張 龍，馬冀君，李鋒偉，高 琪，王以寧，劉盈斌，楊 森，王志強，楊亞峰，于方麗

(1.西安航空學院 材料工程學院，西安 710077；2.航空工業(yè)慶安集團有限公司，西安 710077；3.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，西安 710100；4.中國電子科技集團公司第三十九研究所，西安 710065)

0 CFRP與金屬材料膠粘技術的發(fā)展現狀

CFRP具有密度小、比強度和比模量高、耐腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛用于國防、航空航天、交通運輸、醫(yī)療器械等領域[1-3]。因CFRP存在成本高、服役溫度范圍窄且力學性能易受濕熱環(huán)境影響等問題，通常將其與金屬材料(鋁合金、鋼、鈦合金等)連接作為結構材料使用，以便在保證結構可靠前提下最大限度發(fā)揮CFRP的性能優(yōu)勢[4-6]。由于CFRP的物理和化學特性與金屬材料差異較大，傳統(tǒng)的鉚接、焊接等連接工藝不能滿足要求，CFRP與金屬材料的有效連接成為該領域研究的重點問題之一[7-10]。隨著膠粘劑膠接性能的不斷提高，工藝簡單、成型性好、成本低廉、適用性廣的膠接和基于膠接的混合連接技術逐漸成為解決CFRP與金屬材料之間有效連接的首選方法[11-13]。

膠接技術是利用膠粘劑與母材之間的化學或物理反應將異種材料進行有效連接的一種方法[14]。膠接接頭能有效避免應力集中，提高材料的抗振性，廣泛應用在航空產業(yè)的機身、油箱、艙門等結構件制造工藝中，但膠接接頭存在耐老化性和耐沖擊性較差，接頭受環(huán)境影響較大等問題[6,15]?；谀z接和機械連接的混合連接技術可將膠接與機械連接的優(yōu)勢相結合，從而保證接頭具有更大的承載能力、更強的抗疲勞性能和更高的安全性，已應用于航空航天和汽車制造等領域。純膠接技術和基于膠接的混合連接技術各有優(yōu)勢：通常對于應力較小的薄壁結構，應盡可能采用膠接；而對于連接件較厚、受力較大的結構，通常采用膠鉚或膠螺混合連接工藝，以保證接頭具有更高的可靠性。

1 CFRP與金屬材料的膠接機理及工藝影響因素

CFRP與金屬材料的純膠接技術是一種基于高分子膠粘劑與被粘母材表面經物理或化學反應產生強相互作用，從而在CFRP與金屬材料之間建立有效連接的技術。膠粘劑是膠接工藝中的關鍵，主要成分為脂類高分子聚合物，其在固化劑、增塑劑等輔料作用下發(fā)生交聯固化反應，同時與母材表面連接。接頭粘接強度受被粘母材表面狀態(tài)、膠層厚度、固化參量以及服役環(huán)境等因素影響較為嚴重。深入認識膠粘機理以及膠粘工藝中各因素對粘接強度的影響，對于優(yōu)化膠粘工藝、增強膠粘接頭強度具有非常重要的意義。

1.1 膠粘機理

粘接過程涉及表面化學、物理流變學以及斷裂力學等多個學科領域，20世紀60年代國際學術界初步形成了較為完整的粘接理論體系。目前，膠粘劑粘接機理的主要理論有機械互鎖理論、擴散理論、吸附理論和靜電理論。雖然每種理論均能較好地解釋某特定范圍內的實驗現象，但是目前尚未有全面合理解釋膠粘機理的統(tǒng)一理論[16-17]。

1.1.1 機械互鎖理論

機械互鎖理論在膠粘技術中應用較為廣泛，該理論認為膠接是膠粘劑進入被粘接表面不規(guī)則空間形成機械互鎖的結果，該理論表明被粘母材表面粗糙度增加膠粘剝離強度顯著增強。機械互鎖理論可較好地解釋金屬與聚合物之間的粘接特征，但不能解釋光滑表面之間粘接現象的作用機理[18-19]。

1.1.2 擴散理論

擴散理論認為膠粘劑的高分子鏈聚合物存在分子運動，當其與金屬表面接觸時會產生分子混合交織，使金屬表面與膠接層緊緊固定在一起，達到混合膠粘的效果，最終使膠粘劑與金屬表面形成界面層。根據該理論，適當改變膠粘劑的濃度有利于分子運動，增大擴散速率，提高膠粘接頭的力學性能[20-21]。

1.1.3 吸附理論

吸附理論認為膠接與吸附現象類似，當膠粘劑與被粘物接觸時發(fā)生浸潤現象，膠粘劑分子移動到被粘物表面，極性基團逐漸接近，當極性基團距離小于5×10-10m時，膠粘劑和被粘物表面分子相互吸引，形成有效的表面張力，通過分子間作用力形成牢固的膠接粘合。該理論認為吸附過程包括兩個階段：第一階段膠粘劑分子通過布朗運動擴散到被粘物表面；第二階段膠粘劑分子與被粘物表面距離縮小，分子間作用力增大產生吸附力，從而提高粘接強度[22-24]。

1.1.4 靜電理論

靜電理論認為膠粘劑表面和被粘物表面形成了正負離子雙電層，在庫侖力的作用下發(fā)生靜電吸引，從而產生粘接。該理論假設兩種材料在交互作用時，電子發(fā)生轉移，產生帶電的界面層。靜電理論在解釋硅烷涂層對某些酸性材料粘接方面有較高應用價值，但對于堿性增強材料并不適宜，且該理論僅在能形成雙電層的膠接體系中成立，不具有普適性[25-27]。

1.2 CFRP與金屬材料膠接強度的影響因素分析

1.2.1 膠接層厚度

膠接層厚度是影響CFRP與金屬材料純膠接接頭力學性能的重要因素之一。候皓天[28]分別測試了膠層厚度為0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm的CFRP/Al單搭接接頭膠粘強度。通過拉伸測試發(fā)現隨著膠層厚度的增大，粘接強度逐漸降低，這與膠層厚度較小時拉伸變形量小，膠粘區(qū)域末端應力集中小有關。將接頭進一步經10%NaCl溶液，在28±2 ℃條件下老化165天后，發(fā)現0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm厚的接頭粘接強度分別下降了21.3%、19.7%和12.9%。由此可見，膠層厚度對接頭的耐環(huán)境腐蝕性能也有較大影響。有研究表明膠層厚度存在一定的最優(yōu)值，Diharjo等[29]研究發(fā)現CFRP/Al-2024單搭接接頭的膠層厚度從0.2 mm增加到0.4 mm時剪切強度增加了5.91%，但是當膠層厚度繼續(xù)增加至1.0 mm時剪切強度大幅度降低(降幅可達47.69%，圖1)。然而，Lavalette等[30]利用有限元分析方法建立CZM內聚力模型發(fā)現膠層厚度從0.1 mm增加到0.4 mm時，CFRP/Al接頭粘接強度變化較小，該結論也得到了管狀接頭拉伸試驗證實?？梢?，膠層厚度對接頭粘接強度的影響比較復雜，在實際工程中應結合接頭應用環(huán)境測試以獲得最佳參數和性能。

圖1 (a) CFRP/Al單搭接接頭拉伸測試，(b)接頭剪切強度隨膠層厚度的變化[29]

1.2.2 表面處理工藝

被粘母材的表面狀態(tài)也是影響接頭力學性能的關鍵因素之一，母材表面幾何結構和成分的改變對接頭的剪切強度以及失效形式會產生顯著影響。Bora等[31]對比了鋁合金表面硅烷處理工藝中三甲氧基硅烷濃度變化對CFRP/Al接頭粘接強度的影響，發(fā)現硅烷體積占比為3%時接頭剪切強度可高至16.44 MPa。如果將鋁合金表面進行預先打磨，則可將接頭剪切強度進一步提高至17.27 MPa。硅烷處理使得樹脂和金屬之間形成化學鍵結合，鋁合金表面均勻且較深的溝槽所產生的機械互鎖對增強界面剪切強度起到正面作用。

針對金屬材料表面幾何結構對接頭力學性能的影響，Akman等[32]系統(tǒng)研究了AA2024鋁合金表面激光誘導溝槽結構對CFRP/AA2024界面剪切強度的影響，結果表明剪切強度隨粘接面積的增加和溝槽入口寬度的增大而提高。粘接面積增加，而溝槽入口寬度減小會導致剪切強度的降低(圖2)。此外，研究結果還表明，鋁合金表面合適的溝槽結構可以使得CFRP表面的失效模式從膠粘模式轉變?yōu)槔w維撕裂模式。同時，該實驗研究結果也證實了膠粘結構的機械互鎖作用受限于被粘母材表面的幾何特征。

圖2 鋁合金表面激光誘導溝槽結構對CFRP/AA2024界面剪切強度的影響[32]

金屬表面噴砂和氧化處理是改善接頭粘接行為的有效手段。Li等[33]對比了Ti表面處理方式對Ti/CFRP單搭接頭界面剪切強度的影響，發(fā)現Ti表面噴砂后界面剪切強度從7.3 MPa提高到17.6 MPa。進一步對Ti表面進行陽極化處理，由于表面存在氧化膜多孔結構，界面剪切強度增至22.6 MPa。Zhang等[34]通過磷酸陽極氧化處理在A6061表面制備了多孔氧化膜，發(fā)現氧化膜的存在使得CFRP/A6061剪切強度從5.3 MPa提高至40.0 MPa(圖3)，強度提高的原因與膜層表面多孔結構的機械互鎖效應和界面間強有力的化學鍵合有關。

圖3 6061鋁合金表面陽極化時間對CFRP/A6061膠粘界面剪切強度的影響[34]

此外，研究者發(fā)現CFRP表面結構變化能夠影響接頭的力學性能，Schanz等[35]研究了激光處理CFRP表面對其與鋁合金粘接性能的影響，結果發(fā)現：當紅外激光功率小于28.6 J/cm2時只對碳纖維產生表層損傷，不會影響CFRP/Al接頭的剪切強度；當功率大于37.3 J/cm2時會對CFRP淺層的碳纖維造成嚴重損傷，進而明顯降低Al/CFRP接頭的剪切強度。

也有研究表明，常規(guī)的膠粘劑黏度較大，在粘接鋁合金與CFRP時并不能完全填充鋁合金表面堿蝕后的孔隙，通過在鋁合金表面預制一層樹脂膜填充鋁合金表面的孔隙，然后進一步使用膠粘劑將其與CFRP粘接，可將CFRP/Al單搭接接頭的剪切強度提高約10%，如圖4所示[36]。因此，被粘金屬材料表面的幾何結構、原子狀態(tài)顯著影響其與CFRP的粘接特征，針對特定連接副和膠粘劑體系構建合理的表面結構可有效增強接頭的綜合力學性能。

圖4 預制樹脂膜對CFRP/Al單搭接接頭力學性能的影響:(a)剪切強度；(b)載荷-拉伸曲線[36]

1.2.3 膠接過程控制

膠接過程中工藝控制也是影響CFRP與金屬材料接頭的關鍵因素之一。如何減少膠接接頭的界面缺陷、提高粘接效率一直備受關注。

Wang等[37-38]發(fā)現膠接過程中通過超聲振動可促進膠粘劑進入鋁合金氧化層的多孔結構中，增大界面接觸面積，有效地形成互鎖結構，可使CFRP/Al接頭剪切強度提高55%，接頭失效模式由界面失效轉變?yōu)榛旌鲜?圖5)。此外，超聲振動時間是影響最為顯著的參數。Wu等[39]研究表明使用硅烷偶聯劑KH560對鋁合金進行前處理可將CFRP/Al接頭的剪切強度提高215.5%，接頭失效模式也發(fā)生明顯變化(如圖6所示)。若在膠粘過程中施加超聲振動，剪切強度的提高幅度可進一步增至267.5%。這是因為超聲過程能夠加劇鋁合金表面接枝環(huán)氧官能團與膠粘劑之間的分子碰撞，在鋁合金與膠粘劑界面形成更多的化學鍵，同時超聲振動有利于膠接層中氣泡的破裂與溢出，建立更有效的界面連接。另外，Yang等[40]研究表明固化過程中施加的壓力對CFRP/Al接頭粘接強度影響顯著，當固化壓力從0.1 MPa增加至0.3 MPa時接頭的粘接強度逐漸增大。由此可知，膠接過程控制的關鍵在于將膠粘劑分子有效地與被粘母材建立連接，施加超聲振動、增大固化壓力等均可有效提高CFRP與金屬材料接頭的力學性能。該方法簡單實用，在工程中應用前景廣闊。

圖5 膠粘過程超聲振動對CFRP/Al接頭失效模式的影響：(a)無超聲振動；(b)超聲振動[38]

圖6 硅烷偶聯劑KH560對CFRP/Al接頭失效模式的影響：(a)有KH560；(b)無KH560[39]

1.2.4 服役溫度與濕度

CFRP與金屬材料接頭的膠粘強度受環(huán)境溫度與濕度的影響較為復雜。Machado等[41]研究發(fā)現，在準靜態(tài)拉伸條件下，當環(huán)境溫度從-30 ℃升高至80 ℃時，CFRP/Al膠粘接頭強度表現出低的溫度敏感性，而CFRP/CFRP膠粘接頭則具有顯著的溫度依懶性。CFRP/Al膠粘接頭強度溫度敏感性低是因為鋁合金基體相對于CFRP具有低的溫度敏感性，雖然膠粘固化區(qū)會因為環(huán)境溫度升高損失一定強度，但其韌性增加，故在一定范圍內隨著溫度的升高，CFRP/Al膠粘接頭強度并沒有明顯下降。然而，Mu等[42]研究發(fā)現，當環(huán)境溫度從-40 ℃升高至80 ℃時，CFRP/Al膠粘接頭強度隨溫度呈指數關系下降(如圖7所示)，當測試溫度接近玻璃轉化溫度Tg時，膠粘劑明顯軟化且具有一定的塑性，導致膠粘強度顯著下降。同樣，Nguyen等[43]在使用Araldite 420雙組分環(huán)氧樹脂膠制備的CFRP/steel膠粘接頭強度也發(fā)現有類似的變化，隨著溫度從20 ℃升高至60 ℃，接頭強度逐漸降低，且接頭力學性能隨溫度的變化關系基本符合Hart-Smith模型。Zheng等[44]將CFRP/Al膠接接頭置于60 ℃熱水中進行老化試驗，結果表明：老化20天時，粘接強度由未老化10.4 MPa減小至6.8 MPa，降幅達34.6%，接頭失效形式從常規(guī)失效模式(CMF)轉變?yōu)榻鞘Ｊ?CNF)；老化時間增長至40天時，粘接強度又增大至8.6 MPa，接頭失效形式為邊失效模式(SIF)(如圖8所示)?？芍?，濕熱環(huán)境對CFRP/Al接頭的失效行為影響顯著。

圖7 不同環(huán)境溫度對CFRP/Al膠粘接頭強度的影響[42]

濕度對接頭力學行為也有較大影響，Heshmati等[45]經老化時長為一年的試驗發(fā)現：隨著濕度的增加，膠接層的彈性模量線性減??；短時間濕度環(huán)境的暴露會略微增加接頭強度；在較低濕度環(huán)境下，達到臨界時間后也會導致鋼/膠接層局部界面失效。高向陽等[46]在溫度為70 ℃，濕度為85% RH濕熱條件下測試J-271膠層試樣的性能，發(fā)現在濕熱條件下試樣的拉伸強度下降了31.4%。

綜上可知，較高的溫度和濕度均不利于膠粘接頭長期安全服役，在實際應用中應采取相應措施防止?jié)駸岘h(huán)境對膠接結構性能的不利影響。

雖然CFRP與金屬材料純膠接技術工藝簡單、成本低廉且不受被粘母材固有性質及幾何形狀的影響，應用較為廣泛，但是在航空航天、武器裝備、軌道交通等要求較高的領域其應用還是受到一定程度的限制。受限的主要原因在于CFRP/金屬材料純膠接連接件的可靠性和安全性仍顯不足，當連接件承載較大載荷時，純膠粘接頭易在膠粘界面處發(fā)生瞬時失效。

圖8 濕熱老化條件對CFRP/Al膠粘接頭強度與失效模式的影響[44]

2 CFRP與金屬材料膠接-機械混合連接技術研究進展

將膠接與傳統(tǒng)機械連接相結合的混合連接作為一種新型的連接技術通過實現膠接與機械連接優(yōu)勢互補，可明顯提高連接的安全性和可靠性。目前，CFRP與金屬材料膠接-機械混合連接技術中的膠鉚與膠螺已成為應用較為廣泛的混合連接形式。盡管如此，混合連接技術的連接形式不同，接頭強度和適用場合也不同。

2.1 膠鉚混合連接技術

膠鉚是將膠粘工藝與傳統(tǒng)鉚接相結合的一種混合連接技術。膠鉚混合連接技術結合了膠粘技術與鉚接技術的各自優(yōu)點，不僅可增大接頭的能量吸收值，克服純鉚接存在應力集中、剝離強度低的問題，而且加入膠粘劑還能更好地提高連接密封和耐腐蝕性能，延長工件使用壽命。同時，引入膠粘工藝可進一步減少鉚釘數量，降低工件整體重量。此外，相較于純膠接、純鉚接連接，膠鉚混合連接接頭的抗剪強度明顯提高，能量吸收值明顯增大。因此，膠鉚技術被廣泛應用于汽車制造和航空制造等領域。隨著技術的不斷發(fā)展，膠鉚連接逐漸趨于輕質化和高性能化?？梢灶A期，膠鉚連接技術將在更多領域發(fā)揮重要作用。

2.1.1 膠鉚混合連接的工藝流程

CFRP與金屬材料的膠鉚混合連接工藝主要包括膠粘和鉚接兩個過程。具體流程如下：第一步，在膠接之前通常需要對金屬粘接面進行處理。一般采用砂紙對表面進行打磨，去除表面雜質及氧化皮(根據需要確定是否進行進一步化學處理)；第二步，涂膠工藝。為避免膠接層中形成氣孔，涂膠時方向盡量保持一致，同時為保證粘接面的潤濕效果以及膠層的均勻性，涂膠時需對兩個粘接面均進行涂膠；第三步，鉚接工藝。將完成涂膠工藝尚未固化的接頭用夾具固定，在合適位置進行鉚接；第四步，按照膠粘劑的固化溫度與時間要求進行固化，待膠粘劑完全固化后即完成了膠鉚混合連接工藝[47-53]。

2.1.2 工藝控制對CFRP-金屬膠鉚混合連接接頭力學性能的影響分析

(1)鉚釘特征對膠鉚混合連接接頭力學性能的影響。膠鉚混合連接中鉚釘數量、材質和分布位置等均會不同程度影響接頭的力學性能。Cui等[47]設計了四種膠粘-電磁鉚接混合連接形式，在保持膠粘工藝相同的情況下調整電磁鉚接形式，結果表明最大的抗剪強度均由膠接層貢獻，且鉚釘的數量與分布位置對接頭的失效行為影響顯著(圖9)。由圖9可見，隨著鉚釘數量的增加，第一峰值載荷變化不大，第二峰值載荷逐漸增大，而且膠鉚連接相對于純膠接具有更大的能量吸收值。這與鋁合金-不銹鋼膠粘-電磁鉚接混合連接中得到的結果類似[48]。類似地，黨停停[49]在CFRP/TC4膠鉚連接工藝中發(fā)現：鉚釘數量增多，第一峰值載荷略微降低，而第二峰值載荷明顯增大；當雙鉚釘連接且鉚釘分布平行于拉伸方向時接頭的斷裂韌性要比鉚釘垂直于拉伸方向的高，能量吸收值也大。這與劉璟琳在研究單搭接雙鉚釘膠鉚連接6061-T6工藝中的測試結果類似[50]。

圖9 CFRP/Al膠鉚接頭中鉚釘數量與分布對剪切強度-位移曲線的影響[47]

由此可見，CFRP與金屬材料膠鉚混合連接接頭所承載的峰值載荷主要由膠接層貢獻，在膠接層失效后鉚接開始起作用，鉚釘數量的增加必然會減小膠粘面積從而降低峰值載荷，因此鉚釘的數量不宜過多。另外，Sun等[51]發(fā)現鉚接方向對膠鉚接頭失效方式也有較大影響，從CFRP一側鉚接的接頭失效后纖維撕裂失效占比約為38.90%，共聚失效占比約31.20%，平均峰值剪切載荷為6.5 kN，平均能量吸收值為4.40 J；而從Al一側鉚接的接頭其失效后輕微纖維撕裂失效占比約為34.86%，共聚失效占比約為28.48%，平均峰值剪切載荷為6.2 kN，平均能量吸收值為4.16 J(圖10)。比較前述結果可知，在CFRP/Al膠鉚工藝中從CFRP基體進行鉚接可提供更高的可靠性。王世鵬等[52]研究表明：鉚釘釘腳張開度越小，在接頭拉伸過程中鉚釘越容易傾斜，接頭強度有所降低；鉚釘釘腳張開度越大，出現拉脫失效的概率越小，且在不拉脫的前提下，能量吸收與鉚釘傾斜的程度正相關。此外，還有研究表明，鉚釘材質會對接頭的疲勞性能產生顯著影響。Marannano等[53]通過實驗證明：在通過膠鉚連接CFRP和鋁合金時，使用鋼制鉚釘的接頭具有更好的力學性能，尤其是高周疲勞性能；使用鋁制鉚釘的膠鉚接頭相對于純膠接接頭，其低周疲勞性能會增加2～3倍，高周疲勞幾乎沒有增加。總體來看，使用鋼制鉚釘后，低周疲勞和高周疲勞性能均可增加5～6倍。因此，根據接頭的服役工況，科學設計合理的鉚接結構，可有效提高膠鉚混合連接接頭的疲勞性能，增加接頭的可靠性。

圖10 鉚接方向對CFRP/Al膠鉚接頭失效模式的影響[51]

(2)搭接長度與CFRP鋪層特征對膠鉚混合連接接頭力學性能的影響。接頭搭接長度是膠鉚工藝設計的重點，確定搭接長度要兼顧接頭的力學性能與輕量化。Chen等[54]發(fā)現CFRP與Al膠鉚連接時，搭接長度越大，峰值載荷越高，能量吸收值也明顯增大，但接頭剛度變化不大(圖11)。在剪切過程中，隨著載荷的不斷增大，接頭首先會經歷裂紋萌生與裂紋擴展，當載荷繼續(xù)增加到臨界峰值時膠接層徹底斷裂，CFRP與Al分離，鉚接承載載荷。相對于純膠接和純鉚接，膠鉚混合連接表現出更高的峰值載荷和更大的能量吸收。因此，膠鉚混合連接方式具有更高的可靠性和安全性。卞海玲等[55]也發(fā)現CFRP/6061鋁合金膠鉚接頭的搭接長度越大，接頭的最大失效載荷和能量吸收值隨之增大。

圖11 搭接長度對CFRP/Al接頭載荷-位移曲線的影響[54]

Chen等[13]通過對CFRP/Al單搭接膠鉚接頭中搭接長度、膠層厚度和鉚釘直徑對接頭承載載荷和能量吸收值的影響進行對比發(fā)現，搭接長度對峰值載荷的影響最大，膠層厚度次之，鉚釘直徑影響最小。同時，搭接長度對能量吸收值的影響最大，鉚釘直徑次之，膠層厚度影響最小，如圖12所示。因此，根據接頭的承載載荷，設計合理的搭接長度是實現CFRP與金屬材料之間高效連接的關鍵。

圖12 不同鉚釘直徑與膠層厚度對CFRP/Al膠鉚混合連接接頭力學性能的影響[13](a)峰值載荷 (b)能量吸收值((1) 3.0-0.5 (鉚釘直徑(mm)-膠層厚度(mm)), (2) 5.0-0.5, (3) 3.0-1.0, (4) 5.0-1.0)

Liu等[56]研究了搭接頭長度一定條件下CFRP厚度、鋪層角度對CFRP/Al膠鉚接頭最大剪切載荷和能量吸收的影響。結果發(fā)現：CFRP在鋪層角度為±45°和復雜角度時，CFRP厚度越大，CFRP/Al膠鉚接頭剪切強度越高，能量吸收值也越大；鋪層角度為0°/90°時，CFRP厚度對接頭剪切強度和能量吸收能力影響不大；相對于鋪層角度為±45°和復雜角度的CFRP/Al膠鉚接頭，鋪層角度為0°/90°的剪切強度和能量吸收值最大。

然而，文獻[57]研究結果與前述的不同。在接頭長度一定的條件下，Franco等[57]發(fā)現，當CFRP鋪層為[(0°/90°/(±45°)2)]s時，CFRP/Al膠接-自沖鉚接混合接頭的能量吸收值比鋪層為[(0°/90°)3]s時提高了142.0%，峰值載荷提高了15.5%；接頭加熱固化過程對CFRP鋪層為[(0°/90°/(±45°)2]s時的峰值載荷可以提高15.6%，而對鋪層為[(0°/90°)3]s時僅可提高13.2%。由此可見，CFRP鋪層角度與厚度的變化對膠鉚混合連接接頭力學性能的影響較為復雜。

2.1.3 環(huán)境因素對CFRP-金屬膠鉚混合連接接頭力學性能的影響分析

由于膠粘劑大都屬于長鏈高分子物質，其在高溫、高濕或鹽溶液的影響下容易發(fā)生結構失穩(wěn)，導致膠鉚接頭力學性能發(fā)生較大變化。Chen等[58]發(fā)現服役溫度對CFRP/Al膠鉚接頭的失效行為影響顯著。當溫度從-30 ℃提高到100 ℃時，接頭的峰值抗剪強度和能量吸收值都是先增大后減小，且溫度太低或者太高對接頭的抗剪強度和能量吸收能力均會產生不利影響(圖13)。隨著接頭老化周期數的增加，膠鉚混合連接接頭的峰值載荷相較于未老化的降低了31.9%，而純膠接接頭的峰值載荷相較于未老化的降低了40.4%，可見，膠鉚混合連接能明顯降低CFRP/Al膠鉚接頭的老化速率。

圖13 服役溫度對CFRP/Al膠鉚接頭力學性能的影響[58]

研究工作還表明，膠粘劑對膠鉚混合連接中鉚釘的密封作用使得鉚釘中部基本不受環(huán)境的腐蝕，雖然鉚釘頭部腐蝕嚴重，但對接頭力學性能的影響有限[59]。Li等[60]發(fā)現鹽霧腐蝕環(huán)境對CFRP/Al膠鉚接頭的失效模式影響較大。具體為：在0.1 m/s拉伸速率下未經老化的膠鉚接頭為剪切破壞失效模式，隨著老化時間的增長，失效模式轉變?yōu)檩p度纖維撕裂和膠接層失效模式；在1.0 m/s和5.0 m/s拉伸速率下未經老化的膠鉚接頭為CFRP撕裂失效模式，隨著老化時間的增長，接頭失效模式同樣轉變?yōu)檩p度纖維撕裂和膠接層失效模式(圖14)。可見，在外部環(huán)境因素影響下，膠鉚混合連接接頭力學性能的變化既與純膠接接頭存在類似之處又有其獨有的特征。系統(tǒng)地揭示環(huán)境因素對膠鉚混合連接接頭的作用規(guī)律可有效判斷接頭的安全服役壽命，提高膠鉚混合連接接頭的環(huán)境可靠性。

圖14 CFRP/Al膠鉚接頭在不同鹽霧老化時間與不同拉伸速率下的失效模式對比[60]

2.2 膠螺混合連接技術

膠螺混合連接是將膠粘技術與螺栓連接相結合的一種混合連接方式。膠粘是通過各種膠粘劑將不同的工件相互連接，而螺栓連接是進一步通過螺栓的緊固力將工件進行連接。膠螺混合連接結合了膠接和螺栓連接的優(yōu)點，不但能削弱純膠接層的剝離應力，減緩裂紋的萌生與擴展，而且能提高螺栓連接抵抗劈裂應力的能力，以防接頭的瞬間失效，增強接頭的抗疲勞和抗蠕變性能[61]。理想的膠螺連接方式是膠接層與螺接同時在服役過程中起作用。然而，由于這兩種連接方式的剛度不同，載荷通常以非均衡形式施加于膠螺接頭，其中膠接層通常承受的載荷較大，而螺接承受的載荷較小[62]。

2.2.1 膠螺混合連接的工藝流程

膠螺混合連接主要存在兩種典型工藝：一種工藝是先將接頭通過膠粘連接，待膠接層固化后打孔，再用螺栓緊固完成膠螺連接的工藝；另一種是根據螺栓直徑先在接頭上預制孔，涂膠粘接后待膠接層未固化之前用螺栓緊固，待膠接層固化完成膠螺連接工藝。顯然，兩種工藝的明顯區(qū)別在于螺接是在膠接層固化之前還是之后。

通常，第一種工藝更適合承載較大載荷[63]。第二種工藝相對于第一種接頭連接區(qū)域的應變分布更為均勻，在接頭承受較小載荷時螺栓能夠與膠接層相互協(xié)調承載載荷，傳力性較好，但由于螺栓緊固過程中可能會導致膠接層厚度不均勻從而使接頭的強度下降[64]。另外，第一種工藝的連接接頭存在承載強度分散性大的問題，連接的可靠性較差。第二種工藝的接頭膠接層和螺栓連接緊密，連接的可靠性相對較高[64]。

2.2.2 膠螺混合連接失效模型

Oterkus等[65]建立了膠接-單螺栓混合連接模型并采用半解析法進行求解，結果發(fā)現即使膠接層相對于螺栓具有更低的剛度，載荷也主要是先經過膠接層進行傳遞。其原因在于接頭的膠接面積大、厚度小，使得膠接層具有較高的剪切剛度，不允許螺栓在相反的方向存在較大的位移。Barut等[66]提出的層狀復合材料之間膠螺單搭接接頭模型的半解析方法分析結果同樣也表明，即使膠接層具有較低的彈性模量，大多數載荷也是通過膠接層傳遞，這與Oterkus等[65]的研究結果一致。另外，當膠螺連接接頭的脫膠長度小于某臨界值時，膠接層承載全部載荷，只有當脫膠長度超過該臨界值時螺栓才開始承載載荷。

Paroissien等[67]基于宏單元技術建立了適用于非平衡連接件膠螺混合連接接頭應力分析的簡化模型，該模型可以預測膠螺混合連接接頭失效過程中的準靜態(tài)行為。采用該模型可以分析膠接-雙螺栓混合連接接頭在拉伸過程中，接頭的邊緣(圖15中A和B箭頭所示位置)最開始承受載荷，接頭中間區(qū)域的最后受力情況(圖15中C箭頭所示位置)。通過該模型對非平衡連接膠螺接頭構型的優(yōu)化，可實現在連接材料體積減小12%的基礎上將第一峰值載荷提高10%。

圖15 膠螺混合連接接頭損傷失效模型分析[67]

2.2.3 工藝控制對膠螺混合連接接頭力學性能的影響

膠螺混合連接接頭的拉伸位移-載荷曲線一般可分為ACL區(qū)域(Adhesive-carried-load)和BCL區(qū)域(Bolt-carried-load)。接頭在膠接層失效之前的拉伸行為類似于膠接接頭(ACL區(qū)域)，而在膠接層失效之后則表現為螺接特征(BCL區(qū)域)，如圖16所示。

圖16 膠螺混合連接接頭載荷-位移曲線與接頭損傷演變[68]

膠螺混合連接接頭的力學性能顯著依賴于接頭的膠接與螺接工藝，使用低模量、高強度的膠粘劑可增加接頭膠接失效前的連接強度，使用高強度螺栓則可增強膠接層失效后的承載能力和能量吸收值[68-69]。

增大螺栓擰緊力矩可明顯改善接頭的抗疲勞性能。Esmaeili等[70-71]基于疲勞體積模型分析表明，膠螺混合連接接頭的疲勞壽命與螺接的擰緊力矩大小呈正相關關系。當螺栓擰緊力矩從1 N·m增大至5 N·m時，接頭在拉伸過程中螺孔邊緣的最大應力從278 MPa降至252 MPa，且接頭的疲勞壽命明顯提高。接頭疲勞壽命提高的原因在于，增大螺栓擰緊力矩，接頭膠接層使得連接件呈彈性應力分布，螺孔邊緣應力減小，疲勞體積的有效距離減小，從而使疲勞壽命提高。

膠螺混合連接接頭的搭接長度也會影響其力學性能。Franco等[72]研究發(fā)現：相較于純膠接接頭，GFRP/Al膠螺混合連接接頭具有更高的損傷容限和能量吸收值；當搭接長度合適時，膠螺混合連接接頭還具有更高的靜強度；合適的螺栓擰緊力矩可使接頭靜力學性能提高60～70%；接頭搭接長度過長會導致接頭靜強度減弱20%左右；合適的螺栓擰緊力矩可使疲勞強度增加約150%(圖17)。

圖17 膠螺混合連接接頭在不同擰緊力矩下的力學性能變化[72]

膠粘劑的類型也影響接頭的連接強度與失效模式。Kweon等[73]在CFRP/Al膠螺混合連接中分別使用膠粘劑型結構膠EA9394S和膠膜型結構膠FM73進行研究。結果發(fā)現：使用EA9394S結構膠時，螺栓連接強度比膠粘強度要高，混合連接能夠明顯提高連接強度；使用FM73結構膠時，由于螺栓連接強度低于膠粘強度，螺栓連接對混合接頭的連接強度貢獻較小。

與膠鉚混合連接類似，膠螺混合連接中層狀復合材料的鋪層角度對接頭加工過程與接頭力學性能也有較大影響。Wang等[74]利用有限元分析法研究了碳纖維鋪層角度對CFRP/Al鉆孔損傷的影響，發(fā)現鉆孔過程中CFRP層間剝離是最主要的損傷形式。當碳纖維鋪層為[0°]24時，CFRP/Al中CFRP的剝離最為嚴重，[0°/90°]12s次之，[-45°/90°/45°/-45°]3s的剝離程度最低。在CFRP/GFRP的膠螺混合接頭中，鋪層角度對接頭力學性能的影響非常明顯。當CFRP與GFRP鋪層角度為[(0°/90°)/(0°/90°)/(0°/90°)]s時，接頭的強度比螺接接頭高30%，而鋪層角度為[(0°/90°)/(±45°)/(0°/90°)]s時則要高出70%。由此可見，鋪層角度對涉及CFRP的連接接頭都存在類似的影響規(guī)律[75]。

Bois等[76]建立了CFRP與2024鋁合金的雙搭接膠螺混合接頭模型分析發(fā)現，該模型的準確度主要依賴于螺栓連接的剛度。此外，研究結果還表明，螺栓擰緊力矩從0增大至3.5 N·m或螺釘與螺孔間隙從0.02 mm增大為0.15 mm時，接頭強度沒有發(fā)生明顯改變。另外，膠螺混合連接接頭的強度與d/w的值有關(d為螺栓孔直徑，w為接頭寬度)：d/w=0.21時的接頭強度高于d/w=0.42時的強度；d/w=0.30時，接頭連接效率最高，可達0.66。

綜上，在CFRP與金屬材料的膠螺混合連接工藝中，增大螺栓的擰緊力矩、優(yōu)化搭接長度與鋪層角度、合理選擇螺栓連接d/w值等均可對膠螺連接接頭的力學性能進行有效調控。

3 結語

純膠接、膠鉚、膠螺混合連接技術是CFRP與金屬材料實現異質有效連接的主要途徑。從理論上揭示純膠接的機械互鎖、擴散、吸附與靜電機理對于理解膠粘劑在CFRP與金屬材料界面的作用機制至關重要。對被粘母材表面進行粗糙化與硅烷處理、膠接過程施加超聲振動以增強金屬表面官能團與膠粘劑之間的吸附作用等均可明顯提高膠粘接頭的力學性能?；谀z接的膠鉚與膠螺混合連接技術可解決純膠接接頭耐沖擊性差、可靠性不足等問題。鉚接與螺接的引入使混合連接工藝變復雜的，同時也使得連接工藝有更大的優(yōu)化空間。膠鉚接頭與膠螺接頭既有相似之處，也有不同之處。相似之處在于：膠鉚與膠螺接頭膠接層因其剪切模量值大先承載，只有當膠接層脫膠失效后機械連接才起作用；相較于純膠接接頭，混合連接接頭抗疲勞性能更佳；不同之處在于接頭結構與連接工藝差異引起的傳力路徑、載荷分配以及剝離失效形式不同。從發(fā)展的角度看，如何提高膠接與鉚接、螺接等機械連接的剛度匹配度，提升膠鉚與膠螺混合連接接頭的載荷分配均衡性依然是混合連接領域需要進一步研究的難點問題。