樹脂基復(fù)合材料連接技術(shù)探析

王兆慧

摘 要 樹脂基復(fù)合材料的連接包括復(fù)合材料之間的連接以及與金屬之間的連接，其工藝比金屬材料之間的連接更為復(fù)雜。本文分別介紹了機械連接、膠接、縫合連接、Z-pin連接和混合連接等連接技術(shù)的工作原理、連接特點，并比較了這幾種連接技術(shù)的優(yōu)缺點。結(jié)果表明，在樹脂基復(fù)合材料連接工藝中，機械連接技術(shù)成熟，運用最廣泛，混合連接是機械連接的拓展，縫合連接和Z-pin連接常作為輔助連接，膠接技術(shù)逐漸成熟，各種連接的使用有相應(yīng)的條件和要求，故連接性能的好壞涉及很多因素，較為復(fù)雜。

關(guān)鍵詞 樹脂基復(fù)合材料連接；機械連接；膠接連接；縫合連接；Z-pin連接；混合連接

Analysis of Connection Techniques for

Resin Matrix Composites

WANG Zhaohui

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The Connection of Resin matrix composites includes the connection of composites itself and the connection of composites and metals，and the connection process is more complicated than the connection between metal materials. The paper introduces principles about the composite connection techniques，such as traditional mechanical joint， adhesive joint，stitched joint，Z-pined joint，combined joint. Meanwhile，related factors which influence the performances of joint are introduced and the advantages，disadvantages and applicability of various joints are compared.The results show that mechanical joint is mature and most widely used. Combined joint is the expansion of mechanical joint，with stitched joint and Z-pined joint often used as auxiliary connection，adhesive joint becoming mature gradually. Different joints have the corresponding conditions and requirements，thus the quality of joint performance involves many complex factors.

KEYWORDS composite connection；mechanical joint；adhesive joint；stitched joint；Z-Pin joint；hybrid joints

1 引言

纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點［1-3］，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車和船舶等領(lǐng)域［4-5］。隨著軌道交通領(lǐng)域圍繞著“更快捷、更舒適、更環(huán)保、更安全”的主題發(fā)展，客運車體結(jié)構(gòu)對新材料更加渴望，復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)在軌道交通中的應(yīng)用即將成為研究開發(fā)的熱點。雖然復(fù)合材料整體成型技術(shù)已取得了一定的發(fā)展，但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不可避免地要與各種零部件相連接，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的破壞往往發(fā)生在連接處，因此復(fù)合材料的連接技術(shù)是復(fù)合材料應(yīng)用中較為關(guān)鍵的組成部分［6］。目前，復(fù)合材料的連接方法主要有：傳統(tǒng)的機械連接、膠接連接、縫合連接、Z-pin連接（金屬或纖維增強復(fù)合材料細棒）和混合連接等［7］。本文介紹了復(fù)合材料這幾種連接技術(shù)的工作原理、連接特點，并對這幾種連接技術(shù)的優(yōu)缺點及使用領(lǐng)域進行了探析。

2 樹脂基復(fù)合材料連接技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)機械連接技術(shù)

樹脂基復(fù)合材料的傳統(tǒng)機械連接技術(shù)包括螺栓連接、銷釘連接和鉚釘連接等連接方式，如圖1所示。機械連接的優(yōu)點和缺點十分的突出，機械連接具有結(jié)構(gòu)強度高、便于維修拆卸、抗沖擊性能好以及安全可靠等優(yōu)點。存在因鉆孔引起應(yīng)力集中、因連接件增加接頭重量、連接效率較低等缺點。

普通螺栓連接目前在復(fù)合材料連接中應(yīng)用廣泛，其連接強度主要取決于材料鋪層、孔邊距、裝配方式和緊固件裝配方式等，國內(nèi)外學者對鋪層設(shè)計、連接方式、螺栓裝配形式以及斷裂失效模擬等方面做了大量的工作，從而預(yù)測連接頭的載荷和最大失效應(yīng)力等。Mouring等［8］發(fā)現(xiàn)金屬與復(fù)合材料連接時，采用制孔的機械連接可以增加接頭內(nèi)聚力，改善接頭的載荷傳遞，同時可減少接頭承受拉伸載荷時的負載變形；何龍［9］針對復(fù)合材料開孔周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象采用ANSYS軟件對具有不同強化結(jié)構(gòu)的含孔層合板進行失效過程的數(shù)值模擬，認為孔邊強化層能有效提高含孔層合板的強度，且鋪層角選為0°較好，強化層與層合板失效關(guān)系緊密，宜選用高性能材料。

銷釘連接和抽芯鉚釘連接技術(shù)也比較成熟，通常使用鋁合金或者鈦合金鉚釘，其具有質(zhì)量輕、降低釘孔纖維層破壞等特性。為保證結(jié)構(gòu)疲勞壽命，鉚釘連接多采用孔壁強化的干涉配合，單釘連接不能滿足強度要求，需要多釘連接。GRAY［10］運用ABAQUS從釘—孔間隙、螺栓扭矩及摩擦等方面對復(fù)合材料單搭接情況下單釘、三釘連接載荷進行了分析；張紀奎［11］對復(fù)合材料—鋁合金三釘單搭接進行了單向拉伸試驗，結(jié)合有限元模型研究了復(fù)合材料—金屬三釘單搭接釘載分布情況，并得出金屬板配合間隙變化對釘載分布影響很小。

2.2 膠接連接

膠接連接是借助膠粘劑將不同的零件連接成不可拆卸的整體，是一種實用有效、方便快捷的連接工藝技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料連接中，連接形式包括平面形搭接、正交連接等，常見的膠接平面形搭接形式如圖2所示。

相比于機械連接，膠接連接具有耐疲勞、耐腐蝕、質(zhì)量輕、絕緣性好，容易形成膠接成型一體化等優(yōu)點，而且也不會因制孔導致應(yīng)力集中。但也存在一些明顯的缺陷，如連接性能易受環(huán)境的影響。OUDAD［12］通過試驗、模擬分析指出復(fù)合材料膠接膠粘劑的吸水率對膠層耐久性、剛度、機械抗阻力的影響情況，浸泡時間對機械性質(zhì)影響很大，并且膠粘劑的吸濕性與飛機結(jié)構(gòu)膠接的修復(fù)效率和耐久性有直接關(guān)系。

膠接結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和膠接工藝是研究膠接連接的重點。膠接的結(jié)構(gòu)參數(shù)有膠層厚度、膠接長度、材料輔層方式及應(yīng)力分布等。如針對膠接長度與板材厚度，梁祖典等［13］提出采用Hashin準則和連續(xù)介質(zhì)損傷力學的三維有限元模型，預(yù)測不同搭接長度和膠接件厚度的復(fù)合材料層合板單搭膠接接頭面內(nèi)損傷演變過程。得出接頭的失效模式由膠層失效轉(zhuǎn)變?yōu)閷雍习迨?，并且接頭強度與膠接長度和厚度在一定范圍內(nèi)成正比，超過一定范圍趨于固定值。同時，端部的應(yīng)力集中和剝離應(yīng)力最為嚴重，是失效的起始點。膠接工藝包括膠粘劑的選擇、表面處理方式、環(huán)境條件及接頭形式等。如喬海濤等［14］通過試驗發(fā)現(xiàn)，表面處理劑SY-D15可以顯著提高膠粘劑在預(yù)浸料表面的滲透作用，從而使得膠接試驗的剪切強度和膠接體系剝離性能明顯提高。

2.3 縫合連接

復(fù)合材料部件或者多層預(yù)浸料在固化前加以縫合連接可以有效防止板材的分層破壞，抵抗彎曲破壞，如圖3所示，通過縫合線連接板材，結(jié)合樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）或樹脂膜滲透成型（RFI）等工藝可形成一體化接頭結(jié)構(gòu)。

焦亞男等［15］研究了三維編織復(fù)合材料縫合連接的彎曲破壞和斷裂機制，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過縫合連接的板材在厚度方向具有更強的抗彎載荷及均勻的應(yīng)力分布。毛春見［16］對縫合復(fù)合材料層板進行了低速沖擊后壓縮試驗，認為縫合層板比未縫合層板有更好的抗沖擊性能和沖擊后壓縮強度，縫合密度越大越好，縫合方向和層板鋪層方向也都有影響，特別是0°方向鋪層時提高效果明顯。

縫合連接能明顯提高層壓板的層間斷裂韌性和層間剪切強度，特別是在零件破壞后，縫合可以使碎片連接在一起，避免后續(xù)更危險的災(zāi)難性破壞，有利于阻止損傷擴展?？p合連接屬于輔助性連接，與RTM、RFI等工藝一起使用，最主要優(yōu)點是采用真空袋固化，壓力較低，制造成本低，對于推廣使用復(fù)合材料非常有利。

2.4 Z-Pin連接

三維Z-Pin連接技術(shù)是在縫合連接的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通過在預(yù)浸料中嵌入Z-Pin固化成型來達到三維方向上的增強，如圖4所示。Z-Pin的直徑一般在0.2mm～1.0mm之間，體分比一般在2%～5%左右，類型有金屬類和非金屬類。

向復(fù)合材料嵌Z-Pin采用整體嵌入式的較多，嵌入Z-Pin有兩種工藝方法，一種是熱壓罐法，另一種是美國Aztex公司提出的超聲植入法（ultrasonically assisted z-fibre，UAZ）如圖5所示，UAZ工藝使用方便、靈活，應(yīng)用廣泛。復(fù)合材料Z-pin連接的研究目前很多都是采用T型連接形式，KOH［17］對復(fù)合材料T型Z-pin連接有較深入的研究，得到Z-pin體分比、加載角度、連接厚度、外凸緣厚度等因素與Z-pin連接的關(guān)系。

張濤濤等［18］針對T300/508平紋機織復(fù)合材料層壓板建立 Z-Pin 的雙懸臂梁模型，模擬層壓板的Ⅰ型裂紋擴展過程。結(jié)果表明，Z-Pin 直徑與層壓板的等效Ⅰ型應(yīng)變能釋放率GⅠC和GⅠC隨裂紋擴展的波動幅度成正比。而對于Z-Pin的體積分數(shù)和增強相長度對板材性能的影響方面，李吻等［19］通過系列試驗對Z-Pin增強復(fù)合材料帽型加筋壁板連接處進行三點彎曲試驗，分析板件Z-Pin增強和失效機理。發(fā)現(xiàn)Z-Pin體積分數(shù)為2.6%，Z-Pin長度為60 mm時，Z-Pin增強帽型加筋壁板的抗彎強度最優(yōu)。在厚度方向上植入Z-Pin可以提高層間韌性、抗沖擊性能、損傷容限等，配合膠接可以提高預(yù)浸料層壓板局部結(jié)構(gòu)的強度。

Z-pin連接與縫合連接有許多共同特征，而且Z-pin連接設(shè)備成本低，可用于較小曲率半徑的區(qū)域，也能用于夾層結(jié)構(gòu)提高抗壓塌和剪切能力；Z-pin連接可用材料較多，沒有電化學腐蝕和吸濕問題。其缺點是不能與RTM、RFI、VARI等預(yù)成型工藝一起使用。

2.5 混合連接

樹脂基復(fù)合材料的混合連接基于膠接與螺栓或者鉚釘連接，結(jié)合機械連接的負載優(yōu)勢與膠接的輕質(zhì)高強，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計使各種連接優(yōu)勢互補且相互關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)，從而確保結(jié)構(gòu)件具有無可替代的安全可靠優(yōu)勢。Chowdhury 等［20］采用有限元方法研究飛機薄板膠鉚混合連接的靜載強度和抗疲勞性，并考證緊固件排列、預(yù)緊力、膠層結(jié)合強度與固化程度對接頭強度的影響，發(fā)現(xiàn)仿真分析可以較好地模擬連接過程中的各因素作用，相對于單一的膠接，混合連接可阻止裂紋的擴展，具有較高的抗疲勞強度。黃文俊等［21］采用有限元模型，研究了層合板端頭翻邊、膠層厚度、膠層韌性以及接觸面摩擦系數(shù)等因素，對復(fù)合材料膠-螺混合連接結(jié)構(gòu)在拉伸和損傷破壞過程的影響，并指出復(fù)合材料層合板端頭翻邊對混合連接結(jié)構(gòu)具有增強作用，韌性膠層能夠提高結(jié)構(gòu)的拉伸強度，螺釘桿與連接孔接觸面間摩擦系數(shù)能夠提高連接結(jié)構(gòu)的拉伸強度。

根據(jù)膠層的固化情況，復(fù)合材料膠-螺混合連接一般有兩種制作工藝，馬毓［22］通過試驗研究，得到兩種不同制作工藝對接頭傳力機理和承載力的影響關(guān)系，并進一步推導了承載力計算方法，分析了混合連接中膠接、螺栓連接各自的承載情況，提出一些優(yōu)化膠-螺混合連接的依據(jù)。單搭接接頭的連接效率較低，有時不能用于主承力結(jié)構(gòu)，因此混合連接接頭常采用雙搭接形式?；旌线B接中膠層和螺釘都能夠傳遞一定的載荷，但膠層與多釘混合連接時復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接性能分析和計算存在較大困難，有待更深入的研究。

樹脂基復(fù)合材料混合連接比較復(fù)雜，但能夠傳遞更大的載荷、接頭密封性更好，對于結(jié)構(gòu)的破損-安全性、接頭的安全裕度以及結(jié)構(gòu)的修補都有很大提高，是今后復(fù)合材料連接技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。

3 各種連接形式的比較

綜上所述，對比以上幾種不同樹脂基復(fù)合材料連接技術(shù)，如表1所示。

從表1中可以看出：

（1）傳統(tǒng)機械連接法，能夠傳遞較大的載荷，連接技術(shù)比較成熟，使用廣泛，其綜合性能已被廣泛認可。

（2）膠接和多數(shù)混合連接都會使用膠粘劑，其連接接頭易受環(huán)境影響，雖然混合連接在膠接的基礎(chǔ)上有機械連接增加安全裕度，但各連接的協(xié)調(diào)變形、載荷分配比較復(fù)雜，有待探索更好的連接形式。膠接連接方式靈活多變，是較好的輔助連接方法，也能獨立承載，已被廣泛運用于各領(lǐng)域。

（3）縫合連接與Z-pin連接使用的連接材料、連接的方式有所不同，但它們的原理類似，都是較密集的貫穿厚度連接方式。縫合連接和Z-pin連接常作為輔助連接手段，提高連接的抗剝離應(yīng)力，實用且技術(shù)比較成熟。

4 結(jié)語

介紹了傳統(tǒng)機械連接、膠接、縫合連接、Z-pin連接、混合連接等樹脂基復(fù)合材料的連接技術(shù)，以及工作成型原理，并分析了它們的優(yōu)、缺點及對樹脂基復(fù)合材料連接的適用性。

復(fù)合材料的連接質(zhì)量與連接過程中各種制作工藝、相關(guān)影響因素有直接關(guān)系，選擇何種連接方式，需根據(jù)實際要求而定。當承載較大、可靠性要求較高時宜采用機械連接，某些情況下為提高安全裕度，可使用混合連接，或采用縫合連接、Z-pin連接進行輔助連接；當承受剝離載荷較小、環(huán)境較好時宜選擇膠接形式。樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件通過優(yōu)化設(shè)計連接結(jié)構(gòu)使其最大的一體化，以實現(xiàn)連接部位穩(wěn)定性與可靠性的統(tǒng)一。未來復(fù)合材料連接方式采用機械連接、膠接為主，多種新型連接方式為輔的連接技術(shù)，在確保高強度的同時，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化，以傳遞部件所需承受的更高載荷。同時，在了解復(fù)合材料連接構(gòu)件的使用性能，分析復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的特點之后，合理選取復(fù)合材料的連接形式及其組合模式，可充分發(fā)揮不同連接形式的優(yōu)點，從而使結(jié)構(gòu)件達到最優(yōu)強度。

參 考 文 獻

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