樹脂基復合材料與金屬材料膠接/混合連接工藝的研究現狀1純膠粘與機械混合連接的發展現狀樹脂基復合材料表現出高比模量和輕質等優良性能。目前在體育、建筑、化工行業被大量應用。它們也成為軍事、航空和航天領域不可或缺的一部分。隨著樹脂基復合材料的廣泛應用，這種材料在使用時需要與金屬等異種材料連接。在連接時可選擇不同的方式，如膠接、機械連接和混合連接。膠接連接方式是利用膠粘劑和母材之間的化學反應或物理固化將材料連接在一起。膠接具有結構簡單、質量輕、工藝性好等優點。膠粘劑按其使用對象可分為結構膠、非結構膠和特種膠。其中，結構膠是指在預期壽命內具有高強度、高負荷、耐老化、耐疲勞性能的優質膠粘劑。它常用于粘接堅固的結構零件。非結構膠通常不承受大的載荷，用于定位或粘合力較小的部位。具有一定的結合強度，結合強度隨溫度升高迅速下降。特種膠主要用于具有某些性能和用途的特殊場合。膠粘劑曾經被譽為“工業味精”，伴隨著科學技術的進步，膠粘劑不斷取代機械連接，其應用范圍也越來越廣。膠接廣泛應用在機身、油箱、艙門相關的結構件中，如B-58重型超音速轟炸機用膠接替換了超過50萬只鉚釘。波音737中大約應用了四百多平米結構膠膜和膠黏劑體系，波音747更是達到3200m2的面積[1]。膠接接頭能有效避免應力集中，提高材料的抗振性，但膠接接頭的耐老化性和耐沖擊性較差，接頭受環境影響較大。機械連接是指在樹脂基復合材料的連接部位局部開口，然后用鉚釘、銷和螺栓將其緊固連接成一個整體。在樹脂基復合材料的機械連接中，螺栓、鉚釘連接模式被廣泛應用。機械連接具有連接質量易于控制，抗剝離能力強，可方便的裝拆。不過其缺陷表現為鉆孔容易導致應力集中，鉆孔后局部強度降低，需要局部加厚。預緊力是影響樹脂基復合材料機械連接接頭強度的重要因素之一。FarukSen等人研究發現接頭承載力隨預緊力增加而提高。混合連接模式的強度高，且輕質，對相關參數進行優化可實現優勢互補效果，大大提高了連接的安全性和可靠性。NguyenDueHai等發現，膠-機械混合連接可以顯著提高復合材料接頭的剛度。膠鉚混合連接是指先將結構膠涂在連接部位，然后鉚接。膠鉚復合連接能夠連接不同材料、厚度和強度的雙層或多層材料，不僅減少了連接接頭，而且大幅度提高了接頭的可靠性和穩定性。在捷豹XFL的車身制造中，使用了2754個鉚接接頭，配合使用長達98米的結構膠。膠螺混合連接模式主要是結合使用膠粘劑和緊固螺栓，這樣可以高效的進行載荷傳輸，同時提高了安全性。膠粘劑有利于緩解螺栓孔應力集中問題，螺栓則可在粘合層失效情況下也可承載，而提高了整體可靠性。與螺栓連接和膠粘連接相比，混合連接具有更高的連接強度和可靠性。Kim等人和Lee等人的研究表明，在膠螺混合連接中當膠和螺栓同時達到極限承載力時，可以獲得最大結構強度[2]。因而這種混合連接結構表現出更強承載力、更長的疲勞壽命[3]。目前，樹脂基復合材料主要通過機械連接和膠接連接，而金屬基復合材料和陶瓷基復合材料主要通過焊接連接。在復合材料連接和金屬連接過程中，應根據具體的使用條件確定具體的連接方式。一般來說，對于應力較小的薄壁結構，應盡可能采用膠接；而對于連接件較厚、受力較大的結構，一般情況下選擇鉚接或螺栓連接；在某些情況下，膠-機械混合連接可用于提高樹脂基復合材料接頭的安全性。2粘接機理粘接過程包含化學和物理過程[4]。膠粘劑粘接機理主要包括：化學鍵連接理論、機械互鎖理論、吸附理論等，以下對這些理論進行簡述，為其后的研究提供支持。2.1化學鍵連接理論化學鍵連接理論的研究時間較長，且應用比例高，化學鍵連接作用是指膠粘劑分子與被粘物表面進行化學反應，產生特定的化學鍵。研究發現，可以通過對金屬表面進行改性來促進界面形成化學鍵[5]。化學鍵能明顯高于分子作用力，因而這種連接模式的強度高[6]。金屬和樹脂材料的性能明顯不同，因而它們不出現中間過渡層，而是在反應后產生穩定性高的化學鍵。根據實驗研究發現，樹脂基復合材料與金屬之間的連接主要是通過引入能與之反應并形成強化學鍵的物質來實現的，這類物質通常是液體或膠體[7]。反應后，形成新化合物并引入一定量的粘合劑層，在連接系統中形成具有一定厚度的新連接層。通常，金屬元素和碳、氧等元素形成共價鍵，研究者在對鋁合金/鈦合金與CFRP激光搭接焊研究時發現，界面出現了Al-O-C、Ti-O-C相關的共價鍵，這樣可大幅度改善接頭組織強度[5]。Li等用皮秒激光（IR）和準分子紫外激光對CFRP表面進行處理，通過引入官能團和增加表面粗糙度提升了CFRP和鋁合金的結合強度，皮秒紅外激光的剪切強度提升了346.4%，紫外激光則提高了293.8%，他們認為皮秒激光更高效且適用于粘接的表面處理，不同的激光均可用于CFRP表面改性[8]。化學鍵的結合強度取決于粘合劑層與被粘物之間形成的化學鍵的種類和數量，強度遠高于氫鍵或范德華力，因而可以顯著提高接頭強度，起到更好的連接效果。2.2機械互鎖連接理論機械互鎖效應下，界面的力學強度顯著提高，上世紀二十年代MacBain提出這一理論[9]。研究發現復合材料熔化后可進入到金屬表面孔洞或溝槽中，在冷卻后可凝固而產生強度較高的機械互鎖結構，使得接頭性能明顯提高。Markovits在研究鋼釘與PMMA材料間的激光連接過程中發現，通過改變鋼釘的表面形貌和幾何形狀，接頭將具有明顯的機械互鎖結構，而表面形貌對互鎖結構的會產生很大影響，從而影響接頭的強度[5]。由此可見，材料表面的結構直接影響接頭的互鎖組織。機械互鎖理論通常要求纖維增強樹脂基復合材料直接在粗糙的金屬表面形成纖維層，之后通過引入樹脂固化金屬表面，形成復合材料與金屬相互咬合、鎖定的互鎖結構。該結構的強度取決于機械變形或破壞機械鎖定的聚合物部分需要的能量。因此，金屬表面越清潔、越粗糙，機械互鎖連接越牢固。一般而言，純機械互鎖連接的強度弱于化學鍵合連接，其強度并不高，存在一定應用局限性。因此，可以通過結合化學鍵連接和機械互鎖連接，用膠粘劑融化后進入到金屬表面的孔隙或裂縫中，這樣可以反應而形成強度很高的連接層，為兩種材料提供更強的連接。孫煜等實驗發現陽極化處理可導致鈦合金表面出現多孔性氧化層，這樣可促進膠粘劑與鈦合金的互鎖，膠接性能也大幅度改善[10]。S.Y.Kim等人將碳纖維和橡膠混合并熱壓成纖維增強熱塑性復合材料嵌件，隨后注塑尼龍6基體，制備了一種新型雙組份雙層結構的復合材料板材。結果表明，硝酸處理是對碳纖維等離子處理最有效的方法，可以改變碳纖維表面分子結構，增加粗糙度，改善界面分子間機械互鎖，提高碳纖維和基體結合強度，提高連接性能[11]。為改善連接性能，在進行金屬/CFRP的熱加工連接前，需要先對金屬表面進行機械處理和表面刻蝕處理，這樣可以增加表面的孔洞，從而提高機械互鎖效果。材料表面粗糙程度與機械互鎖效果在一定范圍內成正比。為了提高表面的粗糙度，通常對金屬進行表面處理，幾種常用方法包括噴丸、表面刻蝕處理等[5]。2.3靜電理論與粘接相關的靜電理論在上世紀四十年代被提出，如下圖1[12]，膠粘劑表面和被粘物表面形成了正負離子雙電層，在庫侖力的作用下發生靜電吸引，從而產生粘結[13]。雙電層理論下，兩種材料都被當做為電容器，二者接觸過程中膠粘劑中的電子會與另一種材料表面定向吸附，這樣會產生雙電層[14]。此種理論假設兩種材料在交互作用時，電子發生轉移，這樣會產生帶電的界面層。如離子鍵合時，界面的兩側分別帶正負電荷，兩種電荷會產生一定吸引力，且這種吸引力的大小和界面處靜電荷差異和電荷密度相關[7]。根據實際的應用情況可知，解釋硅烷涂層對某些酸性材料粘結方面，這種理論有較高應用價值，不過對于堿性增強材料并不適宜[7]。并且該理論僅在能形成雙電層的膠接體系中成立，不具有普遍意義。圖1膠粘劑高聚物和金屬基底的靜電力2.4吸附理論吸附理論又叫熱力學理論，是由A.DMclaren等研究者提出，它以表面吸附和不同極性、聚合物分子間相互作用和分子運動等理論為基礎，經多位學者不斷研究發展得到了完善。傅鷹教授根據大量實驗研究結果，提出了表面化學的吸附理論，比著名的BET方法出現時間更早[15]。吸附理論以分子間作用力為基礎，認為膠接與吸附現象類似。當膠粘劑與被粘物接觸時，會形成浸潤，膠粘劑分子會移動到被粘物表面，極性基團會逐漸接近。當極性基團距離小于5*10-10m時，膠粘劑和被粘物表面分子相互吸引，形成有效的表面張力，從而形成牢固的膠接粘合。表面張力主要來自和氫鍵和范德華力[16]。根據吸附理論，膠接是兩種材料在界面處接觸，在一定吸附力作用下進行連接的過程，吸附可劃分為物理和化學吸附兩方面。被粘接材料表面潤濕度高的情況下，二者可以很好的緊密接觸，這樣可產生良好的吸附作用，在界面處形成強度較高的連接層。潤濕性良好時，也可以抑制氣體在表面的吸附，避免氣體的影響下出現孔隙缺陷的問題，進而抑制了應力集中，對改善總體粘結性能可起到促進作用。鍵合過程包括兩個階段,起初是布朗運動使膠粘劑分子擴散到被粘物表面，兩種材料的分子靠近;其后界面產生吸附引力[17]。3膠粘劑性能的影響因素3.1濕熱環境對粘接強度的影響：粘接強度表現溫度依賴性，研究表明，粘接強度隨著溫度的升高或者降低都會發生改變，隨著溫度降低，粘接劑的強度會大幅度提高。對比分析可知低溫下其強度較大[18]。Abed發現，當溫度達到玻璃化轉變溫度時，膠粘劑的強度與剛度大幅度下降，并且在鋼板與CFRP連接處容易發生界面剝離[19]。申浩等選用聚氨酯膠粘劑和鋁合金為對象進行研究，在一定溫度變化區間內進行接頭的準靜態拉伸測試，結果表明，在-40℃~80℃溫度范圍內，隨著溫度升高，膠粘接頭失效載荷逐漸減小，當溫度接近膠粘劑玻璃化轉變溫度時失效載荷下降速率最快，各溫度條件下聚氨酯膠粘劑接頭的失效截面形貌也各有不同。較低的溫度條件下，斷面光滑平整，總體表現為脆性斷裂，溫度增加過程中斷面變得粗糙，且可觀察到很多裂紋[20]。水分子移動到粘接膠層會改變粘接接頭的機械性能。膠粘劑的彈性模量和屈服強度隨著吸濕量的增加而減小，隨著水分的增加，膠粘劑的失效應力也會降低。姚力針對不同類型的膠接接頭開展濕熱老化和高溫干燥試驗，對相關實驗數據進行統計分析，所得結果表明濕熱老化情況下，膠粘劑彈性模量、能量吸收指標都有一定下降，高溫干燥后這些性能有所改善；對于膠粘接頭，高溫干燥有利于提高界面結合能力[21]。Viana證明了吸水后膠粘劑的抗拉強度、模量和機械強度都有所降低。高向陽等研究了J-271膠膜和兩類復合材料雙搭接修補結構的力學性能，分別比較了在常溫下和濕熱環境下的拉伸性能和破壞模式，并發現濕熱環境會降低膠膜與復合材料面板間的膠接界面性能[22]。范以撒等試驗發現:溫度不變情況下，粘接的強度和濕度存在負相關關系，相對濕度在一定范圍內增加時，粘接強度持續降低。相對濕度大于95%RH條件下，衰減的速度顯著增加，由此可判斷出95%的相對濕度為膠粘劑強度衰減的關鍵節點。一定溫度區間內粘接強度和濕度負相關，且高溫環境下，二者的相關性更強[23]。由此可見，要提高膠接結構的使用性能和可靠性，必須控制好濕熱環境。3.2不同膠層厚度對膠接性能的影響在膠接時層厚度直接影響到粘接強度。袁輝具體分析了膠層厚度和膠接性能的相關性，所得結果表明在較小的范圍內膠層厚度不斷增加，則承載力也不斷增加，不過在達到一定閾值后，承載力顯著下降。這說明膠層厚度對膠接性能有較大影響[24]。如果膠層過薄在粘接過程中會存在局部缺膠，影響粘接強度。膠層過厚又容易造成膠層脫膠、氣孔過多等問題[25]。大多數粘接研究表明，隨著膠層厚度的增加膠接接頭強度會降低。通常，當膠層厚度處于0.1mm到0.2mm之間接頭強度最佳[26]。Koehn的實驗研究表明膠層厚度不超過臨界值情況下，其強度與膠層厚度存在正相關關系，而大于閾值后則負相關[27]。對于粘接接頭粘接質量的影響因素，許巍[20]等通過實驗比較了膠層厚度對脆性和韌性膠粘劑粘接接頭失效強度的影響，對相關實驗數據進行統計分析，所得結果表明膠層厚度在0.02-1mm區間內不斷增加時，二種膠粘劑接頭失效強度持續的下降，而膠層厚度較小時，韌性接頭失效強度降速更快。同樣情況下增加膠層厚度后，會導致接頭在鹽水環境下更快的老化，其厚度薄時則表現出較高的耐久性[26]。研究出具有最佳粘接強度的膠層厚度對于提高金屬與樹脂基復合材料的膠接性能具有很大意義。3.3表面處理對膠粘強度的影響表面處理可使得基材表面自由能和浸潤性變化，而這些變化和接頭性能密切關系。3.3.1物理處理粘接面的物理處理包括溶劑清洗、磨蝕以及噴砂處理等。一般來說，對金屬粘接面，通過物理方法處理時，主要是將其表面油污、雜質除去，常用的包括磨蝕和噴砂技術，這樣可以增加表面粗糙度，有利于改善粘接強度。溶液清洗工藝在噴砂或磨蝕前進行，可以通過其將生產、運輸各環節吸附的油污、塵埃和其它雜質清除，從而增強金屬的美觀度[7]。與未打磨的樣品相比，砂紙打磨有利于增加表面粗糙度，這樣可促進二者間的機械咬合，增加膠接強度；適當增加表面粗糙度能夠增加膠層與板材的接觸面積，提高接頭的強度。但如果板材表面粗糙度過大也會使膠層與板材的潤濕效果變差，使得膠層不能充分滲透板材的微觀結構，導致接頭強度增加效果不明顯。砂紙目數過高或過低都會降低接頭強度[27]。噴砂主要是在氣流作用下使得硬度高的小顆粒噴射到材料表層。噴砂不僅會在被粘物表面留下劃痕，還會由于沙粒的直射導致在被粘物表面留下空洞，因此膠粘劑可以更好地的浸入到被粘物內部，從而產生強烈的機械嚙合[7]。Harris等研究表明，噴砂顆粒的表面越粗糙，得到的表面粗糙度越高，表面能越低。該研究還指出，噴砂不僅會改變被處理表面粗糙度，還會改變材料表面的化學成分，造成表面能的改變，進而影響粘接性能[28]。章宇界在實驗過程中通過這種方法處理TC4鈦合金、5052鋁合金，且對比分析結果表明一定區間內噴砂所用磨料粒徑、壓力、角度越大，處理后表面越粗糙[29]。噴砂對于膠接強度的提高具有顯著效果，但容易使材料變形。3.3.2化學處理化學處理主要是對表層進行脫脂預處理，同時提高膠粘劑濕度，在處理時可選擇的試劑主要包括丙酮、汽油等。進行化學腐蝕后材料的表面形貌會產生明顯改變，在進行基材表面腐蝕時，常用的材料為鹽酸、硫酸等，這樣可以將一些影響粘接性能的表層雜質去除，方便其后的連接。在預處理過程中對溶液濃度與浸蝕時間相關參數進行優化，可以增加表面粗糙度，從而提高粘接強度[4]。徐亞男等試驗發現:用鉻酸溶液對鋁合金表面進行化學處理，可有效提高接頭的結合強度[30]。波音項目的工程中對膠接零件表面都進行了噴涂底膠及磷酸陽極化處理，為了防止紫外線直射，在組裝前用專用膠帶保護[1]。劉兆文等發現，經過磷酸陽極化處理后，Al-Li合金表層可以形成粗糙的多孔膜,增大了膠層與合金表面的接觸面積,改善了膠質分布的均勻性，因此提高了膠接界面的抗剪切能力[31]。陽極氧化可使基體的表面形貌出現明顯的變化，孔隙度增加，粘接面積顯著增加，機械互鎖效應也增強，這也就提高了粘接接頭的粘接強度。陳德生在研究時分析了不同溶液對TC4表面處理效果，所得結果表明：通過過氧化氫和氫氧化鈉混合液氧化TC4鈦板處理后的膠接強度大幅度增加，和單一組分處理的相比差異很明顯[32]。化學處理方法可以大規模、低成本的對材料表面進行處理對提高材料的膠接強度和接頭耐久性的效果很好，但處理時間較長，材料外觀損傷大，處理液的后續處理復雜。3.4固化溫度和時間對膠粘強度的影響膠接的力學性能取決于粘合劑固化后形成的聚合物的性能。這主要取決于粘合劑的固化溫度和固化時間。結構膠的固化主要是由環氧基團與固化劑的化學反應引起的。常見的固化劑主要有金屬、金屬氧化物、硅酸鹽、硫酸鹽等[33]。在實際的膠結過程中，航天器密封艙支座需要在一定壓力條件下常溫固化240ｈ，為滿足垂直壓力要求，需要進行抽真空處理，這樣可以改善膠接質量[4]。蘭立文等研究表明，環氧/低分子量聚酰胺體系的固化程度與固化溫度相關，膠粘劑的粘接強度和固化溫度存在正相關關系，但在70℃以后變化不大[34]。使用相同的粘合劑，高溫固化優于室溫固化，這是因為熱固化不僅提高了固化程度，而且與界面形成化學鍵。李海燕等發現，在固化過程中適當延長固化時間或提高固化溫度均可有效改善碳纖維線繩與橡膠的膠粘性能[35]。直接影響化學反應過程的是固化時間和溫度。固化溫度太低都會使得固化反應不充分。在適當范圍內提高固化溫度有助于提高固化效率，但過高的溫度情況下，對應的膠分子碳化，對連接性能會產生不良影響，因而存在最優固化時間和溫度[27]。一般情況下在選擇固化溫度時，需要和復合材料的固化溫度盡可能的相匹配。根據涂膠量和固化溫度，選擇合適的固化時間，在固化時間不足情況下，固化不充分，會降低接頭質量，影響生產效率。3.5搭接區域尺寸對粘接強度的影響：熊東箭等在一定單因素實驗基礎上，對比分析了幾何參數和接頭強度的相關性，結果發現搭接區域尺寸對粘接接頭力學性能的影響僅次于膠層厚度和寬度[36]。毛振剛則研究了搭接長度對膠接力學性能影響情況，對不同搭接長度下的接頭進行拉伸試驗，對比分析發現增加搭接長度后，膠接結構的失效載荷持續提高并趨于穩定值[37]。在相同條件下，增加接頭橫向寬度能夠增加接頭強度，然而增加接頭的縱向長度卻與粘合劑的類型以及粘合基材的屈服強度和剛度密切相關。對彈性基材和韌性粘合劑，由于韌性膠粘劑一定條件下會塑性變形，應力可平均分配到整個粘接區域，所以接頭的強度大致與接頭面積成比例，在這種情況下，失效準則由膠層整體屈服現象決定。作為媒介的膠層有延展性。當位于粘合區域末端的粘合層達到其極限應力時失效。對于彈性基材和脆性粘合劑，搭接長度增加后接頭強度沒有明顯的變化。其原因在于這種條件下粘接區域的邊緣存在一定應力集中，且在搭接長度變化過程中不會重新分布，因而有必要綜合考慮粘合劑和被粘合基材的特性具體分析[26]。徐亞男[30]等在鋁合金與CFRP接頭的粘接性能研究中發現:膠接強度隨搭接寬度線性增加。搭接長度影響粘接層的整體應力分布，但對端部影響不大，比強度值隨搭接長度的增加而降低。與搭接長度相比，搭接寬度的強化效果更為明顯。4.膠粘-機械混合連接機械連接可用于傳遞較大載荷，提高連接可靠性，但是增加了整體質量。膠接連接主要通過在連接面處涂抹膠粘劑進行粘接，用于傳遞小載荷，既不會破壞層合板的整體連續性也，不會出現由于螺栓孔的存在而導致的應力集中。然而，膠接的可靠性和安全性低，混合連接兼顧了機械連接的負載優勢和膠接的輕質高強，是一種可靠性和安全性非常高的連接方式，廣泛應用于金屬和樹脂基材料的連接中。常見的混合連接主要有膠鉚連接、膠螺連接。4.1膠鉚目前先進的鉚接工藝有自沖鉚接和無鉚釘鉚接。自沖鉚接是通過上下板的內凹變形形成鎖扣結構，實現板材連接。自沖鉚接是施加壓力使堅硬的自沖鉚釘刺穿上層薄板，然后通過模具的擴張作用，在下板層形成喇叭口，從而將上下兩層板件鎖緊。兩種先進鉚接工藝都廣泛應用于薄板件的加工。鉚接工藝設備簡單且連接強度高，但鉚接件應力集中度高，且原板結構要被刺穿破壞。膠接具有結構簡單、質量輕、工藝性好等優點，但膠接接頭的耐老化性和耐沖擊性較差。膠鉚混合連接工藝應運而生，膠鉚混合連接即通過將鉚接和膠接組合起來對材料進行連接的工藝，最大限度發揮兩種不同連接方式的優勢，同時有效避免純膠接和鉚接所存在的劣勢。膠鉚混合連接工藝是指先在被連接位置涂上結構膠，然后采用鉚接工藝進行鉚接，相關處理環節包括預處理、涂膠、鉚接和固化。膠鉚復合連接技術工藝流程示意圖如圖2所示[38]。鉚接與膠接相結合，可以顯著改善膠接不易固定和裂紋擴展的問題；同時，也緩解了鉚接工藝引起的應力集中過大的問題，且抗疲勞性能好，同時由于鉚釘的存在，能有效避免瞬間斷裂問題，對應的連接強度也顯著高于單一連接方式的[39]。因而這種混合連接技術成為解決車身異種連接技術的較優方案。在美國的校車上，此種連接模式已經大量應用。圖2膠鉚復合連接技術工藝流程示意圖[45]4.1.1膠鉚連接強度的影響因素（1）搭接長度和搭接方式對膠鉚連接強度的影響搭接長度和搭接方式對膠鉚連接強度有著重要影響。卞海玲研究發現，隨著搭接長度的增加，鋁板和CFRP膠鉚接頭的失效極限載荷呈線性上升，能量吸收也增大，搭接長度為40mm條件下的接頭極限失效載荷明顯高于20mm時的。一定載荷作用下，搭接區域邊緣會產生應力集中，且對應的梯度方向和承載方向一致，而寬度方向基本沒有應力梯度。由此分析可知提高搭接長度對膠鉚復合接頭性能有更好的效果，可使得其抗拉伸性能改善[40]。當搭接距離為20mm條件下，這種接頭拉剪強度增加峰值為15.3%；超過20mm情況下，接頭拉伸強度和搭接距離存在正相關關系，而鉚接對接頭的影響幅度不斷下降，主要是通過膠層承擔載荷[41]。侯文彬在實驗過程中選擇6061-T6鋁合金為對象制備膠鉚接頭試件，對其性能進行分析發現，雙搭接接頭的失效位移明顯增加，且對應的失效承載能力大大高于單接頭的。單搭接拉伸時，接頭翹曲趨勢很明顯，最終表現為斷裂失效；而雙搭接拉伸時，沒有發生翹曲現象，鉚釘的承載性能顯著提高[42]。劉璟琳對特定尺寸的鋁合金板開展此類接頭實驗，所得結果表明0.5mm的單搭接雙鉚釘橫排列接頭性能較高可滿足一般條件下應用要求，與雙搭接板相比，單搭接接頭完全發揮了其承載性能。此外，雙鉚釘橫排列的接頭膠層失效載荷和失效強度都比縱排列接頭好[43]。選擇合適的搭接長度和搭接方式對提高膠鉚連接強度至關重要。（2）鉚釘的尺寸和數量對膠鉚連接強度的影響膠鉚混合連接接頭強度和斷裂受鉚釘和膠層厚度作用，鉚接的強度隨鉚釘的尺寸和數量變化。上海交通大學對碳纖維增強復合材料（CFRP）利用膠鉚復合成型技術進行連接，實驗發現：選用環氧樹脂作為膠粘劑的條件下，接頭的強度隨著鉚釘尺寸的增加而增大[44]。金嘉威在CFRP與鋁合金的連接的研究中發現剝離強度會隨鉚釘直徑增加而增大，鉚釘直徑為5mm時剪切強度最大，鉚釘數量的增加在一定程度上可以提高接頭的剪切強度。多釘接頭的抗沖擊能力強，能夠吸收更多的能量，安全性更高[39]。庫克超研究發現，鉚釘孔直徑大小對CFRP/鋁合金膠鉚混合膠層的剝離應力、剪切應力影響較大，當孔徑為5.2mm時，膠層和鉚釘孔應力最低[45]。一般情況下，鉚釘直徑越大、數量越多，則強度越高。（3）膠層厚度對膠鉚連接強度的影響王楠等研究發現，當膠層厚度較小時，鋼鋁膠鉚連接結構中的殘余熱應力較大，應力嚴重，增加膠層厚度能有效降低結構中的殘余熱應力，但當膠厚大于0.5mm時，增加膠層厚度會導致膠鉚接頭中的殘余熱應力增大，導致膠鉚接頭強度降低[38]。庫克超等研究了膠層厚度和CFRP/鋁合金膠鉚混合連接接頭強度的相關性，所得結果表明膠層厚度在0.127mm~0.5mm區間內變化時，膠層厚度和接頭的等效應力、剝離應力存在負相關關系[45]。陸瑤在DP780鋼板與AA6111鋁合金膠鉚連接性能的研究中，選取厚度分別為0.1mm、0.15mm、0.2mm的膠層進行模型仿真，結果表明，隨著膠層厚度增加，鉚釘在成型時受到的緩沖越明顯，可以更好的抵消鉚接力，底切量的降幅也越大。在膠層厚度為0.1mm條件下，接頭的性能最佳[46]。正常情況下增加膠層厚度可避免膠接接頭的應力集中，有利于增大接頭強度；不過在其厚度達到一定臨界值時，殘余熱應力也會增大，導致膠接的強度降低。4.2膠螺由于膠粘劑在耐久性、對溫度和濕度敏感性方面不確定，且對應的缺陷檢測技術還不完善，因而在實際工程應用領域膠接接頭并沒有被廣泛應用到主承載機構中。膠螺混合連接是將膠粘劑和緊固螺栓結合使用，將螺栓提供的安全性與膠粘劑提供的有效載荷傳輸結合在一起。就成型工藝而言，目前膠螺混合連接接頭的工藝已經相對成熟，主要有兩種：①在固化后接頭上打孔，安裝螺栓并擰緊；②先制孔后涂膠，安裝擰緊螺栓，兩種工藝各有一定的適用范圍。下圖3為膠螺混合雙搭接連接示意圖[47]。根據實際應用經驗可知，膠螺混合連接不但能克服膠接抗剝離應力弱的缺點，而且能夠提高螺栓連接抵抗劈裂應力的能力。N.Chowd的研究發現膠螺混合連接中的螺栓連接有利于減少膠層的剝離應力，對裂紋的擴展有一定阻礙作用，從而起到強化效果；同時螺栓也可預防出現突發性失效相關的災難[48]。這種接頭體系中螺栓可視為對膠接的加強，在理想條件下二者共同承受載荷。而接頭瀕臨破壞時，二者的強度都達到極限值極，這樣可以起到最大的承載效果。或膠接先達到極限，而螺栓連接依然可承載。相關實驗研究結果表明，這兩種連接的同步性和均衡性對結構承載性會產生直接影響。目前在航空航天領域，這種混合連接模式由于表現出突出的性能優勢，因而獲得廣泛關注，應用比例不斷增加。圖3.膠螺混合雙搭接連接示意圖[47]寬徑比對膠螺連接強度的影響寬徑比為材料的寬度與孔直徑之比，此參數和膠接區域大小密切相關，同時決定了承載截面積，因而其對這種結構的失效載荷有很大影響。鄭艷萍探究了寬徑比分別為3、3.5、4、4.5、5、5.5、6的7組雙釘混合連接結構的性能，結果表明，混合連接結構的失效載荷隨著寬徑比增大而逐漸增加，綜合考慮結構重量、連接效率等因素，發現當寬徑比為4.5時混合連接結構的綜合性能最優[49]。熊勇堅研究了寬徑比對雙釘膠-螺混合連接結構的影響，得出連接結構的失效載荷和寬徑比存在正相關關系，不過在寬徑比達到一定幅度條件下，失效載荷會有所下降。在一定優化對比基礎上，確定出最適宜的寬徑比為4.5[50]。選擇合適的寬徑比有利于提高混合連接結構的承載性能。端徑比對膠螺連接強度的影響端徑比是孔的中心和板邊緣的距離與孔直徑的比值，具體分析可知該參數對搭接區域面積有直接影響，同時也影響了混合連接結構的失效載荷。熊勇堅在研究過程中對端徑比為1~4的七組雙釘膠螺混合連接結構模型進行仿真計算。結果表明，隨著端徑比的增大，混合連接結構的連接效率先增大后逐漸減小。考慮到失效荷載和連接強度的影響，得出端徑比為1.5時最佳[50]。楊本寧選取端徑比分別為1.5、1.75、2、2.5、3、3.5、4的7組膠-螺混合連接試件仿真分析，發現適當的提高端徑比后，連接結構的承載性能顯著增加，當端徑比從1.5到2.5時，對應的失效載荷增加25.8%，大于2.5后，接頭的承載性能基本上保持固定[51]。熊勇堅在實驗研究基礎上分析了寬徑比對膠螺連接的影響情況，對數據進行統計分析發現，連接結構的失效載荷和寬徑比在一定范圍內存在正相關關系，不過寬徑比為4.5~6時失效載荷有一定幅度下降。綜合考慮寬徑比定為4.5時連接結構性能最佳[50]。選擇合適的端徑比有利于提高混合連接結構的承載性能。孔徑比對膠螺連接強度的影響孔徑比是一號孔中心與二號孔中心之間的距離與孔直徑之比，孔徑比的變化直接影響著混合連接結構的膠接面積，兩孔之間的距離也直接影響混合連接結構的失效荷載。鄭艷萍分別對孔徑比為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5的7組雙釘混合連接結構仿真研究，在此基礎上討論孔徑比對這種結構的承載性能影響情況，所得結果表明在孔徑比為2~4.5范圍內變化時，其失效載荷和孔徑比存在正相關關系;當孔徑比為4.5~5區間內時，二者負相關[49]。熊勇堅在實驗基礎上統計分析了不同孔徑比對雙釘膠螺混合連接結構的影響，結果表明，孔徑比在2~4.5時，混合連接結構的失效載荷持續提高，孔徑比在4.5~5范圍內增加時，其失效載荷不斷減小，孔徑比為4.5是其中的最優解[50]。選擇合適的孔徑比有利于提高混合連接結構的承載性能。膠層厚度對膠螺連接強度的影響在膠螺混合連接當中，理論上膠層越厚承載能力越大，從而提高整個連接結構的承載力，但是實際情況并非如此。楊紹勇在膠螺混合連接實驗中發現，當膠層厚度大到一定程度時，其強度會降低。其原因在于膠層厚度較小時，其增加過程中膠層的剪應力集中會被抑制，這樣可改善其承載性能。而膠層厚度較大時，其破壞主要和剝離應力有關，對應的破壞模式主要表現為剝離破壞，這種條件下膠層的承載力顯著降低[52]。鄒維杰在關于膠層厚度對膠螺混合連接結構的影響的研究中，膠層厚度分別取0.025mm、0.05mm、0.25mm和0.5mm，根據實驗數據進行對比分析發現，在提高膠層厚度過程中，結構強度也有一定幅度增加[53]。張超禹在研究時，分析了膠層厚度和這種結構失效載荷的相關性，在實驗時設置膠層厚度變化范圍為0.06-0.42mm，然后分析了不同膠層厚度條件下，結構的拉伸失效載荷。所得結果表明在其他參數不變情況下，提高膠層厚度過程中，混合結構的效載荷相應的變化趨勢為先減少后增加而后又減少。具體表現為膠層厚度在0.06--0.18mm區間內變動時，失效載荷不斷的下降;在0.18--0.30mm區間內時，二者表現出正相關關系;當膠層厚度在0.30--0.42mm區間內持續增加時，失效載荷持續的下降[3]。根據實際應用情況可知，膠層厚度的一般經驗取值為0.1-0.25mm。因為每種膠粘劑的最佳使用厚度不同，在使用時具體需要參考膠粘劑的力學性能，以選擇合適的膠層厚度。參考文獻:[1]沈正悅.膠接工藝在裝配過程中的應用分析及發展[J].中國新技術新產品,2021(13):99-101.[2]徐琛,孫永波.膠膜特性對膠螺混合單搭接結構性能的影響[J].中國民航大學學報,2021,39(02):61-64.[3]張超禹,鄭艷萍,熊勇堅,王旭.CFRP與鋁板膠螺混合連接結構拉伸性能研究[J].復合材料科學與工程,2020(08):12-17.[4]郭磊,劉檢華,張佳朋,李夏禹,張秀敏,夏煥雄.航天工業中膠接技術的研究現狀分析[J].中國機械工程,2021,32(12):1395-1405.[5]鄒鵬遠,張華,雷敏,程東海,曾遨日,楊帆.樹脂基CFRP/金屬異種材料激光連接工藝研究現狀[J].稀有金屬材料與工程,2021,50(05):1853-1859.[6]于躍.白車身膠接的失效分析及解決措施[J].汽車工藝師,2019(05):60-64.[7]付文強,王小兵,王寶春,徐洪敏,孔令美.樹脂基復合材料與金屬材料膠接體系研究進展[J].復合材料科學與工程,2020(06):121-128.[8]張忠濤.等離子體預處理改善CFRP/鋁合金粘接強度研究[D].大連理工大學,2021.[9]龔曉花.軸瓦耐磨涂層的制備及性能研究[D].東南大學,2020.[10]孫煜,劉強,黃峰,馬金瑞,張宇.復合材料風扇葉片鈦合金加強邊膠接技術研究[J].復合材料科學與工程,2021(03):78-81+98.[11]陳楊,何繼敏,常義,王勝于,白曉康.連續纖維增強復合材料模內混合注射成型研究進展[J].工程塑料應用,2021,49(09):145-149+154.[12]邵新愿.CFRP-Al膠接接頭濕熱老化力學性能研究[D].大連理工大學,2020.[13]霍石磊.基于間甲白鈷的橡膠骨架粘合性能影響因素研究[D].青島科技大學,2020.[14]牛兵.側鏈對偶氮苯光化學性能的影響及偶氮光控粘合劑的研究[D].桂林理工大學,2021.[15]孫艷輝,南俊民,馬國正,何廣平,左曉希,李國良,林曉明.物理化學課程思政教學設計與實踐[J].大學化學,2021,36(03):217-222.[16]楊露露.鋼鋁車身結構壓-膠復合連接工藝與失效機理研究[D].武漢理工大學,2020.[17]王松.等離子體改性對玻璃/鋁合金膠接界面作用機制的分子模擬及實驗研究[D].西南交通大學,2019.[18]陳娟.影響膠粘劑膠接性能的因素分析[J].中小企業管理與科技(中旬刊),2021(07):159-160.[19]蔣霄,閔峻英,林建平,張俊.聚合物基體復合材料與金屬的連接工藝綜述[J].汽車文摘,2021(04):32-38.[20]申浩.環境溫度對車用粘接劑單搭接接頭失效影響研究[D].吉林大學,2020.[21]姚力,夏勇,周青.車用膠粘接頭機械性能的濕熱老化與恢復[J].汽車安全與節能學報,2017,8(01):46-52.[22]高向陽,臧玉巖,徐緋,張笑宇,馮威,成煒,賈欲明.濕熱環境對雙搭接復合材料接頭剪切性能影響[J].應用力學學報,2021,38(05):2042-2048.[23]范以撒.溫度濕度對車用聚氨酯粘接劑靜態強度的影響研究[D].吉林大學,2018.[24]李佳靜.FRP筋新型復合鋼套筒連接器的研發設計及試驗研究[D].西南科技大學,2021.[25]陳國輝,李冬,劉劍俠,吳淑新,楊士山.固體火箭發動機絕熱層粘接性能影響因素分析[J].化工新型材料,2019,47(04):134-135+139.[26]侯皓天.鹽水環境下膠層厚度對單搭接接頭粘接性能的影響研究[D].大連理工大學,2019.[27]周奧.鋼/鋁結構膠連接強度影響因素的試驗和數值模擬研究[D].湘潭大學,2020.[28]Theeffectsofgrit-blastingonsurfacepropertiesforadhesion[