復合材料連接技術(shù)研究現(xiàn)狀

牛芳芳

摘要：復合材料的連接包括自身的連接及其與金屬之間的連接，其連接工藝比金屬材料之間的連接復雜。文章對樹脂基、金屬基及陶瓷基復合材料的連接的研究現(xiàn)狀進行了介紹，并對其發(fā)展前景進行了展望，指出連接工藝參數(shù)的的優(yōu)化與探究及新的連接方式的發(fā)展是其今后研究和發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：樹脂基復合材料;金屬基復合材料;陶瓷基復合材料;連接技術(shù)

中圖分類號：TB333 文獻標志碼：A 文章編號：1001—5922（2021）01—0058—03

0前言

復合材料由于其高的比強度、比模量，可設(shè)計性強，重量輕等優(yōu)勢在航空航天、船舶、機械工程、化工及公共基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用，尤其在航空領(lǐng)域，飛機為了達到高強質(zhì)輕的目標，大部分的結(jié)構(gòu)件都采用復合材料來代替金屬零部件。但由于復合材料屬于各向異性材料，結(jié)構(gòu)件隨鋪層設(shè)計不同，各個方向的性能不同，其連接部位的接頭設(shè)計、強度分析都比傳統(tǒng)材料要復雜，因此復合材料的連接技術(shù)的選擇和設(shè)計在復合材料結(jié)構(gòu)件裝配過程顯得尤為重要。本文將對各種復合材料的連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行分析。

1樹脂基復合材料連接技術(shù)

樹脂基復合材料根據(jù)樹脂的形態(tài)和加工方式可分為熱固性樹脂基復合材料和熱塑性樹脂基復合材料。樹脂基復合材料的連接方式主要有機械連接（螺接和鉚接）、膠接連接及混合連接。機械連接雖然連接結(jié)構(gòu)強度高，但連接接頭重量大，裝配效率較低;膠接連接相比于機械連接，具有輕質(zhì)、無破壞性、容易實現(xiàn)成型一體化，所以對于一些復雜結(jié)構(gòu)件的連接多選擇膠接方式?；旌线B接一般為膠一螺和膠一鉚混合連接，使機械連接和膠接揚長避短，優(yōu)勢互補，滿足更高的連接要求，也使結(jié)構(gòu)件的連接安全性提高-z-。近年來，復合材料的設(shè)計者也對樹脂基復合材料的連接做了大量的研究工作。

初明越等人對于玻璃纖維增強聚酰胺、聚甲醛、聚丙烯這3種熱塑性樹脂基復合材料的機械連接的接頭的力學性能進行了研究，分析了機械接頭尺寸（寬徑比w/d（試樣寬度/開孔直徑）和端徑比e/d（試樣端距/開孔直徑））對機械連接件破壞載荷和破壞模式的影響，結(jié)果表明，接頭尺寸對于機械連接制件的承載能力有著重要的影響。李仁政對碳纖維增強樹脂基復合材料機械連接孔擠壓強化技術(shù)進行了研究，復合材料機械連接技術(shù)中，緊固件孔導致的應(yīng)力集中會使碳纖維復合材料性能下降，利用孔擠壓強化技術(shù)可有效提高復合材料機械連接件的耐疲勞性。李佳對玻璃纖維增強樹脂基復合材料板的自插式膠接連接及其力學性能進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)搭接長度變長，接頭承載力提高，搭接面數(shù)量增加使接頭承載力明顯提升。由此可見，對于樹脂基復合材料的膠接連接，膠接接頭的設(shè)計對于復合材料力學性能及整個膠接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性尤其重要。耿正等人研究了熱塑性短碳纖維增強的聚苯硫醚基復合材料與鋁合金的膠接連接，鋁合金經(jīng)過等離子體處理，利用漢高E-120HP環(huán)氧膠粘劑，完成了復合材料與鋁合金的膠粘連接，通過接頭強度測試，獲得了良好的膠接界面。劉斌研究了碳纖維/樹脂基復合材料階梯式膠接結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明階梯形狀具有較好的工藝性，此結(jié)構(gòu)在拉伸過程中豎直臺階處最先破壞。

由此可以看出，樹脂基復合材料要取得良好的連接效果，在連接工藝中接頭形式的選擇、緊固件的選擇、膠接結(jié)構(gòu)的選擇、膠黏劑的選擇等其他工藝因素的控制是關(guān)鍵。

2金屬基復合材料連接技術(shù)

金屬基復合材料是以金屬合金為基體，顆粒、晶須、纖維為增強體通過一定復合方式得到的一種復合材料。目前常用的主要是以輕合金（鋁合金、鎂合金、鈦合金）為基體的金屬基復合材料，其中以鋁基復合材料應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最迅速。所以此處主要分析了鋁基體復合材料的連接技術(shù)研究現(xiàn)狀。

鋁基體復合材料的連接方式目前研究最多的有熔化焊連接、固相連接、釬焊等。熔化焊連接包括電弧焊、電子束焊和激光焊等，是應(yīng)用廣泛、成本低廉的比較成熟的連接方式，但對于連續(xù)纖維增強鋁基復合材料由于在熔化焊接過程中的高溫會使纖維熔化，影響連接效果，所以使用受到限制固相連接包括摩擦焊接、擴散連接，以擴散連接為主。固相連接所需的工藝溫度低，解決了復合材料在焊接過程中的熔化問題，是目前研究比較多的一種連接方式。釬焊由于其連接溫度低、工藝簡單、適用范圍廣，既可用于顆粒、晶須增強鋁基復合材料又可以用于連續(xù)纖維增強鋁基復合材料。釬焊包括電阻釬焊、真空釬焊和保護氣氛爐中釬焊3種類型，在釬焊工藝中搭接接頭選擇、焊料的選擇、溫度的控制對于獲得良好的連接效果非常重要翻。

郭磊磊對于SiC顆粒增強鋁基復合材料連接技術(shù)進行了總結(jié)分析，分析了各種連接方式的優(yōu)缺點、適用范圍及對于新型連接方式的展望;謝超杰等人研究了碳纖維增強鋁基復合材料的與連接技術(shù)，指出碳纖維與鋁合金基體之間的組織與性能相差較大，所以其連接技術(shù)難度較大，一般可以采用熔焊、固相連接、釬焊等方式連接;程東鋒以相控陣雷達T/R模塊封裝用高體積分數(shù)SiC顆粒增強6063A1基復合材料為研究對象，研究了鋁基復合材料的激光納米釬接技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光功率、離焦量和焊接速度等工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配可獲得優(yōu)良的接頭性能;張恒泉究了Si_p/6063鋁基復合材料激光熔化沉積連接技術(shù)，結(jié)果表明，Si_p/6063A1復合材料的連接效果良好;張智慧研究了氮化硅增強鋁基復合材料的釬焊工藝，研究了3種不同釬料的連接機理和連接工藝，研究結(jié)果表明，3種釬料都可以完成鋁基復合材料的釬焊工藝過程，且連接效果好。

金屬基復合材料可以采用熔焊、固相連接、釬焊等連接方式，其中釬焊連接工藝研究及應(yīng)用的最多。不論哪一種連接方式，接頭形式的選擇及工藝參數(shù)的控制是保證良好連接效果的關(guān)鍵。

3陶瓷基復合材料連接技術(shù)

陶瓷基復合材料是以結(jié)構(gòu)陶瓷為基體，高強度纖維、晶須、顆粒作為增強體，通過一定方式復合而成的復合材料，主要有氧化鋁基、碳化硅基、氮化硅基復合材料，其中碳化硅基復合材應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最快。與樹脂基復合材料和金屬基復合材料相比，陶瓷基復合材料的耐高溫性、耐腐蝕性、抗氧化性都是其主要的優(yōu)勢。目前航空航天的熱端部件尤其是航空發(fā)動機都傾向于陶瓷基復合材料代替高溫合金。

粘接和機械連接均不能滿足陶瓷基復合材料的連接要求，故陶瓷基體復合材料主要采用焊接連接方式，常用的焊接方法主要為釬焊和擴散焊。

在焊接過程中，為了保證良好的連接效果，陶瓷基復合材料的性能要求、焊接溫度的選擇、釬料的選擇、中間層材料的選擇等其他工藝因素的控制都顯得尤為重要。對于陶瓷基復合材料的連接技術(shù)，相關(guān)研究者也有不少的研究方法和成果。

金屬釬焊廣泛應(yīng)用于陶瓷基復合材料的連接工藝。柏棣星以Ti-Zr-Ni-Cu基復合釬料連接Cf/SiC與金屬Nb，研究發(fā)現(xiàn)，隨著連接溫度的升高，焊縫寬度與致密性下降，在930%的釬焊溫度下保溫20min，接頭剪切強度最高可達49.5MPa;李冰通過用不同鈦含量的釬料對C/SiC復合材料進行活性釬焊研究，通過對比釬焊效果，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用Ag-Cu+Ti組合釬料連接效果良好且可以獲得優(yōu)異的綜合性能。

瞬間液相擴散焊具備固相擴散焊和釬焊兩種焊接方式的優(yōu)點，不僅可以降低焊接時的溫度并且可以提升接頭的使用溫度，陶瓷基復合材料采用瞬間液相擴散焊可以實現(xiàn)整體完整化連接。何忝锜對Ti（c，N）-Alo23陶瓷基復合材料采用Ti箔/Cu箔/Ti箔復合中間層進行部分瞬間液相擴散連接，研究發(fā)現(xiàn)在焊接溫度1050℃、保溫15min的工藝參數(shù)下得到最大的抗彎強度，為207MPa;郭沁涵通過Cu-Ti非晶/Cu/Ag-Cu復合層對Ti（c，N）-Al2O3/40Cr進行了輔助脈沖電流擴散連接，結(jié)果表明，保溫時間和占空比對接頭的組織與性能都有一定的影響。

4展望

復合材料的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地擴大，連接技術(shù)的也在不斷的發(fā)展，新的連接技術(shù)不斷出現(xiàn)。目前樹脂基復合材料以機械連接和膠接連接為主，金屬基復合材料和陶瓷基復合材料以焊接連接方式為主，這些比較成熟的連接工藝的工藝控制及新的連接方式還有待進一步的研究。今后的研究中，應(yīng)對復合材料連接技術(shù)不斷優(yōu)化，在改善連接效果的同時，能使工藝成本不斷降低，發(fā)展處更加經(jīng)濟有效的連接方式，不斷推進復合材料裝配技術(shù)的發(fā)展。