飞机上一个常见的加强蒙皮部分的设计特点，是把加强筋和蒙皮强力粘结在一起。这在金属飞机上已成功应用多年。这些粘结件通常由铆钉来支撑，因为我们对粘结剂并不能完全信任。在测试由碳纤维增强塑料制成的加强筋时，Sofia Teixeira de Freitas博士发现粘合剂粘结体并不是最薄弱的环节，所以这可能是一个很令人惊喜的发现。

Sofia Teixeira de Freitas博士是荷兰代尔夫特理工大学航空航天工程系结构完整性和复合材料小组的一位助理教授。她主要研究粘接结构的结构性能。而且她已然发现了飞机结构碳纤维增强塑料接头目前设计方法上的一个缺陷。

黑色金属外观设计

“如果我们将碳纤维复合材料连接在一起，即使是用胶粘剂，我们仍然是在模仿我们一直以来对于金属的做法。”Teixeira de Freitas博士说到，“这就叫做‘黑色金属外观设计’。这意味着虽然我们改变了材料的种类，在设计上我们仍没有取得大的进展：不管是几何形状，还是材料本身。”

碳纤维增强塑料是各向异性材料：它们在不同的加载方向上具有不同的性能。而相反地，金属是各向同性的，所以其性质和负载的方向无关。不是为了充分利用碳纤维增强聚合物所提供的独特的各向异性而调整结构设计，而是我们主要想让材料具有各向同性，这样就可以保留与金属相同的设计。

通过材料层叠来模拟各向同性：把纤维以0°、45°和90°角放置在不同的层片上。“我认为，这不是正确的方向。我们是在丢掉碳纤维复合材料一项很符合我们利益的性能。”TeixeiradeFreitas博士说。

面条（Noodle）

在过去的两年里，Teixeira de Freitas博士一直在研究T形加强筋的粘合接头，把复合材料的和金属的进行比较。她已经进行了数值模拟，以及测试（准静态和疲劳），主要集中在混合型解决方案：把碳纤维增强塑料的加强筋粘结到金属蒙皮上去，不使用任何铆钉。“我们的目标是尝试使用复合材料加强筋代替金属加强筋。”她说。但她发现，复合材料加强筋不如金属的。而且令人惊讶的是，并不是粘结失败了，而是该复合材料加强筋本身。

“我们甚至发现，那与温度无关。”Teixeira de Freitas博士说。该试验是拉拔试验：蒙皮从下面被紧紧夹住，然后施加一个拉力到加强筋上，直到该结构失效。该试验是在100℃、室温，以及-55℃下进行的。”

粘合接头都在120℃的高压釜中发生了固化，并且复合材料的热膨胀系数和铝的不同：在冷却时，金属比复合材料收缩得多。因此，如果你把测试件冷却至-55℃，那么在粘结的粘合线上就会累积巨大的残留热应力。

图1 设置拉脱试验

“我们期望至少在低温下的粘合会是最薄弱的环节。”Teixeira de Freitas博士说。“但粘合剂在所有温度下的表现均非常出色。失效总是发生在碳纤维复合材料加强筋上，并且是在一个特定的称为‘面条（noodle）’的部位。那里就是T形加强筋的三只臂结合到一起的部位。这种‘面条’填充满了0度纤维和树脂。在这种构造中，‘面条’是最薄弱的环节，主要原因有两个。该复合材料‘面条’主要通过厚度应力加载，并且在该方向上没有任何纤维。其次，在制造T形碳纤维复合材料的过程中进行冷却时，‘面条’区域的0°纤维使得树脂不会发生收缩。这样就在该位置的基体里留下了非常高的残余应力。”

整个的研究结果发表在了论文“粘接粘合的蒙皮和加强筋接头的失效分析：金属-金属对照复合材料-金属”(http:/www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630715001855)。

鸡眼铆钉和吻接

在飞机上，一般是用两种方法来应用加强筋。如果碳纤维复合材料加强筋和碳纤维复合材料蒙皮一起使用，那么它们通常都是在高压釜中的一个周期进行同时固化。如果金属加强筋和金属蒙皮一起使用，那么它们就会被铆接到一起，或者粘结和铆接相结合使用。而且铆接往往用于特定的部位，大部分是在末端。这些都是为了防止剥落吗？

图2 拉脱试验装置的不同部件，使用了强光制成的蒙皮

“是的。”Teixeira de Freitas博士说，“但是，主要有认证等事项需处理。为了让一个主要的飞机结构拥有纯粹的胶接接头，你得用一个非破坏性的测试方法来保证有足够的粘合强度。但目前还没有可用的能保证这一点的非破坏性技术。”

例如，超声技术可以检测该材料内部的孔隙或层间剥离间隙。但它们并不能可靠地检测出所谓的“吻接”缺陷：缺乏粘合性，没有任何间隙或空隙。例如，如果你有两个复合材料粘结的零部件，它们之间局部粘结性很差或无粘连，但相互之间仍接触良好，“吻接”缺陷就可能会出现。虽然粘结强度被破坏了，但在超声波扫描时会看起来是完美无瑕的。航空工业已经竭尽全力来控制生产过程以阻止类似这样的缺陷，但也不能保证。

因此，规则指示，即使整个粘结失败，你必须防止结构发生断裂。这就是铆钉的作用。但是它们需要在结构上钻孔，从而导致应力集中。在业务中，这些铆钉被戏称为“鸡眼铆钉”，而且它们不利于碳纤维复合材料结构的性能。这是因为在复合材料上钻孔时需要切断纤维，而纤维是主要的承载元件。为了进行补偿，你需要添加大量的额外材料到复合材料，这意味着为了加铆钉你要承担很大的重量不利因素。

Teixeira de Freitas博士非常想干脆去掉铆钉，让未来只有纯粹的胶粘粘结结构。她甚至在进行Tedx（非官方、自发性的活动项目。即在全球任何地方，只要当地团队申请得到批准，便可以以TEDx的名义来组织活动。其形式与TED基本一致——邀请一些有趣、想法奇特的人来做18分钟以内的演讲。TED指technology, entertainment, design，即技术、娱乐、设计）演讲时谈到了这些（“把飞机连接起来”https:/www.youtube.com/watch?v=kuBrcoQ07g4）。

但是未来是否会出现可用的非破坏性技术，来保障粘性连接的强度，这还是不确定的。所以TeixeiradeFreitas博士尝试了一种不同的方法来去掉这些铆钉。她想试着让接头对破损的承受能力更强一些，以使其在粘结处特定损坏的地方不致发生断裂。

图3 测试分成三种不同的间距进行（L）：100，200和300mm

“我想通过优化接头形状来做到这一点，并且通过碳纤维复合材料来起作用，如果在纤维的方向上加载，那碳纤维复合材料本质上就非常耐损伤。”Teixeira解释。“通过优化设计方法和几何形状，以及调整层压板的各向异性，就可以使粘结的接头更结实，并且更耐损伤。这就意味着如果某个特定粘合失效了，这种设计就阻止了整个失效的发生。”

新的方法

因此，为了去掉铆钉，需要的是粘结的碳纤维复合材料加强筋。但对于那些复合材料加强筋，航空工业现阶段使用的经典设计方法行不通。必须彻底更新粘合接头的设计。这就是为什么在2015年，NWO（荷兰科学研究组织）为Teixeira de Freitas提供了一笔资助，以寻找新的设计方法，来获得最佳的几何形状，以及纤维方向和层叠。这种新方法将进行调整，来适应复合材料，以利用复合材料的各向异性来使结构获益。

“由于蒙皮和加强筋的粘合非常复杂，我的研究是从一个简单的搭接开始的，”Teixeira de Freitas博士解释说。“这意味着两个直的层合板在边缘处粘合在了一起，一个在另一个的上面，彼此重叠：这是最简单的接头，并且已经在飞机上得到了应用，例如机身面板。一旦我们开发出了设计方法，它就可以用于任何类型的几何结构。”

图4 进行拉脱试验

拉力将被应用到搭接接头上，因此它主要加载的是剪切力。但该方法适用于所有的负载情况。

“如果你使用传统的各向同性层压板，层的角度为0°、45°和90°，复合材料将会是最薄弱的环节。那是因为在搭接接头处，有二次弯曲。因此在粘结剂和复合材料粘附体的顶端将会有大量的剥离应力。和大多数人所想的相反，粘合剂的剥离强度比该复合材料的层间强度更大。”TeixeiradeFreitas说。

这可能是有悖常理的。归根结底，碳纤维复合材料板基本上就是把大量的片层用粘合剂基质粘合在一起。那么，这些片层之间的粘结与两个层压板之间的粘结究竟有什么不同呢？

图5一个用AF163粘合剂，以100mm的跨度做成的典型混合粘合接头的静态失效行为：该失效发生于加强筋的面条处，而不是在粘结处。

Teixeira de Freitas博士说：“其理论是，主要有两个不同之处。在复合材料内部，碳纤维缩小了粘合剂的面积。另一方面，粘合剂的粘合线是没有任何纤维的纯粘合剂，因此它具有较大的接合面积。第二个原因是，在碳纤维增强的聚合物中，制造过程使其基体内部产生了残余应力。”那是因为随着层压板的冷却，环氧基体会发生收缩。但是碳纤维防止了收缩的发生。

层压板之间的粘结也在高压釜中发生固化，但它累积的残余应力较少。“因为两个部件之间有更多的材料，可在较大面积上分散一下收缩。”Teixeira de Freitas博士解释。

这项开发新的设计方法的项目始于今年二月份，预期在三年内会有成果。

混合式结构

Teixeira de Freitas博士期望，未来航空工业可以更多地转向混合式结构，而不是机身采用全复合材料或者全采用铝合金。“我想我们将会足够聪明，把像铝这类的金属用在需要的地方，并且把复合材料应用于能产生更好结构的地方。铝很大的优势在于我们很了解它，其制造过程较便宜，并且它是各向同性材料：有时候你确实需要这样的。碳纤维复合材料最大的优势是它们往往具有更高的强度和更轻的重量。但是我们还没有想到办法把它作为材料的全部潜力发挥到结构水平。”

图6相比之下，用EA9696粘合剂，以跨度100mm做成的典型粘合金属接头的静态失效行为：接头失效于更高的负载。

碳纤维复合材料机身有可能会比铝轻得多，但目前碳纤维复合材料机身的重量并非不同于铝合金。这是因为复合材料结构的安全系数更高。

“复合材料拥有更加复杂的微观结构，并且它们有许多可能的失效机制，不同于铝。为了克服这方面知识的欠缺，我们为复合材料使用了更高的安全系数。而在我的特殊研究领域里，我们非常落后，因为我们还在用螺栓、紧固件和铆钉来连接复合材料，这完全是效率低下。鸡眼铆钉是接合金属部件的副产品，因为粘合剂的剥离强度比铝的强度低。当人们转向用复合材料时，他们往往把复合材料当作散装材料，事实上它们不是。我很相信，飞机的某些部件今后仍然需要机械紧固件。利用铆钉，我们可以把部件拆下来，进行修复并重新安装。但是，只有在真正需要的时候，铆钉和螺栓才应得到利用，并不是因为我们不知道更好的。粘合剂应该发挥它的作用。”Teixeira de Freitas博士说。

图7典型的疲劳失效

铝制机身现在已经飞行了几十年，所以它们已经成为了高度优化的结构。我们对这种材料的行为非常熟悉。为了让碳纤维复合材料结构真正与铝竞争，以重量（和燃料）节省的形式达到其真实的潜力，仍然有很多东西需要学习。我们只是刚刚开始对它们进行优化，同时获得降低其安全系数所需的知识。