复合材料在现代航天材料中的应用现状

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复合材料在现代航天材料中的应用现状

　　摘要：随着航空工业科学技术的不断进步对材料的性能要求更高，复合材料在现代航天材

料中应用地位越来越高。复合材料的连接方式成为目前的热点问题，本文通过对复合材料连接

方式的连接机理、失效模式、应用发展、优缺点等进行分析比较，重点分析电阻焊接技术在复

合材料焊接领域的应用现状。

　　关键词：热塑性复合材料；连接；电阻焊；

随着航空航天等领域的不断创新发展，复合材料具有比强度、比刚度高，相对简单的成型工

艺，可大幅度地降低飞机的自身重量等诸多优点，先进复合材料成为军事武器以及民用航空器

的理想材料。飞机用复合材料已有将近 50 年的发展历史，航天器上的大型构件采用化整为零

的方法以降低制造难度[1],那么构件的连接将影响材料的整体强度，传统的机械连接方式不满

足轻量化的要求还会导致应力集中；胶接连接方式，易受环境影响，剥离强度低；焊接连接方

式可以很好地解决应力集中，热膨胀系数等问题[2].新一代空客 A320 复合材料用量在 50%以上

龙骨梁使用了碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（CF/PEEK）组件采用焊接的连接方式无铆钉连

接。

　　热塑性复合材料的熔融连接方法有激光焊、电磁感应焊、超声焊以及电阻焊等，焊接介质

的选择和设计是电阻焊接头性能的重要影响因素。目前焊接介质主要分为两类，不锈钢金属网

加热元件和碳纤维加热元件。不锈钢金属网导热性好与电极连接简单，但界面融合性和接头力

学性能差。碳纤维加热元件，碳纤维混编织物加热元件相对于单向碳纤维加热元件的焊接界面

温度分布更均匀[3],电阻更大，承载的横向拉伸力更大，焊接接头性能更好。因此，碳纤维混

编织物作加热元件的电阻焊接工艺流程简单、成本低[4],产品力学性能好，应用前景广阔。

　　 1　复合材料连接技术的发展

　　航天器所应用的复合材料大多为大型构件，因此复合材料构件间的连接是不可避免的，连

接部位的力学性能相对较差，含有结构形状的各种间断[5],容易发生局部的应力集中导致破坏

失效，对复合材料整体的强度有影响，为了使载荷的有效传递，采用合理的连接方式保证复合

材料结构性能。本文将对各种连接方式进行逐一分析比较。

　　 1.1　机械连接

　　 20 世纪 60 年代，美国国家航空航天局就已开始对机械连接方式开展研究[6].机械连接包括

螺栓连接和铆钉连接，但无论哪种连接方式都会导致纤维断裂，出现应力集中、局部强度降

低，但机械连接便于拆卸、可重复装配、可靠性高、技术应用广泛、适用于大面积连接。

　　 1.2　胶接连接

　　 20 世纪 80 年代，复合材料胶接技术在航空航天领域应用广泛。环氧基、双马来酰亚胺

基、氰酸酯基等强化树脂体系是复合材料胶接技术的主要应用范围。美国土星 S-Ⅱ 二级运载火

箭采用胶接结构，应用 52 种胶黏剂以此减轻重量，从而增加射程，节约成本。我国生产的运-

7,运-8 等飞机也大量使用胶接体系及技术，运-7 机身有 26 块点焊胶接壁。虽然我国在军用飞机

上的胶接技术和体系已经达到先进水平，但大面积胶接技术在大型民用飞机上的应用还有待进

一步提高。

　　 1.3　焊接

　　复合材料焊接方式有激光焊、感应焊、超声焊、电阻焊，四种焊接方式均是加热熔融使树

脂分子扩散融合，基体之间有很好的相容性。

　　（1）激光焊适用于复杂构件，分为激光穿透焊接技术和激光直接连接技术。激光穿透焊

适用于透明树脂与不透明树脂、碳纤维增强热塑性树脂、金属材料的连接。激光直接焊与电阻

焊接相似，激光在材料表面产生热使界面熔融连接。

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摘要：

复合材料在现代航天材料中的应用现状　　摘要：随着航空工业科学技术的不断进步对材料的性能要求更高，复合材料在现代航天材料中应用地位越来越高。复合材料的连接方式成为目前的热点问题，本文通过对复合材料连接方式的连接机理、失效模式、应用发展、优缺点等进行分析比较，重点分析电阻焊接技术在复合材料焊接领域的应用现状。　　关键词：热塑性复合材料；连接；电阻焊；随着航空航天等领域的不断创新发展，复合材料具有比强度、比刚度高，相对简单的成型工艺，可大幅度地降低飞机的自身重量等诸多优点，先进复合材料成为军事武器以及民用航空器的理想材料。飞机用复合材料已有将近50年的发展历史，航天器上的大型构件采用化整为零的方法以...

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