一、目的及意义

1.1项目背景

复合材料具有质量轻、比强度高、抗疲劳性能强、耐腐蚀、耐绝缘等优点，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、体育等各个领域。由于复合材料具有耐腐蚀性和绝缘性，因此各种复合材料结构件和制品在化工防腐和电气工程中得到了普遍应用^[1-3]，如: 石油化工防腐管道、复合材料内衬化工容器、发电设备用的复合材料绝缘套筒等。而在这些设备进行连接时，传统地采用金属材料进行连接，如金属螺栓等，但在某些特定环境中，这种钢制的螺纹制品容易腐蚀生锈，而难以拆卸。与金属材料相比，复合材料螺栓具有优良的耐腐蚀性、耐疲劳性、电气绝缘性、绝热性、非磁性、轻量性及可装饰性等性能，^[4]故在受酸碱侵蚀的工业设备如酸碱储罐、酸气管道及酸气洗涤塔、干燥塔、吸收塔等设备，以及在电气脱硫装置、电子工业中的蚀刻设备、电镀设备、绝缘方面的电机设备及绝缘油中的零件固定等，都需要用螺栓来组合机器设备。纤维增强塑料是一种各向异性材料，材料的各个方向的性能，在较大的程度上可以人为的设计和控制，从而使材料的性能充分的发挥，为合理地利用材料创造了条件^[5]。

随着复合材料螺栓的应用越来越广泛，市场上对纤维增强复合材料螺丝制品的需求量加大，对高强度的更是渴望，这种质量轻、强度高、表面质量美观的复合材料螺栓正是工业领域所需的，因此，纤维增强螺栓是一种极具发展潜力的连接件。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

国内如今对复合材料螺栓的制备已经有了一定的研究，最基本的是采用模压成型的方式，以纤维材料作为增强材料，树脂材料作为基体材料，置于模具中在一定条件下压制成型，该种方法制备需要合理的工艺制度，外观及尺寸重复性好，但投资成本昂贵。崔深山^[6]于2017年提出了一种M5螺栓的制备方法，采用T800 碳纤维与 TDE85 /615 树脂体系通过模压成型进行复合材料螺纹紧固件的制备，经测试其拉伸破坏载荷为4.53kN，破坏形式为螺纹拉脱，弹性模量71GPa；剪切破坏载荷10.131kN。熊甲林^[7]在2016年对一种复合材料螺栓紧固件进行了研究与模压成型制备。其通过实验与测试比较了多种树脂体系下的复合材料螺栓的拉伸和剪切强度，确定SE300氰酸酯树脂体系为最优体系。在该体系下制备M6六角头螺栓抗拉强度可达330.55MPa，剪切强度达到704.56MPa。

除模压成型外，国内有学者提出了使用化学气相沉积法等方法对复合材料螺栓进行了制备，一定程度上提高了螺栓的外观质量以及力学强度。刘杰^[8]在2013年提出了一种复合材料螺栓低成本制备的方法，其以三维针刺碳毡作为预制体，通过化学气相渗透（CVI）工 艺，制备了密度半成品C/SiC复合材料板材，再按照指定取样方式于板上取出螺杆与头部毛坯，进行攻丝后组装获得半成品螺栓，通过CVI致密化后在其表面涂覆SiC抗氧化涂层，制备得到复合材料螺栓，其拉伸性能低于2D C/SiC 螺栓，但剪切性能优于2D C/SiC 螺栓。2008年梅辉^[9]公开了一种陶瓷基复合材料螺栓的制备方法,其先由1K碳纤维0/90°正铺层和±θ斜铺层交替叠层后利用石墨板定型制备纤维预制体,在该预制体上沉积热解碳界面层,然后沉积碳化硅基体制成半成品陶瓷基复合材料板材,切割形成螺栓毛坯并攻丝,最后对半成品螺栓多次浸渍裂解聚碳硅烷并继续CVI沉积SiC防氧化涂层,得到成品C/SiC复合材料螺栓。该方法降低了生产成本,CVI结合PIP工艺使C/SiC复合材料螺栓的拉伸断裂强度,由现有技术的180～190MPa提高到了210～230MPa。邵海成^[10]于2008年公开了一种高温炉用炭/炭螺栓及螺母的制备方法,该方法采用针刺整体毡或预氧毡结构预制体；预氧毡先通过炭化处理,再进行化学气相沉积热解炭,然后通过液相浸渍-炭化工艺致密,反复致密处理数次；经过高温处理后,密度达标准进行机械加工,即可制得高温炉用炭/炭螺栓、螺母。该工艺采用气相与液相 浸渍-炭化法相结合的致密方法,方法简单、可批量化生产,产品具有良好的机械性能,延长其使用寿命。

国内也有学者提出了复合材料作为功能材料附着于金属增强材料表面进行螺栓成型的工艺，徐致伟^[11]在2011年研究了一种耐高温绝缘复合材料包覆螺栓的制备方法，其先将铁螺栓圆柱部分去污拉毛，再制备玻璃纤维增强酚醛树脂板，待树脂达到凝胶时，将其裁成指定的宽度与长度，然后将铁螺柱外包覆复合材料层，植入模具中压制成型。2013年李铁军^[12]提出了一种由耐腐蚀材料复合制备的螺栓，使用金属材料制成螺栓芯，作为增强材料提供刚度与强度。将螺栓芯置于模具中并对其进行精确定位，再浇入全氟橡胶复合成型，脱模后得到一种耐腐蚀的复合材料螺栓。该方法提升了螺栓的耐腐蚀能力，同时螺纹密封性能得到提高。该类方法提出了一种将复合材料附着于铁质螺丝表面的方法，提高了螺栓的耐高温绝缘性、耐腐蚀性，但并未分析复合界面情况以及螺栓的力学性能。

1.2.2国外研究现状