藝術(shù)裝飾復(fù)合材料的膠接工藝研究*

白 瑩

(咸陽(yáng)師范學(xué)院,陜西咸陽(yáng) 712000)

藝術(shù)裝飾行業(yè)近年來在國(guó)內(nèi)得到了迅猛發(fā)展,且在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還將作為國(guó)家的重要發(fā)展規(guī)劃來服務(wù)于人民。藝術(shù)裝飾復(fù)合材料在日常生活中扮演著非常重要的作用,且目前藝術(shù)裝飾正朝著輕量化和安全性方向發(fā)展,所使用的材料也逐漸從傳統(tǒng)鋼鐵向碳纖維、鋁合金等輕質(zhì)材料演變,而作為藝術(shù)裝飾用復(fù)合材料的連接一直是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵[1],這主要是因?yàn)樘祭w維和鋁合金的膠接存在膠接強(qiáng)度低、膠接質(zhì)量差等問題[2],如何進(jìn)一步通過膠接工藝改善來提升碳纖維/ 鋁合金異種材料的膠接是值得研究的問題,然而,目前這方面的研究報(bào)道較少[3-5]。本文創(chuàng)新性的在碳纖維/ 鋁合金膠接過程中引入超聲振動(dòng),研究了膠接工藝參數(shù)對(duì)碳纖維/鋁合金膠接強(qiáng)度的影響,并對(duì)膠接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果將有助于藝術(shù)裝飾用復(fù)合材料的膠接工藝優(yōu)化和膠接質(zhì)量改善。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

藝術(shù)裝飾用鋁板(西南鋁業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的T6態(tài)7075 鋁合金,尺寸為101.6mm×25.4mm ×1.5mm,激光切割加工而成)和碳纖維板(無錫威盛新材料科技有限公司提供的3K-T700 系列碳纖維,尺寸為101.6mm×25.4mm×2.5mm,數(shù)控機(jī)床高精度加工),粘結(jié)劑為深圳市戈埃爾科技有限公司提供的3MDP460型環(huán)氧樹脂膠粘劑。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

膠接試驗(yàn)裝置,自制；MTS-810 型液壓伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī),美國(guó)MTS 公司；SS-550 型掃描電鏡,日本島津公司。

1.3 試驗(yàn)制備

膠接試樣尺寸按照ASTM D5868-01《纖維增強(qiáng)塑料 (FRP) 粘結(jié)劑的邊緣剪切粘著性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行,藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接試樣示意圖如圖1 所示,兩端分別配有長(zhǎng)×寬為30mm×25.4mm的墊塊。

圖1 藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite bonding sample for art decoration

圖2 為復(fù)合材料膠接試驗(yàn)裝置及示意圖,其中,圖2(a)的膠接裝置配備有超聲振動(dòng)工作臺(tái)；圖2(b)的示意圖中可見該套系統(tǒng)包含超聲波發(fā)生器、超聲波換能器和超聲振動(dòng)工具頭等[6]。在對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料進(jìn)行膠接過程中,可以通過該套系統(tǒng)控制振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)壓力、振動(dòng)位置和振幅等。

圖2 復(fù)合材料膠接試驗(yàn)裝置及示意圖Fig.2 Composite bonding test device and schematic diagram

1.4 測(cè)試

藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接試樣的膠接強(qiáng)度測(cè)試采用MTS-810 型液壓伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,溫度為室溫,拉伸剪切速率為5mm/min,膠接強(qiáng)度τ可以用式(1)表示[7]:

式(1)中,P、B和L分別表示最大荷載(N)、膠接寬度(mm)和長(zhǎng)度(mm)。膠接試樣的斷面形貌采用SS-550 型掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)頻率優(yōu)化

表1 為藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接件拉伸性能測(cè)試結(jié)果,其中,振動(dòng)壓力為0.25MPa、振動(dòng)時(shí)間為13s,振動(dòng)位置為30mm。對(duì)比分析可知,當(dāng)振動(dòng)頻率為15kНz 時(shí),膠接件的拉伸荷載和膠接強(qiáng)度要高于振動(dòng)頻率20kНz 和25kНz的試件,此外,采用前者所獲得的膠接件在不同振幅下的膠接強(qiáng)度都較為穩(wěn)定,因此,后續(xù)試驗(yàn)過程中優(yōu)選振動(dòng)頻率為15kНz。

表1 膠接件拉伸性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of tensile properties of composite adhesive joint

續(xù)表1

2.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化

采用4 因素5 水平的正交試驗(yàn)法對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接工藝進(jìn)行優(yōu)化,4 因素5 水平的正交試驗(yàn)表見表2,影響因素包括振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)壓力、振動(dòng)位置和振幅。

表2 4 因素5 水平正交試驗(yàn)表Table 2 Four factor and five level orthogonal test table

表3 為正交試驗(yàn)結(jié)果,列出了不同膠接影響因素和水平因子下復(fù)合材料膠接試驗(yàn)結(jié)果,表4 列出了不同影響因素下膠接試驗(yàn)的均值相應(yīng)結(jié)果。表4 中極差大小表示影響藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接強(qiáng)度的強(qiáng)弱,如果極差越大則相應(yīng)的因素對(duì)膠接強(qiáng)度的影響越大,反之,如果極差越小則對(duì)膠接強(qiáng)度的影響越小[8-9]。通過極差分析結(jié)果可知,對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接強(qiáng)度影響從大至小順序?yàn)?振動(dòng)時(shí)間>振幅>振動(dòng)壓力>振動(dòng)位置?？梢?在對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料進(jìn)行膠接過程中,影響最大的是振動(dòng)時(shí)間,其次為振幅,而振動(dòng)位置的影響相對(duì)較小。通過對(duì)膠接工藝進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化,可以得到最佳膠接工藝參數(shù)為A3B5C3D5,即振動(dòng)時(shí)間21s、振動(dòng)壓力0.35MPa、振動(dòng)位置35mm 和振幅57μm 時(shí)取得膠接強(qiáng)度最大值。

通過表3的正交試驗(yàn)和表4的均值響應(yīng)表可知,藝術(shù)裝飾復(fù)合材料最優(yōu)膠接工藝并未在表3 中列出,因此進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)時(shí)間21s、振動(dòng)壓力0.35MPa、振動(dòng)位置35mm 和振幅57μm 時(shí)的試件進(jìn)行了膠接強(qiáng)度測(cè)試,此優(yōu)化工藝下試樣稱為優(yōu)化組,而基礎(chǔ)組為傳統(tǒng)未經(jīng)優(yōu)化的試件。表5 為基礎(chǔ)組和優(yōu)化組的膠接性能測(cè)試結(jié)果,對(duì)比分析可知,經(jīng)過正交優(yōu)化后藝術(shù)裝飾復(fù)合材料的優(yōu)化組膠接強(qiáng)度相較于基礎(chǔ)組提高了41.59%。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

表4 均值響應(yīng)表Table 4 Mean response table

表5 基礎(chǔ)組和優(yōu)化組的膠接性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Bonding performance test results of basic group and optimization group

圖3 為基礎(chǔ)組和優(yōu)化組膠接試樣膠層斷面的掃描電鏡顯微形貌?？梢?基礎(chǔ)組試樣的斷裂發(fā)生在膠層與碳纖維的膠接界面處,且在界面處存在明顯的裂縫；優(yōu)化組試樣的斷裂并未沿著碳纖維與膠層的界面處開裂,且界面處未存在明顯裂縫。在對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料進(jìn)行膠接過程中,優(yōu)化工藝下的膠粘劑在膠接區(qū)域的流動(dòng)性更好、填充和浸潤(rùn)更加完善[10],在凝固后可以獲得更加緊密的粘結(jié)結(jié)構(gòu),粘結(jié)劑與藝術(shù)裝飾復(fù)合材料之間的界面結(jié)合更好[11],膠接強(qiáng)度會(huì)相較于傳統(tǒng)基礎(chǔ)組試樣得到明顯提升。從表3的正交試驗(yàn)結(jié)果可知,藝術(shù)裝飾膠接過程中,膠接工藝參數(shù)如振動(dòng)時(shí)間、振幅和振動(dòng)壓力等的改變會(huì)對(duì)粘結(jié)劑的流動(dòng)和填充產(chǎn)生明顯影響[12],優(yōu)化工藝下的膠粘劑在流動(dòng)性、均勻分布和填充上更有利于提升藝術(shù)裝飾復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度。

圖3 藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠層斷面的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of cross section of composite adhesive layer for art decoration

3 結(jié)論

(1)當(dāng)振動(dòng)頻率為15kНz 時(shí),藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接件的拉伸荷載和膠接強(qiáng)度要高于振動(dòng)頻率20kНz 和25kНz的試件。

(2)通過極差分析結(jié)果可知,對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料膠接強(qiáng)度影響從大至小順序?yàn)?振動(dòng)時(shí)間>振幅>振動(dòng)壓力>振動(dòng)位置?？梢?在對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料進(jìn)行膠接過程中,影響最大的是振動(dòng)時(shí)間,其次為振幅,而振動(dòng)位置的影響相對(duì)較小。通過對(duì)藝術(shù)裝飾復(fù)合材料的膠接工藝進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化,可以得到最佳膠接工藝參數(shù)為A3B5C3D5,即振動(dòng)時(shí)間21s、振動(dòng)壓力0.35MPa、振動(dòng)位置35mm 和振幅57μm 時(shí)取得膠接強(qiáng)度最大值。

(3)基礎(chǔ)組和優(yōu)化組的平均最大拉伸荷載分別為4.735kN 和6.730kN,對(duì)應(yīng)的膠接強(qiáng)度分別為7.43MPa和10.52MPa。經(jīng)過正交優(yōu)化后藝術(shù)裝飾復(fù)合材料的優(yōu)化組膠接強(qiáng)度相較于基礎(chǔ)組提高了41.59%。