复合材料胶接连接：为何它既是飞机减重的利器，也是工程师的“心病”？

2026-01-29 13:55 点击:33

轻质、高效、低成本是飞机复合材料结构设计始终追求的目标。复合材料结构整体化大幅减少了复合材料结构各类紧固件的数量和连接装配工作，有效提高了结构可靠性并降低了制造成本。由于设计、工艺、成本、功能和使用维护等方面的原因，整体结构不可避免地保留一定数量的设计和工艺分离面和开口等，这些部位的连接需要进行详细的复合材料结构连接接头设计与分析。复合材料胶接连接接头通常使用胶黏剂将零部件连接成不可拆卸的整体。复合材料结构易于整体成形，因此更适合采用胶接连接。复合材料胶接连接具有许多优点和缺点。其优点包括：

无钻孔引起的应力集中，母体层合板强度不下降；
零件数目少，结构轻，连接效率高，可以降低制件的成本；
抗疲劳、密封、减振及绝缘性能好；
有阻止裂纹扩展的作用；
能获得光滑的气动外形；
不同材料连接无电偶腐蚀问题；
没有磨蚀问题。

其缺点包括：

缺少可靠的无损检测方法，胶接质量控制比较困难，可靠性差；
胶接强度分散性大，剥离强度较低，较难传递大的载荷；
胶接性能受湿、热、腐蚀介质等环境影响大，存在一定老化问题；
在胶接前需要对胶接面做特殊的表面处理，工艺要求严格；
被胶接件之间配合公差要求严，需要加温加压的固化设备；
胶接是永久连接，胶接后不可拆卸，材料回收再利用困难；
难以胶接较厚的结构和传递大载荷。

胶接连接设计

胶接连接基本形式

复合材料胶接连接的技术关键在于保证连接的可靠性。一般来讲，复合材料胶接连接可以分为平面胶接和非平面胶接两类。本章只讨论平面胶接接头。平面胶接接头主要包含4种结构形式：单面搭接、双面搭接、斜接型搭接和阶梯形搭接，如下图所示。

胶接连接典型失效模式

复合材料的胶接连接接头的失效模式很复杂，受多种因素综合影响，如被胶接件的材料、铺层、构型、几何尺寸、载荷类型、胶接面的胶接质量、胶黏剂类型和胶层厚度等。复合材料胶接连接接头的典型失效模式分为被胶接件破坏和胶层破坏。被胶接件(通常为复合材料层合板)的典型破坏模式包括纤维断裂、分层、纤维/基体剪切破坏和基体开裂等。胶层的典型破坏模式为胶层剪切破坏及胶层剥离等。对整体胶接结构而言，失效时有时会同时出现层合板破坏和胶层破坏的复合破坏模式。在持续增大的外载荷作用下，复合材料胶接接头会首先出现初始损伤，表现为接头局部区域出现多个随机产生的微裂纹，局部刚度降低，结构传力路线重新分配；随着外部载荷越来越大，初始裂纹所导致的断裂面、分层或剥离面会继续扩展，直到结构完全破坏。无论是发生在复合材料层合板的损伤还是胶层内部的损伤都会引起复合材料胶接连接接头整体刚度和强度的下降。