(学习资料)复合材料粘接方法
复合材料胶结技术
复合材料胶接技术的发展与应用我国低空领域的开放，为民用飞机提供了很大的发展空间，而研制新型高性能民用飞机也离不开复合材料和结构胶粘剂的使用，因此研制高性能耐久结构胶粘剂也是一种新的挑战。
本着“为减轻每一克质量而奋斗”的理念，越来越多的高性能轻质材料（复合材料）应用在飞机结构中，而胶粘剂也因为其结构轻、连接效率高等优点现在逐渐成为飞机设计制造中不可或缺的部分。
与各向同性的金属材料相比，各向异性的复合材料经过切割或机械加工时会受到严重损伤和弱化，其层间剪切变得更敏感。
因此，胶接比机械连接更广泛地应用于先进复合材料的连接设计中，特别对于单向的复合材料，不允许出现应力集中的现象，胶接为高载荷提供了有效方法。
在高性能的航空复合材料制件的制造过程中，复合材料预固化后对制件进行胶接装配通常是必要的，通常采用热固性胶膜对这些基材进行二次胶接。
复合材料修补通常也可属于胶接范围。
还有未固化的预浸料蒙皮采用胶膜与各种各样的蜂窝进行胶接，即共固化胶接。
结构胶粘剂1 结构胶粘剂的概念结构胶粘剂（简称结构胶），按ASTM的定义是能在预定时间内，在使用环境中能承受相当的力，并具有与被粘物相匹配的强度和耐久的使用寿命。
结构胶粘剂一般以热固性树脂为基料，以热塑性树脂或弹性体为增韧剂，配以固化剂等组成，有的还加有填料、溶剂、稀释剂、偶连剂、固化促进剂、抑制腐蚀剂和抗热氧化剂等。
结构胶粘剂的特点在于不论用于什么粘接部位，均能承受一定的应力，并具有较好的不均匀扯离强度和疲劳强度。
胶粘剂的粘接强度主要取决于胶粘剂本身的内聚力及胶粘剂与被粘接材料之间的粘附力。
2 结构胶粘剂的种类结构胶粘剂的品种繁多，从不同角度对胶粘剂有不同的分类。
胶粘剂可按形态分为膜状、带状、液状、糊状等；可按固化温度分为中温固化结构胶、高温固化结构胶和室温固化结构胶；也可按化学成分分为改性环氧、改性酚醛、聚酰氩胺等；还可按使用特性分为板- 板胶、面板胶、芯条胶、发泡胶等。
复合材料胶接、缝合连接设计研究(全文)
复合材料胶接、缝合连接设计研究XX：1671-7597（20XX）17-0117-011 概述根据复合材料的自身特点及其破坏的机理，存复合材料连接中，胶接、缝合连接、混合连接已被广泛的运用。
合理的胶接、缝合连接、混合连接设计，不但能够满足使用要求，减轻结构重量，提高可靠性，还可以延长结构的使用寿命。
本文针对复合材料的胶接、缝合连接、混合连接方法进行探讨。
2 胶接连接胶接连接是借助胶粘剂将复合材料、金属材料零件连接成不可拆卸整体的连接方法。
2.1 胶接连接优点1）胶接连接受力均衡，接触为面接触，承载能力强，不同于机械连接的点接触。
2）没有钻孔引起的应力集中和分层，连接可靠性好，结构重量轻。
3）胶接连接能获得光滑的气动外形，外形美观。
4）抗疲劳性、密封性、减振性能好。
5）不同材料连接时，有隔离的作用，无电偶腐蚀问题，相容性好。
6）有阻止裂纹扩展的作用。
2.2 胶接连接缺点1）胶接的质量操纵比较困难。
2）胶接强度分散性大，剥离强度低。
3）胶接的工艺要求严格。
4）胶接性能受湿热效应、介质等环境的因素影响大，胶粘剂存在老化的问题。
5）如果需要加温加压就需要专门的设备，成本高。
2.3 胶接连接参数胶接连接主要参数包括胶接件的厚度t、胶层厚度h、胶接件的搭接长度L等（见图1数值为本文推举）。
1）胶接件的厚度t。
胶接件的厚度由其所传递载荷P的大小确定。
图1 胶接连接的参数图2 缝合连接的参数2）胶层厚度h。
胶层厚度h对连接强度有很大影响，增加胶层厚度，可减少应力集中，提高连接强度。
胶层厚度过厚，会产生胶层厚度偏差、气孔等缺陷；胶层厚度过薄，不能满足连接强度的要求。
因此，胶层厚度一般取0.1～0.4 mm。
胶接件的搭接长度L。
胶接件的搭接长度与胶接件的厚度（载荷p的大小）有关，因此，胶接件的搭接长度应尽可能的大，来满足连接的可靠性要求。
胶接件的搭接长度L≥8 mm。
3 缝合连接缝合连接是借助缝合线将复合材料连接在一起，经过固化使缝合线与复合材料成为不可拆卸的整体的连接方法。
复合材料胶接修补铝合金裂纹的工艺流程
复合材料胶接修补铝合金裂纹的工艺流程复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，具有良好的强度、刚性和耐磨性等特点，被广泛应用在航空航天、汽车制造、建筑等领域。
而铝合金是一种常用的工程材料，具有优良的导热性和加工性能，但在使用过程中往往会出现裂纹等损伤，需要进行修补。
本文将介绍复合材料胶接修补铝合金裂纹的工艺流程，以及具体步骤和注意事项。
第一步：材料准备在进行修补工作之前，首先需要准备好所需的材料和工具。
对于复合材料胶接修补工艺来说，我们需要准备好以下材料和工具：复合材料补片、环氧树脂胶水、硬化剂、玻璃纤维布、修补刀、打磨机、清洁剂和化学溶剂等。
第二步：表面处理在进行修补之前，需要对铝合金表面进行处理，以确保复合材料能够牢固地粘接在其上。
首先，利用打磨机对裂纹部位进行打磨，去除铝合金表面的氧化层和污垢，使其表面变得光滑。
然后，利用清洁剂和化学溶剂对铝合金表面进行清洁，去除表面的油污和杂质，确保表面无尘无油。
第三步：制备复合材料补片在进行修补之前，需要根据裂纹的形状和大小，制备相应的复合材料补片。
一般情况下，可以使用玻璃纤维布和环氧树脂混合而成的复合材料，将其切割成合适的形状和大小，以便进行修补。
第四步：胶水涂布将环氧树脂胶水和硬化剂按照一定的比例混合均匀，然后涂布在铝合金表面和复合材料补片上。
在涂布的过程中，需要确保胶水均匀地覆盖在整个表面，并且避免出现气泡和空隙。
第五步：粘接复合材料补片将涂有胶水的复合材料补片贴合到铝合金表面上，根据裂纹的形状和大小进行适当的压实，以确保复合材料和铝合金能够牢固地粘接在一起。
在粘接的过程中，需要注意避免出现胶水挤出和边角空隙，以确保粘接质量。
第六步：固化在完成粘接后，需要将修补部位进行固化处理，使胶水能够充分固化并达到设计强度。
一般情况下，可以将修补部位放置在室温下进行固化，或者利用加热设备进行加热固化，以加快固化速度。
第七步：表面处理在胶水固化完成后，需要对修补部位进行表面处理，以达到平整光滑的效果。
复合材料的连接讲解学习
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分层的存在 将造成复合 材料层合板 结构强度和 刚度的降低, 使其性能得 不到充分的 发挥。
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因此,如何抑制 复合材料层合 板的分层损伤, 提高其层间强 度和抗分层、 抗冲击的能力 是使用复合材 料层合板时所 必须解决的问 题
B 技术原理
其原理是通过缝合手段,使复合材料在 垂直于铺层平面的方向得到增强,从而 提高材料层间损伤容限
为了提高胶－铆接头的强度，最好在 胶粘剂固化后再进行复合材料构件的铆 接；而在胶层未固化时铆接，应当分阶 段对胶层施加所需压力，以减少胶铆接 头连接强度的下降。
连接方法 优选原则
一、当承载较大，可靠性 要求较高时，宜采用机械连接
二、当承载较小、构件较薄、 环境条件 不十分恶劣时，
宜采用胶接连接
三、在某些特殊情况下， 为提高结构的破损 －安全 特性时，可采用混合连接
胶接 表面处理方法
物理机械方法：砂纸打磨和喷砂 化学方法：溶剂清洗与脱脂，铬硫酸浸
蚀，阳极氧化处理和溶胶凝方法等，其 中阳极氧化处理是一种较好的方法
固化方法
方法有：室温固化、加热固化、辐射固 化、微波固化、高频固化等
以下对部分固化方法进行阐述： 加热固化：分为中温固化（120度左右）和
高温固化（150度以上） 优点：固化速度快，强度高，耐老化 需要的设备：如热压罐，电烘箱，硫化
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缝合对原有纤维分布没有大的影响,而通过调整 缝合参数如缝合密度、缝合花样和跨距可获得一定 程度的整体结构,达到合理的均匀应力状态。
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缝合可用于局部增强,尤其对自由边的缝合可 大大降低层间垂直应力,减少自由边脱层。
D 缝合参数
1
缝线类型
2
复合材料粘接结构弱粘接试件的制备方法
【 ｂ ） 固化温度 １ １ ０ ℃
化 温度来 控制粘 接强 度 的工 艺方法 是有 效 的。
２ 复合协 ｝ 占 崮 鞠锦
脯
撇
采用 相 同的胶 粘剂 在 同样 固化 温 度 条件 下 ， 制 备 了三组 复合 材 料 粘 接试 样 。复 合 材 料 粘 接 试 样 的结构 为 ： 上 层 材料 为 正 交 玻 璃纤 维 复 合 材 料 ， 下 层 材料 为丁腈 橡 胶 ， 中 间胶 粘剂 同上 。其 中 留 出一 块 宽度为 ６ ０ ｍｍ的区域不涂胶 ， 目的是为 了便 于后续
测定 （ 刚 性材 料对 刚 性材 料 ） 》（ Ｇ Ｂ ／ Ｔ ７ １ ２ ４ — ２ ０ ０ ８ ） 。其结 构示 意 图如 图 １所示 。
胶层
／ 士 口
现气孔 、 分层、 脱粘以及强度弱化等缺陷 ， 会导致结构 强度和刚度显著 降低¨ 。这些 缺陷对粘接结构的
可靠性造 成严 重影 响 ， 甚 至会 引 起重 大安 全 事 件 ｊ 。 为 了提高 粘接结构 的性能 ， 大量 复合材 料被使 用到其
结构中。由于复合材料的复杂结构， 使得对其的检测
明显 困难 。为 了确保 其粘接结构 的可 靠性 ， 对 界面粘
接质量的检测就显得非常必要 Ｊ 。 要研究某型缺 陷的检测方法 ， 就需要制备相对
应 的试件 作为 检测 对 象 ， 从 而验 证 检 测 方 法 的正 确
性 。对模拟孔洞、 分层 、 脱粘 等缺陷 的试 件制作相
最高 。总体 上 看 ， 随 着 固化 温 度 的升 高 ， 平 均 剪 切 强 度有升 高 的趋 势 。若 以 １ ３ ５℃时 的剪切 强度 为标
ｍ ｍ
准， 则９ ０℃和 １ １ ０℃ 时对应 的剪切强 度分 别为标 准
5_复合材料连接
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5.1.2 接头效率
在金属构件受拉剪的机械连接中，用下式表示连 接的接头效率：
(5-1)
式中：
上式表明，接头效率是有连接孔构件能承受的最 大载荷与无孔构件能承受的最大载荷之比。
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5.1.2 接头效率
(5-12)
最大剪应力发生在
处：
(5-14)
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5.2.1 胶接连接接头的分析
则无量纲的剪应力为：
而无量纲化的最大剪应力为：
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(5-15) (5-16)
(5-17)
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5.2.1 胶接连接接头的分析
由以上分析可知，接头端部的内力和剪应力最大， 故破坏最容易在这里发生。
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5.3.2 机械连接设计
A 机械连接设计原则
1) 在适当选择边距和端距的条件下，主要应满足挤压 强度和拉脱强度的要求；
2) 尽量不采用过盈配合，即使在过盈配合时也应该使 过盈量很小；
3) 连接接头的质量要轻。
B 连接形式的选择
机械连接的主要形式由上图给出，单搭接(a)和单盖板(d)都 会产生附加弯矩，双盖板对接(e)能够避免附加弯矩，变厚 度或变宽度连接形式在多拍紧固件连接时可以减缓边缘紧 固件上的过大载荷。选择机械连接形式需根据载荷的大小 与方向、结构的安排与要求等因素来考虑。
(5-4)
根据假设2和3，胶层的剪切应力-应变关系为：
(5-5)
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5.2.1 胶接连接接头的分析
(5-6)
利用式(5-4)(5-5)(5-6)可得接头内力的控制方程：
11.第十一次课——复合材料连接+复合材料结构设计基础(原耿)
1I f v f m vm
1 f v f m (1 v f )
考虑到实际复合材料中存在孔隙、裂纹、损伤、缺陷、残余应 力、界面结合不完善以及纤维微观屈曲等因素，加入修正系数K1
1 K1[ f v f m (1 v f )]
对于玻璃纤维/环氧树脂复合材料，K1取0.95-1
被胶接件拉伸 （或拉弯）破坏
被胶接件剥离破坏
胶层的剪切破坏
胶层剥离破坏
5.2 胶接连接设计
5.2.1胶接连接的破坏形式 除以上三种破坏形式之外，还会发生组合破坏，胶接 连接的破坏形式与以下因素有关： 连接形式 近邻胶层的纤维方向
载荷性质
连接几何参数
被胶接件 的厚度
5.2 胶接连接设计
5.2.1胶接连接的破坏形式
胶螺连接
胶铆连接
5.1 复合材料连接特点 混合连接的优缺点
优点：可提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能； 缺点：存在孔应力集中带来的不利影响，增加重量和成本 混合连接仅在某些特定情况下才使用，并且需要选用 韧性胶黏剂，提高紧固件与孔的配合精度，以使胶接变形 与机械连接变形相协调，避免剪切破坏。
4.3 单向连续纤维复合材料弹性常数的预测
4.3.4 组合模型的弹性常数
整个模型由中间增强层I和表面基体层II组成，由基体薄片和纤维薄 片组成的增强层在横向呈串联形式. 整个复合材料单层由 表面层和增强层以并 联形式组合而成，在 增强层内部横向的基 体薄片和纤维薄片为 串联形式。
表面层
增强层
表面层
4.3 单向连续纤维复合材料弹性常数的预测
4.3.4 组合模型的弹性常数
1 纵向弹性模量E1
E1 E f 1v f Em (1 v f )
复合材料连接技术
复合材料连接技术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。
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。