對于傳統(tǒng)金屬材料結(jié)構(gòu)而言，零件之間通常采用焊接的連接方式，其工藝成熟，傳遞載荷性能優(yōu)異。

相對金屬結(jié)構(gòu)而言，碳纖維復合材料由于其材料、工藝等方面的限制，無法采用傳統(tǒng)的連接方式，為保證各部件制件載荷的有效傳遞，必須采用合理的連接方式來解決。因此，連接設計是保證在復合材料結(jié)構(gòu)性能的關鍵環(huán)節(jié)之一。

復合材料連接技術分類

01機械連接

優(yōu)點：

1、便于檢查，可靠性高；

2、可重復裝配，維修性好；

3、無殘余應力；

4、受環(huán)境影響小。

缺點：

1、制孔后孔周部位局部應力集中，降低了連接效率；

2、打孔后層壓板局部強度下降，需局部加厚；

3、制孔要求較高；

4、電化學腐蝕。

02膠接

優(yōu)點：

1、無鉆孔引起的應力集中，層壓板強度不受影響；

2、抗疲勞、密封減震、絕緣性好；

3、組織裂紋擴展，安全性好；

4、不同材料無電化學腐蝕。

缺點：

1、強度分散性大，剝離強度低，難以傳遞大載荷；

2、受環(huán)境影響大，易老化；

3、膠接面需特殊處理，工藝要求嚴格；

4、永久性連接，膠接后不可拆卸，修補困難。

03混合連接

對于復合材料，單純的機械連接及膠接都無法滿足裝配需求，更適合用混合連接，混合連接具備機械連接與膠接的優(yōu)點。

1、可以阻止或延緩膠層損傷的擴展，提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞和抗蠕變等性能；

2、具備密封、減震、絕緣的情況下進一步增大連接強度，提高載荷傳遞能力；

3、隔離金屬緊固件與復合材料，無電化學腐蝕。

混合連接注意事項：

1、應選用韌性膠黏劑，盡量使膠接的變形與機械連接的變形相協(xié)調(diào)；

2、需要提高緊固件與孔的配合精度，否則易引起膠層剪切破壞，降低連接強度。

各連接技術應用選取

復合材料連接方法的選取應充分利用各自的優(yōu)點，遵循原則如下：

?機械連接：

1、主要用于傳遞集中載荷或強調(diào)可靠性的部位；

2、其中螺栓連接比鉚釘連接可承受更大的載荷，一般用于主承力結(jié)構(gòu)的連接。

?膠接：

1、一般適用于傳遞均布載荷或承受剪切載荷的部位；

2、可用于非主要承力結(jié)構(gòu)上，在輕型飛機、汽車行業(yè)等應用較多；

3、有密封、減震、絕緣等要求的部位。

?混合連接：

1、適用于要求安全余度較大的連接部位，一般適用于中等厚度板的連接。

?焊接：

1、主要適用于熱塑性復合材料。

碳纖維復材膠接工藝

▲ 自動膠接工藝

設計原則：

1、優(yōu)秀的膠接連接設計應使其膠接強度不低于被膠件本身的強度，否則膠接將成為薄弱環(huán)節(jié)，使膠接結(jié)構(gòu)過早破壞；

2、膠接連接設計應根據(jù)最大載荷的作用方向，使所設計的膠接連接以剪切的方式傳遞最大載荷，而其它方向載荷很小，盡量避免膠層受拉力和剝離力；

3、應特別注意被膠接件熱膨脹系數(shù)要匹配。

復合材料膠接膠粘劑選擇：

膠粘劑按應力-應變特性分為韌性及脆性兩種，如圖所示。

脆性膠粘劑的剪切強度高于韌性膠粘劑，韌性膠粘劑的連接靜強度較高。因此，環(huán)境溫度低于100℃時盡量選用韌性膠粘劑，高溫環(huán)境時最好選用脆性膠粘劑。目前碳纖維復合材常用的膠粘劑有：環(huán)氧樹脂類、聚胺酯類、丙烯酸類。

復合材料膠接表面處理：

粘接物體表面的清潔度、粗糙度和表面化學結(jié)構(gòu)這三個因素直接影響最終的粘接強度，表面處理工藝主要是改善材料表面提高粘接強度。常用的表面處理方式有以下三種：

復合材料膠接搭接方式：

從強度角度考慮：當膠接構(gòu)件較薄時，宜采用簡單的單面搭接或雙面搭接形式。當膠接構(gòu)件較厚時，由于偏心載荷產(chǎn)生的偏心力矩較大，宜采用階梯型搭接或斜面搭接形式：

• 當被膠件厚度t＜1.8mm時，可采用單搭接，搭接長度L/t=50 ～ 100；

• 對中等厚度板1.8mm≤ t ≤ 4mm時，采用雙搭接比較適宜，搭接長度L/t≈30；

• 當被膠件很厚t＞4mm時，宜選用斜面搭接，搭接角度6° ～ 8°，若斜面加工在工藝上不易實現(xiàn)，采用階梯形搭接

Tips

1、復合材料層壓板膠接表面纖維方向最好與載荷方向一致，不得與載荷方向垂直，以免被膠接件過早產(chǎn)生層間剝離破壞。

2、設計復合材料膠接結(jié)構(gòu)應使膠層在剪切狀態(tài)下工作，盡量避免膠層受拉力和剝離力；

3、膠接連接形式選擇 膠接連接設計的目標應使制造工藝盡可能簡單、成本盡可能低；

4、膠接連接處應采取降低膠接接頭應力集中和剝離應力的措施。來源：華特碳纖

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