复合材料的六种连接方式

纤维增强树脂基复合材料(FRP)具有高比强度、高比刚度、耐高温、结构可设计性以及轻量化等优点，在航空航天、汽车、轨道车辆、建筑及机械设备制造等领域作为结构件或功能件逐步取代传统的金属材料使用。随着应用范围的扩大，复合材料部件之间、复合材料与其它类部件之间的连接形技术愈加重要。

目前常用的复合材料连接方式有6种，分别是：机械连接、胶粘剂胶接、混合连接、缝合连接、Z-Pin连接以及熔融焊接。其中应用最广泛的是机械连接和胶粘剂胶接。

复合材料的机械连接是指将复合材料1和复合材料2（或金属或合金）通过紧固件连接成为一整体。机械连接结构简单，可通过螺栓连接、铆接、插销连接、卡口连接等方式将金属和复合材料连接在一起。

螺栓连接是最早应用于复合材料与金属结构的连接方法之一，通常用于承载能力较大和比较重要的受力构件上，比如航空航天机械结构、尤其是重载结构。

铆接一般用于受力较小的复合材料薄板，比如车身结构中金属框架的连接。

机械连接的优点：

(1)可重复装配和拆卸，方便检查；

(2)受环境影响较小，且没有厚度限制；

(3)无残余应力，可靠性高，方便检查连接效果；

(4)对零件表面无特殊要求，对剥离应力不敏感。

机械连接的缺点：

(1)钢紧固件与复合材料接触存在电化学腐蚀，需要对连接的螺栓进行相应的腐蚀技术处理；

(2)制孔会损伤复合材料，孔周部位局部应力集中，降低了连接强度；

(3)制孔后层压板局部强度下降，需局部加厚，但螺栓和铆钉的使用额外增加了结构件的质量，不符合轻量化的趋势；

(4)制孔要求较高，且需要针对孔隙进行二次密封。与之配合的金属件也容易疲劳，制造成本相对较高。

机械连接设计除了要考虑选择何种紧固件及连接形式外，还要对连接的几何参数、连接区的铺层、防电/腐蚀等方面进行详细分析设计。

如上图所示，螺栓下放置垫圈，可减少孔边周围的损伤，防止过大的拧紧力矩造成复合材料结构表面出现凹坑和裂纹等缺陷。

胶粘剂胶接是采用胶粘剂将零件连接成不可拆卸整体的一种连接工艺。这种连接方式可将金属和复合材料无缝连接，还可以承载较大的拉伸、剪切力和扭矩，且对材料的性质改变较小。因此，胶接连接比机械连接的应用更多、更为广泛。

胶接连接的优点：

(1)相较于机械连接，胶接无需制孔，可以避免切割等机械加工带来的损伤和应力集中，也不存在制孔引起的强度下降；

(2)抗疲劳、抗腐蚀、密封和绝缘性能好、减振；

(3)容易得到符合空气动力学要求的平滑过渡形状；

(4)不额外使用紧固件，不会明显增加机体的自重，成本降低。

胶接连接的缺点：

(1)需要提前对胶接表面进行特殊处理，以改善润湿性和表面张力；

(2)对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；

(3)胶接后拆卸困难，难及时预见和检查胶接处的品质。且胶接后的成品通常是一次性的，难以回收再利用；

(4)强度分散性大，剥离强度较低，难以胶接较厚的结构和传递大的载荷；

(5)胶接强度受环境温湿度变化的影响，胶接效果难以控制，与机械连接相比可靠性有所降低。

胶粘剂胶接的连接形式主要分为两大类：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；

正交型搭接构型主要承受面外拉伸载荷（通常称为拉脱载荷），多用于板类构件与梁、肋、桁条等的连接。

混合连接是将机械连接与胶粘剂胶接相结合，取二者的长处来避免单一连接方式带来的弊端，使产品拥有更好的强度和稳定性。

混合连接的优点：

(1)可阻止或延缓胶层损伤的扩展，提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能；

(2)在密封、减震、绝缘的情况下，具备进一步增大连接强度、提高载荷传递的能力；

(3)可隔离金属紧固件与复合材料，无电化学腐蚀。

混合连接的注意事项：

(1)需选用韧性胶粘剂，尽量使胶接的变形与机械连接的变形相协调；

(2)需提高紧固件与孔的配合精度，否则易引起胶层剪切破坏，降低连接强度。

缝合技术历史悠久，但它在复合材料领域的应用才不过几十年，并且多被应用在缝合层合板复合材料上。通过缝合，使复合材料在垂直于铺层平面的方向得到增强，从而提高材料层间损伤容限。它能抑制复合材料层合板的分层损伤，提高其层间强度和抗分层、抗冲击的能力，特别是在零件破坏后，缝合可以使碎片连接在一起，避免后续更危险的灾难性破坏，有利于阻止损伤扩展。缝合连接是提高结构损伤容限和层间断裂韧性的有效途径。

缝合工艺使用碳、玻璃、Kevlar做成的缝合线在工业缝纫机上对织物进行厚度方向的缝合。缝线仅占复合材料纤维体积含量的百分之几。目前芳纶纤维由于其特殊的耐磨性、良好的抗冲击韧性和较低的纤维密度，在缝合过程中得到广泛应用。

缝合连接属于辅助性连接，与RTM、RFI等工艺一起使用。缝合工艺参数决定复合材料的结构参数和力学性能以及连接工艺过程所产生的残余应力。主要的缝合工艺参数有缝线的股数、缝合密度、缝合方向及缝合针等。

缝合既是连接技术，也是增强技术，与其它连接技术如粘结、铆接相比，缝合材料整体性强、不易产生局部应力集中，为制作大型复合材料制件提供了一种有效手段。

Z-pin技术是20世纪90年代发展起来的一种层合复合材料层间增强的新技术。主要用于增强铺层预浸料或泡沫夹层复合材料。该技术借鉴了缝合技术中的不连续缝线方法，在固化前的预浸料或泡沫夹层厚度方向直接嵌入刚性的短棒，这种短棒通常称为Z-pin。

Z-pin材料可以用金属（不锈钢、铝合金和钛合金等）或非金属（碳纤维，玻璃纤维和 Kevlar 等纤维）。金属Z-Pin常用于对层间剪切性能要求高的复合材料。非金属Z-pin目前采用碳纤维的居多，主要用于材料的常规增韧。

Z-pin的直径一般在0.2~1.0毫米之。对于增强后的层板来说，相同植入密度下，Z-pin的直径越小对材料面内性能损伤越小，但成本相对较高。Z-pin在层板中的体积分数一般在0.5％~4％。

Z-Pin连接的优点：

(1)明显提高层压板的层间断裂韧性和层间剪切强度，克服传统承压板层间剪切强度较低的缺点；

(2)避免机械连接由于钻孔带来的应力集中引起的强度降低；

(3)避免胶接连接可靠性较低和耐环境较差的缺点；

(4)没有电化学腐蚀和吸湿问题；

(5)设备成本较低，可用于较小曲率半径的区域。

Z-Pin技术可分为两大类：

(1)单根植入式——将单根Z-Pin分别嵌入未固化的层板里；

(2)整体嵌入式——将若干Z-Pin同时嵌入到层板中。

整体嵌入式的效率更高，使用也更多。嵌入Z-pin有两种工艺方法，一种是热压罐法，另一种是美国Aztex公司提出的超声植人法（ultrasonic allyassisted z-fibre，UAZ），其中UAZ工艺使用更方便灵活，应用也更广泛。

熔融焊接指的是将界面处的树脂加热至黏性状态，使树脂基体相互扩散，并冷却形成焊接接头。这是一种新兴的FRPC连接方法，是热塑性复合材料特有的一种连接方式。

在连接复合材料时，使用机械连接预制孔会破坏增强纤维，而影响整体结构性能，异种材料连接还有可能产生电偶腐蚀弱化界面。对胶接来说，受环境影响、黏结剂的固化时间较长是其主要缺点。与机械连接和胶接相比，焊接方法可以获得可靠、稳定的接头，还有用时短、强度稳定、不引入外源材料等诸多优点，更具发展优势。

常见的熔融焊接技术有4种：

(1)电阻焊接——其原理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。电阻焊接发展最早，接头质量也更优，但表征接头性能的方法非常有限，对于疲劳、蠕变或环境影响下的接头行为研究较少。

(2)感应焊接——其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。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，主要问题是焊接区域温度分布均匀性，线圈形状、圈数会影响产生磁场大小，不同形状的线圈适用于不同的焊接试件。目前解决这一问题有两种方法：一是模拟会产生边缘效应的区域，通过改变线圈形状降低影响；二是优化金属网的形状来重新定向涡流流动路径，从而创建更均匀的加热。

(3)超声焊接——其原理是待焊件与导能筋(感受器)在焊接压力下接触固定，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。相较于其他焊接工艺，超声焊接不需要添加外源材料，通过铺敷同种基体的树脂膜就能达到连接的目的，它是最快的连接方法之一，适合大量和自动化生产。

(4)激光焊接——原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接，可以采用连续或脉冲激光束加以实现。主要被用于汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域。