对于传统金属材料结构而言，零件之间通常采用焊接的连接方式，其工艺成熟，传递载荷性能优异。

相对金属结构而言，碳纤维复合材料由于其材料、工艺等方面的限制，无法采用传统的连接方式，为保证各部件制件载荷的有效传递，必须采用合理的连接方式来解决。因此，连接设计是保证在复合材料结构性能的关键环节之一。

 

复合材料连接技术分类  

 

1  

机械连接  

优点：

• 便于检查，可靠性高；

• 可重复装配，维修性好；

• 无残余应力；

• 受环境影响小。

缺点：

• 制孔后孔周部位局部应力集中，降低了连接效率；

• 打孔后层压板局部强度下降，需局部加厚；

• 制孔要求较高；

• 电化学腐蚀。

2  

胶接  

优点：

• 无钻孔引起的应力集中，层压板强度不受影响；

• 抗疲劳、密封减震、绝缘性好；

• 组织裂纹扩展，安全性好；

• 不同材料无电化学腐蚀。

缺点：

• 强度分散性大，剥离强度低，难以传递大载荷；

• 受环境影响大，易老化；

• 胶接面需特殊处理，工艺要求严格；

• 永久性连接，胶接后不可拆卸，修补困难。

3  

混合连接  

对于复合材料，单纯的机械连接及胶接都无法满足装配需求，更适合用混合连接，混合连接具备机械连接与胶接的优点。

• 可以阻止或延缓胶层损伤的扩展，提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能；

• 具备密封、减震、绝缘的情况下进一步增大连接强度，提高载荷传递能力；

• 隔离金属紧固件与复合材料，无电化学腐蚀。

混合连接注意事项：

• 应选用韧性胶黏剂，尽量使胶接的变形与机械连接的变形相协调；

• 需要提高紧固件与孔的配合精度，否则易引起胶层剪切破坏，降低连接强度。

 

各连接技术应用选取  

 

复合材料连接方法的选取应充分利用各自的优点，遵循原则如下：

机械连接：

• 主要用于传递集中载荷或强调可靠性的部位；

• 其中螺栓连接比铆钉连接可承受更大的载荷，一般用于主承力结构的连接。

胶接：

• 一般适用于传递均布载荷或承受剪切载荷的部位；

• 可用于非主要承力结构上，在轻型飞机、汽车行业等应用较多；

• 有密封、减震、绝缘等要求的部位。

混合连接：

• 适用于要求安全余度较大的连接部位，一般适用于中等厚度板的连接。

焊接：

• 主要适用于热塑性复合材料

 

碳纤维复材胶接工艺  

 

▲ 自动胶接工艺

1  

设计原则：  

• 优秀的胶接连接设计应使其胶接强度不低于被胶件本身的强度，否则胶接将成为薄弱环节，使胶接结构过早破坏；

• 胶接连接设计应根据最大载荷的作用方向，使所设计的胶接连接以剪切的方式传递最大载荷，而其它方向载荷很小，尽量避免胶层受拉力和剥离力；

• 应特别注意被胶接件热膨胀系数要匹配。

2  

胶粘剂选择：  

胶粘剂按应力-应变特性分为韧性及脆性两种，如图所示。

脆性胶粘剂的剪切强度高于韧性胶粘剂，韧性胶粘剂的连接静强度较高。因此，环境温度低于100℃时尽量选用韧性胶粘剂，高温环境时最好选用脆性胶粘剂。目前碳纤维复合材常用的胶粘剂有：环氧树脂类、聚胺酯类、丙烯酸类。复合材料胶接表面处理：粘接物体表面的清洁度、粗糙度和表面化学结构这三个因素直接影响最终的粘接强度，表面处理工艺主要是改善材料表面提高粘接强度。常用的表面处理方式有以下三种：

3  

搭接方式：  

从强度角度考虑：当胶接构件较薄时，宜采用简单的单面搭接或双面搭接形式。当胶接构件较厚时，由于偏心载荷产生的偏心力矩较大，宜采用阶梯型搭接或斜面搭接形式：

• 当被胶件厚度t＜1.8mm时，可采用单搭接，搭接长度L/t=50 ～ 100；

• 对中等厚度板1.8mm≤ t ≤ 4mm时，采用双搭接比较适宜，搭接长度L/t≈30；

• 当被胶件很厚t＞4mm时，宜选用斜面搭接，搭接角度6° ～ 8°，若斜面加工在工艺上不易实现，采用阶梯形搭接

  

Tips：

1、复合材料层压板胶接表面纤维方向最好与载荷方向一致，不得与载荷方向垂直，以免被胶接件过早产生层间剥离破坏。

2、设计复合材料胶接结构应使胶层在剪切状态下工作，尽量避免胶层受拉力和剥离力；

3、胶接连接形式选择 胶接连接设计的目标应使制造工艺尽可能简单、成本尽可能低；

4、胶接连接处应采取降低胶接接头应力集中和剥离应力的措施。