复合材料连接技术的分类与进展

目前，复合材料通常是以零部件的形式应用于航空、汽车、轨道车辆以及各种机械设备的制造中，因此，复合材料部件之间、复合材料与其它类部件之间的连接至关重要。近年来，复合材料一体化成型技术的发展尤为迅速，但在航空航天等一些关键领域，复合材料连接技术的需求持续存在，所以，也充分体现了复合材料连接技术的开发的必要性。

一、复合材料连接技术分类

树脂基复合材料可按照树脂的形态来分为两类，即热固性树脂和热塑性树脂。其对应的连接技术也有一些差异。比较常见的连接技术有机械连接、胶接连接，也有同时应用前两种方式的混合连接技术。

机械连接技术安全可靠，传递载荷大，并且可重复装配和拆卸。虽然复合材料结构一体化成型技术的发展，，机械连接虽然连接结构强度高，但连接接头重量大，装配效率较低；胶接连接相比于机械连接，具有轻质、无破坏性、容易实现成型一体化，所以对于一些复杂结构件的连接多选择胶接方式。

螺接是飞机复合材料结构最主要的机械连接方法，但单个螺栓成本高、轻量化效果不佳，加之单架飞机用量大，往往造成飞机复合材料连接成本高、增重明显。有研究表明：相比于螺接，铆接可靠性高，而成本不到螺接十分之一甚至更低，装配工艺更简便、轻量化效果更明显，其在飞机复合材料结构制造和修复中具有潜在技术和经济优势。

但在铆接过程中，CFRP极易发生损伤，近日由川大研发的无损铆接技术。提高了连接强度约87%、抗剪切拉伸能力33%、连接疲劳寿命1000%，而使其连接重量减轻27%、连接成本降低90%，成功在实现无损铆接的基础上减轻了结构重量，降低了应用成本。

胶接是连接采用胶黏剂将零件连接成不可拆卸整体的一种连接工艺。这种连接方式可使金属和复合材料无缝连接，可以承载较大的拉伸、剪切力和扭矩，同时对于材料的性质改变较小。因此，粘接连接是目前应用最多的连接方式之一，比机械连工艺接应用更为广泛。且是一种较实用有效的连接工艺技术，有时还能为研制生产解决关键性工艺技术，

胶接连接一般有如下的优缺点。胶接连接的优点：有阻止裂纹扩展的作用，破坏安全性好；不存在制孔引起的强度下降；没有腐蚀问题，能获得光滑的气动外形；抗疲劳、减振、密封及绝缘性能好；不使用紧固件，结构轻，制造成本低。胶接连接的缺点：需要提前对胶接表面进行特殊处理，并且被胶接接件之间精度要求较高，需加温加压固化设备，修补较为困难；胶接是永久连接，胶接后不可拆卸，材料回收再利用困难；强度分散性大，剥离强度较低，且难以胶接较厚的结构和传递大的载荷；连接效果难以控制，可靠性差。

胶接连接形式主要可分为两大类：平面型搭接和正交形式的连接。平面型搭接构型主要承受面内拉伸载荷，胶层承受剪力，大多用于飞行器结构中的板类构件之间的连接，正交型搭接构型以承受面外拉伸载荷为主，通常称为拉脱载荷，主要用于板类构件与梁、肋、桁条等的连接。

目前市场上碳纤维复合材料胶接用的胶粘剂主要有环氧树脂、聚胺酯和丙烯酸三大类，在一定的温度范围内，如0℃以下低温环境和100℃以上环境下，可根据胶粘剂固有性质和实际应用需求进行选择。

熔融焊接是热塑性复合材料特有的一种连接方式，热塑性树脂较低的表面能导致与胶黏剂结合能力差，其受热软化，冷却硬化的特性使熔融焊接成为新型连接方法。还能避免机械连接预制孔会对增强纤维的破坏、异种材料连接可能产生电偶腐蚀弱化界面，从而影响整体结构的性能。

常见的熔融焊接技术有4种：电阻焊接、感应焊接、超声焊接和激光焊接。

电阻焊接（RW）是电流流经加热元件产生焦耳热，在加热元件表面的高温会导致热塑性树脂的熔化，由焊接压力压实形成焊接接头。

感应焊接（IW）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。

超声焊接（UW）是通过超声波发生器将高频交流电转换为高频振动，小振幅变化的运动产生了分子间摩擦并转换为热能，经过传导到达接头界面，直到熔融导能筋，在压力下流动并浸润待焊件形成连接。

激光焊接（LW）是用激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

因热塑性复合材料本身的一些缺陷如热成型性差、延展性差，导致其难以直接加工为复杂构件，仅适合加工低曲率的大型板件。如在汽车保险杠内部设计中，复合材料与金属材料的连接往往都有局限性，铆接用于复合材料与金属连接时，会造成复合材料增强纤维的破坏；螺纹连接同样会造成增强纤维的破坏，且连接构件带来额外的质量。因此为了满足众多领域的需求，需要进一步开发热塑性复合材料与金属连接的方案。

研究人员关注了机械方法、化学方法、金属表面增材处理和激光加工4类机械结合界面调控方法，最大程度提高了接头的界面强度。增强机械结合的方法是提高异质结构接头力学性能的主要途径。化学方法虽然可提高金属表面粗糙度，清洁金属表面使活性金属暴露出来，更有利于形成新的化学键，但会对环境造成一定的危害，且难以精确控制微结构的形貌尺寸。

此外，还有通过金属表面增材处理、高能量密度激光粗化等方法。

复相陶瓷、纤维增强陶瓷基复合材料以及热电材料等先进功能材料具有耐高温性能、抗热震和耐腐蚀性能、介电性能、能源转换性能等特性，因此在航空航天构件的应用中备受关注。

与结构材料不同，在先进功能材料的连接中，除了要保证接头能够满足力学性能和服役环境要求，同时还需尽可能地保持母材或接头的功能性不受影响。研究发现，可通过多孔中间层、梯度复合层以及母材表面机械加工等多种创新方法，进一步提高钎焊连接的性能。

参考资料

[1]张龙,解妙霞,张林杰,等.纤维增强热塑性复合材料/金属连接界面调控研究进展[J].焊管,2024,47(05):1-10.DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2024.05.001.

[2] 常青,张丽霞.先进功能材料钎焊连接研究进展[J].焊接学报,2022,43(12):1-11+113.