1序言

纖維增強樹脂基復合材料具有比強度和比剛度高、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優點，廣泛應用于航空、航天、汽車和船舶等領域。

隨著軌道交通領域圍繞著“更快捷、更舒適、更環保、更安全”的主題發展，客運車體結構對新材料更加渴望，復合材料及其結構在軌道交通中的應用即將成為研究開發的熱點。

雖然復合材料整體成型技術已取得了一定的發展，但復合材料結構不可避免地要與各種零部件相連接，而復合材料結構件的破壞往往發生在連接處，因此復合材料的連接技術是復合材料應用中較為關鍵的組成部分。

目前，復合材料的連接方法主要有：傳統的機械連接、膠接連接、縫合連接、Z-pin連接（金屬或纖維增強復合材料細棒）和混合連接等。本文介紹了復合材料這幾種連接技術的工作原理、連接特點，并對這幾種連接技術的優缺點及使用領域進行了探析。

2脂基復合材料連接技術

2.1傳統機械連接技術

樹脂基復合材料的傳統機械連接技術包括螺栓連接、銷釘連接和鉚釘連接等連接方式，如圖1所示。機械連接的優點和缺點十分的突出，機械連接具有結構強度高、便于維修拆卸、抗沖擊性能好以及安全可靠等優點。存在因鉆孔引起應力集中、因連接件增加接頭重量、連接效率較低等缺點。

普通螺栓連接目前在復合材料連接中應用廣泛，其連接強度主要取決于材料鋪層、孔邊距、裝配方式和緊固件裝配方式等，國內外學者對鋪層設計、連接方式、螺栓裝配形式以及斷裂失效模擬等方面做了大量的工作，從而預測連接頭的載荷和最大失效應力等。

Mouring等發現金屬與復合材料連接時，采用制孔的機械連接可以增加接頭內聚力，改善接頭的載荷傳遞，同時可減少接頭承受拉伸載荷時的負載變形；何龍針對復合材料開孔周圍應力集中現象采用ANSYS軟件對具有不同強化結構的含孔層合板進行失效過程的數值模擬，認為孔邊強化層能有效提高含孔層合板的強度，且鋪層角選為0°較好，強化層與層合板失效關系緊密，宜選用高性能材料。

銷釘連接和抽芯鉚釘連接技術也比較成熟，通常使用鋁合金或者鈦合金鉚釘，其具有質量輕、降低釘孔纖維層破壞等特性。為保證結構疲勞壽命，鉚釘連接多采用孔壁強化的干涉配合，單釘連接不能滿足強度要求，需要多釘連接。

GRAY運用ABAQUS從釘一孔間隙、螺栓扭矩及摩擦等方面對復合材料單搭接情況下單釘、三釘連接載荷進行了分析；張紀奎[]對復合材料一鋁合金三釘單搭接進行了單向拉伸試驗，結合有限元模型研究了復合材料一金屬三釘單搭接釘載分布情況，并得出金屬板配合間隙變化對釘載分布影響很小。

2.2膠接連接

膠接連接是借助膠粘劑將不同的零件連接成不可拆卸的整體，是一種實用有效、方便快捷的連接工藝技術，已廣泛應用于復合材料連接中，連接形式包括平面形搭接、正交連接等，常見的膠接平面(b)銷釘連接圖1機械連接及連接件示意圖形搭接形式如圖2所示。

相比于機械連接，膠接連接具有耐疲勞、耐腐蝕、質量輕、絕緣性好，容易形成膠接成型一體化等優點，而且也不會因制孔導致應力集中。但也存在一些明顯的缺陷，如連接性能易受環境的影響。

OUDAD通過試驗、模擬分析指出復合材料膠接膠粘劑的吸水率對膠層耐久性、剛度、機械抗阻力的影響情況，浸泡時間對機械性質影響很大，并且膠粘劑的吸濕性與飛機結構膠接的修復效率和耐久性有直接關系。

膠接結構參數設計和膠接工藝是研究膠接連接的重點。膠接的結構參數有膠層厚度、膠接長度、材料輔層方式及應力分布等。

如針對膠接長度與板材厚度，梁祖典等提出采用Hashin準則和連續介質損傷力學的三維有限元模型，預測不同搭接長度和膠接件厚度的復合材料層合板單搭膠接接頭面內損傷演變過程。得出接頭的失效模式由膠層失效轉變為層合板失效，并且接頭強度與膠接長度和厚度在一定范圍內成正比，超過一定范圍趨于固定值。

同時，端部的應力集中和剝離應力最為嚴重，是失效的起始點。膠接工藝包括膠粘劑的選擇、表面處理方式、環境條件及接頭形式等。如喬海濤等通過試驗發現，表面處理劑SY－D15可以顯著提高膠粘劑在預浸料表面的滲透作用，從而使得膠接試驗的剪切強度和膠接體系剝離性能明顯提高。

2.3縫合連接

復合材料部件或者多層預浸料在固化前加以縫合連接可以有效防止板材的分層破壞，抵抗彎曲破壞，如圖3所示，通過縫合線連接板材，結合樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）或樹脂膜滲透成型（RFI）等工藝可形成一體化接頭結構。

焦亞男等研究了三維編織復合材料縫合連接的彎曲破壞和斷裂機制，發現經過縫合連接的板材在厚度方向具有更強的抗彎載荷及均勻的應力分布。

毛春見對縫合復合材料層板進行了低速沖擊后壓縮試驗，認為縫合層板比未縫合層板有更好的抗沖擊性能和沖擊后壓縮強度，縫合密度越大越好，縫合方向和層板鋪層方向也都有影響，特別是0°方向鋪層時提高效果明顯。

縫合連接能明顯提高層壓板的層間斷裂韌性和層間剪切強度，特別是在零件破壞后，縫合可以使碎片連接在一起，避免后續更危險的災難性破壞，有利于阻止損傷擴展。

縫合連接屬于輔助性連接，與RTM、RFI等工藝一起使用，最主要優點是采用真空袋固化，壓力較低，制造成本低，對于推廣使用復合材料非常有利。

2. 4 Z - Pin 連接

三維Z－Pin連接技術是在縫合連接的基礎上發展而來的，通過在預浸料中嵌人Z-Pin固化成型來達到三維方向上的增強，如圖4所示。Z-Pin的直徑一般在0.2mm~1.0mm之間，體分比一般在2%～5%左右，類型有金屬類和非金屬類。

向復合材料嵌Z-Pin采用整體嵌人式的較多，嵌入Z－Pin有兩種工藝方法，一種是熱壓罐法，另一種是美國Aztex公司提出的超聲植人法（ultrasonic allyassisted z-fibre，UAZ）如圖5所示，UAZ工藝使用方便、靈活，應用廣泛。

復合材料Z-pin連接的研究目前很多都是采用T型連接形式，KOH對復合材料T型Z-pin連接有較深人的研究，得到Z－pin體分比、加載角度、連接厚度、外凸緣厚度等因素與Z-pin連接的關系。

張濤濤等針對T300/508平紋機織復合材料層壓板建立Z-Pin的雙懸臂梁模型，模擬層壓板的I型裂紋擴展過程。結果表明，Z-Pin直徑與層壓板的等效I型應變能釋放率G1c和G1c隨裂紋擴展的波動幅度成正比。

而對于Z-Pin的體積分數和增強相長度對板材性能的影響方面，李吻等通過系列試驗對Z-Pin增強復合材料帽型加筋壁板連接處進行三點彎曲試驗，分析板件Z-Pin增強和失效機理。

發現Z-Pin體積分數為2.6%，Z-Pin長度為60mm時，Z-Pin增強帽型加筋壁板的抗彎強度最優。在厚度方向上植人Z-Pin可以提高層間韌性、抗沖擊性能、損傷容限等，配合膠接可以提高預浸料層壓板局部結構的強度。

Z-pin連接與縫合連接有許多共同特征，而且Z-pin連接設備成本低，可用于較小曲率半徑的區域，也能用于夾層結構提高抗壓塌和剪切能力；Z-pin連接可用材料較多，沒有電化學腐蝕和吸濕問題。其缺點是不能與RTM、RFI、VARI等預成型工藝一起使用。

2.5 混合連接

樹脂基復合材料的混合連接基于膠接與螺栓或者鉚釘連接，結合機械連接的負載優勢與膠接的輕質高強，通過合理的結構設計使各種連接優勢互補且相互關聯與協調，從而確保結構件具有無可替代的安全可靠優勢。

Chowdhury等采用有限元方法研究飛機薄板膠鉚混合連接的靜載強度和抗疲勞性，并考證緊固件排列、預緊力、膠層結合強度與固化程度對接頭強度的影響，發現仿真分析可以較好地模擬連接過程中的各因素作用，相對于單一的膠接，混合連接可阻止裂紋的擴展，具有較高的抗疲勞強度。

黃文俊等采用有限元模型，研究了層合板端頭翻邊、膠層厚度、膠層韌性以及接觸面摩擦系數等因素，對復合材料膠－螺混合連接結構在拉伸和損傷破壞過程的影響，并指出復合材料層合板端頭翻邊對混合連接結構具有增強作用，韌性膠層能夠提高結構的拉伸強度，螺釘桿與連接孔接觸面間摩擦系數能夠提高連接結構的拉伸強度。

根據膠層的固化情況，復合材料膠－螺混合連接一般有兩種制作工藝，馬毓通過試驗研究，得到兩種不同制作工藝對接頭傳力機理和承載力的影響關系，并進一步推導了承載力計算方法，分析了混合連接中膠接、螺栓連接各自的承載情況，提出一些優化膠－螺混合連接的依據。

單搭接接頭的連接效率較低，有時不能用于主承力結構，因此混合連接接頭常采用雙搭接形式。混合連接中膠層和螺釘都能夠傳遞一定的載荷，但膠層與多釘混合連接時復合材料結構的連接性能分析和計算存在較大困難，有待更深人的研究。

樹脂基復合材料混合連接比較復雜，但能夠傳遞更大的載荷、接頭密封性更好，對于結構的破損一安全性、接頭的安全裕度以及結構的修補都有很大提高，是今后復合材料連接技術發展的一種趨勢。

3各種連接形式的比較

綜上所述，對比以上幾種不同樹脂基復合材料連接技術，如表1所示。

從表1中可以看出：

（1）傳統機械連接法，能夠傳遞較大的載荷，連接技術比較成熟，使用廣泛，其綜合性能已被廣泛認可。

（2）膠接和多數混合連接都會使用膠粘劑，其連接接頭易受環境影響，雖然混合連接在膠接的基礎上有機械連接增加安全裕度，但各連接的協調變形、載荷分配比較復雜，有待探索更好的連接形式。膠接連接方式靈活多變，是較好的輔助連接方法，也能獨立承載，已被廣泛運用于各領域。

（3）縫合連接與Z-pin連接使用的連接材料、連接的方式有所不同，但它們的原理類似，都是較密集的貫穿厚度連接方式?？p合連接和Z-pin連接常作為輔助連接手段，提高連接的抗剝離應力，實用且技術比較成熟。

4結語

介紹了傳統機械連接、膠接、縫合連接、Z一pin連接、混合連接等樹脂基復合材料的連接技術，以及工作成型原理，并分析了它們的優、缺點及對樹脂基復合材料連接的適用性。

復合材料的連接質量與連接過程中各種制作工藝、相關影響因素有直接關系，選擇何種連接方式，需根據實際要求而定。當承載較大、可靠性要求較高時宜采用機械連接，某些情況下為提高安全裕度，可使用混合連接，或采用縫合連接、Z－pin連接進行輔助連接；當承受剝離載荷較小、環境較好時宜選擇膠接形式。樹脂基復合材料結構件通過優化設計連接結構使其最大的一體化，以實現連接部位穩定性與可靠性的統一。

未來復合材料連接方式采用機械連接、膠接為主，多種新型連接方式為輔的連接技術，在確保高強度的同時，實現結構一體化，以傳遞部件所需承受的更高載荷。同時，在了解復合材料連接構件的使用性能，分析復合材料連接結構的特點之后，合理選取復合材料的連接形式及其組合模式，可充分發揮不同連接形式的優點，從而使結構件達到最優強度。