碳纖維復合材料與金屬連接及接頭力學性能測試分析

王少星

摘 要：近年來，碳纖維復合材料以其導熱性能好、質量輕、強度高的優點在眾多領域（如核工業、外空間等）中得到了廣泛應用。其與金屬的連接主要采用擴散焊、釬焊、膠結、螺栓等方式，在進行釬焊時，大部分的釬料的表面都不濕潤，常需要在高真空、高溫環境下使用活性釬料進行釬焊。不同種類的釬料，接頭強度也會具有較大差異。該文主要分析了碳纖維復合材料與常見金屬（銅、鋁合金）的連接方法，并介紹了接頭力學性能的測試方法。

關鍵詞：接頭 力學性能 金屬連接 碳纖維復合材料

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纖維復合材料，是指將石墨纖維或碳纖維作為增強相，將化學沉積碳或石墨化、碳化硅的樹脂作為基體的一種復合性材料。此類材料具有溫度升高慢、散熱快、線膨脹系數低、抗燒蝕、尺寸穩定、抗腐蝕、質量輕、耐高溫等優點，所以在機械制造、航空工業、核工業等領域中得到了廣泛應用。碳纖維復合材料是一種非金屬材料，要對其進行釬焊，難度較大，通常會采用沉積、燒結、鍍敷等方法，將金屬粉末處理在碳纖維復合材料的表面，再行常規釬焊。另外，也可以采用活性金屬法進行釬焊。由于碳纖維復合材料的工藝復雜、制備周期長，應用范圍局限性較大，其與金屬連接工藝也基本上只在一些科研單位中有應用，所以關于碳纖維復合材料與金屬連接的文獻報道較少。該文將對碳纖維復合材料與幾種常見金屬的連接方法及接頭力學性能測試進行研究。

1 碳纖維復合材料與金屬的連接

1.1 與銅的連接

碳纖維復合材料（CFRP）在與銅連接后，其結構的導熱性能良好，同時結構質量比銅更輕，另外，由于銅與CFRP的導熱系數較為接近，所以在使用及釬焊時不易產生較大熱應力。銅與CFRP的連接主要采用釬焊方式，最早的釬料選用Cu-Pb（質量分數為50%），在釬焊冷卻后即可使銅、復合材料、釬料形成連接界面，但該連接界面的強度較低。隨著工業技術的不斷發展，發現過渡元素Zr、Ti等的化學活性較強，在液態條件下可與C發生反應，所以在傳統釬料中添加一定量的活性元素，就可使復合材料表面變濕潤，從而降低與金屬連接的難度。該方法通常在高純度惰性氣體或真空爐環境下實施，一般釬焊連接可一次性完成。

Ag-Cu-Ti是常用的活性釬料，釬焊通常在真空條件下進行，T值取820 ℃，通過釬焊所獲得的接頭強度較高，但其在核輻射環境中，Ag可發生化學反應，變為Cd，降低接頭強度，所以此類接頭無法在核聚變裝置中使用。釬料選用Ti，進行復合材料與銅的連接，在真空下進行共晶擴散，焊接參數t為300 s，T為1000 ℃，并對試樣施加一定壓力，所獲得的接頭則可有效避免上述問題。同時，若能使用Cu-Ti膏對復合材料表面進行預涂，所獲得的接頭強度最高。

1.2 與鋁合金的連接

與鋁合金相比，銅基、銀基等活性釬料的熔點更高，所以高溫釬焊法不適用于鋁合金與CFRP的連接。據國外文獻報道，對7075-T62鋁合金和CFRP分別使用螺栓連接、膠結、螺栓+膠結3種方法進行連接，結果顯示：選用FM73粘結劑時，粘結劑強度會在很大程度上決定接頭強度；選用EA9394S粘結劑時，起決定性作用的是螺栓接頭強度。一般情況下，在膠結強度低于螺栓連接強度時，混合連接的強度將比螺栓連接強度更大；若膠結強度高于螺栓連接強度，則混合連接強度將比螺栓連接強度更小。

在將2024-T3鋁合金與CFRP做雙缺口對接時，在高溫條件下使用環氧樹脂進行粘結，然后固化24 h（室溫），分別在250 ℃、室溫條件下對此接頭做雙面剪切試驗，發現室溫條件下，接頭的抗剪切強度為20 MPa，斷裂發生在復合材料上；250 ℃條件下，抗剪切強度僅為3.5 MPa，斷裂發生在接頭部位。熱循環試驗顯示，熱應力使接口抗剪切強度大為降低，在試驗中甚至會出現接頭自然斷開。

2 接頭力學性能測試

一般來說金屬與CFRP的接頭所處的工作條件都較為惡劣，人們出于安全性、可靠性考慮，會在應用前，對接頭做必要的力學性能測試。

2.1 沖擊熱應力

在工作環境中，金屬與CFRP的連接結構可能發生急劇冷卻或加熱，此時結構內部的溫差較大，產生極強的沖擊熱應力。通過衡量接頭的熱沖擊斷裂強度（）和抗熱沖擊性（Δ），可模型化加熱區域。斷裂強度及抗熱沖擊性計算遵循熱傳導公式：

Δ=

=

上式中，KIC：斷裂韌性值；α：熱膨脹系數；E：楊氏模量；k：熱導率；σt：抗拉強度；S*：無量綱熱應力；β：電弧放電熱有效應因子；FIe：試樣頂部裂縫釋放應力的影響因子（無量綱數）；c：試樣邊緣裂縫長度；a：試樣加熱區域半徑；h：試樣厚度；R：試樣半徑。電弧放電時間設定為0.7 s。

2.2 抗拉強度

結構力學性能的一個重要參數就是抗拉強度，其是指拉斷材料前的最大應力值。若母片都為薄片，可將CFRP兩面與金屬基板搭接，載荷與接頭截面相垂直。復合材料基本與金屬管連接時，將1根鋼板貫穿金屬管，鋼棒與金屬管緊密抵觸，與荷載傳感器相連接，施加荷載的十字滑塊速度為1 mm/min。

2.3 熱循環

對接頭進行熱循環試驗的目的，是為了評價其抗熱疲勞性能。比如對2021-T3鋁合金與CFRP膠結接頭進行熱循環試驗后，結果顯示溫度范圍在50～250 ℃，熱循環共包括以下幾個階段：50 ℃維持30 s；在120 s后升溫至250 ℃；250 ℃維持60 s；在120 s后降溫至50 ℃；50 ℃維持30 s。

試驗標準中對試樣尺寸、形狀的規定，知識針對某類試驗的要求，關于接頭的力學性能測試方法，應根據材料使用要求來選擇。比如套管對接結構中，為使接頭滿足工程需要，還應對其做液壓強度、氣密強度等性能測試。

參考文獻

[1] 章瑩.連接形狀對碳纖維傳動軸扭轉性能的影響[D].武漢理工大學，2013.

[2] 洪寶劍.碳纖維復合材料傳動軸的設計研究[D].武漢理工大學，2012.

[3] 田英超，曲文卿，張智勇，等.碳纖維復合材料與金屬的釬焊試驗研究[J].航空制造技術，2011（9）：82-84.

[4] 田琳娜.碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝及力學性能研究[D].長春工業大學，2012.

[5] 朱程燕.碳纖維復合材料T型接頭脫黏監測中的信號處理與分析[D].南京航空航天大學，2012.endprint

摘 要：近年來，碳纖維復合材料以其導熱性能好、質量輕、強度高的優點在眾多領域（如核工業、外空間等）中得到了廣泛應用。其與金屬的連接主要采用擴散焊、釬焊、膠結、螺栓等方式，在進行釬焊時，大部分的釬料的表面都不濕潤，常需要在高真空、高溫環境下使用活性釬料進行釬焊。不同種類的釬料，接頭強度也會具有較大差異。該文主要分析了碳纖維復合材料與常見金屬（銅、鋁合金）的連接方法，并介紹了接頭力學性能的測試方法。

關鍵詞：接頭 力學性能 金屬連接 碳纖維復合材料

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纖維復合材料，是指將石墨纖維或碳纖維作為增強相，將化學沉積碳或石墨化、碳化硅的樹脂作為基體的一種復合性材料。此類材料具有溫度升高慢、散熱快、線膨脹系數低、抗燒蝕、尺寸穩定、抗腐蝕、質量輕、耐高溫等優點，所以在機械制造、航空工業、核工業等領域中得到了廣泛應用。碳纖維復合材料是一種非金屬材料，要對其進行釬焊，難度較大，通常會采用沉積、燒結、鍍敷等方法，將金屬粉末處理在碳纖維復合材料的表面，再行常規釬焊。另外，也可以采用活性金屬法進行釬焊。由于碳纖維復合材料的工藝復雜、制備周期長，應用范圍局限性較大，其與金屬連接工藝也基本上只在一些科研單位中有應用，所以關于碳纖維復合材料與金屬連接的文獻報道較少。該文將對碳纖維復合材料與幾種常見金屬的連接方法及接頭力學性能測試進行研究。

1 碳纖維復合材料與金屬的連接

1.1 與銅的連接

碳纖維復合材料（CFRP）在與銅連接后，其結構的導熱性能良好，同時結構質量比銅更輕，另外，由于銅與CFRP的導熱系數較為接近，所以在使用及釬焊時不易產生較大熱應力。銅與CFRP的連接主要采用釬焊方式，最早的釬料選用Cu-Pb（質量分數為50%），在釬焊冷卻后即可使銅、復合材料、釬料形成連接界面，但該連接界面的強度較低。隨著工業技術的不斷發展，發現過渡元素Zr、Ti等的化學活性較強，在液態條件下可與C發生反應，所以在傳統釬料中添加一定量的活性元素，就可使復合材料表面變濕潤，從而降低與金屬連接的難度。該方法通常在高純度惰性氣體或真空爐環境下實施，一般釬焊連接可一次性完成。

Ag-Cu-Ti是常用的活性釬料，釬焊通常在真空條件下進行，T值取820 ℃，通過釬焊所獲得的接頭強度較高，但其在核輻射環境中，Ag可發生化學反應，變為Cd，降低接頭強度，所以此類接頭無法在核聚變裝置中使用。釬料選用Ti，進行復合材料與銅的連接，在真空下進行共晶擴散，焊接參數t為300 s，T為1000 ℃，并對試樣施加一定壓力，所獲得的接頭則可有效避免上述問題。同時，若能使用Cu-Ti膏對復合材料表面進行預涂，所獲得的接頭強度最高。

1.2 與鋁合金的連接

與鋁合金相比，銅基、銀基等活性釬料的熔點更高，所以高溫釬焊法不適用于鋁合金與CFRP的連接。據國外文獻報道，對7075-T62鋁合金和CFRP分別使用螺栓連接、膠結、螺栓+膠結3種方法進行連接，結果顯示：選用FM73粘結劑時，粘結劑強度會在很大程度上決定接頭強度；選用EA9394S粘結劑時，起決定性作用的是螺栓接頭強度。一般情況下，在膠結強度低于螺栓連接強度時，混合連接的強度將比螺栓連接強度更大；若膠結強度高于螺栓連接強度，則混合連接強度將比螺栓連接強度更小。

在將2024-T3鋁合金與CFRP做雙缺口對接時，在高溫條件下使用環氧樹脂進行粘結，然后固化24 h（室溫），分別在250 ℃、室溫條件下對此接頭做雙面剪切試驗，發現室溫條件下，接頭的抗剪切強度為20 MPa，斷裂發生在復合材料上；250 ℃條件下，抗剪切強度僅為3.5 MPa，斷裂發生在接頭部位。熱循環試驗顯示，熱應力使接口抗剪切強度大為降低，在試驗中甚至會出現接頭自然斷開。

2 接頭力學性能測試

一般來說金屬與CFRP的接頭所處的工作條件都較為惡劣，人們出于安全性、可靠性考慮，會在應用前，對接頭做必要的力學性能測試。

2.1 沖擊熱應力

在工作環境中，金屬與CFRP的連接結構可能發生急劇冷卻或加熱，此時結構內部的溫差較大，產生極強的沖擊熱應力。通過衡量接頭的熱沖擊斷裂強度（）和抗熱沖擊性（Δ），可模型化加熱區域。斷裂強度及抗熱沖擊性計算遵循熱傳導公式：

Δ=

=

上式中，KIC：斷裂韌性值；α：熱膨脹系數；E：楊氏模量；k：熱導率；σt：抗拉強度；S*：無量綱熱應力；β：電弧放電熱有效應因子；FIe：試樣頂部裂縫釋放應力的影響因子（無量綱數）；c：試樣邊緣裂縫長度；a：試樣加熱區域半徑；h：試樣厚度；R：試樣半徑。電弧放電時間設定為0.7 s。

2.2 抗拉強度

結構力學性能的一個重要參數就是抗拉強度，其是指拉斷材料前的最大應力值。若母片都為薄片，可將CFRP兩面與金屬基板搭接，載荷與接頭截面相垂直。復合材料基本與金屬管連接時，將1根鋼板貫穿金屬管，鋼棒與金屬管緊密抵觸，與荷載傳感器相連接，施加荷載的十字滑塊速度為1 mm/min。

2.3 熱循環

對接頭進行熱循環試驗的目的，是為了評價其抗熱疲勞性能。比如對2021-T3鋁合金與CFRP膠結接頭進行熱循環試驗后，結果顯示溫度范圍在50～250 ℃，熱循環共包括以下幾個階段：50 ℃維持30 s；在120 s后升溫至250 ℃；250 ℃維持60 s；在120 s后降溫至50 ℃；50 ℃維持30 s。

試驗標準中對試樣尺寸、形狀的規定，知識針對某類試驗的要求，關于接頭的力學性能測試方法，應根據材料使用要求來選擇。比如套管對接結構中，為使接頭滿足工程需要，還應對其做液壓強度、氣密強度等性能測試。

參考文獻

[1] 章瑩.連接形狀對碳纖維傳動軸扭轉性能的影響[D].武漢理工大學，2013.

[2] 洪寶劍.碳纖維復合材料傳動軸的設計研究[D].武漢理工大學，2012.

[3] 田英超，曲文卿，張智勇，等.碳纖維復合材料與金屬的釬焊試驗研究[J].航空制造技術，2011（9）：82-84.

[4] 田琳娜.碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝及力學性能研究[D].長春工業大學，2012.

[5] 朱程燕.碳纖維復合材料T型接頭脫黏監測中的信號處理與分析[D].南京航空航天大學，2012.endprint

摘 要：近年來，碳纖維復合材料以其導熱性能好、質量輕、強度高的優點在眾多領域（如核工業、外空間等）中得到了廣泛應用。其與金屬的連接主要采用擴散焊、釬焊、膠結、螺栓等方式，在進行釬焊時，大部分的釬料的表面都不濕潤，常需要在高真空、高溫環境下使用活性釬料進行釬焊。不同種類的釬料，接頭強度也會具有較大差異。該文主要分析了碳纖維復合材料與常見金屬（銅、鋁合金）的連接方法，并介紹了接頭力學性能的測試方法。

關鍵詞：接頭 力學性能 金屬連接 碳纖維復合材料

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纖維復合材料，是指將石墨纖維或碳纖維作為增強相，將化學沉積碳或石墨化、碳化硅的樹脂作為基體的一種復合性材料。此類材料具有溫度升高慢、散熱快、線膨脹系數低、抗燒蝕、尺寸穩定、抗腐蝕、質量輕、耐高溫等優點，所以在機械制造、航空工業、核工業等領域中得到了廣泛應用。碳纖維復合材料是一種非金屬材料，要對其進行釬焊，難度較大，通常會采用沉積、燒結、鍍敷等方法，將金屬粉末處理在碳纖維復合材料的表面，再行常規釬焊。另外，也可以采用活性金屬法進行釬焊。由于碳纖維復合材料的工藝復雜、制備周期長，應用范圍局限性較大，其與金屬連接工藝也基本上只在一些科研單位中有應用，所以關于碳纖維復合材料與金屬連接的文獻報道較少。該文將對碳纖維復合材料與幾種常見金屬的連接方法及接頭力學性能測試進行研究。

1 碳纖維復合材料與金屬的連接

1.1 與銅的連接

碳纖維復合材料（CFRP）在與銅連接后，其結構的導熱性能良好，同時結構質量比銅更輕，另外，由于銅與CFRP的導熱系數較為接近，所以在使用及釬焊時不易產生較大熱應力。銅與CFRP的連接主要采用釬焊方式，最早的釬料選用Cu-Pb（質量分數為50%），在釬焊冷卻后即可使銅、復合材料、釬料形成連接界面，但該連接界面的強度較低。隨著工業技術的不斷發展，發現過渡元素Zr、Ti等的化學活性較強，在液態條件下可與C發生反應，所以在傳統釬料中添加一定量的活性元素，就可使復合材料表面變濕潤，從而降低與金屬連接的難度。該方法通常在高純度惰性氣體或真空爐環境下實施，一般釬焊連接可一次性完成。

Ag-Cu-Ti是常用的活性釬料，釬焊通常在真空條件下進行，T值取820 ℃，通過釬焊所獲得的接頭強度較高，但其在核輻射環境中，Ag可發生化學反應，變為Cd，降低接頭強度，所以此類接頭無法在核聚變裝置中使用。釬料選用Ti，進行復合材料與銅的連接，在真空下進行共晶擴散，焊接參數t為300 s，T為1000 ℃，并對試樣施加一定壓力，所獲得的接頭則可有效避免上述問題。同時，若能使用Cu-Ti膏對復合材料表面進行預涂，所獲得的接頭強度最高。

1.2 與鋁合金的連接

與鋁合金相比，銅基、銀基等活性釬料的熔點更高，所以高溫釬焊法不適用于鋁合金與CFRP的連接。據國外文獻報道，對7075-T62鋁合金和CFRP分別使用螺栓連接、膠結、螺栓+膠結3種方法進行連接，結果顯示：選用FM73粘結劑時，粘結劑強度會在很大程度上決定接頭強度；選用EA9394S粘結劑時，起決定性作用的是螺栓接頭強度。一般情況下，在膠結強度低于螺栓連接強度時，混合連接的強度將比螺栓連接強度更大；若膠結強度高于螺栓連接強度，則混合連接強度將比螺栓連接強度更小。

在將2024-T3鋁合金與CFRP做雙缺口對接時，在高溫條件下使用環氧樹脂進行粘結，然后固化24 h（室溫），分別在250 ℃、室溫條件下對此接頭做雙面剪切試驗，發現室溫條件下，接頭的抗剪切強度為20 MPa，斷裂發生在復合材料上；250 ℃條件下，抗剪切強度僅為3.5 MPa，斷裂發生在接頭部位。熱循環試驗顯示，熱應力使接口抗剪切強度大為降低，在試驗中甚至會出現接頭自然斷開。

2 接頭力學性能測試

一般來說金屬與CFRP的接頭所處的工作條件都較為惡劣，人們出于安全性、可靠性考慮，會在應用前，對接頭做必要的力學性能測試。

2.1 沖擊熱應力

在工作環境中，金屬與CFRP的連接結構可能發生急劇冷卻或加熱，此時結構內部的溫差較大，產生極強的沖擊熱應力。通過衡量接頭的熱沖擊斷裂強度（）和抗熱沖擊性（Δ），可模型化加熱區域。斷裂強度及抗熱沖擊性計算遵循熱傳導公式：

Δ=

=

上式中，KIC：斷裂韌性值；α：熱膨脹系數；E：楊氏模量；k：熱導率；σt：抗拉強度；S*：無量綱熱應力；β：電弧放電熱有效應因子；FIe：試樣頂部裂縫釋放應力的影響因子（無量綱數）；c：試樣邊緣裂縫長度；a：試樣加熱區域半徑；h：試樣厚度；R：試樣半徑。電弧放電時間設定為0.7 s。

2.2 抗拉強度

結構力學性能的一個重要參數就是抗拉強度，其是指拉斷材料前的最大應力值。若母片都為薄片，可將CFRP兩面與金屬基板搭接，載荷與接頭截面相垂直。復合材料基本與金屬管連接時，將1根鋼板貫穿金屬管，鋼棒與金屬管緊密抵觸，與荷載傳感器相連接，施加荷載的十字滑塊速度為1 mm/min。

2.3 熱循環

對接頭進行熱循環試驗的目的，是為了評價其抗熱疲勞性能。比如對2021-T3鋁合金與CFRP膠結接頭進行熱循環試驗后，結果顯示溫度范圍在50～250 ℃，熱循環共包括以下幾個階段：50 ℃維持30 s；在120 s后升溫至250 ℃；250 ℃維持60 s；在120 s后降溫至50 ℃；50 ℃維持30 s。

試驗標準中對試樣尺寸、形狀的規定，知識針對某類試驗的要求，關于接頭的力學性能測試方法，應根據材料使用要求來選擇。比如套管對接結構中，為使接頭滿足工程需要，還應對其做液壓強度、氣密強度等性能測試。

參考文獻

[1] 章瑩.連接形狀對碳纖維傳動軸扭轉性能的影響[D].武漢理工大學，2013.

[2] 洪寶劍.碳纖維復合材料傳動軸的設計研究[D].武漢理工大學，2012.

[3] 田英超，曲文卿，張智勇，等.碳纖維復合材料與金屬的釬焊試驗研究[J].航空制造技術，2011（9）：82-84.

[4] 田琳娜.碳纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝及力學性能研究[D].長春工業大學，2012.

[5] 朱程燕.碳纖維復合材料T型接頭脫黏監測中的信號處理與分析[D].南京航空航天大學，2012.endprint