裝飾藝術用FRP/鋼界面粘結性能研究

杭 航

(合肥信息技術職業(yè)學院 新媒體藝術系,安徽 合肥 230601)

0 前言

復合材料雕塑由于具有多種單一材料的共同優(yōu)點,如質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好等特點而逐步發(fā)展成為現(xiàn)階段裝飾用雕塑材料的主流,這主要是因為通常情況下單一材料并不能完全滿足使用要求,而通過將兩種或兩種以上的材料復合在一起組成的復合材料卻可以綜合不同材料的特點而最大限度滿足使用需求[1]。如,纖維增強復合材料(FRP)具有質(zhì)量輕、比強度和比模量高、電阻率低和熱膨脹系數(shù)小等特點,與鋼質(zhì)材料相比具有質(zhì)量輕、耐疲勞強度高、高比強度和高比模量[2],此外,還具有價格低廉、可塑性高等特點,而纖維復合材料與鋼質(zhì)材料復合使用形成的雕塑將極大發(fā)揮二者的優(yōu)勢。目前關于FRP/鋼粘接方面的報道較少[3],在不同溫度作用下FRP/鋼界面粘結性能的作用機理也不清楚[4-6]。開展不同溫度復合材料雕塑FRP/鋼界面粘接性能方面的研究,考察FRP/鋼復合材料雕塑在承受外界環(huán)境溫度和荷載作用下的粘接性能變化規(guī)律,結果可為裝飾藝術用FRP/鋼復合材料的開發(fā)與應用提供必要參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

裝飾藝術雕塑用鋼質(zhì)基材為Q235鋼,抗拉強度556.0 MPa、屈服強度395.0 MPa、斷后伸長率29.5%;單向纖維布HM-30,厚度0.17 mm、抗拉強度為3 600.0 MPa、彈性模量235.0 GPa;膠粘劑選用雙組分環(huán)氧樹脂膠粘劑(體積混雜比3∶1的A和B膠,抗拉強度24.5 MPa、彈性模量4.5 GPa).

1.2 試驗儀器

MTS-810型液壓伺服萬能拉伸試驗機,美國MTS公司;D5300型Nikon數(shù)碼相機,日本尼康公司。

1.3 試件制備

共設計了3種FRP/鋼單面膠膠接接頭,包括1層CFRP(碳纖維增強復合塑料)與鋼的單面膠接接頭(圖1a,CF1)、3層CFRP與鋼的單面膠接接頭(圖1b,CF3)和層間混雜FRP/鋼單面膠接接頭(圖1c,HF),其中,粘結區(qū)一側橫向纏繞CFRP進行增強,FRP與鋼板膠接并對鋼板施加拉伸載荷,如箭頭所示。FRP/鋼膠接接頭的尺寸示意圖如圖2.3種膠接接頭的粘結長度都包括20 mm、40 mm、60 mm和80 mm,粘度寬度都為20 mm,CF1-20、CF3-20和HF-20分別表示1層單面膠接接頭粘結長度20 mm、3層單面膠接接頭粘結長度20 mm和層間混雜單面膠接接頭粘結長度20 mm的試件,依此類推。在制作FRP/鋼單面膠膠接接頭前需要對鋼材進行表面打磨和清理干凈,并確保在處理后30 min內(nèi)進行粘結(膠層厚度0.4 mm),室溫放置7 d并待膠粘劑完全固化后使用。[7-9]

圖1 FRP/鋼膠接接頭的連接示意圖Fig.1 Connection diagram of FRP/steel adhesive joint

圖2 FRP/鋼膠接接頭的尺寸示意圖Fig.2 Dimension diagram of FRP/steel adhesive joint

1.4 測試與加載

拉伸性能測試在MTS-810型液壓伺服萬能拉伸試驗機上進行,加載速率為0.5 mm/min,采用連續(xù)加載的方式進行,試件破壞后結束試驗,得到荷載-位移曲線;FRP/鋼單面膠接接頭破壞后的宏觀形貌采用Nikon數(shù)碼相機進行拍攝。

2 結果與討論

2.1 膠接接頭的粘結性能

圖3為FRP/鋼單面膠接接頭的拉伸荷載-位移曲線,分別列出了1層單面膠接接頭、3層單面膠接接頭和層間混雜單面膠接接頭的拉伸荷載-位移曲線。CF1、CF3和HF試樣在粘結長度為20 mm、40 mm、60 mm和80 mm時的拉伸荷載-位移曲線相似,都表現(xiàn)為初期階段拉伸荷載迅速增加。隨著荷載不斷升高,FRP/鋼試件中的纖維被拉斷而出現(xiàn)曲線波動,并在破壞荷載附近時迅速下降,此時伴隨著FRP/鋼試件的破壞。但是對比分析可知,不同粘結長度的CF3試樣和HF試樣的拉伸荷載-位移曲線差別較大,這可能與此時的粘結層數(shù)較多、層間混雜造成各向異性有關。

圖4為FRP/鋼單面膠接接頭的破壞荷載-粘結長度與極限位移-粘結長度曲線。對于CF1試樣,粘結長度為20 mm、40 mm、60 mm和80 mm時的破壞荷載平均值分別為2.620 kN、2.561 kN、2.902 kN和2.416 kN,對應地極限位移平均值分別為1.265 mm、1.217 mm、1.446 mm和1.399 mm;對于CF3試樣,粘結長度為20 mm、40 mm、60 mm和80 mm時的破壞荷載平均值分別為3.444 kN、4.506 kN、4.464 kN和4.875 kN,對應地極限位移平均值分別為1.569 mm、1.832 mm、1.766 mm和1.937 mm;對于HF試樣,粘結長度為20 mm、40 mm、60 mm和80 mm時的破壞荷載平均值分別為2.856 kN、4.365 kN、3.693kN和4.371 kN,對應地極限位移平均值分別為1.375 mm、1.923 mm、1.778 mm和2.027 mm.可見,隨著粘結長度從20 mm增加至80 mm,CF1試樣的破壞荷載平均值和極限位移平均值都呈現(xiàn)先增加后減小趨勢,CF3試樣的破壞荷載平均值逐漸增大、極限位移平均值呈波浪變化特征,而HF試樣的破壞荷載平均值和極限位移平均值在粘結長度為80 mm時取得最大值。此外,對比分析可知,相同粘結長度時,CF3試樣的破壞荷載平均值最大,其次為HF試樣,而CF1試樣的破壞荷載平均值最小。綜合而言,CF3試樣具有最大的破壞荷載以及較大的極限位移,即具有相對較好的綜合力學性能。

圖4 FRP/鋼單面膠接接頭的破壞荷載-粘結長度與極限位移-粘結長度曲線Fig.4 Failure load-bond length and ultimate displacement-bond length curves of FRP/steel single-sided adhesive joint

2.2 膠接接頭的破壞形貌

圖5為FRP/鋼單面膠接接頭的破壞形貌。在拉伸試驗過程中,當粘結長度在20 mm、40 mm和60 mm時,CF1試樣的破壞模式為鋼與膠層之間界面破壞、FRP 脫層破壞和膠層內(nèi)聚破壞,而粘結長度在80 mm時的破壞模式為FRP 脫層破壞和膠層內(nèi)聚破壞;對于CF3試樣,粘結長度為20 mm時的破壞模式為鋼與膠層之間界面破壞和膠層內(nèi)聚破壞,粘結長度為40 mm、60 mm和80 mm時的破壞模式為FRP 脫層破壞和膠層內(nèi)聚破壞;對于HF試樣,粘結長度為20 mm時的破壞模式為鋼與膠層之間界面破壞和膠層內(nèi)聚破壞,粘結長度為40 mm和60 mm時的破壞模式為FRP 脫層破壞和膠層內(nèi)聚破壞,粘結長度為80 mm時的破壞模式為鋼與膠層之間界面破壞、FRP 脫層破壞和膠層內(nèi)聚破壞[10]。結合圖4的FRP/鋼單面膠接接頭的破壞荷載-粘結長度與極限位移-粘結長度曲線可知,CF1試樣的破壞荷載強弱主要與粘結長度有關,較小的粘結長度不利于膠粘劑浸入鋼板而使得破壞強度較小;當粘結長度為20 mm時,CF3試樣和HF試樣的破壞模式相同,都表現(xiàn)為鋼與膠層之間界面破壞和膠層內(nèi)聚破壞,這主要是因為此時纖維增強復合材料的性能沒有完全利用所致。而當粘結長度增大時,CF3試樣和HF試樣都出現(xiàn)了FRP 脫層破壞模式,這主要與粘結長度增加而使得FRP和鋼之間的粘結力增大有關。

(a)CF1試樣

(c)HF試樣圖5 (續(xù))Fig.5 (Continue)

2.3 膠接接頭的破壞荷載-粘結長度曲線

圖6為FRP/鋼單面膠接接頭的破壞荷載平均值-粘結長度曲線。經(jīng)過線性擬合后得到的趨勢線可知,CF1試樣的破壞荷載平均值-粘結長度擬合線趨于水平,表明1層FRP/鋼單面膠接接頭的有效粘結長度在20 mm以下;CF3試樣和HF試樣的破壞荷載平均值-粘結長度趨勢線較為相似,有效粘結長度約在30 mm.由此可見,3層FRP/鋼單面膠接接頭和層間混雜單面膠接接頭的有效粘結長度都大于1層FRP/鋼單面膠接接頭。

圖6 FRP/鋼單面膠膠接接頭的破壞荷載平均值-粘結長度曲線Fig.6 Curve of average failure load-bond length of FRP/steel single-sided adhesive bonded joint

3 結論

1)隨著粘接長度從20 mm增加至80 mm,CF1試樣的破壞荷載平均值和極限位移平均值都呈現(xiàn)先增加后減小趨勢,CF3試樣的破壞荷載平均值逐漸增大、極限位移平均值呈波浪變化特征,而HF試樣的破壞荷載平均值和極限位移平均值在粘接長度在80mm時取得相對最大值。

2)當粘接長度在20 mm、40 mm和60 mm時,CF1試樣的破壞模式為鋼與膠層之間界面破壞、FRP 脫層破壞和膠層內(nèi)聚破壞;粘接長度在80 mm時的破壞模式為FRP 脫層破壞和膠層內(nèi)聚破壞。

3)1層FRP/鋼單面膠接接頭的有效粘接長度在20 mm以下;CF3試樣和HF試樣的破壞荷載平均值-粘接長度趨勢線較為相似,有效粘接長度約為30 mm.