目前,先進樹脂基復合材料制造大采用整體成形的共固化及共膠接技術，大大減少了飛機機械連接件的數量，但由于當前共固化及共膠接技術水平的限制,以及復合材料不可避免地與金屬連接或開孔等，從使用、安裝和維護的需要出發，在復合材料結構上仍存在著大量的加工連接問題。與金屬結構相比,復合材料連接部位是結構的薄弱環節。據統計,復合材料有70%以上的破壞都是發生在連接部位,因此,解決復合材料結構加工連接問題,對減輕結構重量、改善飛行器性能、促進復合材料的應用具有重要的意義。

先進樹脂基復合材料雖具有一般復合材料不具備的優點,但它也存在一定的弱點，如比較脆(斷裂伸長率僅為1%~ 3%)、層間強度低、抗沖擊能力差，復合材料在加工連接時必須解決安裝損傷、容易被拉脫、安裝載荷的不一致性、孔周應力高度集中等問題,復合材料的裝配還要考慮腐蝕等問題,先進飛機復合材料結構中大量采用了電磁兼容、隱身等結構，這些結構對加工連接以及裝配中的制孔質量、所用緊固件、連接裝配方法提出更高的要求。因此,復合材料加工連接的好壞，將直接影響復合材料結構設計的思想、制造質量、生產效率，甚至限制復合材料的應用水平。

經過20多年的發展，我國先進復合材料已經在連接、制孔、緊固件、裝配工藝等方面取得較大的進展;隨著飛機用復合材料量的增多,加工連接的工作有較大增長。另外,要滿足飛機日益增長的新材料、新結構、新功能的要求,因此,復合材料的技術應用水平的提高，要求連接技術應有較大的發展，才能跟上復合材料的發展速度。

樹脂基復合材料包含三個層次的連接:微觀力學層次的纖維和基體的連接、宏觀層次的層與層之間的粘接以及結構層次的復合材料零件的連接。

樹脂基復合材料可以劃分為兩大基本類型:熱塑性基體復合材料和熱固性基體復合材料。對于熱固性基體復合材料，固化后聚合物的長鏈之間通過主化學鍵相互交聯。因此，熱固性樹脂基復合材料不能加熱軟化或熔化,也就不能焊接。所以熱固性復合材料只能通過機械連接或膠接。

對于熱塑性材料,聚合物的長鏈主要由次化學鍵相互連接。加熱時，這些鍵會斷裂，鏈與鏈之間可以相對移動。因此，熱塑性復合材料可以加熱軟化或熔化,也可以焊接。熱塑性復合材料也可以通過機械連接或膠接。

熱塑性復合材料可以進一步分為兩類:非晶態或半結晶態。非晶態熱塑性材料的鏈是隨機排列的;半晶態熱塑性材料在某些區間內鏈是隨機排列的，而在另外的區間內鏈的排列是有序的。對于非晶態聚合物,軟化的臨界溫度是玻璃化轉變溫度;對于半晶態高聚物,臨界溫度是玻璃化轉變溫度和熔化溫度。

聚合物基復合材料的連接方法主要包括三類:機械連接、膠接和混合連接(機械緊固和膠接)。其中混合連接法除了用于增強弱膠接區域或者是消除從膠接端部引發的型剝離外很少使用。因此，下面的討論主要集中在前面的兩種連接方法。膠接連接可以劃分為普通膠接和焊接，普通膠接的膠層形成一個獨立的相,而焊接是以基體聚合物材料(典型的是熱塑性的塑料)形成連接界面。

特定連接技術的選擇取決于應用需求, 例如載荷強弱,幾何形態、操作環境、可靠性權重以及所選用的聚合物基體體系的成本。作為一般規律,機械連接主要用于高載荷、高可靠性、關鍵連接。膠接和焊接用于優先考慮重量和成本的中等載荷的連接場合。對相似的幾何形狀和加載構型,膠接連接具有更好的剛性。

機械連接有如下優點:無需表面處理;不受熱循環及高濕度環境的負面影響;易檢可測。

機械連接包括鉆孔,適當的裝配工藝,以及通常較嚴格的公差。這些會提高復合材料加工的成本。除此之外，由于引入了孔，造成相應的應力集中，進而強度受到限制,增加金屬緊固件還會增加零件數量和重量。

隨著復合材料結構的復雜化、大型化以及要求加工精度的提高，在復合材料制孔上發展了大量的機器人制孔、數控鉆床制孔、數控加工中心制孔等來保證先進復合材料制孔要求。

在復合材料構件的連接中,機械連接占據著重要的地位,因此，在復合材料構件裝配時，需加工出成千上萬個緊固件孔，緊固件孔不僅數量多,質量要求也高，而且難度大，是復合材料加工中難的加工工序之一。

由于復合材料層合板的主要特點之一是層間剪切強度低，這就使得鉆孔中的軸向力容易產生層間分層和出口端的分層，如不加以防范，會導致昂貴的復合材料的報廢。據國外統計，飛機復合材料裝配中，制孔缺陷造成的報廢要占所有報廢零件的60%以上。復合材料制孔的另外一個主要問題是碳纖維復合材料的硬度高(62 ~ 65HRC),相當于高速鋼的硬度, 因此，對刀具的磨損特別嚴重，刀具耐用度很低。如高速鋼鉆頭鉆削碳纖維復合材料時,每刃磨一次僅能鉆削3~5個孔，因此,無法進行工業化生產。在復合材料制孔加工中還有一個必須注意的問題:纖維粉塵的污染會危害人體的健康,而且它的導電性會使電器設備和電網短路,所以施工中必須采取安全措施。樹脂基復合材料的制孔工藝主要包括:硬質合金制刀具的選擇、鉆頭幾何參數的選擇、鉆削工藝參數的選擇、鉸孔工藝、防止分層的工藝措施等方面。

在復合材料(或任何材料)中引入開孔會導致孔邊的應力集中，因此,需要在部件鉆孔的機械連接會導致應力集中。對于各向同性彈性材料，無限大板在拉伸載荷作用下孔周圍的應力分布由Timoshenko和Goodier給出。

從方程(3- 50)可以看出 ，環向應力δθθ大,大值發生在與加載方向相同的孔邊位置(θ=490) ;在大值點處的應力集中(系數)等于3。與此相似，對于無限大正交各向異性板受拉載荷時,大應力也是θ=±90°時的環向應力, Lekhnitski給出了無限正交各向異性板受拉時環向應力。

方程(3—51)表明纖維正軸方 向的應力集中系數遠比各向同性高(對于玻纖/環氧為4，硼/環氧為6，碳環氧約為9)。Greszczuk曾給 出了各向同性及各向異性材料的孔邊環向應力。

正交各向異性材料的應力比各向同性材料應力大而且更加復雜。對于各向同性材料，可以用應力集中系數加上屈服或破壞準則(大應力準則)來估計帶孔板的承載能力。復合材料具有多種失效機理，需要采用與之相對應的一系列失效預測。

層合板失效更為復雜，這里采用經典層合板理論估算每層的應力，采用復合的應力判據來預測每層內的失效。實際上，層板中孔的影響由于邊緣效應而變得更加復雜?？椎倪吘壌嬖谥鴮影迕鎯确较蚣虞d弓|起的層間剪應力區。

在帶孔層板的精確解中,層間應力和邊緣效應都應該包括在失效點計算中。這種復雜性會提高分析和試驗驗證的成本,從而也就增加了產 品的成本。然而,近年來實踐基礎不斷增加 ,許多有 用的指南可供借鑒。在復合材料鉆孔過程中,應大限度地減小層板和纖維的損傷。緊固件的插入尤其對厚復合材料特別重要,緊固件插偏某一角度或強制插入會導致層板過早發生擠壓破壞，單搭接連接和雙搭接連接都會由于緊固件彎曲而發生類似的失效。在鎖緊緊固件時,普遍認為預緊力是有益的,預緊力可以降低鋪層順序的影響以及自由邊的影響并使載荷分布更均勻。

在機械連接設計中，一 般應將復合材料考慮為脆性材料,因此緊固孔邊周圍的應力集中不會導致塑性變形而減小，但局部基體損傷和分層對應力集中有所緩解?？椎某叽缭O計是很重要的，如果采用多于一個緊固件方式，孔的對齊也很重要,否則釘之間的載荷不能均勻分布，從而導致提前破壞。這種問題對熱塑性材料會有一定程度上的減緩，這主要是由于熱塑性材料可以承受更大的塑性變形。在設計過程中,連接件所處環境,也是設計需要考慮的一個方面。層合板和緊固件的熱性能失配可能導致破壞或使緊固件變松。與此相同,層合板因吸濕(或吸收其他溶劑)弓|起的濕脹也會引|起緊固件變松。樹脂基復合材料緊固件及制造I藝。復合材料緊固件是解決重量、強度、腐蝕、雷擊等的理想方法,這種緊固件僅適用于輕型受力構件，對于重載結構件仍需金屬緊固件。復合材料的緊固件研究的范圍包括安裝和制造問題。復合材料緊固件需要纖維和樹脂具有適當的匹配性，使得緊固件的頭部能夠承受足夠的拉應力，釘桿部分應具有足夠的剪切強度。

用于復合材料結構.上的緊固件必須解決四大問題:電位腐蝕、容易被“卡死”、安裝、損傷和拉脫強度低。在所有的材料中，只有不銹鋼與復合材料之間的電位差小,但其比強度低，在其余的材料中，只有鈦合金既有高比強度又有低電位差。因此,鈦合金成為復合材料結構件結構連接的佳選擇材料。

樹脂基復合材料的緊固件主要包括:雙金屬鉚釘、半空心鈦鉚釘、高鎖螺栓、螺栓、100°沉頭拉鉚型鈦環槽釘、大底腳螺紋抽釘、鉚釘、復合材料螺栓和干涉配合鈦合金環槽釘等幾大類。表3—10列出了復合材料特種緊固件的特點。

復合材料緊固件具有以下優點:閃電雷擊時可以避免油箱產生弧光;減輕重量;減少不同材料間的腐蝕;減少雷達圖像。

適合于復合材料的專用緊固件在安裝中必須滿足一些特殊要求。只有這樣,機械連接在復合材料中應用才有可能。

復合材料的機械連接設計可以分為四部分:連接幾何、緊固件布置、應力分析以及失效分析。

(1)連接幾何:復合材料典型的螺栓連接有單搭接和雙搭接剪切連接。單搭接連接在受到拉伸載荷作用下會發生彎曲。這是因為加載面與連接的對稱面不共面，而產生了彎矩。雖說連接的幾何形態取決于零件的功能和幾何形狀,采用雙搭接連接可以減緩彎矩與變形。

(2)緊固件布置:緊固件的布置對于連接件的載荷傳遞至關重要。緊固件之間距離太近會因每個連接件孔邊的應力集中而導致提前破壞。緊固件間距離太遠則需要很大的連接區，會使連接的效率大大降低。一般來說,緊固件孔與邊緣之距應保持2~4倍孔直徑，相鄰緊固件位置之間應保持3~4倍孔直徑。這些準則在實際中都應遵守，數值分析可以用來優化確定緊固件之間距。

(3)應力分析:機械緊固連接件周圍的應力分布十分復雜。存在著緊固件的預緊力、鋪層順序以及自由邊效應等二維影響,然而這些影響常常被忽略。Wong和Matthews認為如果 層板在橫向加上鎖緊約束，鋪層順序就無所謂了。Chang等人認為即使鋪層順序很重要,它的影響僅在10% ~ 20% ,這在日常分析的誤差范圍內。二維有限元分析與試驗結果比較顯示出很好的一致性，由于=維有限元方法簡單實用而成為吸引人的輔助設計工具。目前三維有限元方法復雜、昂貴、耗時，而且并不總是得到更精確的結果。

多數情況下,螺栓連接分析經常簡化成有銷釘加載孔的層合板模型,并忽略摩擦影響，緊固件對復 合材料的載荷用一個余弦分布載荷來近似表示，多數模型假設僅有一個緊固件,而且材料為線性彈性層板。Chang等人把這些早期分析模型擴展為含有多釘加載孔的和非線性彈性層合板的連接形式。

(4)失效分析:失效分析用來預測失效載荷及失效模式。機械緊固連接的主要失效模式有四種:擠壓、拉伸、剪脫和劈裂。當復合材料受壓縮而失效且螺栓孔發生拉長變形時,就發生擠壓失效。拉伸破壞則由于截面減小和應力集中的影響，孔周圍的材料不能承受拉伸載荷。剪脫和劈裂破壞是由層板的剪切和橫向拉伸破壞弓|起的。緊固件的剪切破壞也是可能的,通?？吹降臅腔旌鲜Ｊ健⑹袚糜趯雍习?，可確定失效載荷。正如前面所述,只采用大應變/大應力失效準則不很充分,需要采用復合的應力失效判據。已有多個復合失效判據，包括Tsai- -Hill , Tsai- _Wu ，Hoffman,Yamada等。Wilson和Tsujimoto對 -些判據用于螺栓連接進行了評估。利用這些判據，當復合在某些層中某些點的復合應力超過給定值時則發生失效。Chang對孔周圍一條近似選定曲線等采用Yamada判據失效,通過確定用失效點與加載主軸夾角(明)來表示的失效位置，可以確定失效模式,選?。?/p>

-15°<θf<15° (擠壓失效)

30°<θf<60° (剪脫失效)(3—52)

75°<θf<90° (拉伸失效)

混合模式則可能具有介于兩種范圍中間的失效角度。利用這種方法,他們成功地預測了各種層合板的失效載荷和失效模式。

(5)設計:設計過程包括四個循環步驟:選擇連接幾何形態和緊固件分布位置，然后進行應力分析和失效分析。如果連接滿足設計要求，設計過程結束。否則,修改連接幾何形態或緊固件分布,然后進行新的幾何形狀設計和應力及失效分析，重鰒上面過程直至滿足設計要求。

復合材料機械連接I藝主要包括:螺接工藝要求、鉚接工藝、碾壓鉚接工藝、電磁鉚接工藝、連接防腐和濕裝配等。