新型金属/复合材料混合连接结构试验研究*

（上海交通大学航空航天学院，上海 200240）

相比传统的金属材料，纤维增强复合材料具有高比强、高比模、各向异性、耐疲劳、耐腐蚀、性能可设计、多功能性和可发展性等优势，其广泛应用对促进航空航天装备的轻量化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料的应用不可避免地会遇到与金属这种异质材料的连接问题，如在飞机结构上大量存在翼梁缘条、桁条等金属件与复合材料蒙皮之间的连接。

传统的复合材料与金属的连接工艺主要包括机械连接、胶接以及二者共同应用的混合连接[1]，如某固体火箭的复合材料壳体与金属裙之间通过胶铆结合连接在一起[2]，而另外一些火箭复合材料壳体则通过胶黏剂与金属裙粘接为一体[3]。其中，胶接技术可有效解决异质材料之间的连接，且具有重量轻、应力分布均匀、抗疲劳等优良性能。但胶接结构也具有力学性能分散性大、湿热环境适应性差、可靠性差等缺点。相比胶接，机械连接结构环境适应性强，比较可靠，但也具有孔边应力严重集中、重量大等缺点。混合连接结构克服机械连接和胶接的缺点并综合发挥它们的优点，但是紧固件的使用提高了成本和结构重量，在一定程度上削弱了使用复合材料所带来的减重优势。

英国焊接研究院的Smith[4]和Kellar等[5]对应用Surfi-SculptTM工艺的金属复合材料连接结构的静强度和损伤控制行为进行了试验测试，相比传统的胶接结构，ComeldTM接头可大大提高金属-复合材料连接结构的失效载荷和失效应变，并且渐变失效模式更为明显，即失效更容易提前判别。但此工艺制成的凸起均较短（由于其工艺特点，凸起变长可能会大大降低其强度），因此没有充分发挥凸起的机械作用力。

美国海军学院的Mouring等[6]分别应用试验和有限元方法对复合材料与金属连接结构的承载能力进行了研究，发现应用Surfi-SculptTM技术在金属连接件表面形成的凸起缓解了接头端部的应力集中，进而提高了接头的承载能力。英国伦敦大学的Tu等[7]用数值方法对在金属连接件表面形成的凸起的高度、角度进行了优化。

以上研究的目的均为提高金属与复合材料连接结构的强度和耐久性。

国内，南京航空航天大学的Zhang等[8]应用三维有限元方法对ComeldTM复合材料-金属连接结构强度进行了模拟评估。

国内外学者对Z-pin的工艺方法[9]、桥联法则[10-13]、增强机制[14-16]及其在加筋板和连接结构上的应用做了大量研究，这些研究成果有一定的借鉴意义。

针对以上连接方式存在的问题，将复合材料连接Z-pin增强技术应用于复合材料与金属连接，本文提出一种新型复合材料与金属连接方法——胶-多细针连接方法。该方法可以提高金属复合材料接头的可靠性和结构效率。对用传统的胶接方法和新型接头方法制造的金属复合接头进行了拉伸试验，比较了两种接头的力学性能。分析了接头的载荷位移关系和破坏模式。结果表明，本文所提出的混合连接方法显著提高了极限破坏载荷、破坏应变和能量吸收能力。而且，此混合连接方法能够降低接头失效的突发性，从而有利于结构缺陷的检测。

胶-多细针连接方法

1 接头与材料

本文的胶-多细针连接方法的设计思路如图1所示，即利用复合材料连接件和金属连接件贴合面的胶黏剂以及贯穿被连接件的若干金属细针将两者连接。细针直径很小，为1mm左右，并且与被连接件粘接在一起。此外，金属细针的排列可以根据不同要求设计。用这种方法，将机械连接与胶接共同应用到金属与复合材料混合接头中。

按照该设计思路，参照ASTM D 1002-10[17]标准，设计了金属与复合材料单搭接试验件（图2）。其中s和p分别为金属细针的列距和行距。复合材料单层厚度0.188mm，铺层顺序[0/45/90/-45]2S。金属板与细针的材料为45号钢。复合材料单向带的材料参数为：E11=121GPa，E22=9.93GPa，v12=0.32，G12=3.6GPa，其中 Eij（i=1，2，3）为 3 个主方向的弹性模量，Gij（i=1, 2, 3）为3个主平面的剪切模量，νij（i=1, 2, 3）为泊松比。金属板的材料属性为：E=210GPa，v=0.3，S=355MPa，该板的尺寸为100mm×25mm×12mm。两个被粘物之间的固体胶膜型号为Hysol EA9696,金属细针周围的液态胶型号为HY-914。

2 试件制作工艺

胶-多细针接头的制作分为以下几个步骤。首先，在金属板和复合材料板的搭接区域进行表面处理。表面处理工序与ASTM D 2093[18]标准一致，包括丙酮擦拭，打磨，用洁净的干布擦拭。先用丙酮连续擦拭粘接件表面，随后将粘接件放置在整洁干燥的区域20min，待粘接件表面的丙酮蒸发完全。接着用细砂布打磨粘接表面，最后用整洁干燥的布料擦拭粘接件表面。

表面处理完毕后，将被处理过的金属与复合材料贴合面用胶膜尽快粘接。这样就实现了金属板与复合材料板的预定位。之后用固定夹具将预定位的金属与复合材料搭接件固定，并在搭接区域钻直径1mm的细孔，细孔阵列同时贯穿于金属板与复材板。细孔的分布由列距（s=5mm）和行距（p=3mm）控制，如图2所示。用15根直径为1mm的细针与界面胶膜共同把金属和复合材料连接起来。金属细针的表面经过处理，并均匀涂抹液体胶。最后将未固化的接头放入120℃的温度箱中加压固化1h，之后接头保持压力冷却到室温。作为对比试验，选择与新型连接试件几何形状相同的胶接试件作为参考。传统胶接试件只通过搭接区域的胶层将金属板与复合材料板连接。将传统胶接试验件与新型连接件一同加压固化并冷却。加工好后的胶接试件和胶-多细针试件如图3所示。

图1 胶-多细针接头设计思路Fig.1 Concept of adhesive-multi pin joint

图2 试验件几何尺寸（mm）Fig.2 Specimen geometry configuration (mm)

图3 常规与新型金属-复合材料连接试验件Fig.3 Conventional and novel metal-composite joint specimens

试验测试

图4 试验件夹持方式Fig.4 Clamping method of specimens

拉伸试验参照ASTM D 1002-10标准在MTS E45.105型万能试验机上进行。试验机量程为50kN，在负载范围内接触力测量相对误差为±1%。试件垂直放置，两端被试验件夹头夹紧：复合材料被活动端夹持，金属板被固定端夹持，见图4。试件两端均贴有25mm×25mm的垫片，金属板端垫片厚度与金属板厚度相同，复合材料端垫片厚度与复合材料板厚度相同，从而保证试验件中两被连接件的贴合面与载荷的施加轴线重合。由拉伸试验机上夹头施加位移载荷，加载速率为0.2mm/min，采样频率为5Hz。

结果与讨论

1 接头载荷-位移曲线

对两种不同类型的单搭接头进行拉伸试验。每种接头的3件试样载荷-位移关系具有良好的一致性。其中一组典型的试验结果如图5所示。载荷-位移曲线表明，胶-多细针接头比胶接接头具有更大的承载能力。载荷-位移曲线与横轴围成的封闭区域面积表示试样破坏过程中吸收的能量。对于这两种类型的接头，胶-多细针连接结构所吸收的能量是胶接接头吸收的数倍以上。此外，从图5中还可以看出胶接接头的失效是突然发生的，这种突发性的破坏对结构的影响是灾难性的。

图5 两种接头载荷-位移曲线对比Fig.5 Comparison of load-displacement curves between adhesive joint and adhesive-multi pin joint

值得注意的是，胶-多细针接头的破坏过程比传统的胶接接头更具有工程意义。金属细针一方面可以抑制界面胶层的开裂，另一方面与界面胶层共同承受载荷。这样，当界面胶层开始破坏后，连接结构的承载能力不会迅速下降至零，而是随着位移的增加缓慢下降。这有助于在连接结构突然发生故障之前检测到结构中的缺陷。

此外，金属细针直径很小，并且通过胶层与板连接，对板的强度影响不大，克服了传统机械连接引起的应力集中问题。总之，胶-多细针接头大大提高了接头的承载能力，保证了连接结构的稳定性，提高了结构的强度。

2 接头破坏分析

图6和图7表明这两种类型的接头有着不同的断口模式。在剪切力作用下胶接接头首先在接头端部产生裂纹，裂纹在搭接区域迅速扩展，随后接头突然发生破坏。此外，胶接接头金属板和复合材料板之间的胶膜发生了严重的内聚破坏，而内聚破坏对金属和复合材料造成的损伤较小（图6），与复合材料相比，胶膜对金属的粘附性更强。对于胶-多细针连接结构，在低载荷条件下，由于细针的抑制作用，界面胶层不会发生迅速破坏；当载荷达到破坏强度时，连接结构载荷发生局部下降，接下来的阶段细针从复合材料中拔出，在细针与胶层共同作用下，连接结构的位移逐渐增大，随着细针从复合材料中完全拔出，连接结构载荷下降为零。在整个拉伸过程中，细针一方面抑制胶层的开裂，提高连接强度；另一方面与胶层共同承载，增大了连接结构的破坏位移和能量吸收量。图7所示为复合材料在45°铺设方向发生破坏。此外，在连接结构发生破坏前后，金属细针发生了塑性变形，出现了明显的弯曲，个别细针甚至发生了断裂破坏。金属细针的拔出失效以及复合材料自身的分层破坏，最终导致了胶-多细针接头的失效，进而产生了与胶接接头不同的力学性能。

图6 胶接接头断口模式Fig.6 Fracture mode of adhesive joints

图7 胶-多细针接头断口模式Fig.7 Fracture mode of adhesive-multi pin joints

结论

为了提高金属复合材料连接结构的力学性能，本文提出了一种胶-多细针的连接方法。在拉伸载荷测试下，对传统胶接接头和胶-多细针接头进行比较，得出以下结论：

（1）与胶接接头相比，胶-多细针接头在极限破坏载荷、破坏应变和能量吸收量等方面均有提高。这些优异的性能使胶-多针连接结构有广阔的应用前景。

（2）贯穿连接件的细针与被连接件之间具有桥联作用力，从而使得细针不但抑制胶层开裂和层压板面外分层，而且与贴合面上的胶层一同传递被连接件之间的载荷，提高复合材料与金属连接结构的承载能力和可靠性，并降低连接结构破坏的突发性,有利于结构缺陷的检测。

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