受油管中鈦合金內(nèi)襯與碳纖維鋪層布的層間剪切強度研究

羅銳祺 劉勇瓊 廖英強 王 特

受油管中鈦合金內(nèi)襯與碳纖維鋪層布的層間剪切強度研究

羅銳祺 劉勇瓊 廖英強 王 特

（西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025）

通過對受油管內(nèi)襯鈦合金金屬表面進行處理，獲得表面噴砂處理、酸處理和不處理的三種表面狀態(tài)，并且針對受油管第一層鋪層材料正交碳纖維編織布，分別使用干法和濕法纏繞方式，研究內(nèi)襯表面處理方式和正交碳纖維編織布纏繞方式對鈦合金-碳纖維布層間剪切強度的影響。結(jié)果表明，金屬表面處理方式得到的層間剪切強度值表面噴砂處理最高，其次為酸處理，最后為未處理；纖維纏繞方式為濕法纏繞時得到的層間剪切強度比干法高。為提高復(fù)合材料受油管金屬內(nèi)襯與復(fù)合材料鋪層界面間剪切強度提供了思路。

表面處理；纖維纏繞方式；層間剪切強度

1 引言

空中加油技術(shù)在空軍力量的加強上起到了不可或缺的作用，空中加油通過延長飛機的航程和續(xù)航時間提高飛機的飛行效率，大大擴展了戰(zhàn)斗機群的空中打擊范圍[1，2]?？罩惺苡凸苡山饘賰?nèi)襯和碳纖維復(fù)合材料鋪層制作，金屬材料使用Ti金屬的合金材料。在飛機之間受油的過程中，飛機的受油管會受到垂直受油管的徑向力和平行于受油管的軸向力，使受油管遠(yuǎn)離飛機的一端產(chǎn)生一定的撓度與變形[3]，由于金屬表面較為光滑，與復(fù)合材料表面的粘接強度較差，在受到載荷時容易產(chǎn)生較大的層間應(yīng)力，導(dǎo)致金屬內(nèi)襯和復(fù)合材料第一層鋪層之間的界面發(fā)生層間失效，鋪層與金屬之間滑脫。因此，提高受油管金屬與復(fù)合材料之間的粘連程度能夠增強二者之間的界面強度，對提升復(fù)合材料受油管的力學(xué)性能有著十分重大的意義。

通常增加金屬與其他非金屬材料表面之間的粘連強度有改善粘接劑的粘接性能和提高金屬材料表面粗糙度兩種主要途徑。閆冬艷等[4]對固體火箭發(fā)動機殼體絕熱層與金屬界面之間發(fā)生脫粘的問題，創(chuàng)新地提出了以X-YZ膠粘劑為金屬面底膠，X-12膠為面膠進行粘接的質(zhì)量控制措施，在低模量的橡膠與高模量的金屬之間形成了均勻的模量梯度，有效提高了絕熱層/金屬界面的粘接強度。粘接劑的粘接強度和粘接劑本身分子的官能團也有密切聯(lián)系，如在氧化鋁表面的粘接過程中，含氮官能團比含氧官能團的膠粘劑更有利地吸附在氧化鋁表面上[5]。高彧[6]等對乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）與金屬界面之間的粘連強度影響因素也做出了相關(guān)研究，觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)EVA與金屬復(fù)合的界面幾乎都是羰基與金屬相互作用的結(jié)果，EVA含量少時，隨著EVA含量的增加，和金屬反應(yīng)的羰基數(shù)量也會增加，相應(yīng)復(fù)合材料的拉伸剪切強度也隨之增加。

金屬與復(fù)合材料之間的界面強度除了與粘接劑的微觀分子結(jié)構(gòu)相關(guān)，金屬表面的變化也對粘接強度有著深刻的影響。金屬的表面處理通常包括機械、化學(xué)、電化學(xué)、偶聯(lián)劑和干表面處理等方式[7]。不同的金屬表面處理方式主要是讓金屬表面獲得不同的粗糙度，針對砂紙打磨、酸洗、噴砂、硅烷偶聯(lián)劑、磷化處理這幾種不同的表面處理方式，李慧[8]等均進行了拉剪實驗和表面處理之后的金屬微觀形貌掃描，分析了不同預(yù)處理方法對界面粘結(jié)強度影響的機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑處理之后金屬表面聚合物分子的分子鍵之間連接成橋形，此時金屬和聚合物的界面粘接強度最強。陳俊祥[9]等對經(jīng)過鹽酸處理的金屬表面和注塑成型塑料之間的界面結(jié)合強度做出了研究，發(fā)現(xiàn)鹽酸處理過后金屬表面出現(xiàn)的微米級孔洞越多，二者之間的界面結(jié)合強度越高。

噴砂處理對粘接接頭表面粗糙度和力學(xué)性能的影響主要分為兩個方面：粘合過程中的初步表面處理消除了可能改變基材潤濕性的污染物（灰塵、油脂、濕氣和腐蝕產(chǎn)物），其次它增加了表面粗糙度，從而增加了基材和粘合劑之間的接觸面積，形成了最大化粘合力的機械互鎖。噴砂處理的過程中，砂子的粒度、噴射角度和壓力都是影響表面噴砂粗糙度的重要因素[10，11]。另外，針對不同的金屬材料，表面噴砂處理也有相應(yīng)合理的噴砂時間，TC4鈦合金材料，合理的噴砂時間為(30±5)s/15cm2；5052鋁合金材料，合理的噴砂時間為(20±5)s/15cm2；304不銹鋼材料，合理的噴砂時間為(45±5)s/15cm2；4J36殷鋼材料，合理的噴砂時間為(25±5)s/15cm2[12]。改變金屬表面形貌可以有效提高界面之間的粘接強度，但當(dāng)表面粗糙度達到一定值時，提高表面粗糙度并不能繼續(xù)提高界面粘接性能，這是因為隨著金屬基底的表面粗糙度慢慢變大，復(fù)合材料/金屬層合板在拉伸載荷作用下的極限拉力慢慢增大，表現(xiàn)近乎相似的線性關(guān)系，當(dāng)金屬基底表面粗糙度繼續(xù)變大，滯留在金屬基底表面的空氣阻止膠粘劑完全充滿金屬表面的微孔，因此試件的拉伸強度并沒有繼續(xù)增大，維持在一個平穩(wěn)的態(tài)勢[13，14]。

本研究針對受油管鈦合金金屬與碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料鋪層布之間的界面層粘接強度的提高，制作拉剪試樣，對金屬表面進行噴砂處理和酸處理，并使用了干法和濕法兩種不同制備方式下的碳纖維布，分析對比了不同處理方式下鈦金屬/碳纖維布鋪層層間剪切強度的變化，以提高受油管的力學(xué)性能。

2 實驗部分

2.1 主要原料

TC18鈦合金試片×60，上海鋼浩有色金屬有限公司；T300 1K平紋正交碳纖維編織布，北京耐特鴻業(yè)科技有限公司；E-49環(huán)氧樹脂膠黏劑，西安航天復(fù)合材料研究所；環(huán)氧膠膜，西安航天復(fù)合材料研究所；質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.3%的濃硫酸，西安耀皇化工科技有限公司。

2.2 主要設(shè)備及儀器

環(huán)氧樹脂干燥箱，北京富奇?zhèn)ニ加邢薰?；CMT7104型電子萬能試驗機，蘇州拓博機械設(shè)備有限公司。

2.3 樣品制備

首先準(zhǔn)備60片70mm（長）×20mm（寬）×2mm（厚）的TC18鈦合金試片，將鈦合金試片表面使用無水乙醇除去表面油污，其中，20片使用配置好的硫酸溶液進行酸處理，在60～65℃的溫度下浸漬10～30min后取出用水沖洗，然后在80℃下烘干；另外20片進行表面噴砂處理，使用的噴砂參數(shù)是噴砂材料為40目石英砂，噴砂距離約為150mm，噴砂角度為45°，噴砂壓力為0.5MPa，噴砂時間為30s；剩下的20片不作處理。

一部分碳纖維編織布方片是使用濕法纏繞方式制作而成（濕法纏繞是將纖維集束浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上，碳纖維編織成形后刮去多余膠液脫模，并裁剪開成方形布），如圖1a所示，一部分是使用干法纏繞方式制作而成（干法纏繞是纖維束纏繞之前先在設(shè)備上對碳纖維絲束進行環(huán)氧樹脂膠的預(yù)浸處理，隨后直接在模具上編織成形，最后裁剪成實驗需要的方形布），如圖1b所示。整個試驗件的碳纖維編織布夾層為一層，旨在對比受油管第一層鋪層與內(nèi)襯鈦金屬在不同影響因素下的層間剪切強度。將受油管碳纖維編織方形布和環(huán)氧膠膜裁剪成15mm×20mm的若干方片，然后如圖1c所示進行貼片，兩片膠膜夾一層碳纖維編織布（膠膜的作用是增加金屬表面的粘接力），碳纖維編織布與兩片鈦合金片形成對稱界面結(jié)合區(qū)域。

圖1 剪切試樣制作示意圖

干法和濕法制作的碳纖維編織布貼片分別和酸處理、噴砂處理、未處理的三種鈦合金試驗片貼合成拉剪試樣，共6組，每組制作5個樣本。制作完畢將試樣在風(fēng)箱內(nèi)烘干，固化制度為室溫加熱到80℃，加熱時間為1h，加熱速度為1℃/min，再在80℃固化爐內(nèi)保溫1h，后關(guān)掉烘箱自然冷卻到室溫取出，得到的每組試驗件的實物如圖2所示。

圖2 不同處理方式實驗件

2.4 性能測試

圖3 CMT7104型電子萬能試驗機

本次實驗采用的剪切試驗標(biāo)準(zhǔn)為西安航天復(fù)合材料研究所所內(nèi)剪切試驗標(biāo)準(zhǔn)Q/Gb178—2003，試驗件制作完成后在如圖3所示試驗機上進行剪切試驗測試，使用專門夾具固定，確保力施加在兩鈦合金片的結(jié)合面上，本次拉伸速度為5mm/min，分別對每組的5個樣本測試計算平均值，結(jié)合強度定義為斷裂時的力除以鈦合金金屬片之間的結(jié)合面積（15mm×20mm）。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

根據(jù)實驗儀器力學(xué)性能測試得到的拉力數(shù)據(jù)，將其繪制成位移-載荷曲線圖，其中每一組5個同等實驗，每一組取一張位移-載荷曲線圖展示如圖4所示，隨著位移的不斷增大，施加在試驗件上的拉力也不斷增加，在最大載荷處試驗件發(fā)生斷裂，載荷值也垂直下降至零。最大載荷代表鈦合金與碳纖維鋪層布之間界面所能承受的最大力，通過公式計算可得每組試驗件鈦合金與碳纖維鋪層布的最大層間剪切強度。對每組實驗結(jié)果求得的剪切強度和平均值如表1所示。

圖4 各組實驗位移-載荷曲線圖

表1 試件層間剪切強度 MPa

3.2 表面處理方式對層間剪切強度的影響

經(jīng)過拉伸試驗，剪切強度測試結(jié)果整理如圖5所示。在碳纖維鋪層布纏繞方式相同的情況下，隨著表面處理方式的改變，鈦合金-碳纖維布試片的層間剪切強度也隨之變化。鈦合金表面噴砂處理之后與碳纖維鋪層布的層間剪切強度比表面酸處理和不經(jīng)處理的試片都高，鈦合金表面經(jīng)過酸處理之后試片的層間剪切強度比不經(jīng)處理的試片也高。

圖5 剪切強度測試結(jié)果

在兩種不同的碳纖維布纏繞方式下，鈦合金試片表面噴砂處理得到的鈦合金-碳纖維布試片的層間剪切強度最高，這是因為表面噴砂處理大大提高了碳纖維布和鈦合金之間的粘接面積。在環(huán)氧樹脂固化成型之后，在噴砂處理的鈦合金表面留下了許多凹坑，凹坑中滯留了固化之后的環(huán)氧樹脂，聚合物斷裂殘留處可以表明該處金屬和聚合物結(jié)合的剪切強度大于聚合物本身剪切強度。聚合物殘留較多的試樣表現(xiàn)出更強的結(jié)合力，因此提升金屬表面總表面積對提升界面結(jié)合強度有重要意義。

兩種纏繞方式中，鈦合金表面酸處理也能有效提高鈦合金表面粗糙度，但酸處理是通過腐蝕金屬表面得到一系列微孔，從而提升金屬表面與環(huán)氧樹脂的結(jié)合面積，提升界面剪切強度。干法纏繞處理方式中金屬表面酸處理得到的鈦合金-碳纖維布試片的層間剪切強度和未處理的剪切強度大小相當(dāng)，這是由于環(huán)氧樹脂在固化之前無法和酸處理表面形成的微孔進行結(jié)合，所以酸處理在干法纏繞方式下界面剪切強度和表面不經(jīng)處理的相差無幾。

3.3 碳纖維布纏繞方式對層間剪切強度的影響

如圖6所示，在表面處理方式不同的情況下，分別對比了碳纖維布纏繞方式對層間剪切強度的影響，從圖中可以看出在表面噴砂處理的情況下，干法纏繞和濕法纏繞制作的碳纖維編織布其鈦合金-碳纖維布試片的層間剪切強度分別為29.6MPa和30.9MPa，二者相差不大，這主要是由于噴砂表面形成的大表面積能夠有足夠的空間容納已經(jīng)融化的環(huán)氧樹脂，固化之后形成互鎖效應(yīng)，所以纏繞方式對噴砂處理的層間剪切強度影響不大。

圖6 不同表面處理方式情況下的剪切強度測試結(jié)果

在表面酸處理的情況下，干法纖維纏繞方式相比于濕法纖維纏繞方式鈦合金-碳纖維布試片的層間剪切強度低10MPa，如前所述，造成這種現(xiàn)象的原因是酸處理形成的微孔與干法纖維纏繞方式的環(huán)氧樹脂在固化之前無法有效地融合，互鎖效應(yīng)不如濕法明顯，導(dǎo)致層間剪切強度相比于濕法有所降低。

在表面不經(jīng)處理的情況之下，干法纖維纏繞方式相比于濕法纖維纏繞方式鈦合金-碳纖維布試片的層間剪切強度相差不大，甚至略高一些，二者之間的剪切強度值的差別在正常誤差范圍內(nèi)，表面未經(jīng)處理的鈦合金試片的鈦合金-碳纖維布試片層間剪切強度對兩種纏繞方式不敏感。

4 結(jié)束語

a. 通過拉伸剪切試驗，對比了鈦合金金屬內(nèi)襯作噴砂處理、酸處理和未處理三種處理情況和碳纖維編織布干法和濕法兩種纏繞方式對鈦合金-碳纖維編織布的層間剪切強度的影響，纖維纏繞方式為濕法、表面處理方式為噴砂處理的情況下得到的層間剪切強度最高，為30.9MPa。

b. 就表面處理方式而言，無論是在哪種纖維纏繞方式之下，鈦合金表面噴砂處理得到的鈦合金-碳纖維編織布的層間剪切強度都是最高的，其次是酸處理，最低為表面未處理。原因是表面噴砂處理能夠使更多的環(huán)氧樹脂流入噴砂形成的凹槽中，形成較為牢固的物理栓接，加強了層間剪切強度。

c. 就纖維纏繞方式而言，鈦合金表面噴砂處理和酸處理均是濕法纏繞方式形成的層間剪切強度高于干法纏繞，濕法纏繞方式環(huán)氧樹脂的流動性更高，易與處理的表面結(jié)合，增強層間剪切強度。

d. 本次實驗的誤差來源為試驗件工裝在制作試樣時無法嚴(yán)格控制制作壓力，以及試驗件固化之后對溢出的已固化環(huán)氧樹脂的打磨清除程度不同。

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Study on Interlaminar Shear Strength of Titanium Alloy Lining and Carbon Fiber Laminated in Refueling Tube

Luo Ruiqi Liu Yongqiong Liao Yingqiang Wang Te

(Xi’an Institute of Aerospace Composites, Xi’an 710025)

By treating the titanium alloy metal surface of the inner lining of the tubing, three surface states of sandblasting, acid treatment and no treatment were obtained, and the first layer of the tubing was made of orthogonal carbon fiber braided cloth by dry winding and wet winding respectively. The effects of lining surface treatment and winding mode of orthogonal CFRP on interlaminar shear strength of Ti-CFRP were studied. The results show that the value of interlaminar shear strength obtained by metal surface treatment is the highest, followed by acid treatment and untreated. The interlaminar shear strength obtained by wet winding method is higher than that by dry winding method. It provides a way to improve the shear strength between the metal lining of the composite tubing and the laminated composite.

surface treatment；fiber winding mode；interlaminar shear strength

TB333

A

羅銳祺（1996），在讀研究生，材料工程專業(yè)；研究方向：復(fù)合材料力學(xué)。

2021-07-19