【科普】CFRP与金属材料连接的常见连接方法

航空工业追求高可靠性、轻量化、高效率是永恒不变的，轻材料、轻结构和先进的成形工艺是满足这些要求的有效途径。

碳纤维增强聚合物（CFRP）具有高比强度、高比模量、优异的抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，在航空工业中得到了广泛的应用。2020年，碳纤维增强塑料的产量预计将超过20万吨。新一代飞机使用的复合材料与材料的比例急剧增加，比如波音787和空客350XWB使用的复合材料多于铝合金。目前，铝合金和钛合金等高性能的轻量化材料仍在航空航天和飞机工业中使用。在大多数实际应用中，CFRP必须与金属框架连接，以形成在混合设计和制造过程中发挥重要作用的完整结构。

特别是，钛合金是少数与CFRP直接接触不会腐蚀的金属。此外，碳纤维和钛合金都具有较高的强度重量比和刚度重量比，碳纤维的强度和刚度与钛合金的强度和刚度匹配良好。因此，CFRP/Ti合金接头越来越多地用于各种各样的结构，如后机身、活动机翼和进气道。

值得注意的是，CFRP与金属的连接工艺是航空航天工业需要解决和发展的关键问题之一。此外，碳纤维板与金属的混合结构已广泛应用于汽车、船舶的交通工具上。一般来说，胶接、机械紧固（螺栓连接和铆接）、胶铆混合连接和焊接都适用于复合材料连接。

虽然机械紧固存在应力集中和重量增加的问题，但由于工艺简单、维护方便、对工作环境不敏感，机械紧固也得到了广泛的应用。例如，空客A350仍然使用铆接。一般来说，胶接具有优异的疲劳强度和耐腐蚀性，但连接材料的表面处理很仔细，胶接接头的固化时间很长，比如几天，并且胶接接头的强度对工作环境（如湿度、温度和油污染）很敏感。电阻焊、超声波焊、激光焊等都被用于复合材料连接，但应用范围有限。

1. 胶接

图1 超声波振动辅助粘接装置

2. 机械连接

复合材料的机械紧固在初始阶段有着广泛的应用。它包括两种类型：螺栓连接和铆钉连接（铆接），如图2所示。

图2 机械紧固模式 a)螺栓 b)铆接

连接对象需要通过机械加工（如钻孔等）形成一个孔，这将导致CFRP中的分层损伤和孔周围的应力集中，然后导致接头处的强度降低。

螺栓连接易于组装和拆卸，且具有良好的适航性认证，因此螺栓连接仍用于航空航天和飞机结构，尤其是重载结构。

此外，铆接过程容易实现自动化，铆接效率高，因此铆接也是一种重要的连接方法，在复合材料的连接中主要采用自攻铆接以及摩擦铆接方法。例如，在空客A350中，铆接工艺仍然是连接技术的重要组成部分。在CFRP和金属的机械紧固过程中，除钢螺栓/铆钉外，还使用钛合金或铝合金螺栓/铆钉。如果使用不同材料的螺栓/铆钉，CFRP-金属混合接头的失效模式会有所不同。在蠕变和环境影响下，复合金属接头也容易受到螺栓载荷损失的影响。

特别地，机械接头需要钻孔，密封性能低，对复合材料有一定损伤。之前提到过，胶接的接头强度对工作环境非常敏感，而且往往会瞬间失效，因此混合连接方法也得到了发展。因为螺栓连接接头可以增加机械连接的密封效果，并改善粘合的潜在弱点，因此螺栓连接与胶接混合值得进一步研究。混合连接方法已广泛应用于复合材料连接，包括复合材料连接和复合金属连接。

此外，需要提到一种新的连接方式——PIN连接，其示意图如图3所示。

图3 PIN连接

这是在纤维增强塑料复合材料和金属零件之间创建接头的另一种方法，需要在金属表面制作一组垂直伸出的销，通常采用金属注射成型制备，例如电子束熔炼成型和微加工成型，前者通常用于钛合金，后者的表面引脚是通过切屑去除产生的。

在针阵列准备好后，将其与复合材料集成。在接头制造过程中，将复合材料层放置在金属顶部，使其纤维围绕销排列，销贯穿整个厚度的织物层，纤维损伤很小，导致层压板与金属结构的机械联锁。这样就可以在固化复合材料上实现连接，而无需钻孔，也不会破坏纤维。研究表明CFRP金属接头的失效是由插入销的剪切和弯曲变形以及CFRP的微裂纹引起的。

3. 焊接

图4 激光焊接示意图及能量分布