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碳纤维复合材料的连接方式

碳纤维复合材料连接有多种连接方法，需要根据应用于不同连接区域的载荷特点等进行选择。目前应用最多的主要有机械连接、胶接连接、以及机械／胶接混合连接等。

机械连接是使用机械方法，通常采用螺栓和铆钉，将两个或者多个被连接构件连接在一起的方法。飞机结构中常用的机械连接主要包括螺栓、铆钉、盲紧固件和环槽铆钉连接等。优点是不需要表面处理，易于检查，必要时可将部件拆卸。然而，机械连接有几个缺点：零件螺丝孔引起的应力集中；增加了结构的重量；螺丝价格相对昂贵，例如复合材料飞机上紧固件占结构总成本的19％～42％。

粘接连接是另一种选择。近年来，胶粘剂在强度、疲劳寿命和刚度方面的性能有了很大的提高。胶粘剂的主要优点是能粘接不同的材料，也提供更均匀的应力分布。另一方面，胶粘剂需要大量的时间进行表面准备和固化，而且粘接接头不能拆卸。

机械／胶接混合连接使用粘合剂和机械紧固件提供了两者最佳的性能，具有良好的承重能力和疲劳寿命。但是仍需要大量的劳动力和较长的连接时间。

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关于超声波焊接

超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。

焊接塑料原理示意图，图片来源天津大学李洋

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超声波焊接的优点

超声波焊接是最快的连接方法，是自动化的理想选择。

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超声波焊接的局限性

超声波焊接也有一些局限性，由于换能器的输出功率有限，对待焊材料的性质要求严格，超声波焊接并不能直接焊接较大工件，并且当工件在超声波传递方向上的尺寸较厚时，焊接效果会较差。这些缺点限制了超声波焊接的应用。

碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）由于其优越的力学性能、较低的加工成本及可回收性，逐渐成为继铝合金、高强钢之后的新一代轻量化材料。国内外科研机构和材料企业都投入巨资和人力竞相开展相关研究，部分高校、企业已开始探索将CFRTP应用于机身与车身的制造与装配。超声波焊接是最适合焊接热塑性材料的方法之一，也是实现大规模装配CFRTP部件的关键使能技术之一。

为了更好的了解碳纤维增强热塑性复合材料超声波焊接研究应用及发展，2021年12月13－15日在上海举行的“Carbontech第六届碳纤维复合材料论坛” 特邀 天津大学李洋副教授 莅临本次大会，分享《碳纤维增强热塑性复合材料超声波焊接研究进展》主题报告。

本报告从CFRTP超声波焊接基本过程、接头形式、数值模拟、质量监控和异种材料连接等五个方面进行分析，系统讨论CFRTP超声波焊接最新研究成果，展望CFRTP超声波焊接中有待解决的共性问题，以期为CFRTP构件大规模装配应用提供参考。

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专家介绍

李洋，天津大学材料科学与工程学院材料加工系副教授。2008年毕业于天津大学材料成型及控制工程专业，2010年和2014年分别获得天津大学材料加工工程硕士和博士学位。2015年至2019年，在美国密西根大学从事博士后研究。2019年加入天津大学材料学院。目前已发表SCI论文50余篇，EI论文20篇，获授权专利8项。近年来，主持和参与了多项国家自然科学基金、省部级项目和横向项目。李洋老师是美国机械工程师学会（ASME）会员、美国焊接学会（AWS）会员，担任国际期刊Materials和J． Compo． Sci．的专题编辑（Topic Editor）、国际期刊Polymers客座编辑（Guest Editor）。主要研究方向包括（1）碳纤维增强热塑性复合材料连接；（2）轻量化材料及异质材料先进连接技术。