本文发表于《航空制造技术》（Aeronautical Manufacturing Technology），是一篇综述性论文，题为《纤维–金属复合材料结构制孔与连接技术综述：材料–工艺–性能–监测》。第一作者为李树健，来自湖南科技大学机电工程学院，其他作者包括何维、常腾飞、许袁鑫、邱新义和李鹏南。文章系统梳理了纤维–金属复合材料结构在制孔与连接方面的研究进展，从材料选择与匹配、机械制孔技术、连接工艺、失效行为、服役性能到健康监测技术进行了全面论述，并展望了未来发展趋势。文章指出，纤维复合材料因高比强度和高比刚度等优异性能在航空航天等领域得到广泛应用，但在工程实践中通常需要与金属材料进行机械制孔和紧固连接，形成纤维–金属复合材料连接结构，以满足复杂服役需求。

文章首先从材料体系着手，指出纤维–金属复合材料结构主要由金属母材、非金属母材（纤维复合材料）和紧固件三部分构成。金属母材常见有铝合金、镁合金、钛合金及镍基高温合金等，非金属母材包括碳纤维复合材料（CFRP）、玻璃纤维复合材料（GFRP）和芳纶纤维复合材料（AFRP）等，紧固件则多为铝合金、不锈钢和钛合金所制铆钉与螺栓。材料选择与匹配是连接设计的关键环节，因为材料的强度、刚度、耐久性和耐腐蚀性等理化特性直接决定连接结构的服役性能与可靠性。文章进一步讨论了电化学腐蚀问题，指出碳纤维具有一定导电性，与多数金属存在较大电位差，在潮湿或盐雾环境中易引发电化学腐蚀，而钛合金与CFRP电位接近，可降低电化学腐蚀速率。英国韦布里季工厂试验表明，在连接CFRP时铝合金铆钉腐蚀最明显，钛合金则腐蚀较小，且钛合金铆钉相较钢铆钉可实现26%的结构减重。文章还介绍了纤维金属层板（FMLs）作为兼具金属塑韧性与纤维复合材料高强轻量特性的新型材料，已逐渐引起关注，并发展出铝基、镁基、钛基以及多类型纤维混杂层板等形式。

在机械制孔技术方面，文章指出制孔是实现有效连接的前提基础。常见制孔方法包括机械制孔、激光制孔和水射流制孔等，但受限于纤维复合材料薄弱的结合界面以及纤维–金属界面对高温的低热损伤容限影响，传统机械制孔仍是确保有效连接的可行方法。该加工过程响应受多因素作用，金属材料的高塑性与纤维复合材料的高强高韧特性形成显著力学差异，导致切削过程材料去除机制复杂；同时加工参数、刀具结构及刀具涂层材料之间的不同作用机制进一步加剧了加工过程的不确定性。钻削过程涉及复杂的温度场与应力场演变，切削力和切削热显著影响制孔质量。若难以精准调控钻削力与钻削热，易导致金属层孔口毛刺、纤维复合材料层纤维撕裂、孔壁划伤、树脂烧蚀以及异质层间孔径一致性差等缺陷。学者们通过建立数学解析模型、有限元物理模型并结合切削试验对材料去除机理进行了研究。研究发现，纤维复合材料的异质异构、各向异性是导致其切削过程产生纤维断裂、界面开裂、树脂破坏等不同类型损伤差异的根本原因。当刀具从金属层向CFRP侧切削时，金属切屑甚至会代替切削刃对复合材料施加强挤压作用，导致界面区域严重损伤；而当刀具从CFRP侧向金属侧切削时，下部金属层可提供有效支撑，使界面区域面下开裂深度明显降低，损伤大幅下降。学者们还建立了钻削过程临界轴向力预测模型、钻削热和钻削温度预测模型，为实现高品质制孔和保障后续连接工艺提供了基础。

在连接工艺方面，文章指出传统工艺主要包括机械连接和机械–胶接混合连接等方法。机械连接依靠螺栓、铆钉实现连接和装配，胶接通过粘接剂将构件结合，而机械–胶接混合连接综合了两者优点。文章详细讨论了铆接工艺在飞机制造中的重要性，其装配工作量约占工作总量的20%，是应用最广泛的连接方式。铆接利用轴向力使铆钉钉杆膨胀形成钉头，与零件形成机械联锁效应。文章引用了多位学者在压铆、电磁铆接和自冲铆接方面的研究，如锁紧深度每增加0.2 mm可使CFRP-Al接头剪切吸能提升8%~10%，以及预制孔自冲铆接可获得更好的机械内锁效应等。螺栓连接则因具备可拆卸性和可传递更大载荷等优势而在航空领域应用前景广阔。胶–螺混合连接既能通过胶层缓解制孔引发的孔周应力集中，又能抑制拉脱破坏，其连接强度通常显著高于螺栓连接。

在失效行为方面，文章将传统机械制孔后的连接损伤模式归纳为拉伸破坏、剪切破坏、挤压破坏、撕裂破坏、劈裂破坏和拉脱破坏。连接孔的存在破坏了结构连续性，减小结构承载净面积，切断起主要承载作用的增强纤维，导致局部应力分布复杂化。纤维复合材料在承载过程中表现出明显脆性，无法像金属那样通过局部屈服实现载荷重新分配。对于胶接接头，失效模式主要包括被胶接件破坏、界面破坏和胶层破坏。文章进一步讨论了损伤理论模型，金属材料损伤可通过Lemaître连续损伤理论模型、Johnson–Cook流动应力模型以及Gurson、GTN、Oyane等细观损伤模型描述；纤维复合材料的破坏是渐进损伤过程，分为损伤萌生、扩展和失效三个阶段，常用失效准则包括最大应变准则、Hoffman准则、Tsai–Hill准则、Yamada–Sun准则、Tsai–Wu准则、Hashin准则、Hou准则和Chang–Chang准则等。文章指出，这些模型大多只适用于单一金属材料或单一纤维复合材料，难以对纤维–金属复合材料连接结构进行整体描述，因此开发面向该类结构的本构模型和失效准则是未来研究重点，并建议采用分区耦合策略，例如复合材料区域采用Hashin准则，金属区域采用GTN或J–C模型，并在界面层引入内聚力模型以模拟分层萌生。

在服役性能方面，文章介绍了S–N曲线模型、疲劳损伤唯象模型和渐进疲劳损伤模型等材料疲劳性能评估模型。同时在试验研究方面，多位学者通过准静态和循环载荷试验、SEM和显微CT扫描等手段揭示了连接接头在不同载荷和温度条件下的失效机理。研究发现，高温环境会降低接头强度并增加基体拉伸损伤率，低温条件下接头承载能力上升但失效模式以孔边扇形拉伸断裂和孔周局部挤压为主。文章同时讨论了纤维金属层板连接部位损伤演化规律，指出层间分层是主导损伤失效的关键因素，通过施加横向约束可有效抑制分层扩展并显著提升承载强度，铺层设计对分层扩展路径与承载性能具有决定性影响。

最后，在健康监测技术方面，文章指出纤维–金属复合材料连接结构在复杂工况下极易产生损伤，传统检测手段难以实时捕捉损伤萌生与扩展过程。常见健康监测方法包括光纤传感监测法、超声导波、声发射及机电阻抗技术等。光纤传感监测法通过反射光束与外部测量参数交互形成的光学特性变化来识别损伤位置和范围；超声导波技术利用导波经过损伤部位时的散射信号来获取损伤情况，其中Lamb波在板状结构健康监测中应用最广；声发射技术通过监测材料受力变形或损伤时释放的弹性波来评估结构健康状态。文章引用了多项研究说明这些技术在连接结构损伤识别、裂纹扩展路径追踪和早期损伤预警等方面的应用。文章最后指出，未来相关研究可考虑从建立包含微观损伤演化机制的多尺度疲劳寿命预测模型方向发展，以提高在实际复杂服役环境下的预测精度。

本文的综述价值在于系统梳理了纤维–金属复合材料结构从材料体系、制孔技术、连接工艺到失效机理、服役性能和健康监测的全链条研究现状，明确了各环节中存在的关键科学问题与挑战。特别是对损伤失效准则的适用性分析和健康监测技术的综合性讨论，为后续研究提供了清晰的研究方向。该文对从事航空航天复合材料结构设计与制造的研究人员和工程技术人员具有重要的参考意义，也为纤维–金属复合材料结构的连接技术革新提供了借鉴思路。