CFRP/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的II型斷裂性能研究

胡夏普，王斌華

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高，耐疲勞和耐腐蝕等優(yōu)良的物理和化學(xué)性能[1]，已廣泛用于眾多領(lǐng)域。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)載荷大面積傳遞，相對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加固方法，例如焊接、鉚接或螺栓連接等，不會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力、增重嚴(yán)重和應(yīng)力集中等新問(wèn)題。因此，碳纖維復(fù)合材料用于加固鋼結(jié)構(gòu)具有顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，有大量人員對(duì)碳纖維加固技術(shù)進(jìn)行了深入研究，包括增強(qiáng)機(jī)理、失效模式和影響參數(shù)等方面，為碳纖維復(fù)合材料用于實(shí)際工程提供了指導(dǎo)。已有的研究表明對(duì)CFRP/金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的金屬表面進(jìn)行處理可增強(qiáng)粘接層強(qiáng)度[2-4]，加入短纖維可進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)粘接層的強(qiáng)度[5]。本文基于短纖維的橋聯(lián)增韌機(jī)理，采用鋼板表面刻槽處理，在刻槽鋼板和CFRP布之間的樹(shù)脂粘接層中加入kevlar短纖維和多壁碳納米管（MWCNT），kevlar短纖維的自由端可以隨機(jī)嵌入到金屬表面的槽中和CFRP布表面縫隙中，使CFRP/樹(shù)脂粘接層界面、金屬基質(zhì)/樹(shù)脂粘接層界面和樹(shù)脂粘接層三者的強(qiáng)度協(xié)調(diào)增強(qiáng)；多壁碳納米管可以改性環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑，并且可以進(jìn)入到槽底部進(jìn)一步增強(qiáng)CFRP/樹(shù)脂粘接層的強(qiáng)度，通過(guò)兩種短纖維的共同作用來(lái)提高CFRP/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的粘接層強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)選用的鋼基為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（A3），截面尺寸為（25 × 3）mm2，長(zhǎng)度為 150 mm，碳纖維布采用天力信牌碳纖維布，其材料性能如表1所示。樹(shù)脂選用鳳凰牌環(huán)氧樹(shù)脂型號(hào)為WSR618（E-51），固化劑為T(mén)-31，樹(shù)脂和固化劑按照質(zhì)量比4∶1混合使用。粘接前制作好長(zhǎng)度為6 mm密度為30 g/m2的kevlar薄膜，鋼板用丙酮超聲波清洗30 min，并使用微型銑床在鋼板表面銑出間距2 mm深度為0.3 mm的槽。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的丙酮樹(shù)脂溶液預(yù)浸鋼板和kevlar薄膜，并在鋼板表面刷涂1%的CNT溶液，待丙酮揮發(fā)后完成粘接，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，然后在0.6 MPa壓力下固化24 h，固化完成后用鋸床將試件切割成設(shè)計(jì)參數(shù)[6-7]（表2）。根據(jù)GBT 232-2010，采用三點(diǎn)彎試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）對(duì)試樣強(qiáng)度進(jìn)行研究，支撐跨度為 100 mm，具體支撐方式見(jiàn)圖3。使用萬(wàn)能拉壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，該設(shè)備最大試驗(yàn)力為100 kN，加載速度為1 mm/min。

表1 碳纖維布力學(xué)性能

表2 E N F試樣設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 E N F試件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

圖3 E N F試件支撐加載簡(jiǎn)圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)分別制備了刻槽/kevlar和刻槽/kevlar/CNT兩種界面的ENF試件各4個(gè)，其載荷-位移曲線如圖4和圖5所示。從載荷-位移曲線可以看出兩組粘接界面ENF試樣載荷-位移曲線斜率基本保持一致說(shuō)明ENF試樣的剛度基本相等，既是試樣抵抗彈性變形的能力基本相同。平均極限載荷和斷裂能如圖6和圖7所示，平均失效破壞參數(shù)如表3所示，刻槽/kevlar/CNT界面平均極限載荷相比刻槽/kevlar界面提升了13.5%，斷裂能提升了16%?？滩?Kevlar/CNT界面粘接效果更好歸功于兩個(gè)原因：（1）由于CNT尺寸較小，在刻槽鋼板表面刷涂CNT溶液可以使CNT進(jìn)入鋼槽底部，進(jìn)入鋼槽底部的CNT一端可以伸入鋼槽表面凹陷處，另一端嵌入樹(shù)脂粘接層中從而增加鋼板和樹(shù)脂層的粘接強(qiáng)度；（2）在剪切載荷下CNT可以使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)增加斷裂面積從而增加斷裂能。

表3 失效破壞參數(shù)平均值

圖4 刻槽+kevlar界面載荷-位移曲

圖5 刻槽+kevlar+C N T界面載荷-位移曲線

圖6 平均極限載荷

圖7平均斷裂能

圖8 為ENF試件失效后斷裂面圖，從圖中可以看出ENF試件失效后樹(shù)脂大部分附著在CFRP表面，鋼槽內(nèi)也存在被剪斷的樹(shù)脂。CFRP面存在大量被掀翻的樹(shù)脂，可以清晰地看到kevlar短纖維的橋聯(lián)作用。

圖8 斷裂面形貌特征

3 結(jié)論

本文通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了刻槽/kevlar和刻槽/kevlar/CNT兩種CFRP/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的層間剪切斷裂性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明刻槽/kevlar/CNT試樣相對(duì)于刻槽/kevlar試樣厚度基本不變，極限載荷提高了13.5%，斷裂能提高了16%。kevlar短纖維的橋聯(lián)增強(qiáng)作用可有效協(xié)調(diào)增強(qiáng)了粘結(jié)層、粘結(jié)層/CFRP界面和粘結(jié)層/刻槽鋼界面的斷裂性能，實(shí)現(xiàn)了CFRP/鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)極值載荷和斷裂能的有效提升。CNT可以進(jìn)入鋼槽底部增加鋼板和樹(shù)脂層的粘接強(qiáng)度，在剪切載荷下CNT可使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)增加斷裂能。