碳纖維復合材料連接技術研究

摘要：介紹了膠接、機械連接及混合連接等碳纖維復合材料的常用連接方法及優(yōu)缺點，總結(jié)了碳纖維復合材料的連接形式、接頭強度的影響因素和接頭的選用原則，并對國內(nèi)外碳纖維復合材料連接的研究進展進行了簡要介紹，最后展望了碳纖維復合材料連接的研究前景。

關鍵詞：碳纖維復合材料；膠結(jié)；機械連接；混合連接

中圖分類號： TP311文獻標識碼：A

The research of joint techniques for carbon fiber composite materials

Jing nan

Tianjin sino-German University of Applied SciencesTianjin300300

Abstract：The joint techniques of carbon fiber composite materials is introduced， which includes the adhesive join，mechanical joint and hybrid joint.The advantages and disadvantages of these joints are also explained in this study. This summarizes the connect mode，influence factors for joint strength and selection principle. The developments of carbon composites joning techniques are introduced . Finally， the development trend of carbon fiber composite joint techniques joint techniques is summarized.

Key words：carbon fiber composite materials； adhesive join； mechanical joint ；hybrid joint

碳纖維復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、抗疲勞性能好、耐腐蝕等優(yōu)點，其在航空器上的應用可以有效降低結(jié)構(gòu)重量、提高航空器性能、降低運營成本。碳纖維復合材料在飛機上的使用比例和應用部位，已經(jīng)成為衡量飛機是否先進的重要指標。[1]

在碳纖維復合材料的大量使用中，勢必會需要和其他材料進行連接，例如復材和復材、復材和金屬等。因此對碳纖維復合材料連接技術進行研究，對于飛機結(jié)構(gòu)的設計及維修都具有十分重要的意義。

1 碳纖維復合材料的常用連接方法

復合材料零部件之間以及復合材料和金屬零部件之間通常用三種連接方式：膠接、機械連接、混合連接等。[2]簡介如下：

1.1 膠接

膠結(jié)是通過膠粘劑將兩個或者多個構(gòu)件的結(jié)合面進行連接在一起。它是復合材料連接中較普遍采用的一種連接方式。[2]其主要優(yōu)缺點如下：

膠結(jié)的優(yōu)點：

（1）可避免因制孔而引起的應力集中，層壓板強度受影響；

（2）連接效率高、結(jié)構(gòu)輕，連接件成本較低；

（3）抗疲勞、減振、密封及絕緣性能好；

（4）可獲得光滑的氣動表面；

（5）無不同材料間的電化學腐蝕問題。

膠結(jié)的缺點：

（1）缺少可靠的檢測方法，膠結(jié)質(zhì)量難以控制，且可靠性不高；

（2）膠結(jié)強度分散大，剝離強度較低，難以傳遞較大載荷；

（3）膠結(jié)前對表面處理的要求比較嚴格；

（4）膠結(jié)是不可拆卸的永久連接，材料回收難度大；

（5）不適用于較厚的結(jié)構(gòu)和傳遞較大的載荷；

（6）膠結(jié)固化會產(chǎn)生較大的殘余應力。

1.2 機械連接

機械連接主要是用緊固件將兩個零部件連接在一起，比如螺栓、鉚釘和特殊緊固件等。其中螺栓連接屬于可重復拆卸式連接，其承載能力比鉚釘連接高，一般用于主要承力結(jié)構(gòu)的連接。鉚釘屬于不可重復拆卸連接，雖然承載能力較小，但是可以采用沉頭鉚釘?shù)男问降玫奖砻娓饣倪B接件。[3]對于某些特殊要求，比如結(jié)構(gòu)不開閉、難以接觸、表面曲率大、密封要求高等情況，可視情采用合適的特殊緊固連接。

以下以螺栓連接為例介紹機械連接的優(yōu)缺點。

機械連接的優(yōu)點是：

（1）便于檢查質(zhì)量、有效保證檢查的可靠性；

（2）對于螺栓連接來講，在使用過程中可進行重復拆卸和安裝；

（3）對連接件表面的制備和處理精度要求較低；

（4）可避免膠接固化引起的殘余應力，尤其對剝離應力不敏感；

（5）對連接件的厚度要求沒有限制。

機械連接的缺點是：

（1）制螺栓孔時，會導致孔周的應力集中，降低連接性能；

（2）為減小制孔對層壓板強度的影響，通常需要增加局部層壓板厚度，再加上緊固件的使用，導致連接件整體重量增加；

（3）部分鋼質(zhì)和幾乎全部鋁合金緊固件和復合材料接觸會產(chǎn)生電化學腐蝕；

（4）制孔過程會對復合材料產(chǎn)生不同程度的損傷；

（5）與之配合的金屬件易于疲勞。

1.3 混合連接

混合連接是采用至少兩種連接方式將兩個或兩個以上的構(gòu)件連接起來。通常是貫穿層合板厚度的機械連接與膠接同時使用，例如螺栓連接與膠接、鉚釘連接與膠接等。若從工藝上嚴格保證連接質(zhì)量，使兩者變形一致，同時受載，則可以起到阻止或延緩膠層損傷的擴展，提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞和抗蠕變等性能的作用。同時，混合連接也會帶來諸如孔應力集中、增加結(jié)構(gòu)重量和成本的不利影響。

1.4 連接方式的選擇

在復合材料連接中，采取何種連接方式要視情況而定。通常來講，對于需要傳遞較大的集中載荷和強調(diào)可靠性的部位，多采用機械連接方式。對于需要傳遞均布載荷或承受剪切載荷的部位，多采用連接效率較高的膠接連接。[3]混合連接則適用于要求多余度連接的部位，如中等厚度板的連接。

2 碳纖維復合材料連接形式和影響因素

2.1 膠接的連接形式和影響因素

2.1.1 膠結(jié)的連接形式

從結(jié)構(gòu)強度的觀點考慮，膠接連接設計應遵循以下基本原則：[4]

選擇使膠層在最大強度方向受剪力的連接形式，盡量避免膠層在法向受力，以防發(fā)生剝離；

盡量避免連接端部層壓板發(fā)生層間剝離；

在高溫工作時，所選膠粘劑和連接件的熱膨脹系數(shù)盡量一致；

盡量減小連接引起的應力集中；

盡量增大膠結(jié)面積，增大受載能力。

以上原則的目的是使接頭強度高于或不低于被連接件。因此，為滿足基本要求，應從連接形式、接頭幾何參數(shù)的選擇等方面入手。綜合以上，碳纖維復合材料膠接的連接主要有單搭接、雙搭接、階梯形連接、斜面連接四種形式。

選擇采用何種連接方式時，要考慮構(gòu)件的強度要求。當膠接件比較薄（小于1.8mm）時，可采用單搭接。但是當兩個膠接件剛度不等時，單搭接的偏心效應較大，應盡量避免使用單搭接。對于中等厚度板（3至6.35mm），采用雙搭接或雙搭接板連接比較合適。當膠接件很厚時（大于6.35mm），由于偏心載荷產(chǎn)生的偏心力矩增大，須選用斜面或階梯形連接。

2.1.2 膠接接頭強度的影響因素

接頭的主要作用是將剪切載荷（或者拉伸載荷（P）從一個構(gòu)件傳遞到另一個構(gòu)件。影響連接強度因素包括連接形式、被膠結(jié)件的彈性模量和厚度、被膠結(jié)件的剛度不等、膠粘劑韌性、膠層厚度、被膠結(jié)件熱失配、溫度和濕度、膠結(jié)缺陷等。[5]

2.2 機械連接的連接形式和影響因素

2.2.1 機械連接的連接形式

碳纖維復合材料的機械連接形式，根據(jù)受力形式可以分為單剪和雙剪兩種，按照有無起連接作用的搭接板，主要有對接和搭接兩類，其中每類又分為等厚度和變厚度連接兩種情況。

選擇復合材料的連接形式時，應注意以下原則：

單剪連接會產(chǎn)生附加彎曲，從而造成接頭承載能力的減小和連接效率的降低，因此連接設計盡可能選擇。

雙剪連接，盡可避免選用單剪連接；

若采用單剪連接等不對稱的連接形式，則應采用排距盡可能大的多排緊固件，使偏心加載引起的彎曲應力降低的最小；[6]

由于碳纖維復合材料的塑形較差，會造成多排緊固件連接載荷分配不均勻，因此，設計多釘連接形式時，應盡可能選用不多于兩排緊固件的連接形式。緊固件盡可能選用平行排列，避免交錯排列，以提高連接強度。[6]

合理的斜削型連接可以提高連接強度，但是若設計不合理，斜削型接頭的承載能力反而比等厚度連接的還差。設計的關鍵是斜削搭接板厚度和緊固件直徑的選擇。

2.2.2 機械連接接頭強度的影響因素

影響機械連接接頭強度的因素主要有以下幾種：

材料參數(shù) 包括碳纖維材料的強度、取向及形式（單向帶、編織布），樹脂類型、纖維體積含量及鋪層順序等；

機械連接的幾何參數(shù) 如搭接或?qū)印渭艋螂p剪等連接形式，排距/孔徑、列距/孔徑、端距/孔徑、邊距/孔徑、厚度/孔徑等幾何尺寸，孔的排列方式等；

緊固件參數(shù) 螺栓、抽釘、鉚釘、凸頭或沉頭等緊固件類型，緊固件及墊圈的尺寸，擰緊力矩和孔的配合精度等；

載荷因素 包括靜載荷、動載荷或疲勞載荷等不同的載荷類型，載荷的方向，加載的速率等；

環(huán)境因素 濕度、溫度、介質(zhì)等。[7]

3 碳纖維復合材料連接方法研究進展

對碳纖維復合材料進行機械連接時，在孔洞位置容易產(chǎn)生應力集中，同時材料的微觀結(jié)構(gòu)也會存在損傷，通常會引起構(gòu)件低應力破壞。而碳纖維復合材料的汽化溫度高達3000攝氏度以上，難以采用傳統(tǒng)的熔化方法進行焊接。[8]目前，國內(nèi)外對于碳纖維復合材料間的連接多采用引入中間過渡層的連接方法，比如固相擴散連接、活性金屬釬焊和玻璃連接等，下面分別進行簡單介紹。

3.1 固相擴散連接

固相擴散連接是在高溫高壓下，中間層材料發(fā)生原位化學反應，界面處元素相互擴散，結(jié)果是在連接界面處形成穩(wěn)定的界面層，從而獲得高溫高強接頭。中間層材料多采用高溫合金和陶瓷粉體，或者是陶瓷的有機前體。[8]

國內(nèi)外諸多專家研究了分別使用硼和石墨混合粉、金屬鎢粉和碳粉、鎢改性酚醛樹脂和鎢粉混合物等作為中間層材料，在不同壓力和溫度下對碳纖維復合材料進行反應擴散連接，結(jié)果表明連接件在1500攝氏度以上高溫環(huán)境中，最大剪切強度可以達到16Mpa以上。[9]

3.2 活性金屬釬焊

活性金屬釬焊是利用Si、Ti、Zr、Pd等活性元素與碳纖維復合材料基體發(fā)生反應，通過在界面處形成穩(wěn)定的反應層或改善界面潤濕性而獲得高強度接頭的連接方法。[9]

使用金屬化合物TiSi2對3D碳纖維復合材料進行連接。在TiSi2熔點附件保溫2分鐘，可以獲得SiC、TiC和TiSi2等反應物。[11] 在1164攝氏度時，接頭的平均剪切強度可以達到34.4Mpa。

陳波。[10]等研究表明高溫釬料中增加活性元素Ti、Cr、V的含量，會在連接界面處生產(chǎn)擴散產(chǎn)物TiC、Cr23C6、V2C，從而起到改善釬料的潤濕性，增加接頭連接強度的作用。[9]

3.3 玻璃連接

玻璃連接可以通過調(diào)整玻璃組分，制備出與連接母材膨脹系數(shù)相匹配的玻璃材料。[12] C .Isola等首先使用硅溶膠高溫裂解在材料表面形成成β-SiC 層，再采用SABB玻璃對碳纖維復合材料進行連接，研究表明在1200攝氏度附近，保溫60min可獲得性能較好的接頭。[13]

4 結(jié)語

碳纖維復合材料的大量使用是未來飛機結(jié)構(gòu)設計與制造的發(fā)展趨勢，只有開發(fā)和設計出高可靠性、高性能的連接技術，將各種構(gòu)型的復合材料零件連接成一個整體，才能充分發(fā)揮碳纖維復合材料的優(yōu)異性能。[14]

本文綜述了碳纖維復合材料的各種連接方式、連接技術優(yōu)缺點及國內(nèi)外學者對連接技術的研究現(xiàn)狀。未來新型連接技術的研究及計算材料學（有限元法、有限差分法等）在碳纖維復合材料連接中的應用是該領域研究的主要內(nèi)容。相信隨著技術的不斷發(fā)展進步，輕量化、高可靠性、耐高溫、低成本的碳纖維復合材料連接技術也會應運而生。

參考文獻：

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作者簡介：荊楠，男，山東淄博人，碩士，助教，研究方向：航空維修及管理。