关键词：碳纤维；热塑性复合材料；航空；接头/连接；胶粘剂粘接
在轻质和高强度结构需求不断增长的推动下，热塑性复合材料（Thermoplastic Composites, TPCs）在过去几十年中得到了显著的应用。这主要归功于它们优异的比强度和刚度、抗损伤性能以及热稳定性等特点。特别是在航空领域，对TPC部件的需求迅速增加，因此开发先进的轻量化连接技术对于TPCs的应用变得至关重要。
研究背景
近年来，热塑性复合材料（TPCs）因其卓越的比强度、抗损伤性能和热稳定性等特点而备受瞩目。这些优点极大地推动了其在航空领域的应用。例如，在欧盟“清洁天空2”计划下的“多功能机身演示器（MFFD）”和“经济型主要飞机结构热塑性复合材料（TAPAS）”项目中，研究人员成功利用TPCs制造出了关键的航空结构部件。
图1 TPC的发展趋势及具有代表性的航空应用[1]
胶接技术是航空领域使用热塑性复合材料的轻量化连接方法，避免了钻孔和额外紧固件需求。由于TPC表面低反应性和极性，TPCs与传统环氧基胶黏剂的结合力较弱，因此研究集中于TPC表面活化处理。常见技术包括二次胶接、共胶接和共固化，后者类似于热固性复合材料的接头工艺。
粘合和共固化技术
根据复合材料粘附体在粘合前的不同状态，粘合连接技术通常分为三类：二次粘合、共粘合和共固化。
二次粘合
二次粘合技术将预固化的热塑性复合材料与金属部件粘合，常用环氧粘合剂。然而，低反应性、低表面能和极性差导致界面粘合力弱。为改善界面性能，研究重点放在物理和化学表面处理技术上，以提高热塑性复合材料与环氧粘合剂的粘合强度。
物理表面处理技术，如摩擦、激光烧蚀和砂磨，可以有效去除复合材料的表面污染物并改善其表面粗糙度。
图2物理表面处理[2-3]
化学表面处理技术是一种有效的手段，广泛用于提升热塑性复合材料（TPC）粘合接头的强度。常见的化学表面处理技术包括酸蚀、化学改性、等离子体处理和紫外光处理等。
图3 化学表面处理[4-6]
共同粘接
目前关于航空热塑性复合材料（TPC）与热固性复合材料（TSC）混合接头的共同粘接研究较少，主要挑战在于TPC低表面能及与热固性材料界面结合强度不足。
图4 粘接技术[7]：(a)二次粘接和增强的互锁示意图；(b)共粘接和通TPC-TSC接头断裂行为示意图；（c）共固化和TSC-Ti接头示意图
共同粘接是一种制备TPC-TSC混合接头的高效粘接技术。但需对TPC进行表面处理以确保粘接效果。TPC和TSC间的刚度及热膨胀系数差异易产生残余应力，导致变形和性能下降。开发能消除残余应力的最优粘接技术和无需额外表面处理的高效轻量化连接技术至关重要。
共固化
共固化被认为是另一种适用于TPC接头的有吸引力的技术。在共固化过程中，两个TPC基材在热压机或高压釜中同时固化，其重叠区域被熔化和连接在一起。
图5 各种粘接和共固化技术在TPC接头的连接效率和强度方面的总体比较[1]
结论
尽管二次粘接技术广泛应用，但TPC表面的低反应性及其在极端环境下的机械性能限制了其应用。因此，开发新型表面处理技术（如紫外处理）和先进的增韧剂，以及推进自动化和智能化的二次粘接技术变得尤为重要。共粘接技术作为一种灵活高效的粘接方法，能够制造TPC-TSC混合接头，但仍需解决残余应力和表面处理需求的问题。共固化技术则能减少固化周期和制造成本，但其可靠性和连接效率需进一步提升。
