碳纤维增强树脂基复合材料与金属材料的胶接及混合连接技术研究进展

张 龙，马冀君，李锋伟，高 琪，王以宁，刘盈斌，杨 森，王志强，杨亚峰，于方丽

(1.西安航空学院 材料工程学院，西安 710077；2.航空工业庆安集团有限公司，西安 710077；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，西安 710100；4.中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安 710065)

0 CFRP与金属材料胶粘技术的发展现状

CFRP具有密度小、比强度和比模量高、耐腐蚀等优异性能，广泛用于国防、航空航天、交通运输、医疗器械等领域[1-3]。因CFRP存在成本高、服役温度范围窄且力学性能易受湿热环境影响等问题，通常将其与金属材料(铝合金、钢、钛合金等)连接作为结构材料使用，以便在保证结构可靠前提下最大限度发挥CFRP的性能优势[4-6]。由于CFRP的物理和化学特性与金属材料差异较大，传统的铆接、焊接等连接工艺不能满足要求，CFRP与金属材料的有效连接成为该领域研究的重点问题之一[7-10]。随着胶粘剂胶接性能的不断提高，工艺简单、成型性好、成本低廉、适用性广的胶接和基于胶接的混合连接技术逐渐成为解决CFRP与金属材料之间有效连接的首选方法[11-13]。

胶接技术是利用胶粘剂与母材之间的化学或物理反应将异种材料进行有效连接的一种方法[14]。胶接接头能有效避免应力集中，提高材料的抗振性，广泛应用在航空产业的机身、油箱、舱门等结构件制造工艺中，但胶接接头存在耐老化性和耐冲击性较差，接头受环境影响较大等问题[6,15]。基于胶接和机械连接的混合连接技术可将胶接与机械连接的优势相结合，从而保证接头具有更大的承载能力、更强的抗疲劳性能和更高的安全性，已应用于航空航天和汽车制造等领域。纯胶接技术和基于胶接的混合连接技术各有优势：通常对于应力较小的薄壁结构，应尽可能采用胶接；而对于连接件较厚、受力较大的结构，通常采用胶铆或胶螺混合连接工艺，以保证接头具有更高的可靠性。

1 CFRP与金属材料的胶接机理及工艺影响因素

CFRP与金属材料的纯胶接技术是一种基于高分子胶粘剂与被粘母材表面经物理或化学反应产生强相互作用，从而在CFRP与金属材料之间建立有效连接的技术。胶粘剂是胶接工艺中的关键，主要成分为脂类高分子聚合物，其在固化剂、增塑剂等辅料作用下发生交联固化反应，同时与母材表面连接。接头粘接强度受被粘母材表面状态、胶层厚度、固化参量以及服役环境等因素影响较为严重。深入认识胶粘机理以及胶粘工艺中各因素对粘接强度的影响，对于优化胶粘工艺、增强胶粘接头强度具有非常重要的意义。

1.1 胶粘机理

粘接过程涉及表面化学、物理流变学以及断裂力学等多个学科领域，20世纪60年代国际学术界初步形成了较为完整的粘接理论体系。目前，胶粘剂粘接机理的主要理论有机械互锁理论、扩散理论、吸附理论和静电理论。虽然每种理论均能较好地解释某特定范围内的实验现象，但是目前尚未有全面合理解释胶粘机理的统一理论[16-17]。

1.1.1 机械互锁理论

机械互锁理论在胶粘技术中应用较为广泛，该理论认为胶接是胶粘剂进入被粘接表面不规则空间形成机械互锁的结果，该理论表明被粘母材表面粗糙度增加胶粘剥离强度显著增强。机械互锁理论可较好地解释金属与聚合物之间的粘接特征，但不能解释光滑表面之间粘接现象的作用机理[18-19]。

1.1.2 扩散理论

扩散理论认为胶粘剂的高分子链聚合物存在分子运动，当其与金属表面接触时会产生分子混合交织，使金属表面与胶接层紧紧固定在一起，达到混合胶粘的效果，最终使胶粘剂与金属表面形成界面层。根据该理论，适当改变胶粘剂的浓度有利于分子运动，增大扩散速率，提高胶粘接头的力学性能[20-21]。

1.1.3 吸附理论

吸附理论认为胶接与吸附现象类似，当胶粘剂与被粘物接触时发生浸润现象，胶粘剂分子移动到被粘物表面，极性基团逐渐接近，当极性基团距离小于5×10-10m时，胶粘剂和被粘物表面分子相互吸引，形成有效的表面张力，通过分子间作用力形成牢固的胶接粘合。该理论认为吸附过程包括两个阶段：第一阶段胶粘剂分子通过布朗运动扩散到被粘物表面；第二阶段胶粘剂分子与被粘物表面距离缩小，分子间作用力增大产生吸附力，从而提高粘接强度[22-24]。

1.1.4 静电理论

静电理论认为胶粘剂表面和被粘物表面形成了正负离子双电层，在库仑力的作用下发生静电吸引，从而产生粘接。该理论假设两种材料在交互作用时，电子发生转移，产生带电的界面层。静电理论在解释硅烷涂层对某些酸性材料粘接方面有较高应用价值，但对于碱性增强材料并不适宜，且该理论仅在能形成双电层的胶接体系中成立，不具有普适性[25-27]。

1.2 CFRP与金属材料胶接强度的影响因素分析

1.2.1 胶接层厚度

胶接层厚度是影响CFRP与金属材料纯胶接接头力学性能的重要因素之一。候皓天[28]分别测试了胶层厚度为0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm的CFRP/Al单搭接接头胶粘强度。通过拉伸测试发现随着胶层厚度的增大，粘接强度逐渐降低，这与胶层厚度较小时拉伸变形量小，胶粘区域末端应力集中小有关。将接头进一步经10%NaCl溶液，在28±2 ℃条件下老化165天后，发现0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm厚的接头粘接强度分别下降了21.3%、19.7%和12.9%。由此可见，胶层厚度对接头的耐环境腐蚀性能也有较大影响。有研究表明胶层厚度存在一定的最优值，Diharjo等[29]研究发现CFRP/Al-2024单搭接接头的胶层厚度从0.2 mm增加到0.4 mm时剪切强度增加了5.91%，但是当胶层厚度继续增加至1.0 mm时剪切强度大幅度降低(降幅可达47.69%，图1)。然而，Lavalette等[30]利用有限元分析方法建立CZM内聚力模型发现胶层厚度从0.1 mm增加到0.4 mm时，CFRP/Al接头粘接强度变化较小，该结论也得到了管状接头拉伸试验证实。可见，胶层厚度对接头粘接强度的影响比较复杂，在实际工程中应结合接头应用环境测试以获得最佳参数和性能。

图1 (a) CFRP/Al单搭接接头拉伸测试，(b)接头剪切强度随胶层厚度的变化[29]

1.2.2 表面处理工艺

被粘母材的表面状态也是影响接头力学性能的关键因素之一，母材表面几何结构和成分的改变对接头的剪切强度以及失效形式会产生显著影响。Bora等[31]对比了铝合金表面硅烷处理工艺中三甲氧基硅烷浓度变化对CFRP/Al接头粘接强度的影响，发现硅烷体积占比为3%时接头剪切强度可高至16.44 MPa。如果将铝合金表面进行预先打磨，则可将接头剪切强度进一步提高至17.27 MPa。硅烷处理使得树脂和金属之间形成化学键结合，铝合金表面均匀且较深的沟槽所产生的机械互锁对增强界面剪切强度起到正面作用。

针对金属材料表面几何结构对接头力学性能的影响，Akman等[32]系统研究了AA2024铝合金表面激光诱导沟槽结构对CFRP/AA2024界面剪切强度的影响，结果表明剪切强度随粘接面积的增加和沟槽入口宽度的增大而提高。粘接面积增加，而沟槽入口宽度减小会导致剪切强度的降低(图2)。此外，研究结果还表明，铝合金表面合适的沟槽结构可以使得CFRP表面的失效模式从胶粘模式转变为纤维撕裂模式。同时，该实验研究结果也证实了胶粘结构的机械互锁作用受限于被粘母材表面的几何特征。

图2 铝合金表面激光诱导沟槽结构对CFRP/AA2024界面剪切强度的影响[32]

金属表面喷砂和氧化处理是改善接头粘接行为的有效手段。Li等[33]对比了Ti表面处理方式对Ti/CFRP单搭接头界面剪切强度的影响，发现Ti表面喷砂后界面剪切强度从7.3 MPa提高到17.6 MPa。进一步对Ti表面进行阳极化处理，由于表面存在氧化膜多孔结构，界面剪切强度增至22.6 MPa。Zhang等[34]通过磷酸阳极氧化处理在A6061表面制备了多孔氧化膜，发现氧化膜的存在使得CFRP/A6061剪切强度从5.3 MPa提高至40.0 MPa(图3)，强度提高的原因与膜层表面多孔结构的机械互锁效应和界面间强有力的化学键合有关。

图3 6061铝合金表面阳极化时间对CFRP/A6061胶粘界面剪切强度的影响[34]

此外，研究者发现CFRP表面结构变化能够影响接头的力学性能，Schanz等[35]研究了激光处理CFRP表面对其与铝合金粘接性能的影响，结果发现：当红外激光功率小于28.6 J/cm2时只对碳纤维产生表层损伤，不会影响CFRP/Al接头的剪切强度；当功率大于37.3 J/cm2时会对CFRP浅层的碳纤维造成严重损伤，进而明显降低Al/CFRP接头的剪切强度。

也有研究表明，常规的胶粘剂黏度较大，在粘接铝合金与CFRP时并不能完全填充铝合金表面碱蚀后的孔隙，通过在铝合金表面预制一层树脂膜填充铝合金表面的孔隙，然后进一步使用胶粘剂将其与CFRP粘接，可将CFRP/Al单搭接接头的剪切强度提高约10%，如图4所示[36]。因此，被粘金属材料表面的几何结构、原子状态显著影响其与CFRP的粘接特征，针对特定连接副和胶粘剂体系构建合理的表面结构可有效增强接头的综合力学性能。

图4 预制树脂膜对CFRP/Al单搭接接头力学性能的影响:(a)剪切强度；(b)载荷-拉伸曲线[36]

1.2.3 胶接过程控制

胶接过程中工艺控制也是影响CFRP与金属材料接头的关键因素之一。如何减少胶接接头的界面缺陷、提高粘接效率一直备受关注。

Wang等[37-38]发现胶接过程中通过超声振动可促进胶粘剂进入铝合金氧化层的多孔结构中，增大界面接触面积，有效地形成互锁结构，可使CFRP/Al接头剪切强度提高55%，接头失效模式由界面失效转变为混合失效(图5)。此外，超声振动时间是影响最为显著的参数。Wu等[39]研究表明使用硅烷偶联剂KH560对铝合金进行前处理可将CFRP/Al接头的剪切强度提高215.5%，接头失效模式也发生明显变化(如图6所示)。若在胶粘过程中施加超声振动，剪切强度的提高幅度可进一步增至267.5%。这是因为超声过程能够加剧铝合金表面接枝环氧官能团与胶粘剂之间的分子碰撞，在铝合金与胶粘剂界面形成更多的化学键，同时超声振动有利于胶接层中气泡的破裂与溢出，建立更有效的界面连接。另外，Yang等[40]研究表明固化过程中施加的压力对CFRP/Al接头粘接强度影响显著，当固化压力从0.1 MPa增加至0.3 MPa时接头的粘接强度逐渐增大。由此可知，胶接过程控制的关键在于将胶粘剂分子有效地与被粘母材建立连接，施加超声振动、增大固化压力等均可有效提高CFRP与金属材料接头的力学性能。该方法简单实用，在工程中应用前景广阔。

图5 胶粘过程超声振动对CFRP/Al接头失效模式的影响：(a)无超声振动；(b)超声振动[38]

图6 硅烷偶联剂KH560对CFRP/Al接头失效模式的影响：(a)有KH560；(b)无KH560[39]

1.2.4 服役温度与湿度

CFRP与金属材料接头的胶粘强度受环境温度与湿度的影响较为复杂。Machado等[41]研究发现，在准静态拉伸条件下，当环境温度从-30 ℃升高至80 ℃时，CFRP/Al胶粘接头强度表现出低的温度敏感性，而CFRP/CFRP胶粘接头则具有显著的温度依懒性。CFRP/Al胶粘接头强度温度敏感性低是因为铝合金基体相对于CFRP具有低的温度敏感性，虽然胶粘固化区会因为环境温度升高损失一定强度，但其韧性增加，故在一定范围内随着温度的升高，CFRP/Al胶粘接头强度并没有明显下降。然而，Mu等[42]研究发现，当环境温度从-40 ℃升高至80 ℃时，CFRP/Al胶粘接头强度随温度呈指数关系下降(如图7所示)，当测试温度接近玻璃转化温度Tg时，胶粘剂明显软化且具有一定的塑性，导致胶粘强度显著下降。同样，Nguyen等[43]在使用Araldite 420双组分环氧树脂胶制备的CFRP/steel胶粘接头强度也发现有类似的变化，随着温度从20 ℃升高至60 ℃，接头强度逐渐降低，且接头力学性能随温度的变化关系基本符合Hart-Smith模型。Zheng等[44]将CFRP/Al胶接接头置于60 ℃热水中进行老化试验，结果表明：老化20天时，粘接强度由未老化10.4 MPa减小至6.8 MPa，降幅达34.6%，接头失效形式从常规失效模式(CMF)转变为角失效模式(CNF)；老化时间增长至40天时，粘接强度又增大至8.6 MPa，接头失效形式为边失效模式(SIF)(如图8所示)。可知，湿热环境对CFRP/Al接头的失效行为影响显著。

图7 不同环境温度对CFRP/Al胶粘接头强度的影响[42]

湿度对接头力学行为也有较大影响，Heshmati等[45]经老化时长为一年的试验发现：随着湿度的增加，胶接层的弹性模量线性减小；短时间湿度环境的暴露会略微增加接头强度；在较低湿度环境下，达到临界时间后也会导致钢/胶接层局部界面失效。高向阳等[46]在温度为70 ℃，湿度为85% RH湿热条件下测试J-271胶层试样的性能，发现在湿热条件下试样的拉伸强度下降了31.4%。

综上可知，较高的温度和湿度均不利于胶粘接头长期安全服役，在实际应用中应采取相应措施防止湿热环境对胶接结构性能的不利影响。

虽然CFRP与金属材料纯胶接技术工艺简单、成本低廉且不受被粘母材固有性质及几何形状的影响，应用较为广泛，但是在航空航天、武器装备、轨道交通等要求较高的领域其应用还是受到一定程度的限制。受限的主要原因在于CFRP/金属材料纯胶接连接件的可靠性和安全性仍显不足，当连接件承载较大载荷时，纯胶粘接头易在胶粘界面处发生瞬时失效。

图8 湿热老化条件对CFRP/Al胶粘接头强度与失效模式的影响[44]

2 CFRP与金属材料胶接-机械混合连接技术研究进展

将胶接与传统机械连接相结合的混合连接作为一种新型的连接技术通过实现胶接与机械连接优势互补，可明显提高连接的安全性和可靠性。目前，CFRP与金属材料胶接-机械混合连接技术中的胶铆与胶螺已成为应用较为广泛的混合连接形式。尽管如此，混合连接技术的连接形式不同，接头强度和适用场合也不同。

2.1 胶铆混合连接技术

胶铆是将胶粘工艺与传统铆接相结合的一种混合连接技术。胶铆混合连接技术结合了胶粘技术与铆接技术的各自优点，不仅可增大接头的能量吸收值，克服纯铆接存在应力集中、剥离强度低的问题，而且加入胶粘剂还能更好地提高连接密封和耐腐蚀性能，延长工件使用寿命。同时，引入胶粘工艺可进一步减少铆钉数量，降低工件整体重量。此外，相较于纯胶接、纯铆接连接，胶铆混合连接接头的抗剪强度明显提高，能量吸收值明显增大。因此，胶铆技术被广泛应用于汽车制造和航空制造等领域。随着技术的不断发展，胶铆连接逐渐趋于轻质化和高性能化。可以预期，胶铆连接技术将在更多领域发挥重要作用。

2.1.1 胶铆混合连接的工艺流程

CFRP与金属材料的胶铆混合连接工艺主要包括胶粘和铆接两个过程。具体流程如下：第一步，在胶接之前通常需要对金属粘接面进行处理。一般采用砂纸对表面进行打磨，去除表面杂质及氧化皮(根据需要确定是否进行进一步化学处理)；第二步，涂胶工艺。为避免胶接层中形成气孔，涂胶时方向尽量保持一致，同时为保证粘接面的润湿效果以及胶层的均匀性，涂胶时需对两个粘接面均进行涂胶；第三步，铆接工艺。将完成涂胶工艺尚未固化的接头用夹具固定，在合适位置进行铆接；第四步，按照胶粘剂的固化温度与时间要求进行固化，待胶粘剂完全固化后即完成了胶铆混合连接工艺[47-53]。

2.1.2 工艺控制对CFRP-金属胶铆混合连接接头力学性能的影响分析

(1)铆钉特征对胶铆混合连接接头力学性能的影响。胶铆混合连接中铆钉数量、材质和分布位置等均会不同程度影响接头的力学性能。Cui等[47]设计了四种胶粘-电磁铆接混合连接形式，在保持胶粘工艺相同的情况下调整电磁铆接形式，结果表明最大的抗剪强度均由胶接层贡献，且铆钉的数量与分布位置对接头的失效行为影响显著(图9)。由图9可见，随着铆钉数量的增加，第一峰值载荷变化不大，第二峰值载荷逐渐增大，而且胶铆连接相对于纯胶接具有更大的能量吸收值。这与铝合金-不锈钢胶粘-电磁铆接混合连接中得到的结果类似[48]。类似地，党停停[49]在CFRP/TC4胶铆连接工艺中发现：铆钉数量增多，第一峰值载荷略微降低，而第二峰值载荷明显增大；当双铆钉连接且铆钉分布平行于拉伸方向时接头的断裂韧性要比铆钉垂直于拉伸方向的高，能量吸收值也大。这与刘璟琳在研究单搭接双铆钉胶铆连接6061-T6工艺中的测试结果类似[50]。

图9 CFRP/Al胶铆接头中铆钉数量与分布对剪切强度-位移曲线的影响[47]

由此可见，CFRP与金属材料胶铆混合连接接头所承载的峰值载荷主要由胶接层贡献，在胶接层失效后铆接开始起作用，铆钉数量的增加必然会减小胶粘面积从而降低峰值载荷，因此铆钉的数量不宜过多。另外，Sun等[51]发现铆接方向对胶铆接头失效方式也有较大影响，从CFRP一侧铆接的接头失效后纤维撕裂失效占比约为38.90%，共聚失效占比约31.20%，平均峰值剪切载荷为6.5 kN，平均能量吸收值为4.40 J；而从Al一侧铆接的接头其失效后轻微纤维撕裂失效占比约为34.86%，共聚失效占比约为28.48%，平均峰值剪切载荷为6.2 kN，平均能量吸收值为4.16 J(图10)。比较前述结果可知，在CFRP/Al胶铆工艺中从CFRP基体进行铆接可提供更高的可靠性。王世鹏等[52]研究表明：铆钉钉脚张开度越小，在接头拉伸过程中铆钉越容易倾斜，接头强度有所降低；铆钉钉脚张开度越大，出现拉脱失效的概率越小，且在不拉脱的前提下，能量吸收与铆钉倾斜的程度正相关。此外，还有研究表明，铆钉材质会对接头的疲劳性能产生显著影响。Marannano等[53]通过实验证明：在通过胶铆连接CFRP和铝合金时，使用钢制铆钉的接头具有更好的力学性能，尤其是高周疲劳性能；使用铝制铆钉的胶铆接头相对于纯胶接接头，其低周疲劳性能会增加2～3倍，高周疲劳几乎没有增加。总体来看，使用钢制铆钉后，低周疲劳和高周疲劳性能均可增加5～6倍。因此，根据接头的服役工况，科学设计合理的铆接结构，可有效提高胶铆混合连接接头的疲劳性能，增加接头的可靠性。

图10 铆接方向对CFRP/Al胶铆接头失效模式的影响[51]

(2)搭接长度与CFRP铺层特征对胶铆混合连接接头力学性能的影响。接头搭接长度是胶铆工艺设计的重点，确定搭接长度要兼顾接头的力学性能与轻量化。Chen等[54]发现CFRP与Al胶铆连接时，搭接长度越大，峰值载荷越高，能量吸收值也明显增大，但接头刚度变化不大(图11)。在剪切过程中，随着载荷的不断增大，接头首先会经历裂纹萌生与裂纹扩展，当载荷继续增加到临界峰值时胶接层彻底断裂，CFRP与Al分离，铆接承载载荷。相对于纯胶接和纯铆接，胶铆混合连接表现出更高的峰值载荷和更大的能量吸收。因此，胶铆混合连接方式具有更高的可靠性和安全性。卞海玲等[55]也发现CFRP/6061铝合金胶铆接头的搭接长度越大，接头的最大失效载荷和能量吸收值随之增大。

图11 搭接长度对CFRP/Al接头载荷-位移曲线的影响[54]

Chen等[13]通过对CFRP/Al单搭接胶铆接头中搭接长度、胶层厚度和铆钉直径对接头承载载荷和能量吸收值的影响进行对比发现，搭接长度对峰值载荷的影响最大，胶层厚度次之，铆钉直径影响最小。同时，搭接长度对能量吸收值的影响最大，铆钉直径次之，胶层厚度影响最小，如图12所示。因此，根据接头的承载载荷，设计合理的搭接长度是实现CFRP与金属材料之间高效连接的关键。

图12 不同铆钉直径与胶层厚度对CFRP/Al胶铆混合连接接头力学性能的影响[13](a)峰值载荷 (b)能量吸收值((1) 3.0-0.5 (铆钉直径(mm)-胶层厚度(mm)), (2) 5.0-0.5, (3) 3.0-1.0, (4) 5.0-1.0)

Liu等[56]研究了搭接头长度一定条件下CFRP厚度、铺层角度对CFRP/Al胶铆接头最大剪切载荷和能量吸收的影响。结果发现：CFRP在铺层角度为±45°和复杂角度时，CFRP厚度越大，CFRP/Al胶铆接头剪切强度越高，能量吸收值也越大；铺层角度为0°/90°时，CFRP厚度对接头剪切强度和能量吸收能力影响不大；相对于铺层角度为±45°和复杂角度的CFRP/Al胶铆接头，铺层角度为0°/90°的剪切强度和能量吸收值最大。

然而，文献[57]研究结果与前述的不同。在接头长度一定的条件下，Franco等[57]发现，当CFRP铺层为[(0°/90°/(±45°)2)]s时，CFRP/Al胶接-自冲铆接混合接头的能量吸收值比铺层为[(0°/90°)3]s时提高了142.0%，峰值载荷提高了15.5%；接头加热固化过程对CFRP铺层为[(0°/90°/(±45°)2]s时的峰值载荷可以提高15.6%，而对铺层为[(0°/90°)3]s时仅可提高13.2%。由此可见，CFRP铺层角度与厚度的变化对胶铆混合连接接头力学性能的影响较为复杂。

2.1.3 环境因素对CFRP-金属胶铆混合连接接头力学性能的影响分析

由于胶粘剂大都属于长链高分子物质，其在高温、高湿或盐溶液的影响下容易发生结构失稳，导致胶铆接头力学性能发生较大变化。Chen等[58]发现服役温度对CFRP/Al胶铆接头的失效行为影响显著。当温度从-30 ℃提高到100 ℃时，接头的峰值抗剪强度和能量吸收值都是先增大后减小，且温度太低或者太高对接头的抗剪强度和能量吸收能力均会产生不利影响(图13)。随着接头老化周期数的增加，胶铆混合连接接头的峰值载荷相较于未老化的降低了31.9%，而纯胶接接头的峰值载荷相较于未老化的降低了40.4%，可见，胶铆混合连接能明显降低CFRP/Al胶铆接头的老化速率。

图13 服役温度对CFRP/Al胶铆接头力学性能的影响[58]

研究工作还表明，胶粘剂对胶铆混合连接中铆钉的密封作用使得铆钉中部基本不受环境的腐蚀，虽然铆钉头部腐蚀严重，但对接头力学性能的影响有限[59]。Li等[60]发现盐雾腐蚀环境对CFRP/Al胶铆接头的失效模式影响较大。具体为：在0.1 m/s拉伸速率下未经老化的胶铆接头为剪切破坏失效模式，随着老化时间的增长，失效模式转变为轻度纤维撕裂和胶接层失效模式；在1.0 m/s和5.0 m/s拉伸速率下未经老化的胶铆接头为CFRP撕裂失效模式，随着老化时间的增长，接头失效模式同样转变为轻度纤维撕裂和胶接层失效模式(图14)。可见，在外部环境因素影响下，胶铆混合连接接头力学性能的变化既与纯胶接接头存在类似之处又有其独有的特征。系统地揭示环境因素对胶铆混合连接接头的作用规律可有效判断接头的安全服役寿命，提高胶铆混合连接接头的环境可靠性。

图14 CFRP/Al胶铆接头在不同盐雾老化时间与不同拉伸速率下的失效模式对比[60]

2.2 胶螺混合连接技术

胶螺混合连接是将胶粘技术与螺栓连接相结合的一种混合连接方式。胶粘是通过各种胶粘剂将不同的工件相互连接，而螺栓连接是进一步通过螺栓的紧固力将工件进行连接。胶螺混合连接结合了胶接和螺栓连接的优点，不但能削弱纯胶接层的剥离应力，减缓裂纹的萌生与扩展，而且能提高螺栓连接抵抗劈裂应力的能力，以防接头的瞬间失效，增强接头的抗疲劳和抗蠕变性能[61]。理想的胶螺连接方式是胶接层与螺接同时在服役过程中起作用。然而，由于这两种连接方式的刚度不同，载荷通常以非均衡形式施加于胶螺接头，其中胶接层通常承受的载荷较大，而螺接承受的载荷较小[62]。

2.2.1 胶螺混合连接的工艺流程

胶螺混合连接主要存在两种典型工艺：一种工艺是先将接头通过胶粘连接，待胶接层固化后打孔，再用螺栓紧固完成胶螺连接的工艺；另一种是根据螺栓直径先在接头上预制孔，涂胶粘接后待胶接层未固化之前用螺栓紧固，待胶接层固化完成胶螺连接工艺。显然，两种工艺的明显区别在于螺接是在胶接层固化之前还是之后。

通常，第一种工艺更适合承载较大载荷[63]。第二种工艺相对于第一种接头连接区域的应变分布更为均匀，在接头承受较小载荷时螺栓能够与胶接层相互协调承载载荷，传力性较好，但由于螺栓紧固过程中可能会导致胶接层厚度不均匀从而使接头的强度下降[64]。另外，第一种工艺的连接接头存在承载强度分散性大的问题，连接的可靠性较差。第二种工艺的接头胶接层和螺栓连接紧密，连接的可靠性相对较高[64]。

2.2.2 胶螺混合连接失效模型

Oterkus等[65]建立了胶接-单螺栓混合连接模型并采用半解析法进行求解，结果发现即使胶接层相对于螺栓具有更低的刚度，载荷也主要是先经过胶接层进行传递。其原因在于接头的胶接面积大、厚度小，使得胶接层具有较高的剪切刚度，不允许螺栓在相反的方向存在较大的位移。Barut等[66]提出的层状复合材料之间胶螺单搭接接头模型的半解析方法分析结果同样也表明，即使胶接层具有较低的弹性模量，大多数载荷也是通过胶接层传递，这与Oterkus等[65]的研究结果一致。另外，当胶螺连接接头的脱胶长度小于某临界值时，胶接层承载全部载荷，只有当脱胶长度超过该临界值时螺栓才开始承载载荷。

Paroissien等[67]基于宏单元技术建立了适用于非平衡连接件胶螺混合连接接头应力分析的简化模型，该模型可以预测胶螺混合连接接头失效过程中的准静态行为。采用该模型可以分析胶接-双螺栓混合连接接头在拉伸过程中，接头的边缘(图15中A和B箭头所示位置)最开始承受载荷，接头中间区域的最后受力情况(图15中C箭头所示位置)。通过该模型对非平衡连接胶螺接头构型的优化，可实现在连接材料体积减小12%的基础上将第一峰值载荷提高10%。

图15 胶螺混合连接接头损伤失效模型分析[67]

2.2.3 工艺控制对胶螺混合连接接头力学性能的影响

胶螺混合连接接头的拉伸位移-载荷曲线一般可分为ACL区域(Adhesive-carried-load)和BCL区域(Bolt-carried-load)。接头在胶接层失效之前的拉伸行为类似于胶接接头(ACL区域)，而在胶接层失效之后则表现为螺接特征(BCL区域)，如图16所示。

图16 胶螺混合连接接头载荷-位移曲线与接头损伤演变[68]

胶螺混合连接接头的力学性能显著依赖于接头的胶接与螺接工艺，使用低模量、高强度的胶粘剂可增加接头胶接失效前的连接强度，使用高强度螺栓则可增强胶接层失效后的承载能力和能量吸收值[68-69]。

增大螺栓拧紧力矩可明显改善接头的抗疲劳性能。Esmaeili等[70-71]基于疲劳体积模型分析表明，胶螺混合连接接头的疲劳寿命与螺接的拧紧力矩大小呈正相关关系。当螺栓拧紧力矩从1 N·m增大至5 N·m时，接头在拉伸过程中螺孔边缘的最大应力从278 MPa降至252 MPa，且接头的疲劳寿命明显提高。接头疲劳寿命提高的原因在于，增大螺栓拧紧力矩，接头胶接层使得连接件呈弹性应力分布，螺孔边缘应力减小，疲劳体积的有效距离减小，从而使疲劳寿命提高。

胶螺混合连接接头的搭接长度也会影响其力学性能。Franco等[72]研究发现：相较于纯胶接接头，GFRP/Al胶螺混合连接接头具有更高的损伤容限和能量吸收值；当搭接长度合适时，胶螺混合连接接头还具有更高的静强度；合适的螺栓拧紧力矩可使接头静力学性能提高60～70%；接头搭接长度过长会导致接头静强度减弱20%左右；合适的螺栓拧紧力矩可使疲劳强度增加约150%(图17)。

图17 胶螺混合连接接头在不同拧紧力矩下的力学性能变化[72]

胶粘剂的类型也影响接头的连接强度与失效模式。Kweon等[73]在CFRP/Al胶螺混合连接中分别使用胶粘剂型结构胶EA9394S和胶膜型结构胶FM73进行研究。结果发现：使用EA9394S结构胶时，螺栓连接强度比胶粘强度要高，混合连接能够明显提高连接强度；使用FM73结构胶时，由于螺栓连接强度低于胶粘强度，螺栓连接对混合接头的连接强度贡献较小。

与胶铆混合连接类似，胶螺混合连接中层状复合材料的铺层角度对接头加工过程与接头力学性能也有较大影响。Wang等[74]利用有限元分析法研究了碳纤维铺层角度对CFRP/Al钻孔损伤的影响，发现钻孔过程中CFRP层间剥离是最主要的损伤形式。当碳纤维铺层为[0°]24时，CFRP/Al中CFRP的剥离最为严重，[0°/90°]12s次之，[-45°/90°/45°/-45°]3s的剥离程度最低。在CFRP/GFRP的胶螺混合接头中，铺层角度对接头力学性能的影响非常明显。当CFRP与GFRP铺层角度为[(0°/90°)/(0°/90°)/(0°/90°)]s时，接头的强度比螺接接头高30%，而铺层角度为[(0°/90°)/(±45°)/(0°/90°)]s时则要高出70%。由此可见，铺层角度对涉及CFRP的连接接头都存在类似的影响规律[75]。

Bois等[76]建立了CFRP与2024铝合金的双搭接胶螺混合接头模型分析发现，该模型的准确度主要依赖于螺栓连接的刚度。此外，研究结果还表明，螺栓拧紧力矩从0增大至3.5 N·m或螺钉与螺孔间隙从0.02 mm增大为0.15 mm时，接头强度没有发生明显改变。另外，胶螺混合连接接头的强度与d/w的值有关(d为螺栓孔直径，w为接头宽度)：d/w=0.21时的接头强度高于d/w=0.42时的强度；d/w=0.30时，接头连接效率最高，可达0.66。

综上，在CFRP与金属材料的胶螺混合连接工艺中，增大螺栓的拧紧力矩、优化搭接长度与铺层角度、合理选择螺栓连接d/w值等均可对胶螺连接接头的力学性能进行有效调控。

3 结语

纯胶接、胶铆、胶螺混合连接技术是CFRP与金属材料实现异质有效连接的主要途径。从理论上揭示纯胶接的机械互锁、扩散、吸附与静电机理对于理解胶粘剂在CFRP与金属材料界面的作用机制至关重要。对被粘母材表面进行粗糙化与硅烷处理、胶接过程施加超声振动以增强金属表面官能团与胶粘剂之间的吸附作用等均可明显提高胶粘接头的力学性能。基于胶接的胶铆与胶螺混合连接技术可解决纯胶接接头耐冲击性差、可靠性不足等问题。铆接与螺接的引入使混合连接工艺变复杂的，同时也使得连接工艺有更大的优化空间。胶铆接头与胶螺接头既有相似之处，也有不同之处。相似之处在于：胶铆与胶螺接头胶接层因其剪切模量值大先承载，只有当胶接层脱胶失效后机械连接才起作用；相较于纯胶接接头，混合连接接头抗疲劳性能更佳；不同之处在于接头结构与连接工艺差异引起的传力路径、载荷分配以及剥离失效形式不同。从发展的角度看，如何提高胶接与铆接、螺接等机械连接的刚度匹配度，提升胶铆与胶螺混合连接接头的载荷分配均衡性依然是混合连接领域需要进一步研究的难点问题。