膠接是復合材料結構主要的連接方法之一,它是將一種膠黏劑材料放置在兩個被黏部件之間,在被黏物體之間產生可用的連接強度。與機械連接相比，它的主要優點是:無鉆孔引起的應力集中,連接效率高;由于不需要連接件，能使結構減重5%~ 25%;抗疲勞、密封、減震以及絕緣性能好，有阻止裂紋擴展作用，破損安全性好;能獲得光滑氣動外形;不同材料連接無電偶腐蝕等問題。復合材料膠結可分為共固化膠接和二次膠接兩類,如表3一11所示。

膠接的缺點是:膠接性能受環境(濕、熱、腐蝕介質)影響大，存在一定老化問題;膠接強度分散性大,剝離強度低,不能傳遞大的載荷，膠接表面再膠接前需作特殊的表面處理;被膠接件間配合公差要求嚴,需加溫、加壓固化設備;質量控制比較困難;膠接后部可拆卸。

與金屬材料膠接相比,復合材料膠接具有如下特點:

(1 )碳纖維復合材料沿纖維方向的線膨脹系數很小(0.60x10- 6 ~4.30x10- -6/9C), 它與金屬膠接時，由于熱膨脹系數差別較大,在高溫固化后會產生較大內應力和變形。因此，膠接連接設計時,應盡量避開與金屬零件膠接,必要時采用熱膨脹系數小的鈦合金零件。

(2)由于碳纖維復合材料層間拉伸強度低,它不像金屬接頭那樣容易在膠層產生剝離破壞,而容易在接頭端部層合板的層間產生剝離破壞。因此，對較厚的膠接件，不宜采用簡單的單搭接連接形式。

(3)濕、熱、腐蝕介質等環境效應對膠接的連接強度有顯著的影響。

(4)可以采用共固化技術。

膠接的機理尚未完全清楚。現已有幾種理論可表述膠接過程如何形成膠接連接，包括吸附理論，擴散理論和化學理論。這些理論并非相互排斥,在復雜的膠接情況下,吸附、擴散以及化學反應理論對膠接形成都有所貢獻。

(1)吸附理論

吸附理論認為膠黏劑與被黏物之間的密切接觸致使次級分子吸引形成永久的鏈。密切的接觸是在膠層與被膠接層浸潤過程中形成的。膠液與被膠接層之間接觸角是對浸潤情況的度量。對于接觸角大于零的情況，液一固界面間力的平衡關系由Young氏關系給出。圖3-51給出了膠液與固體被膠接固體之間的接觸。

對于零接觸角情況,僅有

ySV°>ySL +yLV° (3—54)

從Dupre關系可以看出，黏附功(WA)代表由于吸附而產生的系統能量改變。

WA=yS° +γLV°-ySL (3—55)

合并(3—54)與(3—55)得到Young— Dupre關系

WA=(yS°-ySV°)+γLV°(1+cosθ)(3—56)

方程(3—57)中的第-項考慮由于液體吸附造成的固體表面自由能的減小;對于諸如有機物復合材料的低能量固體,吸附項可以忽略不計,因此對于聚合物以及聚合物基復合材料,黏附功可以近似表示為

WA≈yLV(1 + cosθ) (3—58)

黏附功是幾種分子間吸引力的合力,其中包括London擴散力,Keesom極力，雙電層,金屬鍵力，以及π鍵力，對于聚合物固體除擴散力和極性力外,其余力很小且可以忽略。因此吸附理論認為聚合物基復合材料膠黏劑與被黏物體間的膠接是由彌散力和分子間極性吸引力決定的，這種吸引力又被稱作二次成鍵或范德華力。

(2)擴散理論

Vogutski提出了從膠黏劑到被黏物體界面間分子和原子的擴散以及反向擴散對形成粘接的貢獻。這個理論主要受啟發于對相似材料熔化膠接的觀察,這種膠接隨時間加長或溫度增高而得到改善。在西方里,吸附理論比擴散理論更被認為是正統的理論。這主要是源自對快速膠接和低擴散系數情況的觀察。

(3)化學反應理論

膠黏劑與被膠接物界面間的化學反應可導致二者間形成主化學鍵，主化學鍵的形成更強化了界面?；瘜W反應率依賴于時間和溫度，化學反應必須在所施加溫度下形成粘接的時間內發生。雖然在很多膠接情況下會發生化學反應,一般認為吸附理論考慮了多數膠接形成過程。

與金屬膠接相比較,復合材料膠接更有其獨特之處，增加了膠接的困難。其特點見表3一12。膠接技術與其他連接技術的對比見表3—13。

膠接接頭代表的是材料的非連續區域,應該仔細分析。圖3-52給出了幾種典型的膠接形式。對單搭接接頭已有大分析,包括封閉解和數值解。由于材料的間斷和彎矩的作用在接頭端部弓|起剪應力和正應力的應力集中,彎矩影響可以采用雙搭接剪切連接得以減弱，而采用斜面嵌接連接方式可以減小應力集中。

在復合材料膠接連接中,可能出現多種失效模式，包括:膠層內聚破壞,被黏材料基體表面損壞，被黏層合板的層間破壞，由基體或層間弓|起的層板表面橫向破壞以及層板的縱向破壞。膠接接頭的失效判據與機械緊固連接的失效判據類似。Grimes和Greimann給出 了很多復合材料膠接接頭的設計與分析。圖3-53給出 了單搭接剪切接頭的應力分布。

復合材料的膠接材料主要有兩種:膠黏劑和蜂窩芯子材料。

(1)膠黏劑

重要的復合材料結構產品要求擁有優異的膠接性能,其結構膠黏劑在使用時，經常是由若干種配套的膠黏劑配合使用(如用以改善界面膠黏性能或耐腐蝕性能的底膠、用于板料間膠接或板料與蜂窩芯子之間的膠膜、用于零件與蜂窩芯子之間的發泡膠等) ,從而構成了膠黏劑體系。不同膠黏劑的選擇取決于復合材料構件的性能和使用環境要求,并應滿足膠接I藝自身的特殊要求，需要綜合權衡決定。復合材料膠黏劑的選膠要求如表3-14所示。

按膠黏劑的組分材料分類，適宜作為結構膠黏劑的主要有環氧樹脂、環氧酚醛樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂(僅用于 次承力構件)和聚酰亞胺樹脂(用于高溫結構)等。根據經驗,除高溫工作需要聚酰亞胺型膠黏劑外，工程膠接結構上所用的綜合性能好的主要還是那些通過該性獲得了較高強度、韌性及耐環境性能的環氧樹脂型膠黏劑。目前，工程上常用的復合材料結構膠黏劑體系見表3- 15。

(2)蜂窩芯子材料

以金屬箔材或任何纖維布(紙)帶等作為骨架材料，用膠黏劑連接制成的蜂窩狀材料即為蜂窩芯子材料。在兩層面板之間夾入蜂窩芯子后膠接成的夾層結構即為膠接蜂窩夾層結構。膠接蜂窩夾層結構具有比強度高、比剛度高、結構重量輕等優點。

復合材料膠接I藝包含五個步驟:膠黏劑的選擇及復驗、預裝配、表面制備、膠接裝配和固化。

(1 )膠黏劑的選擇及復驗

從工藝角度來說,不應僅根據強度的高低來判斷膠黏劑的性能的優劣，還必須在長期的工作環境下，有足夠的耐久強度;膠黏劑應與復合材料基體基本相容,以保證膠接層有較高的黏附強度;膠黏劑工藝性要好,便于操作;在滿足使用要求的前提下,應力求選用固化溫度低的膠黏劑，這有利于成形和減小熱應力、熱變形;對于設計階段選定的膠黏劑在膠接裝配前還必須復驗。復驗項目主要是室溫和高溫剪切。對于局部加強和填充的泡沫膠還需要復驗關鍵項目。

(2)預裝配

目的在于檢驗待膠接零件的相互配合及協調情況,并制出膠接裝配用的定位孔及定位基準及需要進行表面制備的部位。預裝配一般在膠接裝配模具上進行,也可在裝配型架內進行。

(3)表面制備

由于要膠接的零件在壓制和機械加工過程中不可避免地受到各種污染。于復合材料之間表面制備的方法有:用砂紙打磨、噴砂處理和有機溶劑清洗。在這些表面制備方法中單-的方法都難以獲得理想的結果。不同制件的膠接連接表面制備方法見表3一16。

為了防止已制備表面再度被污染和避免表面吸濕,表面制備后應隨即進行裝配。

(4)膠接裝配

先在待膠接表面上涂敷底膠、粘貼膠膜，然后在固化膜上進行膠接裝配。

貼好膠膜即可進行膠接裝配,裝配在固化模上進行,先按固化模上的基準線依次安放蒙皮、墊板,為保證膠接后零件的相互位置及產品固化后的尺寸精度和膠接質量，可采用局部預熱或電熱平臺預熱法使膠膜具有適宜的自黏性,還可對相互膠接的零件施加一定壓力。

(5)固化

膠接固化過程是在一定溫度和壓力條件下膠黏劑充分交聯,使零件之間具有一定的強度、剛度及足夠韌性的連接工藝過程。膠接工藝流程見圖3- 54。

膠接技術在操作難度上并不大,但是影響膠接質量的因素很多，包括膠黏劑質量、膠接表面狀態、膠接零件配合優劣、固化過程控制以及人為因素影響。然而,膠接技術從材料到工藝的本身特性已決定了它難于保持一 致性，若不加強控制 ,更會擴大膠接性能分散性。目前，復合材料膠接結構很多用做重要承載結構,其膠接質量將直接影響到結構的安全。因此,嚴格膠接質量可以減少膠接性能的分散性，確保膠接結構的安全性，具有重大的意義。

膠接質量控制內容涵蓋了膠接制造的全過程,既包括了制造生產的"上游”及"下游”所涉及的內容，也包括了有關軟件及硬件內容,總共包括環境條件、材料、模具設備、工藝、人員及質量管理等六個方面。復合材料膠接質量控制內容及要點如表3-17所示。

復合材料膠接件的質量檢測包括膠接生產的質量檢測及膠接構件的性能檢測兩部分。膠接構件及其工藝試驗均應進行膠接生產質量檢測，檢測內容如表3-18所示。

目前為止,先進復合材料作為眾多工業,特別是國防工業的新興結構材料，正處于快速提高和應用發展時期。膠接技術是復合材料構件制造的重要配套技術之一,也必將隨之 發展，而終實現復合材料和膠接技術的共同發展。復合材料膠接技術的發展方向如表3-19所示。