復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼界面粘接性能研究

屈濤

摘 要：研究了不同溫度復(fù)合材料籃球架CFRP板加固鋼板試件的粘接性能。結(jié)果表明，溫度為-20、0、15、30和45℃時(shí)，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件的極限荷載試驗(yàn)值分別為134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，對應(yīng)的破壞模式分別為CFRP與膠層剝離+膠層破壞、CFRP層間剝離+膠層破壞、膠層破壞、CFRP層間剝離+膠層破壞和鋼與膠層剝離+膠層破壞。-20℃和0℃時(shí)CFRP/鋼試件板面中間缺陷處的應(yīng)變分布曲線的斜率較大，而15、30和45℃時(shí)CFRP/鋼試件板面中間缺陷處的應(yīng)變分布曲線的斜率相對更加平緩;CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件板面A側(cè)和B側(cè)的缺陷處粘接剪應(yīng)力都高于端面，且存在沿著粘接方向逐漸減小的特征。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料籃球架;溫度;斷裂模式;極限荷載;粘接性能

中圖分類號：TU391;TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0049-05

Research on Bonding Performance of Composite Material Basketball Frame CFRP/Steel Interface

Qu Tao

（Modern College of Northwest University， Xi an 710130， China）

Abstract：The bonding properties of steel plate specimens reinforced with composite basketball CFRP boards at different temperatures are studied. The results show that the ultimate load test values of CFRP-S-20， CFRP-S0， CFRP-S15， CFRP-S30 and CFRP-S45 specimens are 134.0kN， 190.9kN， 309.9kN， 266.3kN and 144.6kN respectively at - 20 ℃， 0 ℃， 15 ℃， 30 ℃ and 45 ℃，， and the corresponding failure modes are CFRP and adhesive layer peeling + adhesive layer destruction， CFRP interlayer peeling + adhesive layer destruction， adhesive layer destruction， CFRP interlayer peeling +glue layer destruction and peeling of steel and glue layer+glue layer destruction. The slope of the strain distribution curve at the middle defect of the CFRP/steel specimen at -20℃ and 0℃ is larger， while at 15 ℃， 30 ℃ and 45 ℃， the slope of the strain distribution curve at the middle defect of CFRP / steel specimen is relatively more gentle; and the bond shear stress at the defects on the A side and B side of the plate surface of CFRP-S-20， CFRP-S0， CFRP-S15， CFRP-S30 and CFRP-S45 specimens is higher than that on the end face， and it is characterized by gradually decreasing along the bonding direction.

Key words：composite basketball hoop; temperature; fracture mode; ultimate load; bonding performance

0 前言

復(fù)合材料籃球架由于具有多種單一材料的共同優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等特點(diǎn)而逐步發(fā)展成為現(xiàn)階段籃球架材料的主流，這主要是因?yàn)橥ǔＧ闆r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(fù)合在一起組成的復(fù)合材料卻可以綜合不同材料的特點(diǎn)而最大限度滿足使用需求[1]。如，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比模量高、電阻率低和熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，與鋼質(zhì)材料相比具有質(zhì)量輕、耐疲勞強(qiáng)度高、高比強(qiáng)度和高比模量[2]，此外，還具有價(jià)格低廉、可塑性高等特點(diǎn)，而碳纖維復(fù)合材料與鋼質(zhì)材料復(fù)合使用而形成的籃球架將極大發(fā)揮二者的優(yōu)勢，而目前關(guān)于CFRP/鋼粘接方面的報(bào)道較少[3]，在不同溫度作用下CFRP/鋼界面粘接性能的作用機(jī)理也不清楚[4]。文章開展不同溫度復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼界面粘接性能方面的研究，考察了CFRP/鋼復(fù)合材料籃球架在承受外界環(huán)境溫度和荷載作用下的粘接性能變化規(guī)律，結(jié)果可為CFRP/鋼復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用提供必要參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

復(fù)合材料籃球架是由不銹鋼和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）復(fù)合而成，其中鋼質(zhì)基體為304不銹鋼，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.06C、1.42Mn、0.37Si、0.005P、0.002S、18.2Cr、9.3Ni，余量為Fe，其彈性模量為216GPa、泊松比為0.29、屈服強(qiáng)度399MPa;碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）板的彈性模量為70.84GPa、拉伸強(qiáng)度170.8MPa、斷后伸長率2.3%;采用Sikadur-330CN環(huán)氧樹脂膠作為CFRP/鋼的界面粘接劑，其力學(xué)性能為：拉伸強(qiáng)度25MPa、剪切強(qiáng)度16MPa、彈性模量2980MPa、剪切模量1150MPa、法向斷裂能0.29N/mm。

按照GB/T 21526-2008《結(jié)構(gòu)膠黏劑粘接前金屬和塑料表面處理導(dǎo)則》對碳纖維板和鋼板進(jìn)行表面處理，采用Sikadur-330CN環(huán)氧樹脂膠對碳纖維板和鋼板進(jìn)行粘貼，預(yù)留80mm ×40mm×15mm缺口，然后采用鐵塊加壓法進(jìn)行加壓并確保膠層厚度;在恒溫（27℃）條件下養(yǎng)護(hù)7d待膠層充分固化后進(jìn)行另一面的粘貼，之后進(jìn)行相同的加壓和氧化處理。CFRP/鋼的拉伸試件尺寸為：鋼板夾持端110mm×110mm×15mm、搭接部分350mm×80mm×15mm、CFRP尺寸為340mm×80mm×3mm;CFRP和鋼板一側(cè)搭接150mm，通過粘接劑將二者進(jìn)行粘接，膠層厚度設(shè)定為0.38mm，搭接部分缺陷寬度設(shè)定為40mm。

在MTS-810型液壓伺服萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行CFRP/鋼板的靜力拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2mm/min，試件置于鋁合金保溫箱中控制溫度參數(shù)和持續(xù)時(shí)間，基本參數(shù)設(shè)置如表1所示，低溫時(shí)采用液氮注入的方式進(jìn)行控制。拉伸試驗(yàn)采用位移加載控制模式，直至CFRP/鋼板試件發(fā)生剝離破壞，并采用DB-2000型位移計(jì)進(jìn)行位移測試和采用DH3838NBDF型靜態(tài)應(yīng)變測試與測試應(yīng)變分布;復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼試件的破壞形貌采用Nova-pro5相機(jī)進(jìn)行拍攝。

2 結(jié)果及討論

圖2為復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼試件的破壞形貌，分別列出了溫度為0、30、45、-20和15℃時(shí)的破壞形貌。對比分析可知，除CFRP-S15試件的破壞模式為單一膠層破壞外，其余試件的破壞模式都為混合破壞，具體對應(yīng)的破壞模式如表2所示。

表2為復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼試件的極限載荷和破壞模式。對比分析可知，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件的極限荷載試驗(yàn)值分別為134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，對應(yīng)的破壞模式分別為CFRP與膠層剝離+膠層破壞、CFRP層間剝離+膠層破壞、膠層破壞、CFRP層間剝離+膠層破壞和鋼與膠層剝離+膠層破壞。隨著試驗(yàn)溫度的升高，CFRP/鋼試件的極限荷載呈現(xiàn)先增大后減小特征，CFRP-S15試件的極限荷載最大，CFRP-S-20試件的極限荷載最小，這主要是因?yàn)檩^低的溫度會(huì)使得粘接膠層發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變而增加冷脆性，降低試件的承載能力[5-6]。

圖3為復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼試件的荷載-位移曲線。對比分析可知，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件的荷載-位移曲線都表現(xiàn)為隨著板端位移增加而逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限荷載后迅速降低的趨勢。CFRP-S15試件的極限荷載最大，且板端位移量明顯高于CFRP-S-20、CFRP-S0和CFRP-S45試件。

圖4～圖8為復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼試件板面膠層粘接剪應(yīng)力分布圖，分別列出了CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件板面A側(cè)和B側(cè)的粘接剪應(yīng)力變化，荷載分別為25、50、75、100、125和132.9kN。對比分析可知，隨著荷載的增加，復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼試件板面膠層粘接剪應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;隨著離中間缺陷處距離的增加，復(fù)合材料籃球架CFRP/鋼試件板面膠層粘接剪應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢;-20℃和0℃時(shí)CFRP/鋼試件板面膠層粘接剪應(yīng)力的分布較為相似，而15、30和45℃時(shí)CFRP/鋼試件板面膠層粘接剪應(yīng)力的分布則呈現(xiàn)不同的特征，這主要與低溫下膠層剛度較大、15～45℃時(shí)剛度較小而使得應(yīng)力集中一定程度上消除有關(guān)[9]。此外，CFRP/鋼試件板面膠層粘接剪應(yīng)力的重新分布特征僅出現(xiàn)在粘接長度區(qū)域，這也就說明粘接強(qiáng)度的提高與粘接區(qū)域有關(guān)，如果粘接長度較短，在受力過程中應(yīng)變片損傷情況下，會(huì)發(fā)生剪應(yīng)力無法有效獲取的現(xiàn)象[10]。CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件板面A側(cè)和B側(cè)的缺陷處粘接剪應(yīng)力都高于端面，且存在沿著粘接方向逐漸減小的特征。

3 結(jié)論

（1）CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件的極限荷載試驗(yàn)值分別為134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，對應(yīng)的破壞模式分別為CFRP與膠層剝離+膠層破壞、CFRP層間剝離+膠層破壞、膠層破壞、CFRP層間剝離+膠層破壞和鋼與膠層剝離+膠層破壞。

（2）CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件的荷載-位移曲線都表現(xiàn)為隨著板端位移增加而逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限荷載后迅速降低的趨勢。CFRP-S15試件的極限荷載最大，且板端位移量明顯高于CFRP-S-20、CFRP-S0和CFRP-S45試件。

（3）-20℃和0℃時(shí)CFRP/鋼試件板面中間缺陷處的應(yīng)變分布曲線的斜率較大，而15、30和45℃時(shí)CFRP/鋼試件板面中間缺陷處的應(yīng)變分布曲線的斜率相對更加平緩;CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45試件板面A側(cè)和B側(cè)的缺陷處粘接剪應(yīng)力都高于端面，且存在沿著粘接方向逐漸減小的特征。

參考文獻(xiàn)

[1] Doroudi Y， Fernando D，Nguyen V T，et al.Experimental Study on CFRP-to-Steel Bonded Interfaces under Quasi-Static Cyclic Loading[J].Journal of Composites for Construction，2019，23（4）：1-13.

[2]李傳習(xí)，羅南海.高溫對CFRP板/鋼界面力學(xué)性能的影響[J].交通科學(xué)與工程，2019，35（04）：34-39.

[3]Alaa Al-Mosawe，Riadh Al-Mahaidi，Xiao-Ling Zhao.Effect of CFRP properties， on the bond characteristics between steel and CFRP laminate under quasi-static loading[J]. Construction and Building Materials，2015，98：489-501.

[4]Peng Feng，Lili Hu，Xiao-Ling Zhao，et al.Study on thermal effects on fatigue behavior of cracked steel plates strengthened by CFRP sheets[J].Thin-Walled Structures，2014， 82： 311-320.

[5]李傳習(xí)，柯璐，陳卓異，等.CFRP-鋼界面粘結(jié)性能試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2018，35（12）： 3534-3546.

[6]Tong Lewei，Yu Qitong，Zhao Xiao-Ling. Experimental study on fatigue behavior of butt-welded thin-walled steel plates strengthened using CFRP sheets[J].Thin-Walled Structures，2020，147：106-109.

[7]? Yu T，F(xiàn)ernando D， Teng J G，et al.Experimental study on CFRP-to-steel bonded interfaces[J].Composites Part B： Engineering，2012，43（5）：2279-2289.

[8]Zhu Chun-yang ，ZhaoYing-hua，Wang Dong-sheng .Numerical Study on Concrete Filled GFRP-Steel Tube under Cyclic Loading[J].Advanced Materials Research，2012， 1494：1003-1009.

[9] Xie Gui-hua，Bian Yu-long，F(xiàn)eng Qian-hong，et al. Experimental study on wedge-bonded anchors for CFRP tendons under cyclic loading[J].Construction and Building Materials，2020，236：117-119.

[10]薛耀，張龍，曹雙寅，等.低齡期下CFRP-鋼界面黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，45（2）：360-363.