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
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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
机械连接缺点
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
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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
胶接缺点
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
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混合连接优点
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
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碳纤维复材胶接工艺
自动胶接工艺设计原则
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
复合材料胶接胶粘剂选择：胶粘剂按应力-应变特性分为韧性及脆性两种，如图所示。
复合材料胶接胶粘剂选择：
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：
复合材料胶接搭接方式：
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
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
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
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
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
文章来源：华特碳纤
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排版 |李子珺
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