复合材料在现代航天材料中的应用现状

焊接技术范文第四篇：复合材料在现代航天材料中的应用现状

　　摘要：随着航空工业科学技术的不断进步对材料的性能要求更高，复合材料在现代航天材料中应用地位越来越高。复合材料的连接方式成为目前的热点问题，本文通过对复合材料连接方式的连接机理、失效模式、应用发展、优缺点等进行分析比较，重点分析电阻焊接技术在复合材料焊接领域的应用现状。

　　关键词：热塑性复合材料；连接；电阻焊；

　　作者简介：杨爽（2000-），女，辽宁沈阳人，主要研究方向：复合材料焊接。；*王静（1981-），女，辽宁沈阳人，主要研究方向：聚合物基复合材料。；

　　基金：辽宁省"兴辽英才计划"项目（XLYC1907019）；大学生创新创业训练项目（202010143005）；

　　随着航空航天等领域的不断创新发展，复合材料具有比强度、比刚度高，相对简单的成型工艺，可大幅度地降低飞机的自身重量等诸多优点，先进复合材料成为军事武器以及民用航空器的理想材料。飞机用复合材料已有将近50年的发展历史，航天器上的大型构件采用化整为零的方法以降低制造难度[1],那么构件的连接将影响材料的整体强度，传统的机械连接方式不满足轻量化的要求还会导致应力集中；胶接连接方式，易受环境影响，剥离强度低；焊接连接方式可以很好地解决应力集中，热膨胀系数等问题[2].新一代空客A320复合材料用量在50%以上龙骨梁使用了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（CF/PEEK）组件采用焊接的连接方式无铆钉连接。

　　热塑性复合材料的熔融连接方法有激光焊、电磁感应焊、超声焊以及电阻焊等，焊接介质的选择和设计是电阻焊接头性能的重要影响因素。目前焊接介质主要分为两类，不锈钢金属网加热元件和碳纤维加热元件。不锈钢金属网导热性好与电极连接简单，但界面融合性和接头力学性能差。碳纤维加热元件，碳纤维混编织物加热元件相对于单向碳纤维加热元件的焊接界面温度分布更均匀[3],电阻更大，承载的横向拉伸力更大，焊接接头性能更好。因此，碳纤维混编织物作加热元件的电阻焊接工艺流程简单、成本低[4],产品力学性能好，应用前景广阔。

　　1 复合材料连接技术的发展

　　航天器所应用的复合材料大多为大型构件，因此复合材料构件间的连接是不可避免的，连接部位的力学性能相对较差，含有结构形状的各种间断[5],容易发生局部的应力集中导致破坏失效，对复合材料整体的强度有影响，为了使载荷的有效传递，采用合理的连接方式保证复合材料结构性能。本文将对各种连接方式进行逐一分析比较。

　　1.1 机械连接

　　20世纪60年代，美国国家航空航天局就已开始对机械连接方式开展研究[6].机械连接包括螺栓连接和铆钉连接，但无论哪种连接方式都会导致纤维断裂，出现应力集中、局部强度降低，但机械连接便于拆卸、可重复装配、可靠性高、技术应用广泛、适用于大面积连接。

　　1.2 胶接连接

　　20世纪80年代，复合材料胶接技术在航空航天领域应用广泛。环氧基、双马来酰亚胺基、氰酸酯基等强化树脂体系是复合材料胶接技术的主要应用范围。美国土星S-Ⅱ二级运载火箭采用胶接结构，应用52种胶黏剂以此减轻重量，从而增加射程，节约成本。我国生产的运-7,运-8等飞机也大量使用胶接体系及技术，运-7机身有26块点焊胶接壁。虽然我国在军用飞机上的胶接技术和体系已经达到先进水平，但大面积胶接技术在大型民用飞机上的应用还有待进一步提高。

　　1.3 焊接

　　复合材料焊接方式有激光焊、感应焊、超声焊、电阻焊，四种焊接方式均是加热熔融使树脂分子扩散融合，基体之间有很好的相容性。

　　（1）激光焊适用于复杂构件，分为激光穿透焊接技术和激光直接连接技术。激光穿透焊适用于透明树脂与不透明树脂、碳纤维增强热塑性树脂、金属材料的连接。激光直接焊与电阻焊接相似，激光在材料表面产生热使界面熔融连接。

　　（2）感应焊的焊接界面需要植入电磁感应器焊接成本高、界面温度分布不均匀，影响植入物焊接强度[7]

　　（3）超声焊操作简单，时间短，不需要做复杂的表面处理，但导能筋的选择和制作困难。

　　（4）电阻焊工艺简单成本低，技术相对比较成熟，在很多方面已经取代机械连接和胶接，在复合材料领域具有广阔前景。

　　2 电阻焊

　　2.1 焊接参数

　　影响电阻焊接效果的工艺参数主要包括电流、压力和时间。

　　（1）电流的影响：电流与输入热量成正比，输入热量与熔融体积成正比[6].电流通过电阻元件时会产生焦耳热，当电流较低时，产生的焦耳热不能完全熔融焊缝处的树脂，树脂分子扩散和连接不充分，导致焊接接头剪切强度低：当电流较大时，产生的焦耳热过大会使树脂分子链断裂、热降解和烧蚀变性等，使接头性能下降。

　　（2）压力的影响；当压力过低时，受热软化熔融的树脂不能够充分流动，不能排掉焊缝中的空气存在空隙，而压力过高，熔融的树脂挤出焊接界面导致焊缝的树脂含量过低，不能够有效的黏结，因此焊接压力过高或过低对接头力学性能都有影响。

　　（3）焊接时间的影响：焊接时间短，热影响区域小，树脂流动连接不充分；焊接时间过长会导致树脂热解甚至烧蚀，使焊接接头整体软化以及纤维排布变形，剪切强度降低。为准确快速找到合适参数，2019年路鹏程等国内学者采用taguchi方法计算信噪比并预测参数的最优组合，是热塑性复合材料电阻焊接参数优化的一次进步[7].

　　2.2 焊接介质

　　在电阻焊中加热元件有着至关重要的作用，完成焊接后加热元件固结在接头中，影响接头质量，2013年郭青等[8]国内学者使用聚苯胺作加热元件，解决了电阻丝的残留问题，介质与焊件发生互融接头性能更好。2019年路鹏程等[7]使用CF/PPS混编织物作为加热元件焊接CF/PPS复合材料，不引入异质材料，接头性能更好，而且适用于其他的热塑性复合材料电阻焊，这将是电阻焊的一个发展方向。

　　图1 CF/PPS单搭接焊接示意图

　　2.3 电阻焊发展方向

　　电阻焊接具备焊接装置简单，成本低，操作简便等优点。完善焊接装置可以促进电阻焊接在大型器件中的应用。

　　目前采用碳纤维混编织物作加热元件还存在一些问题，如不能承受过高电压，不能实现大尺寸焊接，热塑性聚合物增韧后能否实现电阻焊接等这些领域还有待研究。

　　3 结语

　　电阻焊具备操作简单成本低等优点，在航空航天领域得到广泛应用。选择合适的碳纤维混编织物作为加热元件可以改善热塑性复合材料焊接接头应力集中等问题，采用taguchi方法可节约实验成本较快得出最优实验参数。目前小尺寸复合材料的焊接技术已经成熟，但在大尺寸材料的应用上依然存在问题，仍需继续研究。

　　参考文献

　　[1]张增焕，刘红兵航空领域热塑性纤维复合材料焊接技术发展研究[J]航空制造技术， 2015（14）：72-75.

　　[2]周利，秦志伟，刘杉，等热塑性树脂基复合材料连接技术的研究进展[J].材料导报， 2019,33（19）：3177-3183.

　　3]刘洪波，迪力穆拉提阿卜力孜，吴旺青，等聚合物基复合材料电阻焊接技术研究进展[J]玻璃钢/复合材料， 2015（1）：97-102.

　　[4]纪朝辉，王宏洋，孙凌丰，等PPS/CF复合材料电阻焊接工艺及性能评价[J]焊接学报， 2020,41（3）：80-85.

　　[5]高佳佳，楚珑晟，驷阳，等。纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析[J]航空制造技术， 2020,63（11）：94-101.

　　[6]姜庆滨，王晓林，闫久春热塑性树脂基复合材料焊接研究[J]材料科学与工艺， 2005（03）：247-250.

　　[7]路鹏程，陈栋，王志平碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接_ I艺[J]复合材料学报， 2020,37（5）：1041-1048.

　　[8]郭青，李瑞琦，陈征，等导电聚合物复合材料的产热特性及电阻焊接工I艺[J]焊接学报，2013,34（5）：79-82+117.