摘要:在大型或復雜航空結構生產、組裝時，構件間的連接尤為重要。傳統的復合材料連接技術具有一些明顯缺陷。針對熱塑性復合材料，人們一邊深入探索新型高效的機械連接和膠接方法的同時，一邊著眼于具有巨大潛力的熔融焊接技術。針對熱塑性復合材料各類連接技術，對它們的特點、應用及研究現狀進行概述，重點論述了電阻焊接、感應焊接、超聲焊接三種焊接技術，并對航空結構熱塑性復合材料發展進行了展望。航空結構整體化成型技術的發展，使機械連接結構大幅度減少，但是某些傳遞大載荷的分離面仍需要采用機械連接，因此也就更為關鍵。如空客A380機身段的連接和機翼的鉚接，F-22型戰斗機機翼使用緊固連接件高達14000個。另外，機械連接雖然有連接效率低的缺點，但其突出的優點是安全可靠、傳遞大載荷、可重復裝配和拆卸。因此，機械連接在未來很長時間內仍是飛機結構主要的連接手段之一。機械連接按照連接對象可分為復合材料連接或復合材料與金屬連接。圖1所示為鋁和復合材料的兩步緊固，將鋁和層合板放置于沖頭和分體式模具之間，通過沖壓形成機械互鎖，再經過底部模具向上壓實形成咬合連接結構。Fig1SchematicdiagramoftwostepfasteningTPC與金屬的機械連接研究主要是設計先進的緊固工藝以獲取高強度接頭。Lambiase等研究了鋁和CFＲP的兩步緊固，表明沖頭錐度和直徑會顯著影響接頭底部形貌和CFＲP的損傷形式。將沖頭錐度角從12°減少到6°，剪切強度可增加50%。沖頭直徑增加能提高鋁和CFRP接觸面積，但容易造成層合板產生分層缺陷(圖1)。Lambiase對比分析了不同緊固模具對TPC/金屬連接接頭的影響。證明開槽模具不適合連接TPC，矩形模具通過較低的連接力能獲得較高的剝離強度，圓形模具可以成型出性能最佳接頭。孫勝等通過有限元方法建立了復合材料螺栓連接和鉚接模型，較小過盈量的干涉配合能提高連接強度，采用凸頭鉚釘的連接結構擠壓強度與埋頭鉚釘相比提高15%。為了減少工藝引起的損傷，可以通過加熱基體來提高延展性。Benjamin等介紹了三種新型的機械連接技術，如圖2所示。1)沿厚度方向切割金屬及TPC，局部加熱使樹脂軟化后通過模壓成型(貼合);2)在加熱后的TPC內植入嵌件，在TPC不變形的前提下成型(鑲嵌);3)對傳統剛性連接的改動，通過模壓直接成型(壓合)。貼合連接使纖維重新定向，接頭成型快，適用于連接超高強度鋼或厚層合板。鑲嵌連接使纖維在樹脂流動狀態下被移到兩邊，應用更加靈活。壓合連接不需要準備步驟或精度要求，不用打孔破壞纖維。膠黏連接是一種能夠傳遞均勻應力的高效連接方式，減重的同時提高了抗疲勞和耐腐蝕能力。現代飛機的機身、油箱、艙門等部件的制造中均有大量應用，例如B-58重型轟炸機采用膠接取代約50萬只鉚釘，黏接壁板面積占全機總面積的85%;一架小型飛機采用膠接替代鉚接，可減重20%，強度提高30%。金屬與復合材料膠接破壞形式如圖3所示。在實際生產中，由于膠接受工藝影響較大，并且復合材料與膠層界面復雜，基體/膠層界面的黏接強度難以準確測定。從其破壞形式可知，要獲得承載性能最佳的膠接接頭，需要提高膠黏劑和基材之間、層合板層間的界面結合強度，使最終破壞形式傾向于膠層內聚破壞，最大化發揮膠黏劑性能。董煒等研究了表面處理工藝對鈦板與復合材料黏接性能的影響，證明合適的表面處理工藝能提高膠黏效果。Hirulkar等研究了濕熱老化結合循環熱沖擊對CFRP膠接接頭彎曲性能的影響，濕熱老化時，溫度越高接頭強度降低越明顯，而熱沖擊對彎曲性能影響不大。與TSC相比較，TPC吸水率低，不易受濕熱條件影響，但膠黏劑種類不同會導致耐濕熱性能有所區別，影響接頭性能。要實現良好的黏接，需要根據基材類型和性質、接頭服役環境、成本因素選用合適的膠黏劑。進行相應篩選試驗，獲取不同結構膠黏劑的力學性能，以供合適的選擇。為獲得足夠的接頭強度，Peng等采用熱熔膠膜和熔融黏接兩種連接技術研究了工藝參數(熔融溫度、鋪層順序等)對玻璃纖維/聚丙烯(GF/PP)接頭強度的影響，相比之下熔接強度更高，而熱熔膠膜連接加工周期短，成型壓力更低。TPC具有較低的表面能，這使得黏合劑很難黏附表面并產生良好的黏接。Rhee等在固定氣氛環境下，用直流等離子改性鋁板表面，增加了表面粗糙度，剪切強度相較原始試樣提高33%，剝離強度提高6倍。Rhee等研究了輻照處理對鋁－復合材料黏接接頭的影響，氧環境下，氬離子輻照能使碳氧親水鍵強度增加，斷裂韌性有顯著提高。所以黏合劑和表面處理方法的選擇對于接頭強度至關重要，也是具有前景的研究方向。在連接復合材料時，使用機械連接預制孔會破壞增強纖維，而影響整體結構性能，異種材料連接還有可能產生電偶腐蝕弱化界面。對膠接來說，受環境影響、黏結劑的固化時間較長是其主要缺點。此外，TPC的膠接還需要預處理以改善復合材料的潤濕性和表面張力。熔融焊接指的是將界面處的樹脂加熱至黏性狀態，使樹脂基體相互擴散，并冷卻形成焊接接頭。根據發熱機制的不同可以將熔融焊接分為三類，如圖4所示。德國宇航中心采用電阻焊接制造了新A320飛機后壓力艙壁展示件，采用碳纖維結代替原有金屬網，將8塊CF/PPS復合材料部件焊接起來。荷蘭Fokker公司采用CF/PPS復合材料通過感應焊接制備了灣流G650的方向舵和升降舵。與機械連接和膠接相比，焊接方法可以獲得可靠、穩定的接頭，更具發展優勢。電阻焊接(ＲW)原理如圖5所示。電流流經加熱元件產生焦耳熱，在加熱元件表面的高溫會導致熱塑性樹脂的熔化，由焊接壓力壓實形成焊接接頭。目前研究集中在控制焊接過程的參數以及影響接頭質量的因素。21世紀初Stavrov等認為搭接剪切強度測試(LSST)是表征接頭力學性能的唯一方法，但隨著研究深入，Reis等認為LSST只能提供斷裂時的平均剪應力，無法表征實際環境復雜性，需要單一或混合加載的韌性試驗評估接頭的斷裂行為。接頭溫度分布會影響整體結構和最終力學性能，Panneerselvam等對GF/PP的電阻焊接展開研究，電流水平、壓力大小及加熱時間會影響接頭性能，電流過低或加熱時間太短不足以軟化基體，反之又會引起局部過熱或纖維斷裂。Shi等發現，GF/PEI焊接接頭內部溫度和熱應力分布會影響孔隙分布，而孔隙形成與殘余物(制備預浸料的溶劑和水分)揮發或高溫下基體剛度降低引起的殘余壓應力釋放有關。加熱元件(HE)作為焊接過程中最關鍵的部分，如何產生均勻的加熱和較好的界面結合強度是人們所關注的重點。20年前Ageorges等就比較了單向纖維和織物兩種加熱元件，兩者都顯示出溫度隨電阻增加而增加的特性，但織物相比具有更好的溫度均勻性，單向纖維橫向上的傳熱相當差。單向纖維的好處在于不會產生異種植入物，同種材料的結合性能更好。而力學性能方面，織物比單向纖維的搭接剪切強度(LSS)高出69%，層間斷裂韌性(GIC)高179%。González等對兩種系列的不銹鋼網加熱元件進行對比試驗，加熱元件參數如表1所示。不銹鋼網較小的絲束密度能使熔融樹脂在網眼兩側均勻擴散，但更大的絲束密度代表更快的加熱速度，達到所需樹脂熔融溫度時的電流強度更低。由于TPC電阻焊接時加熱元件與碳纖維不可避免的接觸，可能會在接頭內部產生新的回路導致漏電，影響界面性能。Dubé等開發了一種陶瓷涂層(TiO2)不銹鋼網的絕緣加熱元件，在加熱元件表面通過高速氧火焰噴涂法沉積一層高延展性的納米結構TiO2粉末，涂層良好的隔熱性能降低了邊緣效應，提高了焊縫溫度均勻性，同時在樹脂熔融后觀測到電阻值并沒有下降，成功防止電流泄漏。感應焊接(IW)的原理是在導電線圈上施加交流電壓時產生交流電，感應出時變磁場，當加熱元件被放置在時變磁場附近時，就會產生渦流，渦流流過導電回路在焊接界面產生熱量，因此也可以使用編織增強纖維產生閉環，如圖6所示。與電阻焊接不同的是，感應焊接不需要感應線圈與加熱元件接觸，能夠更好地控制加熱區域。感應磁場的加熱元件種類以及待焊部件種類不同導致加熱機制的不同。目前學術界根據產熱位置分為:焦耳損耗加熱、介電滯后加熱及接觸結點加熱。對于復合材料的復雜結構，確定加熱機制對控制接頭溫度均勻性和力學性能至關重要。文獻采用數值模擬方法研究了TPC感應焊接，如表2所示。對感應加熱而言的主要問題是焊接區域溫度分布均勻性，線圈形狀、圈數會影響產生磁場大小，不同形狀的線圈適用于不同的焊接試件。接頭區域的幾何形狀會造成不同的邊界效應，如圖7所示。當線圈尺寸大于焊接區域尺寸時，渦流只能沿著最靠近的邊緣流動，從而導致邊緣區域電流密度和溫度較高。解決這一問題目前有兩種方法:一是模擬會產生邊緣效應的區域，通過改變線圈形狀降低影響。另外一種是優化金屬網的形狀來重新定向渦流流動路徑，從而創建更均勻的加熱。2017年加拿大學者Farahani等提出了一種新型的碳納米纖維加熱元件，在碳納米纖維表面涂層鍍銀或鍍鎳，研究了這些新型加熱元件在單向(UD)和緞紋織物(SWF)CF/PPS復合材料感應焊接中的加熱效率，用LSS表征接頭強度并與傳統不銹鋼網接頭進行了比較。結果如表3所示，HE#1代表Ag涂層CNF，HE#2代表Ni涂層CNF。根據這些結果表明，加熱過程的升溫速率取決于加熱元件的類型以及待焊件類型，緞紋織物表現出比單向纖維復合材料更高的升溫速率，且加熱速率越高，搭接剪切強度越高。涂層后的碳納米纖維表現出與不銹鋼網相當或部分超過的力學性能。1984年Potente提出超聲焊接熱塑性高分子材料的機理，圖8為超聲焊接(UW)原理圖，待焊件與導能筋(感受器)在焊接壓力下接觸固定，超聲波發生器將高頻交流電轉換為高頻振動，小振幅變化的運動產生了分子間摩擦并轉換為熱能，經過傳導到達接頭界面，直到熔融導能筋，在壓力下流動并浸潤待焊件形成連接。與電阻焊接、感應焊接等其他焊接技術相比，超聲焊接是最快的連接方法之一，適合大量和自動化生產。不像感應焊接與電阻焊接需要植入異種材料或纖維，而是在焊接界面鋪敷一層叫做超聲波導能筋(ED)的凸起或平整的樹脂材料，減少了可能造成的影響。綜合最新研究進展，TPC超聲焊接的研究重點在于工藝參數優化、焊接控制方式、導能筋類型、異種復合材料焊接。控制超聲焊接工藝的參數是壓力、振幅和時間，而振動頻率對選用的超聲波發射器一般是固定的。壓力和振幅決定產熱速率，振動時間決定了輸入焊接接頭的能量以及最終質量。研究表明，焊接質量隨焊接時間的增加而提高，但較長的焊接時間會在接頭界面處形成較大的孔洞和裂紋。Hongon等研究了不同頻率的聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯搭接聚合物的超聲焊接，研究表明高頻［(67～180)kHz］下形成的接頭強度高，這是因為高頻提供更高的界面溫度。在焊接過程中，振動時間可以通過設定值來直接控制，或是通過改變焊接能量和超聲波發生器垂直位移兩個參數來間接控制。即“能量控制”或“位移控制”方式。相較于能量控制，位移控制焊接能夠獲得更穩定、可靠的焊接接頭質量。導能筋(ED)是富含樹脂的人造微突起結構，不含任何纖維，在焊接過程中放置在界面處，是超聲焊接中最重要的結構之一。它通過和被附著物相對運動、自身剛度低于被附著物剛度兩個先決條件來集中加熱，相對運動能促進表面摩擦，剛度差距促進黏彈性加熱。典型的導能筋形狀為三角形、半圓形和矩形，如圖9所示。表4提供了部分ED對接頭性能影響的研究，其形狀決定了界面接觸狀態，影響基板之間的熱量產生，從而影響接頭質量。然而，使用ED會導致局部纖維含量減少，這是由于添加了額外的樹脂基體，從而導致接頭薄弱。需要注意的是，ED中填充纖維會對接頭性能造成影響，但其復雜影響還需深入研究。電阻焊接發展最早，發展至今工藝水平不斷提高，接頭質量也隨之更優，但表征接頭性能的方法非常有限，對于疲勞、蠕變或環境影響下的接頭行為研究較少，通過獲取不同環境影響下的數據，能得到更真實的焊縫質量圖像。其次，焊接時需要使用植入物可能會影響焊接強度，并導致成本相應增加。電阻、感應焊接都存在邊緣效應導致界面不均勻加熱，對于接頭性能造成較大的影響，為了消除或減弱這種影響，可以采用焊件兩端主動冷卻或使用較高焊接功率等方法。同時對于感應焊接加熱機制到底是通過纖維導電的渦流加熱，通過相鄰處纖維重疊的焦耳加熱或是介電滯后加熱，還需要更深入的研究，數值模擬方法被證明是行之有效的焊接分析方法。超聲焊接與前兩種方法的區別在于不需要添加異種材料，通過鋪敷同種基體的樹脂膜就能達到連接的目的，導能筋形狀及數量、纖維填充含量都是目前正在研究的主要問題。超聲焊接也存在一定局限性，大型的連續連接無法在一次焊接過程中完成，對于特殊的幾何形狀結構還需要進行特殊設計。由于振動很難穿透較厚的部件并在焊接區域振動，因此不足以產生良好質量的焊縫，由于設備功率限制，目前焊接厚度都限制在3mm左右。焊接過程中，某些高剛度、高硬度和材料特性中的阻尼因素會改變傳遞到焊接界面所需要的振動能量。由于循環載荷作用，部件有可能在過程中發生疲勞破壞。在生產零部件方面，電阻焊適合形狀簡單的焊縫焊接，感應焊有處理復雜幾何形狀焊縫的潛力，超聲焊接更適合點焊。三種方法的共同點在于都依賴工藝參數的變化，比如焊接時間、功率、壓力等等，因此如何擴大工藝窗口也是未來工程應用和科學研究的熱點。從總體上看，電阻、感應、超聲焊接都是適用于熱塑性復合材料連接的技術，通過加熱焊接界面來熔融樹脂基體，并冷卻固化形成焊接接頭。在實際生產中，TPC的電阻和感應焊接已經在航空航天工業的高端結構件有少量應用，超聲焊接速度快，周期短，但焊接存在厚度限制，同時由于循環載荷不適用于高耐久結構的焊接。表5提供了CF/PPS的電阻焊(ＲW)、感應焊(IW)、超聲焊(UW)的最佳工藝參數以及LSS對比。如表5所示，在最佳工藝參數下，三種焊接技術的剪切強度都達到了31MPa以上。在斷裂表面的觀察中發現電阻焊接在靠近接頭邊界的位置仍有樹脂未完全熔化。如3.1所提及的，由于邊緣效應的存在，邊界應當是感應焊接時溫度最高的位置。然而與電阻焊接接頭相比，理當較高的焊接質量并沒有使感應焊接接頭具有更高的剪切強度。研究表明，無論采用三種焊接工藝中的哪一種，焊接接頭都可以獲得類似的力學性能。Reis等通過DCB試驗獲得I型斷裂韌性結果顯示，RW接頭的臨界能量釋放率較高。應考慮其他因素或者采用單一或混合模式加載的斷裂韌性測試方法表征接頭性能，量化其抗損傷性能。為特定應用選擇焊接工藝，接頭的材料和幾何形狀也是影響焊接工藝選擇的考慮因素。TPC的熔融焊接與機械連接、膠接相比具有無法比擬的優點，包括減少表面處理要求、具有可再加工和可回收性等。其中電阻焊、感應焊、超聲焊因其能夠在焊接界面直接加熱至熔體熔融黏合，降低對結構其余部分的影響而成為最有發展意義的連接技術。除了上述的幾種連接方法，熔融焊接中的攪拌摩擦焊、摩擦自鉚焊等具有長遠的研究和發展前景。同時，新型連接技術的探索也至關重要，從化學鍵合、異種材料連接、新型結構等角度開發連接技術。Ageorges等提出了熱塑性樹脂混雜夾層的連接方法，將纖維布一面涂覆熱塑性樹脂，控制樹脂厚度使其僅浸漬纖維布單側，然后放置另一側與TSC濕鋪層一同熱壓固化，纖維布能促進熱塑性和熱固性樹脂的機械聯鎖。Meng等提出多尺度機械聯鎖和黏接耦合的摩擦自鉚焊接，通過設計接頭結構使其抗剪強度達到27MPa。Deng等綜述了熱塑性樹脂－環氧樹脂的相互作用，通過共固化獲得帶有熱塑性表面層的熱固性基體，在共固化過程中會形成半互穿網絡，為熱塑性復合材料的異種連接提供了理論依據。Hufenbach等通過熱塑性樹脂基體可熔性，在GF/PP材料中引入金屬銷釘，分析了幾種銷釘在TPC內的失效模式，為新型熱塑性復合材料連接技術的發展提供了選擇。另外，Jiang等綜述了TPC與金屬連接技術的發展現狀，從成型、界面結構及連接機理等方面分析攪拌摩擦焊的特點，認為攪拌摩擦焊與其他新型連接技術結合是未來發展方向。此外，進一步研究反應性加工熱塑性塑料的焊接也是必要的，如使用液體注射工藝制造的聚氨酯、環對苯二甲酸丁二醇酯等。1)機械連接和膠接連接技術成本低，簡單可靠，在航空領域得到非常成熟的應用，但用于熱塑性復合材料連接時，存在一些固有缺陷。目前研究熱點集中在先進的緊固工藝，選用合適的膠黏劑和表面處理方法。2)電阻、感應、超聲焊接是熔融焊接技術中研究最熱門和具有前景的連接技術。試樣的連接質量由接頭溫度分布、接頭植入元件種類、成型工藝共同決定。連接質量可以通過搭接剪切強度表征，在合適的工藝參數下，三種焊接技術獲取的搭接剪切強度相近，但雙懸臂梁測試下的I型斷裂韌性差異較大。3)除本文介紹的連接方法，TPC與異種材料如TSC、金屬、功能梯度材料的連接技術也具備發展前景。熱塑性復合材料連接技術的發展對實現高質量、高效率、低成本、輕量化的航空結構連接意義巨大。大多數研究集中在通過實驗分析工藝參數和接頭質量的影響規律，今后可以從多尺度層面探究不同參數間的耦合作用機理。搭接剪切實驗并不能完全表征連接質量，仍舊欠缺完善的表征方法。另外，對蠕變、疲勞載荷下的接頭行為研究相對較少，應通過數值模擬方法構件連接模型，模擬失效行為及預測壽命和強度。來源：復合材料漫談
作者：蘇景新,卞文熙,路鵬程.熱塑性復合材料連接技術綜述[J].塑料工業,2022,50(07):17-25+36.
原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：熱塑性復合材料連接技術綜述
