关键词：纤维增强热塑性树脂基复合材料；金属；异质结构；连接方式；
在石油管道行业，纤维增强热塑性复合材料（FRTP）管道质量轻、耐高压，在硫化氢、二氧化碳、酸碱和海水等介质中的耐侵蚀性能远优于钢管。由于其可在恶劣工况下长期稳定服役，且维护成本低，已经成为当前石油管道领域研究的热点。
由于FRTP材料本身存在一些缺陷，如热成型性差、延展性差，导致其难以直接加工为复杂构件，仅适合加工低曲率大型板件。因此为满足众多领域对轻量化的需求，不可避免地需要FRTP与金属进行连接，而当前主要连接方式有胶接、机械连接、焊接、混合连接。
相对于传统金属材料，FRTP材料在性能方面具有如下优势：①密度小，比强度高，比模量高；②通过改变纤维铺层角度和铺层层数，可实现力学性能差异，并对结构进行优化设计；③抗震性能优越；④破损时安全性好，失效过程可预测。
金属/FRTP机械连接
金属/FRTP异质结构兼具金属和FRTP的优点，在抗疲劳性、抗冲击性、抗震性、经济性、耐热性、轻量化和环保等方面具有优越性，图1为FRTP与金属的主要连接方式。
图1.金属/FRTP连接方式
机械连接主要指螺栓连接和铆钉连接，两者优缺点对比表如图2所示。机械连接易批量制造、更换、维修，连接表面质量要求低，受环境因素影响小。但也存在许多限制：①铆钉连接在安装中对FRTP表面造成一定冲击和损伤，导致出现纤维断裂、层间分离、纤维受损；②铆钉在连接界面膨胀，对异质结构造成损伤，比开孔造成的危害更高；③虽然机械连接方式很多，但均会造成纤维在连接孔的不连续，导致孔应力分布复杂和应力集中严重；④大多数合金材料与增强纤维存在电位差，易出现电化学腐蚀。
图2.螺栓连接与铆钉连接对比
影响机械连接接头强度的主要因素有温度、螺栓连接的配合方式、钉头形式、螺栓直径、钉孔间隙、紧固件刚度等。
金属/FRTP焊接
金属/FRTP焊接机理是热塑性树脂基体受热熔化后固化，在界面形成机械结合、物理结合或化学键。FRTP焊接不需要使用额外材料，通过树脂分子扩散可获得较高界面连接强度，解决了胶接和机械连接的许多固有问题，被认为是一种很有发展前景的金属/FRTP连接技术。但是因为FRTP基体为高分子材料，其理化性能与金属有较大差异，因此制备高质量金属/FRTP异质结构存在挑战。金属/FRTP的主要焊接方式及优缺点如图3a所示，示意图如图3b所示。
图3a.金属/FRTP的主要焊接方式及优缺点
图3b.金属/FRTP的主要焊接方式示意图
金属/FRTP胶接
胶接是指通过胶粘剂在接合面产生机械结合、物理吸附或化学键结合，从而达到接合面紧固的过程，胶接接头受拉伸载荷如图4所示。
图4.胶接接头受拉伸载荷
金属/FRTP胶接具有应用范围广、使用方便、成本低、无需预制孔、应力集中小、外观平整、强重比高、不会对基材造成额外损伤等优势，但也存在许多限制：如会挥发有毒气体，不耐水浸，存在明显的次弯曲效应，对温度敏感等。胶接强度的主要影响因素有胶粘剂种类、胶接接头形式、待胶接材料类别、胶接接头尺寸、表面处理工艺等。而胶接接头的失效形式有基体破坏、胶层内聚破坏、界面粘结破坏、混合破坏。当界面粘结力小于胶粘剂内聚力时发生界面粘结破坏，反之发生内聚破坏，当两种破坏机制共存时为混合破坏。
对金属/FRTP异质结构连接技术，仍在不停的研究与突破中，未来，如何通过诸如对金属表面进行预处理等方法来进一步提高金属/FRTP 焊接接头强度，将是一个非常值得关注的研究方向。同时，当金属/FRTP焊接技术日益成熟并被大量应用时，关于金属/FRTP异质焊接构件疲劳性能的研究也将日益受到关注。
[1]张龙,解妙霞,张林杰.纤维增强热塑性复合材料与金属连接技术的研究进展[J].焊管,2024,47(2):8-1644
