牛芳芳

摘要：復(fù)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(fù)雜。文章對(duì)樹脂基、金屬基及陶瓷基復(fù)合材料的連接的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)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(fù)合材料;金屬基復(fù)合材料;陶瓷基復(fù)合材料;連接技術(shù)

中圖分類號(hào)：TB333 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001—5922（2021）01—0058—03

0前言

復(fù)合材料由于其高的比強(qiáng)度、比模量，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，重量輕等優(yōu)勢(shì)在航空航天、船舶、機(jī)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(jī)為了達(dá)到高強(qiáng)質(zhì)輕的目標(biāo)，大部分的結(jié)構(gòu)件都采用復(fù)合材料來代替金屬零部件。但由于復(fù)合材料屬于各向異性材料，結(jié)構(gòu)件隨鋪層設(shè)計(jì)不同，各個(gè)方向的性能不同，其連接部位的接頭設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析都比傳統(tǒng)材料要復(fù)雜，因此復(fù)合材料的連接技術(shù)的選擇和設(shè)計(jì)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配過程顯得尤為重要。本文將對(duì)各種復(fù)合材料的連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1樹脂基復(fù)合材料連接技術(shù)

樹脂基復(fù)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(fù)合材料和熱塑性樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料的連接方式主要有機(jī)械連接（螺接和鉚接）、膠接連接及混合連接。機(jī)械連接雖然連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，但連接接頭重量大，裝配效率較低;膠接連接相比于機(jī)械連接，具有輕質(zhì)、無破壞性、容易實(shí)現(xiàn)成型一體化，所以對(duì)于一些復(fù)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(jī)械連接和膠接揚(yáng)長避短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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(fù)合材料的設(shè)計(jì)者也對(duì)樹脂基復(fù)合材料的連接做了大量的研究工作。

初明越等人對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺、聚甲醛、聚丙烯這3種熱塑性樹脂基復(fù)合材料的機(jī)械連接的接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析了機(jī)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(duì)機(jī)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(duì)于機(jī)械連接制件的承載能力有著重要的影響。李仁政對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料機(jī)械連接孔擠壓強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了研究，復(fù)合材料機(jī)械連接技術(shù)中，緊固件孔導(dǎo)致的應(yīng)力集中會(huì)使碳纖維復(fù)合材料性能下降，利用孔擠壓強(qiáng)化技術(shù)可有效提高復(fù)合材料機(jī)械連接件的耐疲勞性。李佳對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料板的自插式膠接連接及其力學(xué)性能進(jìn)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(duì)于樹脂基復(fù)合材料的膠接連接，膠接接頭的設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)性能及整個(gè)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(qiáng)的聚苯硫醚基復(fù)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(fù)合材料與鋁合金的膠粘連接，通過接頭強(qiáng)度測(cè)試，獲得了良好的膠接界面。劉斌研究了碳纖維/樹脂基復(fù)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(tái)階處最先破壞。

由此可以看出，樹脂基復(fù)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(fù)合材料連接技術(shù)

金屬基復(fù)合材料是以金屬合金為基體，顆粒、晶須、纖維為增強(qiáng)體通過一定復(fù)合方式得到的一種復(fù)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(fù)合材料，其中以鋁基復(fù)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(fù)合材料的連接技術(shù)研究現(xiàn)狀。

鋁基體復(fù)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(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于在熔化焊接過程中的高溫會(huì)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(kuò)散連接，以擴(kuò)散連接為主。固相連接所需的工藝溫度低，解決了復(fù)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(jiǎn)單、適用范圍廣，既可用于顆粒、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料又可以用于連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。釬焊包括電阻釬焊、真空釬焊和保護(hù)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(duì)于獲得良好的連接效果非常重要翻。

郭磊磊對(duì)于SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料連接技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析，分析了各種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及對(duì)于新型連接方式的展望;謝超杰等人研究了碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)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?hào)|鋒以相控陣?yán)走_(dá)T/R模塊封裝用高體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)6063A1基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究了鋁基復(fù)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(fù)合材料激光熔化沉積連接技術(shù)，結(jié)果表明，Si_p/6063A1復(fù)合材料的連接效果良好;張智慧研究了氮化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的釬焊工藝，研究了3種不同釬料的連接機(jī)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(fù)合材料的釬焊工藝過程，且連接效果好。

金屬基復(fù)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(fù)合材料連接技術(shù)

陶瓷基復(fù)合材料是以結(jié)構(gòu)陶瓷為基體，高強(qiáng)度纖維、晶須、顆粒作為增強(qiáng)體，通過一定方式復(fù)合而成的復(fù)合材料，主要有氧化鋁基、碳化硅基、氮化硅基復(fù)合材料，其中碳化硅基復(fù)合材應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最快。與樹脂基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料相比，陶瓷基復(fù)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(shì)。目前航空航天的熱端部件尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)都傾向于陶瓷基復(fù)合材料代替高溫合金。

粘接和機(jī)械連接均不能滿足陶瓷基復(fù)合材料的連接要求，故陶瓷基體復(fù)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(kuò)散焊。

在焊接過程中，為了保證良好的連接效果，陶瓷基復(fù)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(duì)于陶瓷基復(fù)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(fù)合材料的連接工藝。柏棣星以Ti-Zr-Ni-Cu基復(fù)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(qiáng)度最高可達(dá)49.5MPa;李冰通過用不同鈦含量的釬料對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行活性釬焊研究，通過對(duì)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(kuò)散焊具備固相擴(kuò)散焊和釬焊兩種焊接方式的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以降低焊接時(shí)的溫度并且可以提升接頭的使用溫度，陶瓷基復(fù)合材料采用瞬間液相擴(kuò)散焊可以實(shí)現(xiàn)整體完整化連接。何忝锜對(duì)Ti（c，N）-Alo23陶瓷基復(fù)合材料采用Ti箔/Cu箔/Ti箔復(fù)合中間層進(jìn)行部分瞬間液相擴(kuò)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(qiáng)度，為207MPa;郭沁涵通過Cu-Ti非晶/Cu/Ag-Cu復(fù)合層對(duì)Ti（c，N）-Al2O3/40Cr進(jìn)行了輔助脈沖電流擴(kuò)散連接，結(jié)果表明，保溫時(shí)間和占空比對(duì)接頭的組織與性能都有一定的影響。

4展望

復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地?cái)U(kuò)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(fù)合材料以機(jī)械連接和膠接連接為主，金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)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(jìn)一步的研究。今后的研究中，應(yīng)對(duì)復(fù)合材料連接技術(shù)不斷優(yōu)化，在改善連接效果的同時(shí)，能使工藝成本不斷降低，發(fā)展處更加經(jīng)濟(jì)有效的連接方式，不斷推進(jìn)復(fù)合材料裝配技術(shù)的發(fā)展。