复合材料连接特点及仿生技术的应用

复合材料连接特点及仿生技术的应用

贾黎

重庆善固建筑工程有限公司 401331

摘要：工程结构中的连接部位通常是一个结构最薄弱、最容易发生破坏的地方，所以接头设计是结构设计的一项重要内容。缺乏有效地复合材料连接技术是复合材料在工程中得到进一步应用的最大限制，因此有必要对传统连接技术的特点进行分析，并对连接效率更高新型仿生技术进行探究和借鉴，从而确定更优的连接形式，提高复合材料结构在工程中的应用范围。

关键词：复合材料连接；仿生技术；工程应用；

1 复合材料连接技术在工程中的重要性

随着汽车轻量化、航空及军工材料多元化发展趋势，传统金属材料已不能完全满足使用需求，复合材料的快速发展和广泛应用使得材料运用更加完善。玻璃或碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和比刚度，已经在航空航天、机械和海军工程等领域中使用了几十年。近年来，纤维增强树脂基复合材料也逐渐应用于土木工程中，不仅实现了对现有结构的加固、翻新，且越来越多地被用于关键的结构部件参与结构受力^[1,2]。

虽然玻璃钢复合材料非常适合一体化集成制造，但在许多应用中，由于制造、装配程序和物流过程中的尺寸或重量限制，或者考虑到维护要求的结构拆卸，不同部件的机械连接是不可避免的。在土木工程结构上，复合材料除了在桥梁加固与抢修方面得到应用外，也越来越多的被作为承力结构使用^[3,4]。复合材料有提高结构整体性的优越条件，但尚存的连接处却需传递更大的载荷，连接技术就显得更加突出和关键。

2 传统连接技术的特点与现状

2.1 特点分析

目前复合材料连接技术从原理上可以分为机械连接、胶接、以及胶-螺混合连接三种。以下对机械连接和胶接的性质特点进行归纳比较，如表1-1所示^[5,6]。

表1-1 复合材料机械连接和胶接的基本性质汇总

一般来说，机械连接主要适用于荷载等级及可靠性要求高的部位, 而且使用螺栓要比铆钉或者销子的承载能力强。但也有相关研究指出，复合材料螺栓连接的强度通常低于材料基体强度的1/3，经优化设计最多达基体强度的1/2。而胶接主要用于受力要求不高的部位,胶-螺（铆）混合连接则较少采用。

2.2 现状

传统机械连接法，能够传递较大的载荷，连接技术比较成熟，使用广泛，其综合性能已被广泛认可。机械紧固接头是复合材料结构最传统、应用最成熟的连接方法，可通过焊接，铆钉，铆接或螺栓形成。但它们的主要缺点是节点周围的应力集中造成损伤，降低了结构的承载能力。胶接连接方式灵活多变，是较好的辅助连接方法，也能独立承载，已被广泛运用于各领域。

在过去的几十年里，胶螺混合连接构件得到了越来越多的关注。大量实验研究表明，与简单的铆接或粘接相比，胶螺混合连接可以获得更高的静态强度和疲劳寿命。在高性能航空航天接头结构的研究中，低模量环氧粘合剂粘合传递了大部分载荷，这仅仅导致结构性能的有限改善。相比之下，高强度的钢与低模量粘合剂的结合产生了更高的接头强度和延长的疲劳寿命。胶接和多数混合连接都会使用胶粘剂，其连接接头易受环境影响，虽然混合连接在胶接的基础上有机械连接增加安全裕度，但各连接的协调变形、载荷分配比较复杂，有待探索更好的连接形式。

3 仿生

技术的创新性设计及应用

3.1 创新性设计

生物经过上千年的进化，无论是为了面对自然天气的影响，还是为了捕食和抵抗天敌，其中很多物种早已进化出具有优异力学性能的生物结构，使他们能够 在竞争激烈的生态环境中存活下来不被淘汰，所以我们可以去探索其中的奥秘，从宏观结构到微观结构去研究其作用机制。正是因为这些生物启示使我们的科学技术快速发展，带来翻天覆地的变化。这些生物结构具有重量轻、强度高等优点，为今后结构材料提出了设计灵感。如仿鱼类鳞片、鳄鱼和犹徐等生物护甲结构的人造仿生盔甲结构，以及利用骨骼、豪猪翎毛、鸟喙和羽轴结构的坚硬外壳/多孔软质内核特点设计的轻质高效能量吸收材料等。这些材料显示出的优异力学性能表明合理的仿生设计的优势，值得继续深入研究。

3.2 仿生连接的应用

现阶段对于连接结构的探索主要集中在对骨缝连接上，对于骨缝连接机制，其齿接构件的几何、材料性能，齿间界面的承载、破坏特性以及层级数量等参数都会影响连接结构自身的力学性能。骨缝界面具有层级系统和界面波形，大自然在许多情况下采用分形设计来实现机械功能。基于骨缝的传力机理，可对结构构造进行改进。然后根据现有复合材料成型和加工工艺得出复合材料接头的加工工艺，通过精加工和二次固化等技术制备复合材料连接结构。

4 结束语

这些仿生结构复合材料与传统单一结构复合材料相比，力学性能得到了明显提升，使复合材料的使用领域得到了拓展。但模仿天然结构材料的特征并非易事，许多研究人员已经描述了各种天然结构材料的微观结构，然而，很少有人能够全面描述这些材料最关键的机械性能，例如强度和韧性。到目前为止，这些材料的实际应用的例子甚至更少。在生物齿连接的领域，在表征、建模和性能评估等方面已经取得了一定成果，并获得了一定的应用价值，这种有利进步推动了人们对仿生连接领域探索的兴趣和信心。

参考文献

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