炭纖維層合板和鋁合金板階梯形膠接接頭拉伸失效實(shí)驗(yàn)①

杜 宇，楊 濤，牛雪娟

(1.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387； 2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

0 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好和耐腐蝕等許多優(yōu)異性能，已成為航空航天結(jié)構(gòu)中的基本材料[1-3]。大部分的結(jié)構(gòu)中需要多個(gè)部件進(jìn)行接頭連接，而膠接具有應(yīng)力分布均勻、耐腐蝕性能好和工藝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適合不同材質(zhì)、不同厚度和復(fù)雜構(gòu)型的構(gòu)件連接，已成為航天工藝中不可缺少的一種連接工藝技術(shù)[4]。膠接可分為單搭接、雙搭接、斜面形搭接和階梯形搭接等連接方式，斜面形和階梯形連接可降低結(jié)合面的剝離應(yīng)力的產(chǎn)生。與斜面形膠接連接相比，階梯形膠接連接結(jié)合面較好，并具有很好的工藝特性，通過調(diào)整接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可獲得較高的連接效率。

對(duì)階梯形膠接接頭，國內(nèi)外學(xué)者從強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)參數(shù)方面進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[5-6]。Ichikawa等[7]通過對(duì)拉伸載荷作用下的階梯形膠接接頭建立三維有限元模型，分析了膠層內(nèi)的應(yīng)力分布與膠層模量、膠層厚度以及階梯數(shù)量的影響。Beylergil等[8]通過試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了玻璃纖維復(fù)合材料層合板階梯形膠接接頭在有無外加補(bǔ)片情況下的屈曲和壓縮破壞，驗(yàn)證了外加補(bǔ)片可提高承載能力的作用，其試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果一致，屈曲載荷隨著階梯搭接長度的增加而緩慢增長。Hart-Smith[9]采用基于連續(xù)介質(zhì)損傷行為的力學(xué)分析方法，建立了斜面形和階梯形膠接接頭的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)拉伸載荷條件下的內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值分析。Kim等[10]制備了炭纖維層合板階梯形膠接接頭，并進(jìn)行了拉伸和疲勞實(shí)驗(yàn)，分析搭接長度、搭接個(gè)數(shù)和階梯斜角對(duì)拉伸和疲勞性能的影響。Salih Akpinar[11]研究不同階梯數(shù)量的鋁合金階梯形膠接接頭和兩種不同的膠粘劑對(duì)其拉伸強(qiáng)度和破壞模式的影響，并運(yùn)用有限元的分析方法，模擬了沿界面長度及寬度方面的剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力的分布情況。陳光偉等[12]通過試驗(yàn)分析了增強(qiáng)織物的接縫間隔長度對(duì)2D機(jī)織物疊層方式制備的復(fù)合材料拉伸和彎曲性能的影響。喬玉等[13]運(yùn)用有限元法建立了雙階梯形膠接接頭的三維有限元模型，進(jìn)行了拉伸漸進(jìn)損傷分析，討論了搭接長度、外加補(bǔ)片的搭接長度及厚度對(duì)其拉伸強(qiáng)度的影響。

目前對(duì)階梯形膠接接頭力學(xué)性能研究相對(duì)較少，極少研究主要集中在理論分析方面，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文以炭纖維層合板和鋁合金板階梯形膠接接頭為研究對(duì)象，對(duì)其拉伸失效損傷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)討論搭接長度、粘接體厚度、膠層中缺陷及層合板的鋪層方式對(duì)接頭強(qiáng)度和失效模式的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件制備

測(cè)試試件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，依據(jù)ASTM D3039/3039M-00拉伸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，炭纖維層合板與鋁合金板階梯形搭接長度為“L”，厚度為“T”，試件寬度為25 mm，長度為250 mm。在膠層中采用聚四氟乙烯薄膜制備缺陷，缺陷面積為16 mm2分布在搭接長度為20 mm和40 mm的正中位置。

層合板采用SK化工(青島)有限公司的TR60炭纖維預(yù)浸料制備，炭纖維的密度1.86 g/cm3，每層厚度為0.1875 mm，鋁合金板型號(hào)為6061。層合板采用模具熱壓成型的方法，在全自動(dòng)熱壓、冷卻成型機(jī)上進(jìn)行，具體操作是溫度設(shè)定為100 ℃加熱1.5 h和135 ℃加熱3 h，壓力設(shè)定為0.5 MPa。階梯粘接面用400#砂紙打磨，然后用丙酮清洗干凈，層合板和鋁合金用Araldite@2015膠粘劑粘接，在0.3 MPa的壓力下，常溫固化24 h。膠接后的試件如圖2所示。

對(duì)于階梯形膠接接頭，炭纖維層合板采用3種不同的鋪層順序，分別為[±45/0/90]2S、[±45/0/90]4S和[±45/05/90]S，考慮4種搭接長度，分別為10、20、30、40 mm。試件編號(hào)為SF(SD，SU)-T-L-N(Y)，其中SF、SD、SU分別代表上述3種鋪層順序試件，T代表試件厚度，L代表搭接長度，N和Y代表膠中有無缺陷。每種類型試件均有5個(gè)測(cè)試試件。詳細(xì)的試件編號(hào)如表1所示。

表1 試件編號(hào)及參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

為分析階梯形膠接接頭的承載能力及其膠接部分的破壞形式，首先進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為日本島津(SHIMADZU)的AG-50KNE型萬能試驗(yàn)機(jī)。依據(jù)ASTM D3039/3039M-00拉伸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用位移單向控制，實(shí)驗(yàn)在室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷下進(jìn)行，拉伸加載速率為2 mm/min。拉伸實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 搭接長度的影響

為研究搭接長度對(duì)階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測(cè)試不同搭接長度10、20、30、40 mm的試件，炭纖維層合板的鋪層順序?yàn)閇±45/0/90]2S。圖4為不同搭接長度的試件外加載荷與位移的曲線圖。由圖4可見，該曲線為非線性，與炭纖維層合板膠接接頭不同[14]，主要是由于炭纖維層合板是脆性材料，而鋁合金板是塑性材料，鋁合金板膠接失效過程表現(xiàn)為塑性變形。各種搭接長度的試件剛度近似相等，變化較小。

圖5為不同的搭接長度10、20、30、40 mm試件的失效載荷和接頭強(qiáng)度值。從圖5可看出，失效載荷值隨著搭接長度的增加而增大，但接頭強(qiáng)度值隨著搭接長度的增加而減小，主要是由于接頭強(qiáng)度與搭接區(qū)面積成反比。而失效載荷與接頭強(qiáng)度隨著搭接長度的增加變化規(guī)律相反，主要是由于載荷的增加率與搭接面積的增長率不相同。搭接長度為10、20、30、40 mm的試件失效載荷值分別為2.08、3.57、4.69、5.61 kN，搭接長度每增加10 mm，失效載荷值分別增加了1.19、1.12、0.92 kN，其失效載荷值的增加率逐漸減小，其結(jié)果與炭纖維層合板階梯形膠接測(cè)試結(jié)果[11]相似，主要是由于剪切應(yīng)力隨著搭接長度的增加逐漸減小。

圖6為搭接長度為10、20、30、40 mm試件拉伸失效損傷破壞形貌。從圖6中可看出，搭接長度為10 mm的試件，膠層間剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力相對(duì)較大，所以破壞形貌主要表現(xiàn)為膠層失效和分層失效。而隨著搭接長度的增加，膠層間的剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力逐漸減小，其余搭接長度的試件表現(xiàn)為分層失效。

2.2 粘接體厚度的影響

為研究粘接體厚度對(duì)階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測(cè)試兩種不同的粘接體厚度和搭接長度的試件，試件的厚度為3 mm和6 mm，對(duì)應(yīng)的層合板鋪層順序?yàn)閇±45/0/90]2S和[±45/0/90]4S，搭接長度為20 mm和40 mm。試件接頭強(qiáng)度值如圖7所示。從圖7中可看出，隨著厚度的增加，試件的接頭強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)層合板的厚度增加2倍時(shí)，20 mm搭接長度的試件，接頭強(qiáng)度增加1.4倍，40 mm搭接長度的試件，接頭強(qiáng)度增加1.2倍，接頭強(qiáng)度和層合板厚度并不成正比例關(guān)系，主要是作用于搭接接頭上的載荷形成一個(gè)力偶，使得接頭在受拉的同時(shí)并伴隨有彎曲的變形。當(dāng)層合板的厚度增加2倍時(shí)，彎矩也近似的增加2倍，然而膠接接頭的彎曲剛度與搭接區(qū)域的厚度的立方是成正比，彎曲剛度的增長率遠(yuǎn)大于彎矩的增長率。所以，層合板的厚度增加時(shí)，會(huì)使接頭的失效載荷和強(qiáng)度增加。該結(jié)果與炭纖維層合板和鋁合金板單搭膠接測(cè)試結(jié)果[15]相似。

圖8為厚度6 mm，搭接長度為20 mm和40 mm的試件拉伸失效損傷破壞形貌。當(dāng)搭接長度為20 mm時(shí)，6 mm試件的破壞形貌與3 mm試件相同。當(dāng)搭接長度為40 mm時(shí)，6 mm試件的破壞形貌與3 mm試件的破壞形貌不相同，主要表現(xiàn)為分層失效和纖維撕裂現(xiàn)象。隨著粘接體厚度的增加，試件的剛度也逐漸增大，試件的破壞形貌更趨向于分層失效。

2.3 膠層缺陷的影響

為研究膠中缺陷對(duì)階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測(cè)試兩種膠中帶缺陷的，不同搭接長度的試件，該試件的鋪層順序?yàn)閇±45/0/90]2S，厚度為3 mm，搭接長度為20 mm和40 mm，膠中缺陷面積為16 mm2。試件接頭強(qiáng)度值如圖9所示。

從圖9中可看出，搭接長度為20 mm時(shí)，膠中有無缺陷試件的平均強(qiáng)度值相差0.19 MPa，搭接長度為40 mm時(shí)，有無膠中缺陷試件的平均強(qiáng)度值相差0.13 MPa，隨著搭接長度的增加，缺陷影響越小。膠層中設(shè)置的微小缺陷對(duì)膠接接頭的強(qiáng)度值影響較小，這說明在搭接區(qū)涂抹膠時(shí)產(chǎn)生的狹小或微小空隙并不影響膠接接頭的整體強(qiáng)度。

圖10為膠中帶16 mm2缺陷、搭接長度為20 mm和40 mm的試件拉伸失效損傷破壞形貌。從圖10中可看出，搭接長度為20 mm和40 mm的試件，拉伸破壞形貌主要表現(xiàn)為分層失效，與膠中無缺陷的試件破壞形貌相同，這說明膠中設(shè)置的微小缺陷，對(duì)試件的破壞形貌并未產(chǎn)生明顯影響。

2.4 鋪層方式的影響

為研究層合板鋪層方式對(duì)階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測(cè)試兩種鋪層順序分別為[±45/0/90]2S和[±45/05/90]S，厚度均為3 mm，膠接長度為20 mm和40 mm的試件。試件接頭強(qiáng)度值如圖11所示。從圖11可看出，增加層合板中單向纖維的鋪層數(shù)，可提高接頭的失效載荷和強(qiáng)度值。接頭強(qiáng)度值分別提高1.41 MPa和0.96 MPa。

圖12為層合板鋪層順序?yàn)閇±45/05/90]S，搭接長度為20 mm和40 mm的試件拉伸失效損傷破壞形貌。從圖12可看出，搭接長度為20 mm試件，破壞形貌主要表現(xiàn)為膠層失效和分層失效。搭接長度為40 mm試件，破壞形貌主要表現(xiàn)為膠層失效、分層失效和纖維撕裂現(xiàn)象。隨著層合板中單向纖維鋪層數(shù)的增加，試件的強(qiáng)度也逐漸增大，纖維撕裂現(xiàn)象也越嚴(yán)重。

3 結(jié)論

(1)隨著搭接長度的增加，失效載荷逐漸增大，接頭強(qiáng)度逐漸減小，二者隨搭接長度的增加變化規(guī)律相反。

(2)當(dāng)層合板的厚度增加2倍時(shí)，20 mm搭接長度的試件，接頭強(qiáng)度增加了1.4倍，40 mm搭接長度的試件，接頭強(qiáng)度增加了1.2倍，接頭強(qiáng)度與層合板的厚度并不成正比關(guān)系。

(3)膠層中設(shè)置的微小缺陷對(duì)接頭強(qiáng)度影響較小，隨著搭接長度的增加，缺陷影響越來越小。

(4)增加層合板中單向纖維的鋪層數(shù)，可提高接頭的失效載荷和強(qiáng)度。

(5)各類型試件主要的失效模式為分層失效，有時(shí)并伴隨有膠層失效和纖維撕裂現(xiàn)象。