碳纖維復(fù)合材料與金屬連接及接頭力學(xué)性能測(cè)試分析

王少星

摘 要：近年來，碳纖維復(fù)合材料以其導(dǎo)熱性能好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)在眾多領(lǐng)域（如核工業(yè)、外空間等）中得到了廣泛應(yīng)用。其與金屬的連接主要采用擴(kuò)散焊、釬焊、膠結(jié)、螺栓等方式，在進(jìn)行釬焊時(shí)，大部分的釬料的表面都不濕潤(rùn)，常需要在高真空、高溫環(huán)境下使用活性釬料進(jìn)行釬焊。不同種類的釬料，接頭強(qiáng)度也會(huì)具有較大差異。該文主要分析了碳纖維復(fù)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(xué)性能的測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：接頭 力學(xué)性能 金屬連接 碳纖維復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纖維復(fù)合材料，是指將石墨纖維或碳纖維作為增強(qiáng)相，將化學(xué)沉積碳或石墨化、碳化硅的樹脂作為基體的一種復(fù)合性材料。此類材料具有溫度升高慢、散熱快、線膨脹系數(shù)低、抗燒蝕、尺寸穩(wěn)定、抗腐蝕、質(zhì)量輕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)械制造、航空工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料是一種非金屬材料，要對(duì)其進(jìn)行釬焊，難度較大，通常會(huì)采用沉積、燒結(jié)、鍍敷等方法，將金屬粉末處理在碳纖維復(fù)合材料的表面，再行常規(guī)釬焊。另外，也可以采用活性金屬法進(jìn)行釬焊。由于碳纖維復(fù)合材料的工藝復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)，應(yīng)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(yīng)用，所以關(guān)于碳纖維復(fù)合材料與金屬連接的文獻(xiàn)報(bào)道較少。該文將對(duì)碳纖維復(fù)合材料與幾種常見金屬的連接方法及接頭力學(xué)性能測(cè)試進(jìn)行研究。

1 碳纖維復(fù)合材料與金屬的連接

1.1 與銅的連接

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在與銅連接后，其結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能良好，同時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量比銅更輕，另外，由于銅與CFRP的導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，所以在使用及釬焊時(shí)不易產(chǎn)生較大熱應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%），在釬焊冷卻后即可使銅、復(fù)合材料、釬料形成連接界面，但該連接界面的強(qiáng)度較低。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)過渡元素Zr、Ti等的化學(xué)活性較強(qiáng)，在液態(tài)條件下可與C發(fā)生反應(yīng)，所以在傳統(tǒng)釬料中添加一定量的活性元素，就可使復(fù)合材料表面變濕潤(rùn)，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(huán)境下實(shí)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(jìn)行，T值取820 ℃，通過釬焊所獲得的接頭強(qiáng)度較高，但其在核輻射環(huán)境中，Ag可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)镃d，降低接頭強(qiáng)度，所以此類接頭無法在核聚變裝置中使用。釬料選用Ti，進(jìn)行復(fù)合材料與銅的連接，在真空下進(jìn)行共晶擴(kuò)散，焊接參數(shù)t為300 s，T為1000 ℃，并對(duì)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(shí)，若能使用Cu-Ti膏對(duì)復(fù)合材料表面進(jìn)行預(yù)涂，所獲得的接頭強(qiáng)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(diǎn)更高，所以高溫釬焊法不適用于鋁合金與CFRP的連接。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)7075-T62鋁合金和CFRP分別使用螺栓連接、膠結(jié)、螺栓+膠結(jié)3種方法進(jìn)行連接，結(jié)果顯示：選用FM73粘結(jié)劑時(shí)，粘結(jié)劑強(qiáng)度會(huì)在很大程度上決定接頭強(qiáng)度；選用EA9394S粘結(jié)劑時(shí)，起決定性作用的是螺栓接頭強(qiáng)度。一般情況下，在膠結(jié)強(qiáng)度低于螺栓連接強(qiáng)度時(shí)，混合連接的強(qiáng)度將比螺栓連接強(qiáng)度更大；若膠結(jié)強(qiáng)度高于螺栓連接強(qiáng)度，則混合連接強(qiáng)度將比螺栓連接強(qiáng)度更小。

在將2024-T3鋁合金與CFRP做雙缺口對(duì)接時(shí)，在高溫條件下使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)，然后固化24 h（室溫），分別在250 ℃、室溫條件下對(duì)此接頭做雙面剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)室溫條件下，接頭的抗剪切強(qiáng)度為20 MPa，斷裂發(fā)生在復(fù)合材料上；250 ℃條件下，抗剪切強(qiáng)度僅為3.5 MPa，斷裂發(fā)生在接頭部位。熱循環(huán)試驗(yàn)顯示，熱應(yīng)力使接口抗剪切強(qiáng)度大為降低，在試驗(yàn)中甚至?xí)霈F(xiàn)接頭自然斷開。

2 接頭力學(xué)性能測(cè)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(huì)在應(yīng)用前，對(duì)接頭做必要的力學(xué)性能測(cè)試。

2.1 沖擊熱應(yīng)力

在工作環(huán)境中，金屬與CFRP的連接結(jié)構(gòu)可能發(fā)生急劇冷卻或加熱，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫差較大，產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊熱應(yīng)力。通過衡量接頭的熱沖擊斷裂強(qiáng)度（）和抗熱沖擊性（Δ），可模型化加熱區(qū)域。斷裂強(qiáng)度及抗熱沖擊性計(jì)算遵循熱傳導(dǎo)公式：

Δ=

=

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

2.2 抗拉強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)就是抗拉強(qiáng)度，其是指拉斷材料前的最大應(yīng)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(fù)合材料基本與金屬管連接時(shí)，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(huán)

對(duì)接頭進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)的目的，是為了評(píng)價(jià)其抗熱疲勞性能。比如對(duì)2021-T3鋁合金與CFRP膠結(jié)接頭進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)后，結(jié)果顯示溫度范圍在50～250 ℃，熱循環(huán)共包括以下幾個(gè)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試樣尺寸、形狀的規(guī)定，知識(shí)針對(duì)某類試驗(yàn)的要求，關(guān)于接頭的力學(xué)性能測(cè)試方法，應(yīng)根據(jù)材料使用要求來選擇。比如套管對(duì)接結(jié)構(gòu)中，為使接頭滿足工程需要，還應(yīng)對(duì)其做液壓強(qiáng)度、氣密強(qiáng)度等性能測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

[1] 章瑩.連接形狀對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)性能的影響[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[2] 洪寶劍.碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

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

[4] 田琳娜.碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型工藝及力學(xué)性能研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 朱程燕.碳纖維復(fù)合材料T型接頭脫黏監(jiān)測(cè)中的信號(hào)處理與分析[D].南京航空航天大學(xué)，2012.endprint

摘 要：近年來，碳纖維復(fù)合材料以其導(dǎo)熱性能好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)在眾多領(lǐng)域（如核工業(yè)、外空間等）中得到了廣泛應(yīng)用。其與金屬的連接主要采用擴(kuò)散焊、釬焊、膠結(jié)、螺栓等方式，在進(jìn)行釬焊時(shí)，大部分的釬料的表面都不濕潤(rùn)，常需要在高真空、高溫環(huán)境下使用活性釬料進(jìn)行釬焊。不同種類的釬料，接頭強(qiáng)度也會(huì)具有較大差異。該文主要分析了碳纖維復(fù)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(xué)性能的測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：接頭 力學(xué)性能 金屬連接 碳纖維復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纖維復(fù)合材料，是指將石墨纖維或碳纖維作為增強(qiáng)相，將化學(xué)沉積碳或石墨化、碳化硅的樹脂作為基體的一種復(fù)合性材料。此類材料具有溫度升高慢、散熱快、線膨脹系數(shù)低、抗燒蝕、尺寸穩(wěn)定、抗腐蝕、質(zhì)量輕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)械制造、航空工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料是一種非金屬材料，要對(duì)其進(jìn)行釬焊，難度較大，通常會(huì)采用沉積、燒結(jié)、鍍敷等方法，將金屬粉末處理在碳纖維復(fù)合材料的表面，再行常規(guī)釬焊。另外，也可以采用活性金屬法進(jìn)行釬焊。由于碳纖維復(fù)合材料的工藝復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)，應(yīng)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(yīng)用，所以關(guān)于碳纖維復(fù)合材料與金屬連接的文獻(xiàn)報(bào)道較少。該文將對(duì)碳纖維復(fù)合材料與幾種常見金屬的連接方法及接頭力學(xué)性能測(cè)試進(jìn)行研究。

1 碳纖維復(fù)合材料與金屬的連接

1.1 與銅的連接

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在與銅連接后，其結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能良好，同時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量比銅更輕，另外，由于銅與CFRP的導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，所以在使用及釬焊時(shí)不易產(chǎn)生較大熱應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%），在釬焊冷卻后即可使銅、復(fù)合材料、釬料形成連接界面，但該連接界面的強(qiáng)度較低。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)過渡元素Zr、Ti等的化學(xué)活性較強(qiáng)，在液態(tài)條件下可與C發(fā)生反應(yīng)，所以在傳統(tǒng)釬料中添加一定量的活性元素，就可使復(fù)合材料表面變濕潤(rùn)，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(huán)境下實(shí)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(jìn)行，T值取820 ℃，通過釬焊所獲得的接頭強(qiáng)度較高，但其在核輻射環(huán)境中，Ag可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)镃d，降低接頭強(qiáng)度，所以此類接頭無法在核聚變裝置中使用。釬料選用Ti，進(jìn)行復(fù)合材料與銅的連接，在真空下進(jìn)行共晶擴(kuò)散，焊接參數(shù)t為300 s，T為1000 ℃，并對(duì)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(shí)，若能使用Cu-Ti膏對(duì)復(fù)合材料表面進(jìn)行預(yù)涂，所獲得的接頭強(qiáng)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(diǎn)更高，所以高溫釬焊法不適用于鋁合金與CFRP的連接。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)7075-T62鋁合金和CFRP分別使用螺栓連接、膠結(jié)、螺栓+膠結(jié)3種方法進(jìn)行連接，結(jié)果顯示：選用FM73粘結(jié)劑時(shí)，粘結(jié)劑強(qiáng)度會(huì)在很大程度上決定接頭強(qiáng)度；選用EA9394S粘結(jié)劑時(shí)，起決定性作用的是螺栓接頭強(qiáng)度。一般情況下，在膠結(jié)強(qiáng)度低于螺栓連接強(qiáng)度時(shí)，混合連接的強(qiáng)度將比螺栓連接強(qiáng)度更大；若膠結(jié)強(qiáng)度高于螺栓連接強(qiáng)度，則混合連接強(qiáng)度將比螺栓連接強(qiáng)度更小。

在將2024-T3鋁合金與CFRP做雙缺口對(duì)接時(shí)，在高溫條件下使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)，然后固化24 h（室溫），分別在250 ℃、室溫條件下對(duì)此接頭做雙面剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)室溫條件下，接頭的抗剪切強(qiáng)度為20 MPa，斷裂發(fā)生在復(fù)合材料上；250 ℃條件下，抗剪切強(qiáng)度僅為3.5 MPa，斷裂發(fā)生在接頭部位。熱循環(huán)試驗(yàn)顯示，熱應(yīng)力使接口抗剪切強(qiáng)度大為降低，在試驗(yàn)中甚至?xí)霈F(xiàn)接頭自然斷開。

2 接頭力學(xué)性能測(cè)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(huì)在應(yīng)用前，對(duì)接頭做必要的力學(xué)性能測(cè)試。

2.1 沖擊熱應(yīng)力

在工作環(huán)境中，金屬與CFRP的連接結(jié)構(gòu)可能發(fā)生急劇冷卻或加熱，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫差較大，產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊熱應(yīng)力。通過衡量接頭的熱沖擊斷裂強(qiáng)度（）和抗熱沖擊性（Δ），可模型化加熱區(qū)域。斷裂強(qiáng)度及抗熱沖擊性計(jì)算遵循熱傳導(dǎo)公式：

Δ=

=

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

2.2 抗拉強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)就是抗拉強(qiáng)度，其是指拉斷材料前的最大應(yīng)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(fù)合材料基本與金屬管連接時(shí)，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(huán)

對(duì)接頭進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)的目的，是為了評(píng)價(jià)其抗熱疲勞性能。比如對(duì)2021-T3鋁合金與CFRP膠結(jié)接頭進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)后，結(jié)果顯示溫度范圍在50～250 ℃，熱循環(huán)共包括以下幾個(gè)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試樣尺寸、形狀的規(guī)定，知識(shí)針對(duì)某類試驗(yàn)的要求，關(guān)于接頭的力學(xué)性能測(cè)試方法，應(yīng)根據(jù)材料使用要求來選擇。比如套管對(duì)接結(jié)構(gòu)中，為使接頭滿足工程需要，還應(yīng)對(duì)其做液壓強(qiáng)度、氣密強(qiáng)度等性能測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

[1] 章瑩.連接形狀對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)性能的影響[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[2] 洪寶劍.碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

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

[4] 田琳娜.碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型工藝及力學(xué)性能研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 朱程燕.碳纖維復(fù)合材料T型接頭脫黏監(jiān)測(cè)中的信號(hào)處理與分析[D].南京航空航天大學(xué)，2012.endprint

摘 要：近年來，碳纖維復(fù)合材料以其導(dǎo)熱性能好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)在眾多領(lǐng)域（如核工業(yè)、外空間等）中得到了廣泛應(yīng)用。其與金屬的連接主要采用擴(kuò)散焊、釬焊、膠結(jié)、螺栓等方式，在進(jìn)行釬焊時(shí)，大部分的釬料的表面都不濕潤(rùn)，常需要在高真空、高溫環(huán)境下使用活性釬料進(jìn)行釬焊。不同種類的釬料，接頭強(qiáng)度也會(huì)具有較大差異。該文主要分析了碳纖維復(fù)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(xué)性能的測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：接頭 力學(xué)性能 金屬連接 碳纖維復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纖維復(fù)合材料，是指將石墨纖維或碳纖維作為增強(qiáng)相，將化學(xué)沉積碳或石墨化、碳化硅的樹脂作為基體的一種復(fù)合性材料。此類材料具有溫度升高慢、散熱快、線膨脹系數(shù)低、抗燒蝕、尺寸穩(wěn)定、抗腐蝕、質(zhì)量輕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)械制造、航空工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料是一種非金屬材料，要對(duì)其進(jìn)行釬焊，難度較大，通常會(huì)采用沉積、燒結(jié)、鍍敷等方法，將金屬粉末處理在碳纖維復(fù)合材料的表面，再行常規(guī)釬焊。另外，也可以采用活性金屬法進(jìn)行釬焊。由于碳纖維復(fù)合材料的工藝復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)，應(yīng)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(yīng)用，所以關(guān)于碳纖維復(fù)合材料與金屬連接的文獻(xiàn)報(bào)道較少。該文將對(duì)碳纖維復(fù)合材料與幾種常見金屬的連接方法及接頭力學(xué)性能測(cè)試進(jìn)行研究。

1 碳纖維復(fù)合材料與金屬的連接

1.1 與銅的連接

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在與銅連接后，其結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能良好，同時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量比銅更輕，另外，由于銅與CFRP的導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，所以在使用及釬焊時(shí)不易產(chǎn)生較大熱應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%），在釬焊冷卻后即可使銅、復(fù)合材料、釬料形成連接界面，但該連接界面的強(qiáng)度較低。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)過渡元素Zr、Ti等的化學(xué)活性較強(qiáng)，在液態(tài)條件下可與C發(fā)生反應(yīng)，所以在傳統(tǒng)釬料中添加一定量的活性元素，就可使復(fù)合材料表面變濕潤(rùn)，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(huán)境下實(shí)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(jìn)行，T值取820 ℃，通過釬焊所獲得的接頭強(qiáng)度較高，但其在核輻射環(huán)境中，Ag可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)镃d，降低接頭強(qiáng)度，所以此類接頭無法在核聚變裝置中使用。釬料選用Ti，進(jìn)行復(fù)合材料與銅的連接，在真空下進(jìn)行共晶擴(kuò)散，焊接參數(shù)t為300 s，T為1000 ℃，并對(duì)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(shí)，若能使用Cu-Ti膏對(duì)復(fù)合材料表面進(jìn)行預(yù)涂，所獲得的接頭強(qiáng)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(diǎn)更高，所以高溫釬焊法不適用于鋁合金與CFRP的連接。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)7075-T62鋁合金和CFRP分別使用螺栓連接、膠結(jié)、螺栓+膠結(jié)3種方法進(jìn)行連接，結(jié)果顯示：選用FM73粘結(jié)劑時(shí)，粘結(jié)劑強(qiáng)度會(huì)在很大程度上決定接頭強(qiáng)度；選用EA9394S粘結(jié)劑時(shí)，起決定性作用的是螺栓接頭強(qiáng)度。一般情況下，在膠結(jié)強(qiáng)度低于螺栓連接強(qiáng)度時(shí)，混合連接的強(qiáng)度將比螺栓連接強(qiáng)度更大；若膠結(jié)強(qiáng)度高于螺栓連接強(qiáng)度，則混合連接強(qiáng)度將比螺栓連接強(qiáng)度更小。

在將2024-T3鋁合金與CFRP做雙缺口對(duì)接時(shí)，在高溫條件下使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)，然后固化24 h（室溫），分別在250 ℃、室溫條件下對(duì)此接頭做雙面剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)室溫條件下，接頭的抗剪切強(qiáng)度為20 MPa，斷裂發(fā)生在復(fù)合材料上；250 ℃條件下，抗剪切強(qiáng)度僅為3.5 MPa，斷裂發(fā)生在接頭部位。熱循環(huán)試驗(yàn)顯示，熱應(yīng)力使接口抗剪切強(qiáng)度大為降低，在試驗(yàn)中甚至?xí)霈F(xiàn)接頭自然斷開。

2 接頭力學(xué)性能測(cè)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(huì)在應(yīng)用前，對(duì)接頭做必要的力學(xué)性能測(cè)試。

2.1 沖擊熱應(yīng)力

在工作環(huán)境中，金屬與CFRP的連接結(jié)構(gòu)可能發(fā)生急劇冷卻或加熱，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫差較大，產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊熱應(yīng)力。通過衡量接頭的熱沖擊斷裂強(qiáng)度（）和抗熱沖擊性（Δ），可模型化加熱區(qū)域。斷裂強(qiáng)度及抗熱沖擊性計(jì)算遵循熱傳導(dǎo)公式：

Δ=

=

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

2.2 抗拉強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)就是抗拉強(qiáng)度，其是指拉斷材料前的最大應(yīng)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(fù)合材料基本與金屬管連接時(shí)，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(huán)

對(duì)接頭進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)的目的，是為了評(píng)價(jià)其抗熱疲勞性能。比如對(duì)2021-T3鋁合金與CFRP膠結(jié)接頭進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)后，結(jié)果顯示溫度范圍在50～250 ℃，熱循環(huán)共包括以下幾個(gè)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試樣尺寸、形狀的規(guī)定，知識(shí)針對(duì)某類試驗(yàn)的要求，關(guān)于接頭的力學(xué)性能測(cè)試方法，應(yīng)根據(jù)材料使用要求來選擇。比如套管對(duì)接結(jié)構(gòu)中，為使接頭滿足工程需要，還應(yīng)對(duì)其做液壓強(qiáng)度、氣密強(qiáng)度等性能測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

[1] 章瑩.連接形狀對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)性能的影響[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[2] 洪寶劍.碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

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

[4] 田琳娜.碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型工藝及力學(xué)性能研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 朱程燕.碳纖維復(fù)合材料T型接頭脫黏監(jiān)測(cè)中的信號(hào)處理與分析[D].南京航空航天大學(xué)，2012.endprint