摘要:在大型或复杂航空结构生产、组装时，构件间的连接尤为重要。传统的复合材料连接技术具有一些明显缺陷。针对热塑性复合材料，人们一边深入探索新型高效的机械连接和胶接方法的同时，一边着眼于具有巨大潜力的熔融焊接技术。针对热塑性复合材料各类连接技术，对它们的特点、应用及研究现状进行概述，重点论述了电阻焊接、感应焊接、超声焊接三种焊接技术，并对航空结构热塑性复合材料发展进行了展望。

1机械连接

航空结构整体化成型技术的发展，使机械连接结构大幅度减少，但是某些传递大载荷的分离面仍需要采用机械连接，因此也就更为关键。如空客A机身段的连接和机翼的铆接，F-22型战斗机机翼使用紧固连接件高达个。另外，机械连接虽然有连接效率低的缺点，但其突出的优点是安全可靠、传递大载荷、可重复装配和拆卸。因此，机械连接在未来很长时间内仍是飞机结构主要的连接手段之一。机械连接按照连接对象可分为复合材料连接或复合材料与金属连接。图1所示为铝和复合材料的两步紧固，将铝和层合板放置于冲头和分体式模具之间，通过冲压形成机械互锁，再经过底部模具向上压实形成咬合连接结构。

图1两步紧固连接示意图

Fig1Schematicdiagramoftwostepfastening

TPC与金属的机械连接研究主要是设计先进的紧固工艺以获取高强度接头。Lambiase等研究了铝和CFＲP的两步紧固，表明冲头锥度和直径会显著影响接头底部形貌和CFＲP的损伤形式。将冲头锥度角从12°减少到6°，剪切强度可增加50%。冲头直径增加能提高铝和CFRP接触面积，但容易造成层合板产生分层缺陷(图1)。Lambiase对比分析了不同紧固模具对TPC/金属连接接头的影响。证明开槽模具不适合连接TPC，矩形模具通过较低的连接力能获得较高的剥离强度，圆形模具可以成型出性能最佳接头。孙胜等通过有限元方法建立了复合材料螺栓连接和铆接模型，较小过盈量的干涉配合能提高连接强度，采用凸头铆钉的连接结构挤压强度与埋头铆钉相比提高15%。

为了减少工艺引起的损伤，可以通过加热基体来提高延展性。Benjamin等介绍了三种新型的机械连接技术，如图2所示。1)沿厚度方向切割金属及TPC，局部加热使树脂软化后通过模压成型(贴合);2)在加热后的TPC内植入嵌件，在TPC不变形的前提下成型(镶嵌);3)对传统刚性连接的改动，通过模压直接成型(压合)。贴合连接使纤维重新定向，接头成型快，适用于连接超高强度钢或厚层合板。镶嵌连接使纤维在树脂流动状态下被移到两边，应用更加灵活。压合连接不需要准备步骤或精度要求，不用打孔破坏纤维。

2胶黏连接

胶黏连接是一种能够传递均匀应力的高效连接方式，减重的同时提高了抗疲劳和耐腐蚀能力。现代飞机的机身、油箱、舱门等部件的制造中均有大量应用，例如B-58重型轰炸机采用胶接取代约50万只铆钉，黏接壁板面积占全机总面积的85%;一架小型飞机采用胶接替代铆接，可减重20%，强度提高30%。金属与复合材料胶接破坏形式如图3所示。在实际生产中，由于胶接受工艺影响较大，并且复合材料与胶层界面复杂，基体/胶层界面的黏接强度难以准确测定。从其破坏形式可知，要获得承载性能最佳的胶接接头，需要提高胶黏剂和基材之间、层合板层间的界面结合强度，使最终破坏形式倾向于胶层内聚破坏，最大化发挥胶黏剂性能。

董炜等研究了表面处理工艺对钛板与复合材料黏接性能的影响，证明合适的表面处理工艺能提高胶黏效果。Hirulkar等研究了湿热老化结合循环热冲击对CFRP胶接接头弯曲性能的影响，湿热老化时，温度越高接头强度降低越明显，而热冲击对弯曲性能影响不大。与TSC相比较，TPC吸水率低，不易受湿热条件影响，但胶黏剂种类不同会导致耐湿热性能有所区别，影响接头性能。要实现良好的黏接，需要根据基材类型和性质、接头服役环境、成本因素选用合适的胶黏剂。进行相应筛选试验，获取不同结构胶黏剂的力学性能，以供合适的选择。

为获得足够的接头强度，Peng等采用热熔胶膜和熔融黏接两种连接技术研究了工艺参数(熔融温度、铺层顺序等)对玻璃纤维/聚丙烯(GF/PP)接头强度的影响，相比之下熔接强度更高，而热熔胶膜连接加工周期短，成型压力更低。

TPC具有较低的表面能，这使得黏合剂很难黏附表面并产生良好的黏接。Rhee等在固定气氛环境下，用直流等离子改性铝板表面，增加了表面粗糙度，剪切强度相较原始试样提高33%，剥离强度提高6倍。Rhee等研究了辐照处理对铝－复合材料黏接接头的影响，氧环境下，氩离子辐照能使碳氧亲水键强度增加，断裂韧性有显著提高。所以黏合剂和表面处理方法的选择对于接头强度至关重要，也是具有前景的研究方向。

3熔融焊接

在连接复合材料时，使用机械连接预制孔会破坏增强纤维，而影响整体结构性能，异种材料连接还有可能产生电偶腐蚀弱化界面。对胶接来说，受环境影响、黏结剂的固化时间较长是其主要缺点。此外，TPC的胶接还需要预处理以改善复合材料的润湿性和表面张力。

熔融焊接指的是将界面处的树脂加热至黏性状态，使树脂基体相互扩散，并冷却形成焊接接头。根据发热机制的不同可以将熔融焊接分为三类，如图4所示。德国宇航中心采用电阻焊接制造了新A飞机后压力舱壁展示件，采用碳纤维结代替原有金属网，将8块CF/PPS复合材料部件焊接起来。荷兰Fokker公司采用CF/PPS复合材料通过感应焊接制备了湾流G的方向舵和升降舵。与机械连接和胶接相比，焊接方法可以获得可靠、稳定的接头，更具发展优势。

3.1电阻焊接

电阻焊接(ＲW)原理如图5所示。电流流经加热元件产生焦耳热，在加热元件表面的高温会导致热塑性树脂的熔化，由焊接压力压实形成焊接接头。

目前研究集中在控制焊接过程的参数以及影响接头质量的因素。21世纪初Stavrov等认为搭接剪切强度测试(LSST)是表征接头力学性能的唯一方法，但随着研究深入，Reis等认为LSST只能提供断裂时的平均剪应力，无法表征实际环境复杂性，需要单一或混合加载的韧性试验评估接头的断裂行为。接头温度分布会影响整体结构和最终力学性能，Panneerselvam等对GF/PP的电阻焊接展开研究，电流水平、压力大小及加热时间会影响接头性能，电流过低或加热时间太短不足以软化基体，反之又会引起局部过热或纤维断裂。Shi等发现，GF/PEI焊接接头内部温度和热应力分布会影响孔隙分布，而孔隙形成与残余物(制备预浸料的溶剂和水分)挥发或高温下基体刚度降低引起的残余压应力释放有关。

加热元件(HE)作为焊接过程中最关键的部分，如何产生均匀的加热和较好的界面结合强度是人们所

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