浅析树脂基复合材料加工和连接工艺
目前,先进树脂基复合材料制造大量采用整体成形的共固化及共胶接技术，大大减少了飞机机械连接件的数量，但由于当前共固化及共胶接技术水平的限制,以及复合材料不可避免地与金属连接或开孔等，从使用、安装和维护的需要出发，在复合材料结构上仍存在着大量的加工连接问题。与金属结构相比,复合材料连接部位是结构的薄弱环节。据统计,复合材料有70%以上的破坏都是发生在连接部位,因此,解决复合材料结构加工连接问题,对减轻结构重量、改善飞行器性能、促进复合材料的应用具有重要的意义。
先进树脂基复合材料虽具有一般复合材料不具备的优点,但它也存在一定的弱点，如比较脆(断裂伸长率仅为1%~ 3%)、层间强度低、抗冲击能力差，复合材料在加工连接时必须解决安装损伤、容易被拉脱、安装载荷的不一致性、孔周应力高度集中等问题,复合材料的装配还要考虑腐蚀等问题,先进飞机复合材料结构中大量采用了电磁兼容、隐身等结构，这些结构对加工连接以及装配中的制孔质量、所用紧固件、连接装配方法提出更高的要求。因此,复合材料加工连接的好坏，将直接影响复合材料结构设计的思想、制造质量、生产效率，甚至限制复合材料的应用水平。
经过20多年的发展，我国先进复合材料已经在连接、制孔、紧固件、装配工艺等方面取得较大的进展;随着飞机用复合材料量的增多,加工连接的工作有较大增长。另外,要满足飞机日益增长的新材料、新结构、新功能的要求,因此,复合材料的技术应用水平的提高，要求连接技术应有较大的发展，才能跟上复合材料的发展速度。
机械连接
树脂基复合材料包含三个层次的连接:微观力学层次的纤维和基体的连接、宏观层次的层与层之间的粘接以及结构层次的复合材料零件的连接。
树脂基复合材料可以划分为两大基本类型:热塑性基体复合材料和热固性基体复合材料。对于热固性基体复合材料，固化后聚合物的长链之间通过主化学键相互交联。因此，热固性树脂基复合材料不能加热软化或熔化,也就不能焊接。所以热固性复合材料只能通过机械连接或胶接。
对于热塑性材料,聚合物的长链主要由次化学键相互连接。加热时，这些键会断裂，链与链之间可以相对移动。因此，热塑性复合材料可以加热软化或熔化,也可以焊接。热塑性复合材料也可以通过机械连接或胶接。
热塑性复合材料可以进一步分为两类:非晶态或半结晶态。非晶态热塑性材料的链是随机排列的;半晶态热塑性材料在某些区间内链是随机排列的，而在另外的区间内链的排列是有序的。对于非晶态聚合物,软化的临界温度是玻璃化转变温度;对于半晶态高聚物,临界温度是玻璃化转变温度和熔化温度。
聚合物基复合材料的连接方法主要包括三类:机械连接、胶接和混合连接(机械紧固和胶接)。其中混合连接法除了用于增强弱胶接区域或者是消除从胶接端部引发的I型剥离外很少使用。因此，下面的讨论主要集中在前面的两种连接方法。胶接连接可以划分为普通胶接和焊接，普通胶接的胶层形成一个独立的相,而焊接是以基体聚合物材料(典型的是热塑性的塑料)形成连接界面。
特定连接技术的选择取决于应用需求, 例如载荷强弱,几何形态、操作环境、可靠性权重以及所选用的聚合物基体体系的成本。作为一般规律,机械连接主要用于高载荷、高可靠性、关键连接。胶接和焊接用于优先考虑重量和成本的中等载荷的连接场合。对相似的几何形状和加载构型,胶接连接具有更好的刚性。
机械连接有如下优点:无需表面处理;不受热循环及高湿度环境的负面影响;易检可测。
机械连接包括钻孔,适当的装配工艺,以及通常较严格的公差。这些会提高复合材料加工的成本。除此之外，由于引入了孔，造成相应的应力集中，进而强度受到限制,增加金属紧固件还会增加零件数量和重量。
树脂基复合材料制孔技术
随着复合材料结构的复杂化、大型化以及要求加工精度的提高，在复合材料制孔上发展了大量的机器人制孔、数控钻床制孔、数控加工中心制孔等来保证先进复合材料制孔要求。
在复合材料构件的连接中,机械连接占据着重要的地位,因此，在复合材料构件装配时，需加工出成千上万个紧固件孔，紧固件孔不仅数量多,质量要求也高，而且难度大，是复合材料加工中最难的加工工序之一。
由于复合材料层合板的主要特点之一是层间剪切强度低，这就使得钻孔中的轴向力容易产生层间分层和出口端的分层，如不加以防范，会导致昂贵的复合材料的报废。据国外统计，飞机复合材料装配中，制孔缺陷造成的报废要占所有报废零件的60%以上。复合材料制孔的另外一个主要问题是碳纤维复合材料的硬度高(62 ~ 65HRC),相当于高速钢的硬度, 因此，对刀具的磨损特别严重，刀具耐用度很低。如高速钢钻头钻削碳纤维复合材料时,每刃磨一次仅能钻削3~5个孔，因此,无法进行工业化生产。在复合材料制孔加工中还有一个必须注意的问题:纤维粉尘的污染会危害人体的健康,而且它的导电性会使电器设备和电网短路,所以施工中必须采取安全措施。树脂基复合材料的制孔工艺主要包括:硬质合金制刀具的选择、钻头几何参数的选择、钻削工艺参数的选择、铰孔工艺、防止分层的工艺措施等方面。
在复合材料(或任何材料)中引入开孔会导致孔边的应力集中，因此,需要在部件钻孔的机械连接会导致应力集中。对于各向同性弹性材料，无限大板在拉伸载荷作用下孔周围的应力分布由Timoshenko和Goodier给出。
