濕熱對復(fù)合材料粘接修理裂紋鋁合金板疲勞性能的影響

戴京濤，蘇洪波，譚曉明，汪余博，趙培仲

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空機械工程與指揮系，山東 青島 266041）

復(fù)合材料粘接修理金屬結(jié)構(gòu)損傷比傳統(tǒng)的機械修理方法具有獨特的優(yōu)勢，可以避免鉆孔、減少應(yīng)力集中、較少結(jié)構(gòu)增重等[1-3]，可以獲得更好的疲勞和耐腐蝕性能。復(fù)合材料粘接修理是通過膠層樹脂將復(fù)合材料補片和金屬損傷結(jié)構(gòu)連接起來，分擔(dān)結(jié)構(gòu)載荷，恢復(fù)其承載能力[4]。因此，膠層的失效將會直接導(dǎo)致粘接修理的失效。然而，粘接修理結(jié)構(gòu)通常對于濕熱環(huán)境比較敏感。一方面，濕熱環(huán)境會造成膠層及粘接界面性能的下降；另一方面，濕熱環(huán)境還會導(dǎo)致復(fù)合材料補片本身的性能下降，因而影響到粘接修理結(jié)構(gòu)的性能[5-7]。研究表明，在濕熱條件下，復(fù)合材料的力學(xué)性能會有明顯下降。馮青等[8]研究發(fā)現(xiàn)，吸濕率是影響層間剪切強度的決定性因素，復(fù)合材料性能的退化主要是基體吸水塑化和濕應(yīng)力導(dǎo)致的。閆偉等[9]建立了濕-熱-力偶合條件下復(fù)合材料宏觀性能的定量表達式，分析了濕熱對復(fù)合材料拉伸壓縮性能的影響。王躍然等[10]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料粘接修理鋁合金裂紋板結(jié)構(gòu)，在濕熱老化后，不考慮后固化的影響，結(jié)構(gòu)靜拉伸強度會快速下降。濕熱誘發(fā)的復(fù)合材料補片性能下降、膠層以及界面性能下降，不僅影響靜強度，而且會導(dǎo)致裂紋尖端應(yīng)力強度因子的提高，進而導(dǎo)致疲勞性能的下降[11-13]。粘接結(jié)構(gòu)的破壞一般包括粘接件（復(fù)合材料補片或鋁合金板）本體的破壞、膠層內(nèi)聚破壞以及粘接界面的破壞[14]。粘接界面的破壞將會影響載荷從損傷結(jié)構(gòu)向復(fù)合材料補片傳遞的效率，嚴重影響粘接修理的效果。事實表明，界面破壞很多情況下是由于粘接之前的表面處理質(zhì)量不高所導(dǎo)致的[15-17]。特別是在濕熱環(huán)境下，如果表面處理質(zhì)量不高，界面更容易出現(xiàn)脫粘等損傷，誘發(fā)應(yīng)力集中，脫粘區(qū)域不斷擴展，最終引發(fā)粘接結(jié)構(gòu)的失效[18]。偶聯(lián)劑的使用對于獲得高質(zhì)量的表面處理質(zhì)量十分關(guān)鍵，它可以分別和復(fù)合材料補片與鋁合金表面之間形成化學(xué)鍵，提高粘接性能[19]。因此，文中在研究濕熱對復(fù)合材料粘接修理結(jié)構(gòu)疲勞性能影響的同時，重點考慮了不同偶聯(lián)劑的使用對疲勞壽命和裂紋擴展的影響。

1 實驗

1.1 試樣制備

裂紋損傷試樣的制備，將鋁合金板裁剪成為200 mm×50 mm×1.5 mm的矩形板，并在試樣中央預(yù)制長為10 mm的穿透裂紋，如圖1所示。

圖1 中心裂紋鋁合金板Fig.1 AL alloy plate with its center cracked

損傷試樣的表面處理。用乙酸乙酯溶劑清洗粘接區(qū)域，并干燥；采用干燥的碳化硅對粘接區(qū)域進行噴砂處理；清除表面砂粒。清潔干燥后，涂布偶聯(lián)劑。偶聯(lián)劑分別采用KH550和AC130兩種。涂布偶聯(lián)劑后，在60 ℃的烘箱中放置30 min左右。

粘接修理試樣的制備。粘接修理材料為玻璃纖維布和Hysol EA9394環(huán)氧樹脂。根據(jù)設(shè)計的補片尺寸，裁剪相應(yīng)的玻璃纖維布。調(diào)配環(huán)氧樹脂。采用濕鋪法逐層鋪設(shè)，粘接修理預(yù)制的損傷鋁合金試樣。鋪層寬度50 mm保持不變，長度從110 mm依次遞減10 mm，鋪設(shè)6層，如圖2所示。之后，采用復(fù)合材料熱補儀完成試樣的固化，以3 ℃/min的升溫速率將固化溫度升至80 ℃，保持1 h。固化后，補片的厚度為0.8 mm。將未經(jīng)修理的裂紋損傷試樣標(biāo)記為 UP-1等系列試樣，修理后直接進行疲勞實驗的試樣標(biāo)記為P-1等系列試樣，修理后用于濕熱處理的修理試樣標(biāo)記為HP-1等系列試樣。

圖2 復(fù)合材料粘接修理試樣Fig.2 Schematic of the adhesively bonded composite repair structure: a) lamination; b) repaired sample

1.2 濕熱處理

參照 GJB 3383—1998，對粘接修理試樣進行濕熱處理。在高低溫環(huán)境試驗箱中進行定值實驗。設(shè)置環(huán)境溫度為55 ℃，相對濕度為98%。保持72 h后取出，室溫放置24 h。

1.3 疲勞性能測試

采用TST-DL4205疲勞試驗機，測試試樣的疲勞性能。試驗選擇正弦波，頻率為10 Hz。采用試驗力值控制方式，峰值為7 kN，谷值為0.7 kN。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕熱處理對疲勞性能的影響

經(jīng)過濕熱處理后，粘接修理試樣的疲勞性能都明顯下降，見表1。但是，和未修理的試樣相比較，疲勞性能仍然有較大幅度提高。在濕熱環(huán)境條件下，水分子容易進入膠層和復(fù)合材料補片的基體樹脂中，擴散到分子之間，削弱分子間相互作用力，使樹脂體積膨脹。體積膨脹產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，會導(dǎo)致薄弱部位產(chǎn)生損傷，降低樹脂的力學(xué)性能。在復(fù)合材料補片中，和樹脂基體相比，纖維吸水性很低，基體樹脂的膨脹，將會使樹脂和纖維的界面處由于膨脹的不匹配產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。由此可能誘發(fā)界面處產(chǎn)生細微裂紋損傷，降低纖維和樹脂之間的粘接強度，影響補片的力學(xué)性能。類似地，在膠層和鋁合金的界面也會存在由于體積膨脹不匹配，引起的界面粘接性能下降。對于界面處的偶聯(lián)劑層，也會因為水分子的進入，導(dǎo)致性能下降。此外，在濕熱環(huán)境中，纖維中還會有部分成分被水溶解掉，降低纖維本身的力學(xué)性能。這些因素共同作用，導(dǎo)致濕熱對復(fù)合材料粘接修理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

表1 試樣的疲勞試驗結(jié)果Tab.1 Fatigue test data

要改善復(fù)合材料粘接修理結(jié)構(gòu)的耐濕熱性能，一方面，要選擇性能優(yōu)異的復(fù)合材料補片基體樹脂和膠層樹脂；另一方面，則要做好粘接表面處理。同時，還要嚴格工藝過程控制，避免氣泡和其他雜質(zhì)的混入，保證粘接質(zhì)量，減少濕氣的侵入。從圖3中可以看出，在裂紋擴展的初期，濕熱前后的差別并不大。這可能是因為膠層和補片由于水分子的塑化作用，阻尼增加，在疲勞試驗的初期，可以耗散部分機械能。但是，膠層或補片很快出現(xiàn)細微損傷。并不斷擴展，裂紋擴展隨之快速增大，超過未濕熱處理的試樣。濕熱處理前后裂紋擴展速率隨裂紋長度的變化如圖4所示?？傮w上看，不論是采取哪種偶聯(lián)劑，濕熱處理之后的裂紋擴展速率要大于濕熱處理之前。從破壞模式上看，濕熱處理之前，試樣疲勞斷裂基本上是補片和試樣一起斷裂。濕熱后，則主要出現(xiàn)的是界面失效，補片和鋁板脫離，如圖5所示。

圖3 濕熱處理前后復(fù)合材料粘接修理結(jié)構(gòu)的疲勞性能Fig.3 Fatigue properties of adhesively bonded composite repair structures before and after hygrothermal treatment

圖4 濕熱處理前后復(fù)合材料粘接修理結(jié)構(gòu)的裂紋擴展Fig.4 Crack growth of adhesively bonded composite repair structures before and after hygrothermal treatment

圖5 濕熱前后試樣破壞模式Fig.5 Failure modes of samples (a) before and (b) after hygrothermal treatment

2.2 偶聯(lián)劑對裂紋擴展的影響

粘接修理之前的表面處理是關(guān)系到結(jié)構(gòu)耐性的非常關(guān)鍵的因素之一。偶聯(lián)劑的使用可以有效地提高表面處理質(zhì)量。使用不同的偶聯(lián)劑，也會對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響。從表1中可以看出，使用AC130可以獲得更好的結(jié)構(gòu)耐久性。裂紋長度隨疲勞次數(shù)的變化如圖6所示，顯然同樣疲勞次數(shù)時，使用 KH550的試樣，裂紋長度更長。采用 KH550處理的表面，更容易受到濕熱的影響，導(dǎo)致界面處性能下降，載荷傳遞過程應(yīng)力集中突出，更容易誘發(fā)膠層和復(fù)合材料補片發(fā)生破壞，導(dǎo)致粘接結(jié)構(gòu)總體性能下降更嚴重。

圖6 偶聯(lián)劑對復(fù)合材料粘接修理結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響Fig.6 Effect of couple agent on the fatigue properties of adhesively bonded composite repair structures

從圖6可以看出，采用AC130偶聯(lián)劑的試樣，裂紋開始進入穩(wěn)態(tài)擴展所對應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)比采用 KH550偶聯(lián)劑的試樣明顯高很多。但是，曲線隨循環(huán)次數(shù)變化的趨勢卻基本相同。和 KH550類似，AC130也是分別與膠層和鋁合金表面形成化學(xué)鍵，起到改善粘接性能的作用。但是，AC130形成的有機/無機雜化凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為致密，具有更好的力學(xué)性能。因此，使用 AC130的試樣，可以獲得更好的界面性能，抵抗?jié)駸岬牟焕绊懀璧K金屬表面氧化層和水分子的水合作用。然而，界面一旦出現(xiàn)破壞后，不論是采用KH550還是AC130，水分子侵入界面導(dǎo)致載荷傳遞效率降低，粘接修理結(jié)構(gòu)的疲勞性能下降，裂紋擴展速率受此影響的程度比較接近。

利用方程（1）對數(shù)據(jù)進行擬合，得到p和q的值[20]，結(jié)果見圖7和表2。

圖7 裂紋擴展速率線性擬合Fig.7 Crack growth rate equation linear fit: a) patched; b)unpatched

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，未修理試樣的直線斜率最大，和其裂紋擴展速率最大相對應(yīng)。從前面的分析中可知，使用 KH550偶聯(lián)劑的試樣的裂紋擴展速率隨裂紋長度的變化比使用 AC130的要大，因此，其擬合后的直線斜率也較大。

表2 濕熱后裂紋擴展速率方程參數(shù)Tab.2 Coefficients of crack growth rate equation after hygrothermal treatment

3 結(jié)論

復(fù)合材料粘接修理金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)過濕熱處理后，其疲勞性能明顯下降，但是，仍然比未修理的試樣要好。偶聯(lián)劑的使用對于表面處理質(zhì)量的影響十分關(guān)鍵，粘接修理結(jié)構(gòu)的疲勞性能也因此受到影響。文中試驗表明，不論是否濕熱處理，采用 AC130可以獲得更好的結(jié)構(gòu)疲勞性能。濕熱處理后，采用 AC130的試樣疲勞性能下降較少，說明其耐久性更好。采用KH550的試樣，裂紋擴展速率比 AC130的大，導(dǎo)致其疲勞壽命較低。采用方程對試驗數(shù)據(jù)進行擬合后，可以得到裂紋長度和裂紋擴展速率之間的關(guān)系，進而可以對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行預(yù)測。擬合后，直線的斜率基本上反映了裂紋擴展速率。