复合材料连接技术进展
黄志超;陈伟达;程雯玉;薛曙光;赖家美
【摘 要】Developments of composite joining techniques are explored in this paper. It mainly discuss princi-ples about the composite connection techniques,such as traditional mechanical joint,adhesive joint,stitched joint,Z-pined joint,combined joint and cold rolling riveting. Meanwhile,related factors which influence the per-formances of joint are introduced and the advantages,disadvantages and applicability of various joints are com-pared. The results show that mechanical joint is mature and most widely ud. Combined joint is the expansion of mechanical joint,with stitched joint and Z-pined joint often ud as auxiliary connection,adhesive joint be-coming mature gradually. Cold rolling riveting has not been rearched fully,so it has broad application pros-pect in composite joint process. Different joints have the corresponding conditions and requirements,thus the quality of joint performance involves many complex factors.%介绍复合材料连接技术进展。主要介绍复合材料传统机械连接、胶接连接、缝合连接、Z-pin连接、混合连接、冷碾铆接等连接技术的工
作原理、发展现状及影响连接性能的相关因素，比较这几种连接技术的优、缺点及应用性。结果表明：在复合材料连接工艺中，机械连接技术成熟、运用最广泛，混合连接是机械连接的拓展，缝合连接和Z-pin连接常作为辅助连接，胶接技术逐渐成熟，冷碾铆接研究较少，但有广阔的应用前景；各种连接的使用有相应的条件和要求，故连接性能的好坏涉及很多因素，比较复杂。
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【期刊名称】《华东交通大学学报》
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【年(卷),期】2013(000)004
甘蔗的英文>wonderful world eternity【总页数】7页(P1-6,29)
【关键词】复合材料连接;机械连接;胶接;缝合连接
【作 者】黄志超;陈伟达;程雯玉;薛曙光;赖家美
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【作者单位】华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌330013;华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌330013;华东交通大学载运工具与装
camera什么意思备教育部重点实验室，江西南昌330013;华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌330013;南昌大学机电工程学院，江西南昌330031
【正文语种】中 文
【中图分类】TB332;V257
anger随着汽车轻量化、航空及军工材料多元化发展趋势，传统金属材料已不能完全满足使用需求，复合材料的快速发展和广泛应用使得材料运用更加完善，但无论何种场合、使用何种材料，材料连接技术一直广受关注。在许多先进行业中，为提高结构效率，对结构的整体性有很高的要求，复合材料有提高结构整体性的优越条件，但尚存的连接处却需传递更大的载荷，连接技术就显得更加突出和关键。
复合材料具有比强度高、比刚度高、密度小、热膨胀系数小以及尺寸稳定性好等特点，但复合材料属脆性材料且各向异性，其加工、连接部位的设计及强度分析都比金属材料复杂的多。目前，复合材料的连接方法主要有：传统机械连接、胶接连接、缝合连接、Z-pin（金属或纤维增强复合材料细棒）连接、混合连接及冷碾铆接等。本文介绍复合材料这几种连接技术的工作原理、连接特点，并比较各种连接技术的优、缺点。
1 传统机械连接
传统的机械连接有螺栓连接、销钉连接、铆钉连接等连接方式。一些传统机械连接的连接件如图1。
图1 机械连接及连接件示意图Fig.1 Sketch drawing of mechanical joints and fittings
普通螺栓连接（图1（a））目前在复合材料连接中使用最多，销钉连接（图1（b））和抽芯铆钉连接（图1（c））应用普遍，技术成熟。沈帆[1]通过实验从复合材料铺层顺序、加工方式、制孔工艺、补强以及端头形状等方面研究了复合材料销钉连接。而高锁螺栓也已大量应用在航空航天等领域，且钉孔间配合存在很多公差标准；单面螺纹抽钉干涉配合连接接头在整个装配过程中，膨胀衬套使得在整个夹层厚度上具有均匀的干涉量，确保了复合材料结构在恶劣的载荷条件下结构的完整性。魏景超[2]、刘风雷[3]从不同干涉量配合和间隙配合对复合材料层合板单面螺纹抽钉紧固件干涉配合连接结构和高锁螺栓间隙配合连接结构的静挤压强度进行了试验研究，指出适当的干涉量能提高紧固件结构的静挤压强度，过量的干涉却能降低其静挤压强度。
机械连接一般需预开孔，开孔方式不同，孔边应力集中程度也会不同，连接强度就会有差别。何龙[4]针对复合材料开口孔周围应力集中现象采用ANSYS（融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件）对具有不同强化结构的含孔层合板进行失效过程的数值模拟，认为孔边强化层能有效提高含孔层合板的强度，且铺层角选为0°较好，强化层与层合板失效关系紧密，宜选用高性能材料。关志东，黎增山等[5-7]应用相应的损伤分析方法和失效准则，采用ABAQUS（大型通用有限元分析软件）对复合材料层板开孔拉伸、压缩损伤进行分析，提出合理的预测失效模式和破坏强度的分析模型。
机械连接能传递较大载荷，但很多情况下单钉连接不能满足强度要求，需采用多钉连接，而多钉连接的强度分析比较复杂。GRAY[8]运用ABAQUS从钉-孔间隙、螺栓扭矩以及摩擦等方面对复合材料单搭接情况下单钉、三钉连接载荷进行了分析；张纪奎[9]对复合材料-铝合金三钉单搭接进行单向拉伸试验，结合有限元模型研究复合材料-金属三钉单搭接钉载分部情况，并指出金属板配合间隙变化对钉载分布影响很小；刘兴科[10]采用试验与ANSYS数值分析结合的方法对金属-复合材料三钉双剪连接钉载分配进行研究，试验测量运用应变电测法，有限元分析考察了钉-孔间隙分布、预紧力和摩擦等影响因素，认为初始间隙对钉载分配影响最明显。
机械连接优点很多，连接可靠，技术成熟，但如何提高其连接效率和强度依然存在很大研究空间。
2 胶接
胶接是借助胶粘剂将需要连接的零件连接成不可拆卸的整体，是一种实用有效、方便快捷的连接工艺技术，已广泛应用于复合材料连接，连接形式多样，包括平面形搭接、正交连接等，常见的胶接平面形搭接形式见图2。胶接连接分共固化、共胶接和二次胶接3类，胶接一般指的是二次胶接或者共胶接。KIM[11]对复合材料单搭接胶接的共固化和二次胶接进行了试验研究，从表面粗糙度、胶层厚度等因素对共固化用胶、共固化不用胶、二次胶接连接性能进行了比较。
图2 胶接平面形搭接的常见形式Fig.2 The common forms of planar lap
胶接连接实用简单，但存在一些明显的缺陷，连接性能易受环境影响，OUDAD[12]通过试验、模拟分析指出复合材料胶接胶粘剂的吸水率对胶层耐久性、刚度、机械抗阻能力的影响情况，浸泡时间对机械性质影响很大，并且胶粘剂吸湿性与飞机结构胶接的修复效率和
修复耐久性有直接关系；连接质量难控制，胶层厚度就是一个主要因素，袁辉[13]、刘亚文[14]采用试验、数值模拟、理论分析结合的方法研究胶接接头承载力与胶层厚度的关系，认为胶层厚度不是与连接强度成比例，并提出接头防剥离的控制技术。
随着RTM（树脂传递模塑成型）、RFI（树脂膜渗法）、VARI（真空辅助成型）、三维编织和三维机织等整体化新技术的出现，使被连接构件的数量大大减少，而胶接有零件数目少、结构轻、连接效率高、抗疲劳等突出性能，在复合材料连接中应用越来越多，而且在不断探索更好的连接方式。
3 缝合连接leonardodavinci
缝合连接是采用缝线进行连接，有两种情况：一种情况是层压板本身是缝合的，即沿厚度方向进行缝合，另一种情况是用缝线将两个或多个被连接构件连接在一起。多被应用于缝合层合板复合材料，缝合连接示意如图3。
图3 缝合连接Fig.3 Stitched joint
焦亚男[15]从缝合方向、搭接长度、缝合密度等方面对三维编织复合材料缝合连接的拉伸
性能进行研究，指出搭接长度与试件宽度比值在2.5左右时拉伸性能较好，仅比三维整体编织试件降低25%，缝合方向对拉伸性能影响不明显。毛春见[16]对缝合复合材料层板进行了低速冲击和冲击后压缩实验，认为缝合层板比未缝合层板有更好的抗冲击性能和冲击后压缩强度，缝合密度越大越好，缝合方向和层板铺层方向也都有影响，特别是增加0°方向铺层时提高效果明显。
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，缝线可使碎片连接在一起，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，通常与RTM、RFI、VARI等工艺一起使用，最主要的优点是采用真空袋固化，压力较低，不使用热压罐成型，因此制造成本低许多，对于推广使用复合材料非常有利。
