复合材料的连接
材复合材料连接结构的创新
材复合材料连接结构的创新1.引言概述部分的内容可以写成以下形式：1.1 概述随着科技的不断进步和工业的不断发展，材料科学领域也在不断创新与进步。
传统的材料连接结构在某些特定应用中表现出一些不足之处，因此，有必要对材料连接结构进行创新。
本文旨在探讨材复合材料连接结构的创新，以改善其力学性能和可靠性。
复合材料是由两种或两种以上的材料组成的材料，具有良好的力学性能和轻质化的特点。
然而，复合材料的连接结构在一些特殊环境下可能出现疲劳、蠕变和裂纹扩展等问题，从而影响其使用寿命和安全性。
因此，我们需要通过创新的连接结构来解决这些问题。
本文将重点介绍几种创新的连接结构，包括机械连接、化学连接和热固化连接。
机械连接是指通过螺纹、嵌入结构或夹持等方式实现连接，具有强度高、可靠性好的特点。
化学连接适用于需要在连接时进行化学反应的场合，可以提高连接的稳定性和耐久性。
热固化连接是指通过热固性树脂或粘合剂将复合材料的不同部分连接起来，具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
此外，本文还将探讨一些新兴的连接技术，如纳米粘接技术和3D打印技术。
纳米粘接技术可以在微观尺度上实现粘接，提高材料连接的界面强度和可靠性。
3D打印技术可以实现复杂形状的连接结构，为材料连接的设计和制造提供更多的可能性。
总之，通过创新的连接结构，可以提高复合材料的力学性能和可靠性，进一步推动材料科学领域的发展。
本文将深入探讨不同类型的创新连接结构，并展望其在未来的应用前景。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下所示：2. 文章结构本文将围绕材复合材料连接结构的创新展开探讨。
具体而言，文章结构如下：2.1 第一个要点在本部分，将介绍现有材复合材料连接结构的基本概念和常见问题。
首先，我们将回顾材复合材料连接结构的定义和分类，并介绍常见的连接方法和技术。
其次，我们将讨论目前存在的一些问题，如连接强度不足、连接界面的失效以及连接过程中的应力集中等。
2.2 第二个要点在本部分，我们将深入探讨材复合材料连接结构的创新方法和新技术。
复合材料的连接技术
复合材料的连接技术复合材料是由两种或多种不同材料按规定方式组合而成的新材料。
由于复合材料具有结构轻、强度高、刚性好、耐热耐腐蚀等特点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑等领域。
而连接技术在复合材料的制造和应用中起着至关重要的作用。
一、面板接头技术面板接头技术是将两块或多块面板连接在一起的一种常见连接技术。
常用的面板接头技术包括胶接、机械连接和固化连接。
1.胶接技术胶接是一种常用的连接技术，通过胶粘剂将两个或多个面板连接在一起。
胶接技术适用于连接不同材料的复合材料，可以提供良好的强度和刚度。
常用的胶粘剂有环氧树脂、聚酰亚胺、丙烯酸酯等。
胶接的优点是连接面积大、均匀受力、密封性好，缺点是工艺复杂、需要专用设备、对环境要求较高。
2.机械连接技术机械连接是通过螺栓、铆钉、螺母等机械连接件将面板连接在一起。
机械连接技术适用于连接同种或相似材料的复合材料，可以提供较高的强度和刚度。
机械连接的优点是工艺简单、易于实施，缺点是容易产生应力集中、连接面处存在较大孔隙和裂纹。
3.固化连接技术固化连接是通过填充固化剂将两个或多个面板连接在一起。
固化连接技术适用于连接同种或相似材料的复合材料，可以提供良好的强度和刚度。
常用的固化剂有聚氨酯、环氧树脂、聚酰亚胺等。
固化连接的优点是工艺简单、无需专用设备，缺点是连接面积有限、需要特殊固化条件。
二、管接头技术管接头技术是将两根或多根管材连接在一起的一种常见连接技术。
常用的管接头技术包括钎焊、焊接、胶接和机械连接。
1.钎焊技术钎焊是一种常用的连接技术，通过热源使钎料熔化并流入连接部位形成连接。
钎焊技术适用于连接同种或相似材料的复合材料，可以提供较高的强度和密封性。
常用的钎料有铜、银、镍等。
钎焊的优点是连接坚固、密封性好，缺点是需要高温操作、对环境要求较高。
2.焊接技术焊接是一种常用的连接技术，通过高温使被连接材料熔化并形成连接。
焊接技术适用于连接同种或相似材料的复合材料，可以提供较高的强度和刚度。
复合材料连接方法
复合材料连接方法
复合材料连接方法常用的有以下几种：
1. 粘接：使用特殊的胶粘剂将复合材料的各个部分粘接在一起。
粘接是最常见和常用的复合材料连接方法，可用于连接金属、塑料和复合材料等多种材料。
2. 螺栓连接：通过螺栓将复合材料的各个部分紧密连接在一起。
螺栓连接适用于需要更高强度和可拆卸的连接。
3. 铆接：使用铆钉将复合材料的各个部分连接在一起。
铆结构适用于需要较高强度和可靠性的连接。
4. 焊接：使用适当的焊接方法将复合材料的各个部分熔接在一起。
焊接适用于需要更高强度和气密性的连接。
5. 拉伸、压缩或剪切锁定：使用力将复合材料的各个部分锁定在一起。
这种连接方法适用于需要快速和简单的连接。
6. 穴位嵌入：将复合材料的一个部分嵌入到另一个部分的孔中，从而实现连接。
7. 搭接：将两个或多个复合材料的边缘重叠在一起，并使用粘接或其他连接方法连接在一起。
这种连接方法适用于需要边缘密封和强度的连接。
需要根据具体的应用和要求选择合适的连接方法，并确保连接的质量和可靠性。
同时，还需要注意避免损坏复合材料结构和性能。
复合材料连接设计
(a) 搭接； (b) 偏位搭接； (c) 变厚度搭接； (d)单盖板对接； (e)双盖板对接； (f) 变厚度盖板对接
NUDT 12.6第十源自章 复合材料连接设计Chap.04
12.3 机械连接 一、机械连接接头分析
关于紧固件的应力分析与连接板的应力分析，一则涉及弹 性基础梁，各向异性板的接触应力和应力集中分析等内容， 二则工程设计中常采用简化的材料力学方法来处理复合材 料机械连接问题，所以本书不予讨论。
12.2 胶接
胶接接头基本连接形式
(a) 单面搭接； (b) 双面搭接； (c) 单面斜接； (d) 双面斜接； (e)单面阶梯形搭接； (f) 双面阶梯形搭接。
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第十二章 复合材料连接设计
12.2 胶接 一、胶接接头受力分析
Chap.04
单面搭接接头的受力情况
NUDT 12.6
NUDT 12.6
第十二章 复合材料连接设计
Chap.04
12.1 复合材料连接方式
复合材料连接方式分两类：胶接与机械连接。 连接方式要根据具体使用条件确定。 为了提高结构的安全性，可采用胶—螺或胶—铆混合连接。 好的连接设计，可以减轻结构质量，可以延长结构的使用 寿命。
NUDT 12.6
第十二章 复合材料连接设计
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复合材料胶接工艺
复合材料胶接工艺
复合材料胶接工艺是一种常见的连接方法，它利用胶粘剂将两个或多个复合材料部件粘合在一起，形成牢固的接头。
该工艺通常包括以下步骤：
1. 表面处理：对要粘合的复合材料表面进行清洁和处理，以提高胶粘剂的附着力。
2. 涂胶：将胶粘剂均匀地涂敷在一个或多个复合材料表面上。
3. 粘接：将涂有胶粘剂的复合材料部件按要求进行粘接，并施加适当的压力，以确保胶粘剂与复合材料之间的紧密接触。
4. 固化：让胶粘剂在一定的温度和时间条件下固化，形成坚固的接头。
复合材料胶接工艺具有许多优点，如接头强度高、密封性好、耐腐蚀性强、疲劳寿命长等。
它广泛应用于航空航天、汽车、船舶、风能等领域。
复合材料胶接工艺也存在一些挑战，如胶粘剂的选择、表面处理的要求、粘接过程中的温度和压力控制等。
为了获得最佳的粘接效果，需要对这些因素进行仔细考虑和控制。
总之，复合材料胶接工艺是一种重要的复合材料连接技术，它为复合材料结构的设计和制造提供了更多的选择和灵活性。
复合材料搭接标准
复合材料搭接标准
复合材料的搭接标准包括以下方面：
1. 搭接长度：根据所需的载荷和复合材料的厚度来选择合适的搭接长度。
通常，搭接长度应大于复合材料厚度的3倍，以提供足够的承载能力和稳定性。
2. 搭接方式：根据复合材料的特性和应用需求选择合适的搭接方式。
常见的搭接方式包括对接、角接和嵌接等。
对接搭接适用于较薄的板材，而角接和嵌接适用于较厚的板材或弯曲的构件。
3. 连接强度：确保搭接连接具有足够的强度和稳定性，能够承受所受的载荷。
根据复合材料的类型和性能，选择合适的连接方式，如胶接、机械连接或混合连接等。
4. 表面处理：在搭接前，应对复合材料的表面进行处理，以去除杂质、油渍和灰尘等，提高粘结性能。
常用的表面处理方法包括机械打磨、化学处理和喷砂等。
5. 粘结剂选择：根据复合材料的特性和应用需求选择合适的粘结剂。
粘结剂应具有良好的粘结性能、耐候性和耐久性，能够满足复合材料搭接的要求。
6. 固化时间：根据所选择的粘结剂确定合适的固化时间，以确保粘结剂充分固化，达到所需的搭接强度。
7. 质量控制：在搭接过程中，应严格控制质量，确保每个环节都符合标准要求。
例如，检查粘结剂是否均匀涂抹、搭接缝隙是否严密等。
8. 安全措施：在搭接过程中，应注意安全措施的落实。
例如，穿戴防护眼镜、手套等，避免锋利的工具划伤皮肤等。
以上是复合材料搭接的一些常见标准，具体标准可能会因材料类型、应用领域和制造工艺而有所不同。
在实际应用中，应根据具体情况制定相应的搭接标准和规范，以确保复合材料的安全性和可靠性。
复合材料连接方法
复合材料连接方法复合材料是一种由两种或两种以上的不同材料组成的材料，具有优异的力学性能和热学性能。
在工程实践中，复合材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
复合材料连接方法是确保复合材料结构稳固和性能可靠的关键，下面将重点介绍几种常见的复合材料连接方法。
1. 引进式连接方法引进式连接方法是将金属、陶瓷或其他材料引入复合材料中，通过机械连接或者粘接连接的方式实现连接。
引进式连接方法适用于大部分复合材料，具有较好的速度和效率。
根据连接材料的不同，引进式连接方法可以进一步分为机械连接和粘接连接。
机械连接是将金属或其他材料制成螺栓、钉子等形状，将其插入预留的孔洞中，通过螺纹或者固定件将复合材料连接在一起。
机械连接具有较高的连接强度和刚性，但容易产生应力集中。
粘接连接是通过将两种不同材料的接触面涂覆粘合剂，通过化学反应或者物理吸附的方式将其连接在一起。
粘接连接具有较好的连接质量和耐腐蚀性能，但连接效率较低。
2. 纤维增强复合材料皮肤粘结方案纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）连接是一种常见的复合材料连接方法。
其中，皮肤粘结是一种常用的FRP连接方法，适用于复合材料板的连接。
皮肤粘结方法通过使用粘合剂将两个FRP板连接在一起，使其形成一个整体结构。
皮肤粘结方法能够充分发挥FRP材料的优点，在航空航天、汽车、建筑等领域得到广泛应用。
皮肤粘结连接方法的关键是选择合适的粘合剂。
通常使用的粘合剂包括环氧树脂、聚氨酯等。
粘合剂的选择应考虑到被连接材料的性能要求、工作环境的要求以及工艺可行性等因素。
在进行皮肤粘结连接时，需要注意粘合面的处理，包括去除油污、灰尘和其他杂质，以确保粘合面的光洁度和粘合剂的附着性能。
3. 热固性复合材料连接方法热固性复合材料连接方法是通过热处理的方式将两个或多个热固性复合材料连接在一起。
热固性复合材料一般由纤维增强树脂及硬化剂组成，通过加热硬化剂，使其在一定温度下产生交联反应，从而形成坚固的连接。
5_复合材料连接
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7
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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8
5.1.2 接头效率
(5-12)
最大剪应力发生在
处：
(5-14)
19
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)
20
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。
27
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：
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C 工艺特点
text1
缝合工艺具备多样性，如铺层方向、铺层距 离和纤维织构可以调整,可以由预浸带经缝合-固 化而成型,也可以由预成型织物工艺经缝合-浸润 -固化而成型
text2
缝合不仅是一种增强技术,而且也是一种连接技术, 与复合材料的其它连接技术如粘结、铆接相比,缝 合材料整体性强、不易产生局部应力集中,因此为 制作大型复合材料制件提供了一种有效手段
text3
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。
text4
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
3 4
缝线直径
缝合密度 缝合方向
1> 缝线类型
A
层合板的整体增韧 结构件的连接 在泡沫夹层复合材料中的应用
B
C
（A）层合板的整体增韧
背景：a)层合板的层间韧性较差,在使用中容易引
起分层,这一缺点大大限制了层合复合材料的应用
基本应用，能明显改进材料的层间韧性、冲击损伤容 限、冲击后压缩强度等性能
b)对预浸层合面板整体增韧是z-pinning的最
目的：为防止z-pin在嵌入层板的过程中发生
屈曲,先将原卷绕贮存的z-pin切割,以一定密度 正交植入泡沫中得到泡沫预制件
制作：泡沫采用两种材料组合而成，低密度
泡沫置于的上层,在嵌入z-pin前对z-pin起到支撑 作用；中密度泡沫置于下层,防止z-pin在受力的 情况下发生弯曲
热压罐嵌入法
这种z-pinning技术整个嵌入过程是在热压 罐中实现的，这种方法适于平面层合板
无钻孔引起的应力集中，连接效率高， 适宜连接异形、异质、薄壁、复杂的 零件 结构轻，抗疲劳、密封、减振及绝缘性 能好，有阻止裂纹扩展作用，破损安全 性好，能获得光滑气动外形 不同材料连接无电偶腐蚀问题，工艺简便、 操作容易，可节省能源，因而具有一定的 经济效益
质量控制比较困难
胶接性能受环境（湿、热、 腐蚀介质）的影响
比较 Compare
Z-pin Un z-pin
TITLE Click to add text
z-pin增强层合复合材料能够保持 89% ~98%的面内抗拉强度,使层间断 裂韧性提高18倍,使冲击损伤区域减少 50 %
DIAGRAM
（B）结构件的连接
连接。 （a）胶接连接方式容易由于较弱的胶接 层发生破坏而导致结构失效。 (b)而机械连接一方面增加整个结构的 质量,另一方面在层合板上钻孔,会引起应力集 中和自由边效应引起材料的疲劳破坏。 而z-pin连接能够很好地改善和克服这些不足
将若干z-pin同时嵌入到 层板中,这种方法效率高, 应用广泛
枪,将z-pin以高速打入预 浸料或干织物铺层的层 板里,但这种单根植入的 方法文献报道并不多见。
B)后来又出现了射钉
方法：一种是利用 热压罐的方法,另外 一种是UAZ(超声波 辅助嵌入)技术。这 两种技术都引入了 泡沫预制件
泡沫预制件
（C）在泡沫夹层复合材料中的应用
z-pin增强泡沫夹层复合材料弥补了传统泡沫 夹层材料的剪切、压缩性能较低、面板与芯材 易发生脱粘破坏及由于进水导致的整体失稳等 缺点
(3) 螺栓-柱销连接
1.原理 2.应用前景
原理
螺柱-柱销连接是在复合材料板的垂直方向安 装连接柱销,在轴线方向安装螺柱,柱销上有连 接螺纹,螺柱和柱销采用螺纹连接,以实现复合 材料的轴向连接
试压法
测量法
4
5
超声波法 X射线法 激光法 声阻法 等
6
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(3)二者兼有的连接
A、胶螺连接
B、胶铆连接
A.胶螺连接
胶螺混合连接： 一般是从结构的破损安全角度考虑， 用于提高连接接头的安全裕度以及结构 修补 胶螺混合连接有利于提高接头的承载 力及疲劳寿命
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：
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 机，干燥炉，红外线，电吹风等
加热固化：分为中温固化（120度左右）和
线的照射而达到固化的效果 优点是：极快速，高质量，低耗能，高 效率，适合连续生产
方法:(1)将含有z-pin的泡沫预制体放在未固化
的层板需要增韧的部位,套上真空袋
(2)随着温度的升高,预浸层板逐渐软化,泡 沫逐渐融溃,z-pin在热压罐产生的压力作 用下将转移到层板里。
(3)待固化后,将材料从热压罐中取出,用 金刚刀割除多余的泡沫和z-pin,就得到 了z-pin增强层合复合材料
连接
(1) 缝合连接
缝合连接
A 应用背景
B 技术原理
C 工艺特点
D 缝合参数
A 应用背景 Background
text1 text2 text3
进行复合材料层 合板的轻量化设 计时,必须考虑层 合板的外层屈曲 破坏后,破坏的外 层和内层增强材 料之间将产生剥 离载荷,它将影响 层合板材料的强 度
胶螺混合连接
工艺方法
两种方法 一、连接处预先制孔，涂胶后即安装螺 栓并拧紧，然后使胶层固化形成连接接 头 二、在已固化的胶接接头上制孔安装螺 栓，并拧紧形成连接接头
B. 胶铆连接
胶铆连接一般也可采用两种工艺方法 实 现，一种是在胶层固化后铆接；另一 种是在 胶 层 未 固 化 时 铆接。 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。
背景：复合材料的连接大多采用胶接、机械
z-pin连接的优点
研究表明：z-pinning是连接件抵抗分层很有 效的方法, 能显著提高搭接结构件的强度和疲 劳寿命。
Freitas等人证明z-pin增强加劲肋的拉脱强度增加了2. 3~2. 6倍。Paul Chang实验表明z-pin对单搭制件的抗 拉强度可提高40%,伸长率提高55%,疲劳强度增加40%
缝合方向对复合材料的性能影响较 大,常采用的缝合角度为0º 、45º 和90º 。 缝合方向对正交对称层合板的拉伸强度 有较大影响, 0º 缝合引起的强度降小,45º 和90º 缝合引起的强度降基本相同
缝合对复合材料力学性能影响
缝合对复合材料平面性能的影响 (1)面内拉伸强度 (2)面内弯曲性能 (3)面内压缩强度 缝合对复合材料层间性能的影响
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
二. 复合材料连接应用 新进展
缝合 连接
New Joint
z-pinning 连接 螺栓-柱销
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。
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
辐射固化：是指通过紫外线、电子束、Y射
微波固化：优点是修复速度快，效能高，
修复后的静强度可以恢复到原材料的102.9% 缺点是当微波照射下会发生电磁激励作 用，从而将胶粘剂中的磁性分子和被胶粘物发 生物理化学变化 设备：微波修复器（全军装备维修表面 工程研究中心研制）
检查方法 1
目测法
2
敲击法
3
溶剂法
2.种类
z-pinning技术可分为两大类, （1）单根植入式，就是将一根根z-pin
分别嵌入未固化的层板里
（2）整体嵌入式，将若干z-pin同时嵌入到
层板中,这种方法效率高,应用广泛
单根植入式
A)采用手工方式将金
整体嵌入式
属短棒单独的嵌入到层 合板内,对于生产大型的 复合材料来说,并不适用。
第三 这些特点使复合材料连接强度问题变得更复杂，必须予
以足够的重视。
(1)
机械连接
复合材料的机械连接是指将一复合 材料和另一复合材料（或金属或合金） 通过紧固件连接成为一整体
机械连接
优点
便于检查质量，安全 可靠， 强度分散性 小，能传递大载 荷
缺点
开孔引起应力集中降 低了连接效率
便于装卸，对零件连接 表面的准备及处理要求 不高，无胶接固化产生 的残余应力，受环境影 响较小
(2) z-pinning连接
1.概念 2.种类 3. z-pinning技术应用
1.概念
z-pinning 技术主要用于增强铺层预浸料 或泡沫夹层复合材料，它借鉴了缝合复合材 料中不连续缝线方法，在固化前的预浸料或 泡沫夹层厚度方向直接嵌入刚性的短棒，这 种短棒通常称为 z-pin
z-pin 材料可以用金属（不锈钢、铝合金 和钛合金等）或非金属（碳纤维，玻璃纤维 和 Kevlar 等纤维）。
利用柱销增加了复合材料的挤压面积,克服了 复合材料本身挤压强度低及无法实现高载荷 螺纹连接的弱点,有效地解决了复合材料的高 载荷轴向连接问题
应用前景
螺栓-柱销连接结构,可以克服复合材料本身挤压强度 低及无法实现高载荷螺纹连接的弱点,实现复合材料 的高载荷轴向连接问题. 织物复合材料的螺栓-柱销连接结构与传统的金属端 框的连接形式相比、成型工艺简便、接头效率高.在 薄壁复合材料构件传递较大的轴向载荷时,该连接结 构具有较大的应用潜力