【设计师建议收藏】复合材料胶接接头领域综述引领未来设计和材料创新！

10月前浏览12930

一、【研究背景】

随着能源保护和减排的不断迫切需求，轻量化结构设计在汽车、航空、铁路和海军工业中的应用变得愈发重要。粘接接头（Adhesively Bonded Joints, ABJs）作为结构轻量化的关键技术之一，因其在连接功能组件方面的高效性备受关注。

图1. 力学性能各异的胶粘剂产品

其技术主要通过灵活地连接各种功能组件，实现复合材料的有效轻量化，相较于传统的焊接、铆接和螺栓连接方法，其具有独特的特点。首先，粘接接头能够在无需机械加工和损坏接合基板的情况下，有效地连接具有相似或不同材料的基板，尤其对于轻量化的复合材料和薄壁结构具有显著优势。其次，粘接材料的模量通常明显低于基板，这在没有某些刚度值极低的复合材料的情况下，显著影响了ABJ结构系统的材料和力学特性。此外，剪切被认为是基板和粘接材料之间主要的能量传递方式，而剥离应力在薄壁结构中可能由于弯曲变形而较高。然而，粘接接头也面临一系列问题，例如剪切和剥离应力集中在粘接边缘，容易引起裂缝；由于ABJs边缘附近存在应力奇异性，精确的应力分析可能面临数值困难，传统的基于应力的强度准则难以准确预测ABJ的失效。

面对这一挑战，科学家们进行了大量的研究工作，以探索粘接接头在各种工况下的力学行为、损伤特性和性能退化机制。近期，湖南大学孙光永教授团队在前期研究的基础上，致力于胶接接头领域的最新研究，并成功在复合材料领域的顶级期刊《Composites Part B: Engineering》上发表了题为《Adhesively bonded joints – A review on design, manufacturing, experiments, modeling and challenges》的综述论文。该篇综述不仅全面总结了胶接接头领域近年来的研究进展，而且在复合材料研究领域具有重要的学术价值。

综述论文的重点内容包括对2016年至2023年间公开报道的胶接接头研究工作的详细讨论，囊括了接头构型设计、胶接材料、制造技术、增强增韧机理和损伤检测等方面的重要进展。论文共分为八个部分，总字数达四万余字，引用参考文献接近五百篇。具体而言，综述涵盖了胶接接头的构型设计、制造工艺、增韧技术与缺陷检测、在各类工况下的力学性能表征、理论与数值研究的发展、设计参数对力学性能的影响、优化设计方法以及实际工程应用展示等方面。欢迎大家收藏！

图2. 复合材料胶接接头综述的框架。

二、【研究内容】

2.1 粘接接头（ABJs）的制造过程

在探讨粘接接头（ABJs）的制造过程时，本章将涵盖多个关键方面，从接头配置和故障模式到材料和制造过程参数的影响，以及性能增强和缺陷检测等内容。

首先，本文深入研究了ABJs的接头配置和故障模式。了解不同的接头配置是实现有效连接的基础，而对故障模式的理解有助于识别并解决潜在问题（见图3）。

图3. 胶接接头的常见结构形式。

再次基础上，综述了不同材料对于粘结剂的选择和使用，从而用特定的材料选择来实现复合材料之间更可靠的连接（图4）。

图4. 胶接接头的常见材料类型。

为了满足不同应用场景对胶接接头强度的需求，当前主要通过加工制造技术和结构设计两方面进行改进。在加工制造技术方面，采用表面处理、增材制造、纳米添加物和超声振动辅助粘接技术等手段来提高接头的性能。而在结构设计方面，通过构型优化、混合接头等方式来实现改进。图5展示了目前常用的表面处理技术。

图5. 适用于胶接接头基板的表面处理技术

增材制造技术（AM）的进步为接头强化设计带来了新的思路。AM工艺的高灵活性为设计复杂的连接结构提供了新的手段，并且其与胶粘连接技术的结合可以弥补AM技术自身的一些限制。文中总结了基于AM工艺的胶接接头强化设计方法，具体内容见图6。

图6. 基于增材制造技术的胶接接头强化设计：（a）提高搭接区粗糙度，增加粘接面积；（b）以熔融丝材作为胶粘剂；（c）以熔融丝材作为胶粘剂与基板；（d）可自由设计搭接区表面的增材制造基板；（e）具有非线性接触面的增材制造基板

为确保胶接接头在制备过程中的结构完整性和粘接质量，需推动相关缺陷探测技术的发展。胶接接头主要存在两类缺陷：粘接层的破坏和粘接界面的弱粘接强度。图7展示了不同缺陷形式及相应的缺陷探测方法。

图7. 胶接接头缺陷形式、检测设备与技术：（a）薄弱粘接缺陷；（b）电时域反射；（c）压电换能器；（d）零应变点监测；（e）非接触式激光超声；（f）脉冲相位热成像

2.2 实验过程

通过对胶接接头进行试验研究，不仅能够评估其粘接强度，还可对粘接技术、表面处理、表面腐蚀、胶粘剂涂层、胶粘剂厚度和固化情况等工艺参数进行评估。如图8总结了胶接接头试验研究中的测试标准、典型服役环境工况及先进的原位监测技术。

图8 胶接接头试验研究的测试标准、载荷环境工况及原位监测技术

如图9总结了胶接接头力学性能表征所用的夹具，通过力学设备和实验性质的分析，我们能够更好地了解ABJs在不同力学加载下的耐久性和可靠性。

图9. 胶接接头力学性能表征所用的夹具：（a）对接接头拉伸测试；（b）搭接接头拉伸测试；（c）劈裂测试；（d）T型剥离测试；（e）滚筒剥离测试

此外，本文总结了胶接接头弯曲特性的研究。这些技术提供了胶接接头在弯曲力学加载下的表征性能的手段，有助于检测潜在问题并及时采取纠正措施。

图10. 展示了对接头弯曲特性的研究：(a) 固定支撑边界条件的夹具示意图；(b) 实验研究

最后，由于原位监测对于在接近真实加载条件下进行分析至关重要；一些常见的技术如图11所示。其中，数字图像相关（DIC）、红外摄像机和声发射（AE）经常被用于接头系统的结构健康监测。

图11. 原位监测技术，可以在加载过程中检查接头的表面或内部状态：(a) 测试平台，数字图像相关（DIC）的示例结果和原理；(b) 热耗散监测的示意图和样本结果；(c) 声发射（AE）的示意图。

2.3 理论分析

理论分析是深入理解粘接接头（ABJs）行为的关键环节。首先，本章深入研究分析方法，其中包括粘附理论、应力分析以及胶粘剂的塑性变形和内聚破坏。粘附理论的研究有助于理解ABJs的基本原理，而应力分析则提供了在不同加载条件下ABJs行为的详细洞察。此外，对胶粘剂的塑性变形和内聚破坏的深入研究有助于预测和理解ABJs在实际应用中的性能。其次，讨论了粘接接头失效标准和强度预测。这包括基于应力的标准和基于断裂力学的标准，这两者都是用于预测ABJs失效的重要工具，有助于在设计中考虑失效预测（见图12）。

图12. 粘接区模型：(a) 裂纹尖端及其相应的粘结牵引力和分离位移；(b) 具有粘接区模型的I型、II型和混合III型的典型三线牵引-分离力律。

最后，作者综述了相关的数值方法，包括凝聚区模型、VCCT和XFEM。通过这一章节的理论分析，读者将深入了解ABJs的行为机制，为设计和制造提供理论指导。不仅如此，对不同理论方法的综合研究将使我们能够更全面地评估ABJs的性能，为实际工程应用提供可靠的理论支持。

2.4 参数研究

在粘接接头（ABJ）的参数研究中，作者综述了解了搭接长度、厚度、材料厚度对ABJs性能的影响（见图14），并且整理了对接接头的有限元模型和加载/边界条件，这有助于仿真工程师分析和解决问题。

图13. 对接接头的有限元模型和加载/边界条件。加载夹具通常被视为刚体；胶粘层通过粘结元进行模拟

鉴于此，通过研究基体材料对ABJs性能的影响，我们可以更好地了解不同材料组合下接头的性能表现。通过对这些参数的全面研究，我们将能够确定最佳的设计参数组合，以满足特定工程应用中ABJs的性能需求。这有助于优化制造过程，提高连接件的可靠性和耐久性（见图13）。

图14. 对胶接接头力学性能具有重要影响的设计参数

2.5 设计优化

设计优化是确保粘接接头（ABJs）性能最佳的关键环节。基于以上研究，作者提出了胶接接头的综合优化设计流程（见图15）：在材料层面，通过结合仿真计算和优化设计方法，反求识别胶接接头的胶层和基体材料参数；在结构层面，采用尺寸优化和形状优化方法来提高胶接接头的力学性能。通过精心的设计优化，我们能够提高ABJs的强度、刚度和耐久性，从而更好地满足不同工程应用的需求。

图15. 胶接接头的总体优化设计流程

2.6 多重应用方向

在工程应用领域，针对粘接接头（ABJs）的多重应用方向，作者综述了接头在不同领域的应用。首先，ABJs在承载结构连接中的应用展现出其在汽车、飞机、铁路和船舶等领域中的关键作用，为提高结构性能和耐久性提供了有效手段（见图16）。

图16. 胶接接头的典型承载性应用案例

其次，作者关注了ABJs在非承载结构连接中的广泛应用，涵盖了轻量结构中面板、覆盖件和隔热层等的连接，体现了其在轻量化设计中的不可替代性（见图17）。

图17. 胶接接头的典型非承载性应用案例

此外，研究者深入研究了ABJs在结构修复领域的应用，通过胶接连接修复受损结构，延长了其使用寿命，为维护和保养提供了高效工具（见图18）。

图18. 胶粘剂的功能应用：(a) 防火胶粘剂，用于防止火灾、烟雾和有毒气体的蔓延；(b) 防水胶粘剂，用于游轮甲板和浴室门框；(c) 螺纹紧固胶粘剂，防止螺栓由于疲劳和老化而松动；(d) 封装胶粘剂，用于电路板；(e) 可重复使用的压敏胶粘剂，通常用于家居产品

最后，作者探讨了ABJs在生物医学修复中的潜在应用，包括人体组织修复、植入物连接和医疗器械制造等，展现了其在促进医学进步和改善生命质量方面的前景（见图19）。

图19. 生物医学应用中的胶粘修复：(a) 使用胶粘剂停止心脏出血区域；(b) 用于修复人类冈上肌腱撕裂的双行缝桥技术，减少应力集中；(c) 体外操作利用HPC水凝胶修复原位软骨缺损：凝胶前体注射 (i)、光照射 (ii)、修复的软骨缺损 (iii)；(d) 注射基质胶粘剂覆盖血孔并在10秒内止血；(e) 用两部分生物材料系统修复环状缺陷的工作流程

三、【研究展望】

论文最后展望了胶接接头领域内具有前景的研究方向，包括：更加贴近运载工具实际速度的接头高应变率研究、多轴疲劳等复杂应力状态下的接头寿命及损伤容限研究设计及复杂恶劣环境条件（例如温度、湿度、光照及其耦合）的胶接接头性能研究、胶接接头组分材料本构参数获取方法、高精度有限元模型的开发及先进优化设计方法研究，以及环境友好型胶粘剂的研发与应用。

因此，胶接接头发展趋势包括从简单静态测试到复杂动态测试、从简单应力状态到循环加载下的复杂应力状态、从单一测试环境到多场耦合环境的考虑。失效机制研究逐渐转向机械性能的修改。数值模型需进一步发展以考虑动态和环境特性。环保胶粘剂将成为未来主流，要求综合解决方案。这为未来研究和开发提出紧迫性和新的要求。

原文详情：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111225

注：整理不易，有错误敬请批评指正，多多讨论！~

环保3D打印材料：科学家成功改良纳米纤维素纤维/聚乳酸复合材料，提升机械性能助力可持续制造！

一、【科学背景】3D打印技术在迅速塑造复杂结构方面具有优势，并在工业4.0时代崛起为一项颠覆性创新。由于其简单的成形原理，熔融沉积建模（FDM）技术已成为最广泛使用的3D打印技术之一。在医疗行业中，FDM技术可用于制造个性化药物、复杂的生物医学设备、假肢、器官和外科工具。因此，研究现有的FDM打印材料体系是必要的，以开发满足这些领域性能需求的合适材料。聚乳酸（PLA）是3D打印中常用的聚合物材料，具有环保、可再生、生物相容和可生物降解的优点。这些特性与医疗和其他行业的要求相符，展示了广泛的应用潜力。然而，与传统金属材料相比，PLA材料或结构在机械性能方面存在明显的限制。纤维素广泛存在于木材、竹子和其他生物质材料中，是生物质中最丰富和可再生的天然有机聚合物。纤维素纳米纤维（CNFs）具有大的比表面积、优异的机械性能、高结晶度和低密度。由于其与PLA环保、可再生和生物相容特性的兼容性，CNF通常被用作PLA复合材料中的增强材料。然而，由于CNFs易于聚集且由于其表面上的羟基团较多而与疏水性的PLA亲和力较差，因此CNFs往往难以分散。因此，通常采用硅化、脲化、酰胺化和醋化等各种修改方法来增强CNFs与基体之间的界面粘结，并提高CNFs的分散性。在制备复合材料时，氯仿通常用于溶剂铸造。然而，上述的修改和制备方法需要大量的化学试剂，其中一些对人类健康和环境有害，并且还存在其他诸如长时间制备周期等的限制。因此，有必要开发一种环保高效的制备复合材料的方法。为解决该难题，同济大学学者采用高压均质法制备了CNFs，同时采用低温粉碎法获得微米级PLA粉末，其研究发现，布里甘复合材料的能量吸收水平超过了具有单向微纤维排列的复合材料。此外，采用KH-550和PEG400在水溶液中对CNFs进行了改性，以进一步提高CNFs在PLA基体中的分散性以及复合材料中两个组分之间的界面相互作用。最后，将这种得到的悬浮液与PLA粉末在水溶液中混合，经过过滤和干燥制得混合粉末。通过双螺杆挤出工艺制备了用于3D打印的复合丝材。使用FDM打印机验证了材料体系的可打印性。这些制备细节对材料微观结构设计，其用于航空航天、交通运输和国防等领域的工程复合材料具有很好的前景。这项研究近日发表在CompositesCommunications期刊上，引起了不小的关注。二、【科学贡献】在这项研究中，采用了一种环保的方法来制备CNF/PLA复合材料。通过将CNF水悬浮液与微米级PLA粉末混合，然后进行自然风干处理，获得了CNF/PLA复合物。这种方法显著减少了对化学试剂的使用，并缩短了加工时间。为了增强CNFs在PLA中的分散性以及CNFs与PLA之间的界面相互作用，采用了表面改性剂，包括KH550和PEG400。流变性测试结果表明，引入改性的CNF有效提高了流动性，有利于复合材料的3D打印。此外，与纯PLA相比，3D打印的CNF-g/PLA复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别增加了7%和45%，这是由于改性CNFs的分散性和界面粘结得到了增强。图1.3D打印的CNF/PLA复合材料制备过程的示意图：(a)CNFs的高压均质处理，(b)通过低温粉碎法制备PLA粉末，(c)CNFs的表面改性机理，(d)改性CNF/PLA复合粉末的制备，以及(e)CNF/PLA丝材的制造和3D打印。图2展示了纤维素纤维的形态学，说明通过高压均质处理从微米纤维素中成功生产了直径约为50纳米的纳米纤维素纤维（简称CNFs）。并通过表面改性的方式将粉体在CNF/PLA悬浮液干燥处理后，成功地在微米级PLA粉末表面沉积和包裹了一层薄的CNF网络。如图2(k和l)所示，经过硅烷和PEG400表面处理后，CNF纳米晶须的大小和分散性得到了显著改善。这主要归因于PEG400引起的交联作用，有助于减缓CNFs的氢键相互作用并防止CNF在干燥过程中的纤维角化。此外，硅烷处理极大地改善了CNF与PLA之间的界面粘结，这与未经修改的CNF/PLA复合材料有明显不同。图2.表面形貌图：(a)MCFs，(b)CNFs，(c)PLA颗粒，(d)PLA粉末，以及(e,f)CNF-g包覆的PLA。截面形貌图：(g,h)纯PLA，(i,j)1%CNF/PLA丝材，以及(k,l)1%CNF-g/PLA丝材在不同放大倍数下的图像。PLA和CNF/PLA复合材料的流变性质如图3所示。结果表明，添加未经改性的CNFs显著增加了PLA的黏度，这主要是由于未经改性的CNFs形成大的聚集体并产生增稠效应。然而，硅烷和PEG400的表面改性显著降低了纳米复合材料的黏度。当添加少量的CNFs（0.25wt%）时，黏度甚至低于纯PLA。当CNFs的含量增加到1wt%时，黏度略有增加。这主要归因于CNFs的增稠效应和PEG提供的润滑作用。当CNF含量较低时，表面改性剂PEG的润滑效果占主导地位，而当CNF含量较高时，CNFs的增稠效应更加显著。因此，添加润滑剂（例如PEG400）可以提高CNF/PLA复合材料的流动性，使其更有利于FDM3D打印。图3.PLA和CNF/PLA丝材的流变性测试曲线。图4(a)展示了3D打印的PLA和CNF/PLA复合材料的拉伸强度。显然，添加0.25wt%未经改性的CNFs会使PLA的拉伸强度略微增加。然而，随着CNF含量的增加，CNF/PLA复合材料的拉伸强度逐渐下降。这可以归因于两个主要因素：CNFs与PLA之间界面粘结不佳以及在更高含量下CNF聚集问题更为显著。图2(i和j)显示了存在大量聚集的CNF纳米晶须。此外，在CNF聚集和PLA基体之间存在明显的分层，证实了在缺乏表面改性的情况下界面粘结不足。图4.(a)3D打印的CNF/PLA复合材料的拉伸强度和(b)拉伸模量。图4(b)描述了3D打印的CNF/PLA复合材料的拉伸模量。无论是否进行表面改性，添加CNFs都显著提高了PLA树脂的拉伸模量。对于未经改性的组别，在CNF含量为0.5wt%时，复合材料的模量增强最为显著，约为34%。这表明，添加未经改性的CNF聚集体也会产生显著的增强效应，这是由于CNFs的优异机械性能。此外，由CNFs引起的PLA更高结晶度也是模量增加的原因。通过改性，CNF/PLA复合材料的拉伸模量进一步提高。在CNF含量为0.25wt%时，相对于纯PLA，由于改性CNFs的分散性和界面粘结的提高，其模量增加了45%。三、【创新点】本研究的核心创新点在于采用环保方法制备了纳米纤维素纤维/聚乳酸（CNF/PLA）复合材料，通过表面改性有效提高了CNF在PLA基体中的分散性和界面粘结，进而优化了3D打印制品的机械性能。四、【科学启迪】这项研究以环保的方式成功制备了纳米纤维素纤维/聚乳酸（CNF/PLA）复合材料，为改进3D打印技术的可持续性和性能提供了科学启示。通过使用高压均质处理技术制备CNFs，研究团队成功将这些纳米纤维素纤维与微米级PLA粉末混合，采用表面改性方法改善了它们在PLA基体中的分散性和粘结性。研究表明，未经改性的CNFs加入后，其聚集显著增加PLA的黏度，而表面改性则显著减小了纳米复合材料的黏度，这对于3D打印过程中的流动性至关重要。通过添加少量的改性CNFs，不仅提高了复合材料的流动性，而且在3D打印后使制品的拉伸强度得到显著提高。此外，通过改性进一步改善了材料的拉伸模量，使其更适合用于需要高强度和高刚性的应用。研究结果强调了环保制备CNF/PLA复合材料的可行性，并证明了表面改性在增强材料性能方面的关键作用。这对于推动可持续发展的材料科学和提高3D打印制品的质量和性能具有启示作用。这项研究为将环保和高性能结合在一起，推动3D打印技术在制造业中的应用迈出了重要一步。原文详情：ZhongsenZhang,WenzhaoWang,YanLi,KunkunFu,XingruiTong,BingyanCao,BiqiongChen,3Dprintingofcellulosenanofiber/polylacticacidcompositesviaanefficientdispersionmethod,CompositesCommunications,https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101731。

有附件