In-Situ Pin-Caulking: Effect of Self-Piercing Geometry and Pin Arrangement on Metal/CFRT Joints

现代工程学日益依赖于通过混合不同材料来建造更轻、更坚固的结构。一种常见的策略是将坚韧且具有延展性的金属与由连续纤维嵌入塑料制成的先进复合材料进行配对。这些纤维增强片在纤维方向上强度极高，但可能表现出脆性，且难以用传统方法进行连接。使用胶水粘合它们需要漫长的等待时间和完美的表面处理；而钻孔以插入螺栓或铆钉则会切断承载纤维，并产生容易引发裂纹的薄弱点。为了解决这个问题，工程师们转向了一种技术：直接从金属片中形成小金属销，并将其推入复合材料中。这些销钉并非只是静止在孔中，而是被设计成在底部展开或扩开，从而创造出一个机械钩，将两种材料锁定在一起，而无需任何额外部件。这种被称为“原位销钉嵌固”（in-situ pin caulking）的方法，将穿孔、插入销钉和将其扩成头部这一过程合并为一个快速动作。

挑战在于销钉在这一过程中会改变形状。它最初是一个实心的金属件，但在进入塑料复合材料时被迫发生变形。埃尔朗根-纽伦堡大学（Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg）的研究人员致力于研究销钉的初始形状以及多个销钉的排列方式如何影响最终接头的强度。他们对比了两种特定的设计：标准的实心圆柱形销钉，以及一种具有薄壁设计、在被推入时能像花瓣一样向外展开的“自钻式”销钉。他们在各种模式下测试了这些销钉，从单个销钉到四个销钉一组，将它们连接到玻璃纤维增强塑料片上。其目标是观察销钉的排列方式是否会改变制造该接头所需的力以及最终连接所能承受的重量。

研究人员发现，自钻式销钉比实心销钉效率显著更高。由于自钻式销钉的薄壁可以轻松向外弯曲，因此它只需要较小的力就能穿透材料并形成锁定钩。在包含四个销钉的最大测试组中，自钻式设计制造接头所需的力比实心销钉减少了25%。尽管在制造连接时消耗的能量更少，但自钻式销钉形成的钩子宽度与实心销钉制作的钩子一样宽，甚至略宽。这意味着接头并没有变弱；事实上，它变得更强了。当研究人员将接头拉开时，自钻式销钉承受的拉力远高于实心销钉，其承载的拉伸力几乎是后者的三倍，剪切力则是后者的一点五倍。

一个至关重要的发现是销钉在靠近放置时的表现。对于实心销钉而言，接头的强度在很大程度上取决于它们相对于塑料片中纤维方向的排列方式。如果销钉沿纤维方向排列，接头的强度会比横跨纤维侧向排列时要弱。这是因为实心销钉依赖于摩擦力以及塑料挤压它们的方式，而这会受到周围材料的影响。然而，自钻式销钉的表现却不同。无论如何排列，它们的强度都保持一致。这表明，自钻式销钉的锁定机制主要取决于其形成后的形状，而不是与周围纤维之间复杂的相互作用。自钻式销钉的薄壁向外展开，形成一个能有效抓紧材料的钩子，而不易受局部纤维排列的影响。

研究结论认为，自钻式销钉为连接这些混合材料提供了一种更优的解决方案。它在实现更强、更可靠连接的同时，降低了制造所需的力。这种效率对于规模扩大到更大结构时尤为重要，因为在这些结构中，使用许多销钉是必要的。实心销钉随着数量的增加效率会降低，即每增加一个销钉所需的力增加，但强度提升并不成比例。而自钻式销钉则保持了其效率，即每单位制造力所带来的强度增益更高。这使得它们成为需要快速、可靠地组装轻量化多材料组件的工业应用领域（如汽车工业）中极具前景的候选方案。该研究强调，决定接头强度的关键在于销钉形成后的几何形状，而不仅仅是销钉在被推入材料前的形状。