碳纤维复合材料与金属连接及接头力学性能测试分析

王少星

摘 要：近年来，碳纤维复合材料以其导热性能好、质量轻、强度高的优点在众多领域（如核工业、外空间等）中得到了广泛应用。其与金属的连接主要采用扩散焊、钎焊、胶结、螺栓等方式，在进行钎焊时，大部分的钎料的表面都不湿润，常需要在高真空、高温环境下使用活性钎料进行钎焊。不同种类的钎料，接头强度也会具有较大差异。该文主要分析了碳纤维复合材料与常见金属（铜、铝合金）的连接方法，并介绍了接头力学性能的测试方法。

关键词：接头 力学性能 金属连接 碳纤维复合材料

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纤维复合材料，是指将石墨纤维或碳纤维作为增强相，将化学沉积碳或石墨化、碳化硅的树脂作为基体的一种复合性材料。此类材料具有温度升高慢、散热快、线膨胀系数低、抗烧蚀、尺寸稳定、抗腐蚀、质量轻、耐高温等优点，所以在机械制造、航空工业、核工业等领域中得到了广泛应用。碳纤维复合材料是一种非金属材料，要对其进行钎焊，难度较大，通常会采用沉积、烧结、镀敷等方法，将金属粉末处理在碳纤维复合材料的表面，再行常规钎焊。另外，也可以采用活性金属法进行钎焊。由于碳纤维复合材料的工艺复杂、制备周期长，应用范围局限性较大，其与金属连接工艺也基本上只在一些科研单位中有应用，所以关于碳纤维复合材料与金属连接的文献报道较少。该文将对碳纤维复合材料与几种常见金属的连接方法及接头力学性能测试进行研究。

1 碳纤维复合材料与金属的连接

1.1 与铜的连接

碳纤维复合材料（CFRP）在与铜连接后，其结构的导热性能良好，同时结构质量比铜更轻，另外，由于铜与CFRP的导热系数较为接近，所以在使用及钎焊时不易产生较大热应力。铜与CFRP的连接主要采用钎焊方式，最早的钎料选用Cu-Pb（质量分数为50%），在钎焊冷却后即可使铜、复合材料、钎料形成连接界面，但该连接界面的强度较低。随着工业技术的不断发展，发现过渡元素Zr、Ti等的化学活性较强，在液态条件下可与C发生反应，所以在传统钎料中添加一定量的活性元素，就可使复合材料表面变湿润，从而降低与金属连接的难度。该方法通常在高纯度惰性气体或真空炉环境下实施，一般钎焊连接可一次性完成。

Ag-Cu-Ti是常用的活性钎料，钎焊通常在真空条件下进行，T值取820 ℃，通过钎焊所获得的接头强度较高，但其在核辐射环境中，Ag可发生化学反应，变为Cd，降低接头强度，所以此类接头无法在核聚变装置中使用。钎料选用Ti，进行复合材料与铜的连接，在真空下进行共晶扩散，焊接参数t为300 s，T为1000 ℃，并对试样施加一定压力，所获得的接头则可有效避免上述问题。同时，若能使用Cu-Ti膏对复合材料表面进行预涂，所获得的接头强度最高。

1.2 与铝合金的连接

与铝合金相比，铜基、银基等活性钎料的熔点更高，所以高温钎焊法不适用于铝合金与CFRP的连接。据国外文献报道，对7075-T62铝合金和CFRP分别使用螺栓连接、胶结、螺栓+胶结3种方法进行连接，结果显示：选用FM73粘结剂时，粘结剂强度会在很大程度上决定接头强度；选用EA9394S粘结剂时，起决定性作用的是螺栓接头强度。一般情况下，在胶结强度低于螺栓连接强度时，混合连接的强度将比螺栓连接强度更大；若胶结强度高于螺栓连接强度，则混合连接强度将比螺栓连接强度更小。

在将2024-T3铝合金与CFRP做双缺口对接时，在高温条件下使用环氧树脂进行粘结，然后固化24 h（室温），分别在250 ℃、室温条件下对此接头做双面剪切试验，发现室温条件下，接头的抗剪切强度为20 MPa，断裂发生在复合材料上；250 ℃条件下，抗剪切强度仅为3.5 MPa，断裂发生在接头部位。热循环试验显示，热应力使接口抗剪切强度大为降低，在试验中甚至会出现接头自然断开。

2 接头力学性能测试

一般来说金属与CFRP的接头所处的工作条件都较为恶劣，人们出于安全性、可靠性考虑，会在应用前，对接头做必要的力学性能测试。

2.1 冲击热应力

在工作环境中，金属与CFRP的连接结构可能发生急剧冷却或加热，此时结构内部的温差较大，产生极强的冲击热应力。通过衡量接头的热冲击断裂强度（）和抗热冲击性（Δ），可模型化加热区域。断裂强度及抗热冲击性计算遵循热传导公式：

Δ=

=

上式中，KIC：断裂韧性值；α：热膨胀系数；E：杨氏模量；k：热导率；σt：抗拉强度；S*：无量纲热应力；β：电弧放电热有效应因子；FIe：试样顶部裂缝释放应力的影响因子（无量纲数）；c：试样边缘裂缝长度；a：试样加热区域半径；h：试样厚度；R：试样半径。电弧放电时间设定为0.7 s。

2.2 抗拉强度

结构力学性能的一个重要参数就是抗拉强度，其是指拉断材料前的最大应力值。若母片都为薄片，可将CFRP两面与金属基板搭接，载荷与接头截面相垂直。复合材料基本与金属管连接时，将1根钢板贯穿金属管，钢棒与金属管紧密抵触，与荷载传感器相连接，施加荷载的十字滑块速度为1 mm/min。

2.3 热循环

对接头进行热循环试验的目的，是为了评价其抗热疲劳性能。比如对2021-T3铝合金与CFRP胶结接头进行热循环试验后，结果显示温度范围在50～250 ℃，热循环共包括以下几个阶段：50 ℃维持30 s；在120 s后升温至250 ℃；250 ℃维持60 s；在120 s后降温至50 ℃；50 ℃维持30 s。

试验标准中对试样尺寸、形状的规定，知识针对某类试验的要求，关于接头的力学性能测试方法，应根据材料使用要求来选择。比如套管对接结构中，为使接头满足工程需要，还应对其做液压强度、气密强度等性能测试。

参考文献

[1] 章莹.连接形状对碳纤维传动轴扭转性能的影响[D].武汉理工大学，2013.

[2] 洪宝剑.碳纤维复合材料传动轴的设计研究[D].武汉理工大学，2012.

[3] 田英超，曲文卿，张智勇，等.碳纤维复合材料与金属的钎焊试验研究[J].航空制造技术，2011（9）：82-84.

[4] 田琳娜.碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的成型工艺及力学性能研究[D].长春工业大学，2012.

[5] 朱程燕.碳纤维复合材料T型接头脱黏监测中的信号处理与分析[D].南京航空航天大学，2012.endprint

摘 要：近年来，碳纤维复合材料以其导热性能好、质量轻、强度高的优点在众多领域（如核工业、外空间等）中得到了广泛应用。其与金属的连接主要采用扩散焊、钎焊、胶结、螺栓等方式，在进行钎焊时，大部分的钎料的表面都不湿润，常需要在高真空、高温环境下使用活性钎料进行钎焊。不同种类的钎料，接头强度也会具有较大差异。该文主要分析了碳纤维复合材料与常见金属（铜、铝合金）的连接方法，并介绍了接头力学性能的测试方法。

关键词：接头 力学性能 金属连接 碳纤维复合材料

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纤维复合材料，是指将石墨纤维或碳纤维作为增强相，将化学沉积碳或石墨化、碳化硅的树脂作为基体的一种复合性材料。此类材料具有温度升高慢、散热快、线膨胀系数低、抗烧蚀、尺寸稳定、抗腐蚀、质量轻、耐高温等优点，所以在机械制造、航空工业、核工业等领域中得到了广泛应用。碳纤维复合材料是一种非金属材料，要对其进行钎焊，难度较大，通常会采用沉积、烧结、镀敷等方法，将金属粉末处理在碳纤维复合材料的表面，再行常规钎焊。另外，也可以采用活性金属法进行钎焊。由于碳纤维复合材料的工艺复杂、制备周期长，应用范围局限性较大，其与金属连接工艺也基本上只在一些科研单位中有应用，所以关于碳纤维复合材料与金属连接的文献报道较少。该文将对碳纤维复合材料与几种常见金属的连接方法及接头力学性能测试进行研究。

1 碳纤维复合材料与金属的连接

1.1 与铜的连接

碳纤维复合材料（CFRP）在与铜连接后，其结构的导热性能良好，同时结构质量比铜更轻，另外，由于铜与CFRP的导热系数较为接近，所以在使用及钎焊时不易产生较大热应力。铜与CFRP的连接主要采用钎焊方式，最早的钎料选用Cu-Pb（质量分数为50%），在钎焊冷却后即可使铜、复合材料、钎料形成连接界面，但该连接界面的强度较低。随着工业技术的不断发展，发现过渡元素Zr、Ti等的化学活性较强，在液态条件下可与C发生反应，所以在传统钎料中添加一定量的活性元素，就可使复合材料表面变湿润，从而降低与金属连接的难度。该方法通常在高纯度惰性气体或真空炉环境下实施，一般钎焊连接可一次性完成。

Ag-Cu-Ti是常用的活性钎料，钎焊通常在真空条件下进行，T值取820 ℃，通过钎焊所获得的接头强度较高，但其在核辐射环境中，Ag可发生化学反应，变为Cd，降低接头强度，所以此类接头无法在核聚变装置中使用。钎料选用Ti，进行复合材料与铜的连接，在真空下进行共晶扩散，焊接参数t为300 s，T为1000 ℃，并对试样施加一定压力，所获得的接头则可有效避免上述问题。同时，若能使用Cu-Ti膏对复合材料表面进行预涂，所获得的接头强度最高。

1.2 与铝合金的连接

与铝合金相比，铜基、银基等活性钎料的熔点更高，所以高温钎焊法不适用于铝合金与CFRP的连接。据国外文献报道，对7075-T62铝合金和CFRP分别使用螺栓连接、胶结、螺栓+胶结3种方法进行连接，结果显示：选用FM73粘结剂时，粘结剂强度会在很大程度上决定接头强度；选用EA9394S粘结剂时，起决定性作用的是螺栓接头强度。一般情况下，在胶结强度低于螺栓连接强度时，混合连接的强度将比螺栓连接强度更大；若胶结强度高于螺栓连接强度，则混合连接强度将比螺栓连接强度更小。

在将2024-T3铝合金与CFRP做双缺口对接时，在高温条件下使用环氧树脂进行粘结，然后固化24 h（室温），分别在250 ℃、室温条件下对此接头做双面剪切试验，发现室温条件下，接头的抗剪切强度为20 MPa，断裂发生在复合材料上；250 ℃条件下，抗剪切强度仅为3.5 MPa，断裂发生在接头部位。热循环试验显示，热应力使接口抗剪切强度大为降低，在试验中甚至会出现接头自然断开。

2 接头力学性能测试

一般来说金属与CFRP的接头所处的工作条件都较为恶劣，人们出于安全性、可靠性考虑，会在应用前，对接头做必要的力学性能测试。

2.1 冲击热应力

在工作环境中，金属与CFRP的连接结构可能发生急剧冷却或加热，此时结构内部的温差较大，产生极强的冲击热应力。通过衡量接头的热冲击断裂强度（）和抗热冲击性（Δ），可模型化加热区域。断裂强度及抗热冲击性计算遵循热传导公式：

Δ=

=

上式中，KIC：断裂韧性值；α：热膨胀系数；E：杨氏模量；k：热导率；σt：抗拉强度；S*：无量纲热应力；β：电弧放电热有效应因子；FIe：试样顶部裂缝释放应力的影响因子（无量纲数）；c：试样边缘裂缝长度；a：试样加热区域半径；h：试样厚度；R：试样半径。电弧放电时间设定为0.7 s。

2.2 抗拉强度

结构力学性能的一个重要参数就是抗拉强度，其是指拉断材料前的最大应力值。若母片都为薄片，可将CFRP两面与金属基板搭接，载荷与接头截面相垂直。复合材料基本与金属管连接时，将1根钢板贯穿金属管，钢棒与金属管紧密抵触，与荷载传感器相连接，施加荷载的十字滑块速度为1 mm/min。

2.3 热循环

对接头进行热循环试验的目的，是为了评价其抗热疲劳性能。比如对2021-T3铝合金与CFRP胶结接头进行热循环试验后，结果显示温度范围在50～250 ℃，热循环共包括以下几个阶段：50 ℃维持30 s；在120 s后升温至250 ℃；250 ℃维持60 s；在120 s后降温至50 ℃；50 ℃维持30 s。

试验标准中对试样尺寸、形状的规定，知识针对某类试验的要求，关于接头的力学性能测试方法，应根据材料使用要求来选择。比如套管对接结构中，为使接头满足工程需要，还应对其做液压强度、气密强度等性能测试。

参考文献

[1] 章莹.连接形状对碳纤维传动轴扭转性能的影响[D].武汉理工大学，2013.

[2] 洪宝剑.碳纤维复合材料传动轴的设计研究[D].武汉理工大学，2012.

[3] 田英超，曲文卿，张智勇，等.碳纤维复合材料与金属的钎焊试验研究[J].航空制造技术，2011（9）：82-84.

[4] 田琳娜.碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的成型工艺及力学性能研究[D].长春工业大学，2012.

[5] 朱程燕.碳纤维复合材料T型接头脱黏监测中的信号处理与分析[D].南京航空航天大学，2012.endprint

摘 要：近年来，碳纤维复合材料以其导热性能好、质量轻、强度高的优点在众多领域（如核工业、外空间等）中得到了广泛应用。其与金属的连接主要采用扩散焊、钎焊、胶结、螺栓等方式，在进行钎焊时，大部分的钎料的表面都不湿润，常需要在高真空、高温环境下使用活性钎料进行钎焊。不同种类的钎料，接头强度也会具有较大差异。该文主要分析了碳纤维复合材料与常见金属（铜、铝合金）的连接方法，并介绍了接头力学性能的测试方法。

关键词：接头 力学性能 金属连接 碳纤维复合材料

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（a）-0080-01

碳纤维复合材料，是指将石墨纤维或碳纤维作为增强相，将化学沉积碳或石墨化、碳化硅的树脂作为基体的一种复合性材料。此类材料具有温度升高慢、散热快、线膨胀系数低、抗烧蚀、尺寸稳定、抗腐蚀、质量轻、耐高温等优点，所以在机械制造、航空工业、核工业等领域中得到了广泛应用。碳纤维复合材料是一种非金属材料，要对其进行钎焊，难度较大，通常会采用沉积、烧结、镀敷等方法，将金属粉末处理在碳纤维复合材料的表面，再行常规钎焊。另外，也可以采用活性金属法进行钎焊。由于碳纤维复合材料的工艺复杂、制备周期长，应用范围局限性较大，其与金属连接工艺也基本上只在一些科研单位中有应用，所以关于碳纤维复合材料与金属连接的文献报道较少。该文将对碳纤维复合材料与几种常见金属的连接方法及接头力学性能测试进行研究。

1 碳纤维复合材料与金属的连接

1.1 与铜的连接

碳纤维复合材料（CFRP）在与铜连接后，其结构的导热性能良好，同时结构质量比铜更轻，另外，由于铜与CFRP的导热系数较为接近，所以在使用及钎焊时不易产生较大热应力。铜与CFRP的连接主要采用钎焊方式，最早的钎料选用Cu-Pb（质量分数为50%），在钎焊冷却后即可使铜、复合材料、钎料形成连接界面，但该连接界面的强度较低。随着工业技术的不断发展，发现过渡元素Zr、Ti等的化学活性较强，在液态条件下可与C发生反应，所以在传统钎料中添加一定量的活性元素，就可使复合材料表面变湿润，从而降低与金属连接的难度。该方法通常在高纯度惰性气体或真空炉环境下实施，一般钎焊连接可一次性完成。

Ag-Cu-Ti是常用的活性钎料，钎焊通常在真空条件下进行，T值取820 ℃，通过钎焊所获得的接头强度较高，但其在核辐射环境中，Ag可发生化学反应，变为Cd，降低接头强度，所以此类接头无法在核聚变装置中使用。钎料选用Ti，进行复合材料与铜的连接，在真空下进行共晶扩散，焊接参数t为300 s，T为1000 ℃，并对试样施加一定压力，所获得的接头则可有效避免上述问题。同时，若能使用Cu-Ti膏对复合材料表面进行预涂，所获得的接头强度最高。

1.2 与铝合金的连接

与铝合金相比，铜基、银基等活性钎料的熔点更高，所以高温钎焊法不适用于铝合金与CFRP的连接。据国外文献报道，对7075-T62铝合金和CFRP分别使用螺栓连接、胶结、螺栓+胶结3种方法进行连接，结果显示：选用FM73粘结剂时，粘结剂强度会在很大程度上决定接头强度；选用EA9394S粘结剂时，起决定性作用的是螺栓接头强度。一般情况下，在胶结强度低于螺栓连接强度时，混合连接的强度将比螺栓连接强度更大；若胶结强度高于螺栓连接强度，则混合连接强度将比螺栓连接强度更小。

在将2024-T3铝合金与CFRP做双缺口对接时，在高温条件下使用环氧树脂进行粘结，然后固化24 h（室温），分别在250 ℃、室温条件下对此接头做双面剪切试验，发现室温条件下，接头的抗剪切强度为20 MPa，断裂发生在复合材料上；250 ℃条件下，抗剪切强度仅为3.5 MPa，断裂发生在接头部位。热循环试验显示，热应力使接口抗剪切强度大为降低，在试验中甚至会出现接头自然断开。

2 接头力学性能测试

一般来说金属与CFRP的接头所处的工作条件都较为恶劣，人们出于安全性、可靠性考虑，会在应用前，对接头做必要的力学性能测试。

2.1 冲击热应力

在工作环境中，金属与CFRP的连接结构可能发生急剧冷却或加热，此时结构内部的温差较大，产生极强的冲击热应力。通过衡量接头的热冲击断裂强度（）和抗热冲击性（Δ），可模型化加热区域。断裂强度及抗热冲击性计算遵循热传导公式：

Δ=

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上式中，KIC：断裂韧性值；α：热膨胀系数；E：杨氏模量；k：热导率；σt：抗拉强度；S*：无量纲热应力；β：电弧放电热有效应因子；FIe：试样顶部裂缝释放应力的影响因子（无量纲数）；c：试样边缘裂缝长度；a：试样加热区域半径；h：试样厚度；R：试样半径。电弧放电时间设定为0.7 s。

2.2 抗拉强度

结构力学性能的一个重要参数就是抗拉强度，其是指拉断材料前的最大应力值。若母片都为薄片，可将CFRP两面与金属基板搭接，载荷与接头截面相垂直。复合材料基本与金属管连接时，将1根钢板贯穿金属管，钢棒与金属管紧密抵触，与荷载传感器相连接，施加荷载的十字滑块速度为1 mm/min。

2.3 热循环

对接头进行热循环试验的目的，是为了评价其抗热疲劳性能。比如对2021-T3铝合金与CFRP胶结接头进行热循环试验后，结果显示温度范围在50～250 ℃，热循环共包括以下几个阶段：50 ℃维持30 s；在120 s后升温至250 ℃；250 ℃维持60 s；在120 s后降温至50 ℃；50 ℃维持30 s。

试验标准中对试样尺寸、形状的规定，知识针对某类试验的要求，关于接头的力学性能测试方法，应根据材料使用要求来选择。比如套管对接结构中，为使接头满足工程需要，还应对其做液压强度、气密强度等性能测试。

参考文献

[1] 章莹.连接形状对碳纤维传动轴扭转性能的影响[D].武汉理工大学，2013.

[2] 洪宝剑.碳纤维复合材料传动轴的设计研究[D].武汉理工大学，2012.

[3] 田英超，曲文卿，张智勇，等.碳纤维复合材料与金属的钎焊试验研究[J].航空制造技术，2011（9）：82-84.

[4] 田琳娜.碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的成型工艺及力学性能研究[D].长春工业大学，2012.

[5] 朱程燕.碳纤维复合材料T型接头脱黏监测中的信号处理与分析[D].南京航空航天大学，2012.endprint