01概述

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（FRP）因其優(yōu)異的物理性質(zhì)和設(shè)計靈活性，在航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這類材料以其高比強(qiáng)度、高比剛度、良好的耐高溫性能和輕量化的特點而受到廣泛應(yīng)用。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，熱固性復(fù)合材料（TSC）雖然已得到廣泛應(yīng)用，但其內(nèi)在缺陷推動了對具有更高性能和更可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ臒崴苄詮?fù)合材料（TPC）的研究關(guān)注。碳纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料在各類航空器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益增加，例如Gulfstream G650公務(wù)機(jī)的尾翼、空客A330/A340的內(nèi)側(cè)壁板扣件以及H-160直升機(jī)的中央旋翼槳榖等，均采用此類材料制造，表明了TPC在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。

與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料顯示出更高的抗疲勞性、更好的沖擊損傷容忍性、更短的固化周期，并且便于進(jìn)行二次加工和回收利用。這些優(yōu)勢使得TPC成為未來航空結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的一個重要方向。

在制造大型或復(fù)雜的航空結(jié)構(gòu)件時，連接技術(shù)是組裝過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。復(fù)合材料的連接方法主要包括機(jī)械連接、膠接以及熔融焊接。自20世紀(jì)60年代起，美國國家航空航天局（NASA）便在復(fù)合材料的機(jī)械連接領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，建立了一套針對復(fù)合材料連接的設(shè)計、制造和應(yīng)用指導(dǎo)規(guī)范。1997年，美國啟動的“復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)可承受性（CAI）”項目，針對低成本大型結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)的研究取得了顯著成果，其中F-35戰(zhàn)斗機(jī)的膠接結(jié)構(gòu)應(yīng)用便是一個成功案例。

對于熱塑性復(fù)合材料，由于其樹脂的低表面能特性，傳統(tǒng)的膠接方法面臨挑戰(zhàn)，而熱塑性的加熱軟化和冷卻硬化特性使得熔融焊接成為一種有效的新型連接方法。波音公司的一項成本比較研究顯示，與傳統(tǒng)的螺栓連接相比，采用熔焊連接復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件可大幅降低勞動力成本，進(jìn)一步證實了熔融焊接技術(shù)在復(fù)合材料連接領(lǐng)域的應(yīng)用價值。

02近年熱門的先進(jìn)熱塑性復(fù)合材料連接技術(shù)

2.1熔融焊接

在復(fù)合材料的連接過程中，機(jī)械連接法通過預(yù)制孔的方式容易損害增強(qiáng)纖維，這種做法不僅降低了材料的整體結(jié)構(gòu)性能，而且在連接異種材料時可能導(dǎo)致電偶腐蝕，進(jìn)而削弱材料界面的強(qiáng)度。膠接技術(shù)雖然可以避免預(yù)制孔造成的直接物理損傷，但其在實際應(yīng)用中面臨諸如環(huán)境敏感性和較長的黏結(jié)劑固化時間等挑戰(zhàn)。此外，熱塑性復(fù)合材料（TPC）的膠接過程通常需要對表面進(jìn)行預(yù)處理，以提升材料表面的潤濕性和表面張力，從而改善黏接效果。

圖 常見熔融鏈接方法

2.2電阻焊接

電阻焊接技術(shù)利用電流通過加熱元件產(chǎn)生焦耳熱，熔化熱塑性樹脂并通過壓力形成焊接接頭。關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制焊接參數(shù)以保證接頭質(zhì)量。早期研究依賴搭接剪切強(qiáng)度測試（LSST）評估接頭力學(xué)性能，但后續(xù)研究提出需通過韌性試驗評估接頭的復(fù)雜斷裂行為。加熱元件的選擇對焊接質(zhì)量至關(guān)重要，研究表明織物加熱元件比單向纖維具有更均勻的溫度分布，而后者在相同材料間的結(jié)合性能更佳。不銹鋼網(wǎng)加熱元件的絲束密度直接影響樹脂擴(kuò)散和加熱效率。為防止電阻焊接中的漏電問題，開發(fā)了一種涂有TiO2陶瓷涂層的不銹鋼網(wǎng)，通過改進(jìn)加熱均勻性和隔絕電流泄漏，提高焊接接頭的質(zhì)量和性能。

圖 電阻焊接

2.3感應(yīng)焊接

感應(yīng)焊接 ( IW) 的原理是在導(dǎo)電線圈上施加交流電壓時產(chǎn)生交流電，感應(yīng)出時變磁場，當(dāng)加熱元件被放置在時變磁場附近時，就會產(chǎn)生渦流，渦流流過導(dǎo)電回路在焊接界面產(chǎn)生熱量，因此也可以使用編織增強(qiáng)纖維產(chǎn)生閉環(huán)，如圖所示。與電阻焊接不同的是，感應(yīng)焊接不需要感應(yīng)線圈與加熱元件接觸，能夠更好地控制加熱區(qū)域。

圖 感應(yīng)焊接原理

2.4超聲焊接

在1984年，Potente首次闡述了利用超聲波焊接熱塑性高分子材料的機(jī)制，其中涉及將待焊材料與一稱為導(dǎo)能筋（感受器）的元件在焊接壓力作用下固定接觸。通過超聲波發(fā)生器，高頻交流電被轉(zhuǎn)換為高頻振動，這種小振幅的運(yùn)動通過分子間摩擦產(chǎn)生熱能，該熱能隨后通過導(dǎo)能筋傳遞至接頭界面，使之熔融并在壓力作用下與待焊件形成穩(wěn)定連接。相較于電阻焊接和感應(yīng)焊接，超聲焊接因其快速且適用于大批量及自動化生產(chǎn)而突顯優(yōu)勢，特別是在不引入外來材料或纖維的情況下，通過在焊接界面放置一層特定的樹脂材料——超聲波導(dǎo)能筋（ED），以減少潛在影響。

圖 超聲焊接

隨著研究的發(fā)展，超聲焊接技術(shù)的優(yōu)化焦點包括工藝參數(shù)的調(diào)整、焊接控制方法、導(dǎo)能筋的選型及不同熱塑性復(fù)合材料的焊接。控制超聲焊接的主要參數(shù)有壓力、振幅和時間，其中振動時間決定了輸入到焊接接頭的能量及其最終的質(zhì)量。研究指出，接頭質(zhì)量會隨著焊接時間的延長而提高，但過長的焊接時間可能會導(dǎo)致接頭處出現(xiàn)較大的孔洞和裂紋。不同頻率下的焊接實驗表明，高頻率（67～180 kHz）下的焊接接頭具有更高的強(qiáng)度，這歸因于高頻能提供更高的界面溫度。此外，焊接過程中的振動時間可以通過設(shè)定值直接控制或通過調(diào)節(jié)焊接能量和超聲波發(fā)生器的垂直位移來間接控制。與能量控制相比，位移控制能夠?qū)崿F(xiàn)更穩(wěn)定和可靠的焊接質(zhì)量。導(dǎo)能筋作為超聲焊接中至關(guān)重要的部分，通過其自身低于被焊材料剛度的特性和與被焊材料的相對運(yùn)動，集中產(chǎn)生熱量，促進(jìn)摩擦加熱和黏彈性加熱，其形狀如三角形、半圓形和矩形等。

圖 導(dǎo)能筋類型

2.5其他連接技術(shù)

在連接技術(shù)領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)方法如電阻焊接和感應(yīng)焊接外，攪拌摩擦焊和摩擦自鉚焊等新興技術(shù)展示了其廣闊的研究與發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r，探索創(chuàng)新的連接技術(shù)，特別是在化學(xué)鍵合、異種材料連接及新型結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，變得至關(guān)重要。具體而言，Ageorges等人提出的熱塑性樹脂混雜夾層連接法，通過機(jī)械聯(lián)鎖實現(xiàn)熱塑性與熱固性樹脂的結(jié)合；Meng等人通過設(shè)計特殊的接頭結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了摩擦自鉚焊接的高抗剪強(qiáng)度。此外，Deng等人的研究為熱塑性復(fù)合材料與其他材料的連接提供了理論基礎(chǔ)，而Hufenbach等人的工作則拓展了新型熱塑性復(fù)合材料連接技術(shù)的可能性。Jiang等人對攪拌摩擦焊與其他新型連接技術(shù)的結(jié)合提出了未來發(fā)展的方向。這些進(jìn)展不僅推動了連接技術(shù)的創(chuàng)新，也為未來的材料設(shè)計與應(yīng)用提供了新的思路和解決方案。

03應(yīng)用領(lǐng)域

3.1航空航天

熔融焊接作為一種創(chuàng)新的連接技術(shù)，通過加熱界面處的樹脂至黏性狀態(tài)，促使樹脂基體之間發(fā)生相互擴(kuò)散，隨后冷卻固化形成焊接接頭。這種方法被證明在制作如新A320飛機(jī)后壓力艙壁展示件時非常有效，德國宇航中心利用電阻焊接技術(shù)，成功地將多塊CF/PPS復(fù)合材料部件焊接在一起，同時以碳纖維結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的金屬網(wǎng)。同樣，荷蘭Fokker公司也通過感應(yīng)焊接技術(shù)，為灣流G650飛機(jī)的方向舵和升降舵采用了CF/PPS復(fù)合材料，進(jìn)一步證明了熔融焊接在提供可靠和穩(wěn)定接頭方面相較于機(jī)械連接和膠接具有顯著的優(yōu)勢。此外，焊接方法還避免了機(jī)械連接中的纖維損傷和膠接中的環(huán)境敏感性問題，顯示出良好的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

圖 GulfstreamG650的垂直尾舵及其蒙皮和盒翼

3.2生活日用

在包裝行業(yè)中，熱封技術(shù)是保持產(chǎn)品新鮮和延長保質(zhì)期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它被廣泛用于密封由熱塑性塑料制成的袋子、薄膜和容器。這些應(yīng)用不僅限于食品包裝，還擴(kuò)展到醫(yī)藥、化妝品和電子產(chǎn)品的包裝。在食品包裝中，塑料盒和托盤的密封對于預(yù)制容器、托盤或盆是至關(guān)重要的，它們可以用塑料薄膜、鋁箔或紙質(zhì)蓋板密封。蓋板既可以預(yù)先切割也可以從卷料上供給，這種靈活性使得生產(chǎn)過程可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。密封材料鋪在容器的開放面上，并與容器熱密封，通過這一過程，托盤和蓋板上的密封層會在熱密封過程中形成緊密的粘結(jié)。

然而，這個過程中也存在挑戰(zhàn)。例如，托盤或薄膜上的污染，如食物殘渣或油脂，會顯著影響最終的密封強(qiáng)度。這是因為污染物可以阻礙熱封層之間的直接接觸，從而減少它們之間的粘合力。在這種情況下，可能需要調(diào)整密封機(jī)器上的參數(shù)，如加熱溫度、壓力和密封時間，以確保盡管存在污染物，也能達(dá)到理想的密封效果。因此，監(jiān)控和維護(hù)清潔的生產(chǎn)環(huán)境是確保高質(zhì)量密封的重要方面。進(jìn)一步的，研發(fā)團(tuán)隊不斷尋求改進(jìn)熱封技術(shù)，開發(fā)出新的材料和方法，以提高密封效果和效率，同時降低生產(chǎn)成本和環(huán)境影響，展現(xiàn)了包裝技術(shù)不斷進(jìn)步和創(chuàng)新的方向。

圖 生活用品密封

3.2醫(yī)療

在醫(yī)療領(lǐng)域，熱封技術(shù)的應(yīng)用對于確保產(chǎn)品無菌、安全性和有效性至關(guān)重要。許多醫(yī)療器械和藥品采用熱封技術(shù)密封在熱塑性和塑料涂層紙的包裝中。這種封裝方法不僅提供了堅固的保護(hù)層，防止微生物侵入，同時也確保了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和長期保存。特別地，加熱區(qū)域的紋理處理技術(shù)允許制造商降低和控制接頭強(qiáng)度，從而確保包裝的易打開性，同時不犧牲包裝的整體完整性和無菌隔離性。這種技術(shù)的應(yīng)用，例如在靜脈注射袋的外包裝、粉末的層壓包裝、結(jié)腸造口袋以及一些藥片泡罩包裝中，體現(xiàn)了醫(yī)療包裝設(shè)計的重要性。

易于打開的包裝不僅便于醫(yī)護(hù)人員快速使用，減少了準(zhǔn)備時間，也在緊急情況下提高了處理速度，同時最大限度地降低了污染風(fēng)險，確保患者安全。此外，這些包裝設(shè)計考慮到了患者的使用便利性，特別是對于那些需要自我管理藥物治療的患者來說，這一點尤其重要。隨著醫(yī)療科技的不斷進(jìn)步和病患需求的不斷增加，熱封技術(shù)及其在醫(yī)療器械和藥品包裝中的應(yīng)用，將繼續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，以提供更加安全、有效和用戶友好的包裝解決方案。

圖 藥品密封

3.3電子元件

在現(xiàn)代電子行業(yè)中，熱封技術(shù)發(fā)揮著重要作用，不僅限于醫(yī)療和包裝領(lǐng)域。它在確保電子設(shè)備的組件緊密結(jié)合和保護(hù)中起著核心作用。印刷電路板（PCB）、電子封裝以及液晶顯示器（LCD）等電子設(shè)備的制造過程中，熱封技術(shù)用于密封和保護(hù)敏感的電子元件。通過這種技術(shù)，可以有效防止?jié)駳夂突覊m侵入，減少氧化和腐蝕的風(fēng)險，從而延長設(shè)備的使用壽命。例如，對于液晶顯示器，熱封可用于固定顯示屏與背光源之間的多層材料，確保視覺效果的清晰度和均勻性。在電子封裝領(lǐng)域，熱封技術(shù)也被用于封裝微芯片，保護(hù)其免受外界環(huán)境的影響。這些應(yīng)用展示了熱封技術(shù)在提升電子產(chǎn)品性能和可靠性方面的重要性。

圖 電路板

04小結(jié)

從行業(yè)發(fā)展角度看，熱塑性復(fù)合材料（TPC）及其連接技術(shù)的進(jìn)步標(biāo)志著航空航天領(lǐng)域材料科學(xué)的重大進(jìn)展。TPC因其卓越的性能和環(huán)境可持續(xù)性，在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用正逐步擴(kuò)大。這種材料不僅提高了飛行器的性能，降低了維護(hù)成本，還促進(jìn)了輕量化設(shè)計的實現(xiàn)，這對于提高能效和減少碳排放具有重要意義。

TPC的這些優(yōu)勢促使行業(yè)內(nèi)的研究和開發(fā)重心轉(zhuǎn)向更高效、更環(huán)保的連接技術(shù)。機(jī)械連接、膠接和熔融焊接等傳統(tǒng)方法在TPC連接領(lǐng)域的應(yīng)用，為解決大型結(jié)構(gòu)件的制造和維修提供了新思路。特別是在追求減輕結(jié)構(gòu)重量和提高整體性能的航空領(lǐng)域，這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用開辟了新的可能性。

行業(yè)對于TPC的需求增加，反映了一個更廣泛的趨勢，即向更高效、更可持續(xù)的材料和制造技術(shù)轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變不僅推動了新材料的開發(fā)和舊材料性能的改進(jìn)，還催生了創(chuàng)新的連接技術(shù)，這些技術(shù)旨在提高生產(chǎn)效率、降低成本并減少環(huán)境影響。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐步降低，預(yù)計TPC及其連接技術(shù)將在航空航天以及其他要求高性能復(fù)合材料的領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

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