【专题综述】一文了解复合材料的主要连接方式

herahera 2024-02-23 发布于辽宁

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相比于传统铝合金、高强钢等材料，复合材料减重效果和强度更佳。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。

虽然复合材料整体成型技术已取得了一定的发展，但复合材料结构不可避免地要与各种零部件相连接，而复合材料结构件的破坏往往发生在连接处，因此复合材料的连接技术是复合材料应用中较为关键的组成部分。

现阶段复合材料连接一般会涉及5种主要方法：机械连接、胶接连接、混合连接、缝合连接、Z-Pin连接。而目前结构连接传递载荷应用最多的就要数机械连接和胶接连接。缝合连接和Z-Pin连接仅作为一种辅助手段，提高连接的抗剥离应力的能力。

第一部分：机械连接

复合材料机械连接是复合材料结构设计的一个重要环节，同时也是影响复合材料应用于主承力构件的一个必须面对的问题。复合材料的机械连接是指将一复合材料和另一复合材料（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，通过螺纹连接、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。铆接一般用在受力较小的复合材料薄板上，而螺栓连接广泛应用于承载能力较大和比较重要的受力构件上。

机械连接一般有如下的优缺点：

机械连接的优点：

1、在制造、维修和更换中可再重复装配和拆卸，方便检查，易维修。

2、受到环境的影响较小，且没有厚度限制。

3、无残余应力，可靠性较高，便于检查连接效果。

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，且孔边存在应力集中，降低了连接强度

3、为弥补制孔引起的强度下降，进行局部加强，但会造成结构质量增加

4、与之配合的金属件易于疲劳，制造成本也相对较高。

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

第二部分：胶接连接

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：

1、有阻止裂纹扩展的作用，破坏安全性好。

2、不存在制孔引起的强度下降。

3、没有腐蚀问题，能获得光滑的气动外形。

4、抗疲劳、减振、密封及绝缘性能好。

5、不使用紧固件，结构轻，制造成本低。

胶接连接的缺点：

1、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。

2、胶接是永久连接，胶接后不可拆卸，材料回收再利用困难。

3、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。

4、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。

第三部分：混合连接

混合连接则是将胶接与机械连接相结合，能够很好地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。混合连接可以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；具备密封、减震、绝缘的情况下进一步增大连接强度，提高载荷传递能力，隔离金属紧固件与复合材料，无电化学腐蚀。混合连接主要包含胶螺混合连接、胶铆混合连接和胶卡混合连接。

混合连接应选用韧性胶黏剂，尽量使胶接的变形与机械连接的变形相协调，需要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。

图混合连接在汽车中的应用

宝马7系在C柱区域使用碳纤维作为加强件，此处应用多处连接工艺，包含了胶接-铆接，胶接-螺栓，胶接-卡接等方式。综合了机械连接和胶接的优点。

第四部分：缝合连接

缝合技术发展至今已有悠久的历史，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。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，是提高结构损伤容限和层间断裂韧性的有效途径。其原理是通过缝合手段，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。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。

图缝合连接示意图

缝合连接能明显提高层压板的层间断裂韧性和层间剪切强度，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。

缝合不仅是一种增强技术,而且也是一种连接技术,与复合材料的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,因此为制作大型复合材料制件提供了一种有效手段。

第五部分：Z-Pin连接

Z-Pin技术是二十世纪九十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，它借鉴了缝合复合材料中不连续缝线方法，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0.2mm~1.0mm 之间，最常用的有 0.28mm 和 0.51mm 两种。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％。

图 Z-Pin与火柴尺寸对比示意图

Z-Pin技术可分为两大类,

（1）单根植入式，就是将一根根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,这种方法效率高,应用广泛。

Z-Pin连接可用于夹层结构提高抗压塌和剪切能力，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。还可以避免机械连接由于钻孔带来的应力集中引起的强度降低；避免胶接连接可靠性较低和耐环境较差的缺点。Z-Pin连接设备成本较低；可用于较小曲率半径的区域；没有电化学腐蚀和吸湿问题。