参数，如加热温度、压力和密封时间，以确保尽管存在污染物，也能达到理想的密封效果。因此，监控和维护清洁的生产环境是确保高质量密封的重要方面。进一步的，研发团队不断寻求改进热封技术，开发出新的材料和方法，以提高密封效果和效率，同时降低生产成本和环境影响，展现了包装技术不断进步和创新的方向。

图 生活用品密封

3.2医疗

在医疗领域，热封技术的应用对于确保产品无菌、安全性和有效性至关重要。许多医疗器械和药品采用热封技术密封在热塑性和塑料涂层纸的包装中。这种封装方法不仅提供了坚固的保护层，防止微生物侵入，同时也确保了产品的稳定性和长期保存。特别地，加热区域的纹理处理技术允许制造商降低和控制接头强度，从而确保包装的易打开性，同时不牺牲包装的整体完整性和无菌隔离性。这种技术的应用，例如在静脉注射袋的外包装、粉末的层压包装、结肠造口袋以及一些药片泡罩包装中，体现了医疗包装设计的重要性。

易于打开的包装不仅便于医护人员快速使用，减少了准备时间，也在紧急情况下提高了处理速度，同时最大限度地降低了污染风险，确保患者安全。此外，这些包装设计考虑到了患者的使用便利性，特别是对于那些需要自我管理药物治疗的患者来说，这一点尤其重要。随着医疗科技的不断进步和病患需求的不断增加，热封技术及其在医疗器械和药品包装中的应用，将继续发展和创新，以提供更加安全、有效和用户友好的包装解决方案。

图 药品密封

3.3电子元件

在现代电子行业中，热封技术发挥着重要作用，不仅限于医疗和包装领域。它在确保电子设备的组件紧密结合和保护中起着核心作用。印刷电路板（PCB）、电子封装以及液晶显示器（LCD）等电子设备的制造过程中，热封技术用于密封和保护敏感的电子元件。通过这种技术，可以有效防止湿气和灰尘侵入，减少氧化和腐蚀的风险，从而延长设备的使用寿命。例如，对于液晶显示器，热封可用于固定显示屏与背光源之间的多层材料，确保视觉效果的清晰度和均匀性。在电子封装领域，热封技术也被用于封装微芯片，保护其免受外界环境的影响。这些应用展示了热封技术在提升电子产品性能和可靠性方面的重要性。

图 电路板

04小结

从行业发展角度看，热塑性复合材料（TPC）及其连接技术的进步标志着航空航天领域材料科学的重大进展。TPC因其卓越的性能和环境可持续性，在航空航天等高技术领域中的应用正逐步扩大。这种材料不仅提高了飞行器的性能，降低了维护成本，还促进了轻量化设计的实现，这对于提高能效和减少碳排放具有重要意义。

TPC的这些优势促使行业内的研究和开发重心转向更高效、更环保的连接技术。机械连接、胶接和熔融焊接等传统方法在TPC连接领域的应用，为解决大型结构件的制造和维修提供了新思路。特别是在追求减轻结构重量和提高整体性能的航空领域，这些技术的发展和应用开辟了新的可能性。

行业对于TPC的需求增加，反映了一个更广泛的趋势，即向更高效、更可持续的材料和制造技术转变。这种转变不仅推动了新材料的开发和旧材料性能的改进，还催生了创新的连接技术，这些技术旨在提高生产效率、降低成本并减少环境影响。随着技术的不断进步和成本的逐步降低，预计TPC及其连接技术将在航空航天以及其他要求高性能复合材料的领域中发挥更大的作用。

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。