碳纖維復(fù)合材料膠鉚接頭靜態(tài)拉伸和循環(huán)拉伸失效行為

余海燕，邢 萍，吳航宇

（同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）以其輕質(zhì)、高強度、靈活的設(shè)計自由度以及優(yōu)異的抗疲勞性能在汽車上得到推廣應(yīng)用［1-3］。車身零部件之間的連接是CFRP汽車零部件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。常用的金屬車身零部件連接方式有焊接、螺栓連接、鉚接、膠接等。對CFRP 層合板而言，螺紋連接和鉚接易產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)連接區(qū)域的內(nèi)部損傷［5］。膠接則可很好解決應(yīng)力集中問題［6］，但純膠接接頭對溫度、濕度和剝離力較敏感［7-8］。因此，膠接與鉚接、螺紋連接的混合連接方式得到推廣。研究表明，和單一連接相比混合接頭的靜強度和抗疲勞性均有所提升［9-10］。

隨著膠鉚混合連接接頭的推廣應(yīng)用［11-13］，其強度及失效行為也成為關(guān)注的熱點。Li等［14］驗證了膠鉚混合接頭承載能力高，是汽車輕量化中的最佳接頭方案。陳瀟凱等［15］研究發(fā)現(xiàn)混合接頭的承載能力和能量吸收均高于單一接頭，膠鉚混合接頭初期主要由膠層承擔(dān)載荷，鉚接起加強作用，膠層失效后，鉚接承擔(dān)載荷，直至板材內(nèi)側(cè)鉚接孔發(fā)生拉伸失效。Chen等［9］發(fā)現(xiàn)復(fù)合接頭最終失效形式包括鉚釘剪切失效、CFRP擠壓變形、膠層失效和局部纖維撕裂。

上述這些研究主要是從靜態(tài)工況下開展，然而對于車身零部件而言，部分連接結(jié)構(gòu)需要長期承受循環(huán)交變載荷。因此，保證CFRP 零部件接頭的疲勞性能并對其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測至關(guān)重要［16-17］。國內(nèi)外已有學(xué)者對膠接、鉚接的單一連接的疲勞性能進(jìn)行研究。慕文龍等［18］研究了CFRP/Al 對接的膠接接頭在拉-拉載荷作用下的疲勞壽命特性，主要失效形式為界面的局部破壞。Dragos 等［19］認(rèn)為CFRP膠接接頭中的主要失效為碳板黏接面附近的纖維撕裂。對于鉚接接頭而言，Borba等［20］發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料單搭接鉚接接頭的失效為鉚釘?shù)睦摗?/p>

綜上所述，已有的復(fù)合接頭強度及其失效相關(guān)研究主要集中在接頭的靜態(tài)失效，接頭的疲勞研究也主要是單一接頭，對膠鉚混合接頭疲勞性能的研究相對較少。本文以CFRP/CFRP膠接、鉚接、膠鉚混合接頭為對象，對這3 類接頭進(jìn)行靜態(tài)拉伸和循環(huán)拉伸疲勞實驗，分析疲勞壽命及其失效機制，并研究改善鉚接強度的措施。

1 實驗

1.1 材料及試樣

實驗所用材料為臺麗公司模壓生產(chǎn)的T300 3KCFRP 層合板，其中碳纖維絲的抗拉強度為2 052MPa，基體為改性3 252s 熱固性環(huán)氧樹脂，基體所占體積分?jǐn)?shù)為30%，固化溫度為140°C。CFRP層合板由外層的正交斜紋編織布和內(nèi)部11層的單向預(yù)浸料組成，內(nèi)部單向預(yù)浸料鋪層順序為，鋪層方式如圖 1 所示，層合板總厚2mm。纖維方向和基體方向的彈性模量分別為128 000MPa 和8 900MPa，纖維方向和基體方向的抗拉強度分別為1 920MPa和42MPa，面內(nèi)剪切模量3 200MPa，主泊松比0.28，密度為1 540kg·m-3。

圖1 CFRP層合板的鋪層方式Fig.1 Layout of CFRP plates

膠接所用的黏接劑為3M 公司生產(chǎn)的雙組分環(huán)氧樹脂膠DP420，其固化時間為20min，名義剪切強度為25MPa，室溫下的黏度45 000CPS。連接的不銹鋼拉鉚鉚釘直徑6.4mm、長12.5mm，承受的最大剪切力為12 500N，最大抗拉載荷為8 300N。

靜態(tài)拉伸試驗和拉-拉疲勞試驗所用的膠鉚接頭試樣相同，如圖 2 所示，由2 塊矩形層合板經(jīng)過先膠接后鉚接而成?？紤]單搭接接頭在單向拉伸過程中因為兩料片不在同一平面內(nèi)而引起的彎矩問題，在裝夾的區(qū)域各粘貼了一塊墊片，墊片厚度與CFRP層合板厚度相同。膠接過程中首先采用丙酮清洗試樣表面，然后采用定量膠槍涂膠，嵌入直徑0.2mm 的鋼絲來實現(xiàn)對膠層厚度的控制。涂膠后將接頭固定避免兩料片發(fā)生相對運動，室溫中固化72h。對于膠鉚混合接頭，膠接之后立即進(jìn)行鉚接。因為此時膠層尚未固化，黏性很小，鉚接過程中引起的料片微小位移還不會引起膠層的內(nèi)應(yīng)力。否則，固化后的膠層屬于脆性材質(zhì)，任何小位移都會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響連接強度。單一的膠接接頭和鉚接接頭試樣形狀與圖 2 相同，只是膠接所用CFRP 層合板中沒有加工鉚釘孔，鉚釘孔采用數(shù)控銑削加工。

圖2 CFRP膠鉚混合接頭的幾何尺寸（單位：mm）Fig.2 Dimensions of CFRP/CFRP rivet-bonding joints (unit: mm)

1.2 單向拉伸和疲勞實驗

CFRP/CFRP 膠接、鉚接和膠鉚混合接頭的單向拉伸試驗在MTS E45 萬能實驗機上進(jìn)行。拉伸載荷由力傳感器測量，變形和應(yīng)變采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。DIC 系統(tǒng)的圖像采集頻率設(shè)置為5Hz，應(yīng)變測量精度為0.005%，位移測量精度為0.01 像素。實驗機橫梁位移速度設(shè)置為1mm·min-1。實驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)按照ASTM D 3039［21］進(jìn)行。每種接頭的單向拉伸試驗中均進(jìn)行了7個重復(fù)實驗，除掉最大和最小值。

拉-拉疲勞試驗中，根據(jù)靜態(tài)拉伸試驗獲得的接頭最大載荷Pmax設(shè)置了4 個加載水平，即為Pmax的80%、65%、55%和45%。正弦波加載，應(yīng)力比0.1，加載頻率10Hz。每個載荷水平進(jìn)行4個有效試樣的重復(fù)試驗。拉-拉疲勞試驗在MTS370 實驗機上進(jìn)行。單向拉伸與疲勞試驗均在25℃左右進(jìn)行，試驗環(huán)境溫度通過監(jiān)測控制在50%RH左右。

1.3 SEM觀察

為研究CFRP 膠鉚接頭在拉-拉循環(huán)中的失效行為，采用Quanta FEG 250 型掃描電子顯微鏡對CFRP 層合板中鉚釘孔區(qū)域的纖維絲與基體的形態(tài)、鋪層間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。采用酒精清洗試樣，并對其斷面噴金，借助導(dǎo)電膠與金屬夾固定試樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)強度

由圖3 可得該接頭所承受的最大載荷為25.5kN。根據(jù)曲率變化可將曲線分為3 段：第1 段為彈性變形段（AB段），該區(qū)間內(nèi)載荷與位移呈近似線性變化，說明接頭整體發(fā)生彈性變形，包括CFRP層合板和膠層的彈性變形；第2 段為彈塑性變形段（BP段），該區(qū)間內(nèi)載荷與位移呈非線性變化，該部分變形主要是CFRP層合板的彈性變形與膠層塑性變形的疊加；B點之后可看到曲線有顯著的波紋狀，可能是由于黏接區(qū)域的CFRP層合板中與膠層相接觸的鋪層出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，分層可導(dǎo)致黏接區(qū)域?qū)雍习宓挠行С休d面積減小，載荷由此重新分配，單位面積上的載荷增大導(dǎo)致裂紋繼續(xù)擴展，從而誘發(fā)更多的分層失效，由此產(chǎn)生了圖中的波紋曲線。到了P點附近，可能因為層合板中已經(jīng)失效的鋪層較多，CFRP 層合板整體剛度下降。第3 段為膠層斷裂段（PD段），當(dāng)膠層內(nèi)應(yīng)力超過許用值時膠層發(fā)生了斷裂，載荷急劇下降。由P到D點的位移差僅為0.003 24mm，接近零，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。這說明膠接接頭的破壞呈現(xiàn)了快速斷崖式下降特征，從載荷峰值點到接頭失效幾乎同時。因此對重要承載結(jié)構(gòu)而言，雖然膠接強度足夠大，但其破壞屬于脆性斷裂，為保證安全性，膠接需要與鉚接、螺紋連接等連接方式結(jié)合起來使用。

圖3 CFRP膠接接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.3 Force-displacement curve of CFRP bonding joint in uniaxial tension

由圖 4 知，該鉚接接頭的最大載荷為3.59kN，遠(yuǎn)低于膠接接頭強度。根據(jù)變化趨勢可將該曲線分為4段：第1段，AB段，為CFRP層合板的彈性變形；第2 段，BC段，CFRP 層合板的彈性變形增大，鉚釘開始發(fā)生彈性變形。由于鉚釘?shù)牟馁|(zhì)為不銹鋼，其彈性模量低于本文所測試的CFRP層合板的彈性模量，所以該段曲線的斜率小于AB段的斜率；第3段，CD段，鉚釘開始塑性變形，也就是鉚釘?shù)募羟凶冃渭哟螅瑫r鉚釘孔周開始彈性變形。鉚釘孔周的彈性變形緩解了鉚釘變形引起的應(yīng)力集中，因為整體上載荷波動而位移持續(xù)增加。變形到D點時CFRP層合板孔周發(fā)生開裂，從而應(yīng)力有一個突降，如圖中D點所示；第4段，DE段，該區(qū)間內(nèi)鉚釘孔周發(fā)生開裂變形，鉚釘逐漸被拉伸至傾斜，鉚釘與孔的接觸面積減小，鉚釘逐漸被拉脫，因此主要變形特征是鉚釘孔的大變形和鉚釘?shù)睦摗?/p>

圖4 CFRP鉚接接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.4 Curve of force-displacement of CFRP rivet joint in uniaxial tension

由圖 5 知，該接頭在單向拉伸中所承受的最大載荷為16.6kN，該值小于圖 3 中膠接接頭強度25.5kN，遠(yuǎn)大于圖 4中鉚接接頭強度3.59kN。這說明膠鉚接頭雖然是膠接與鉚接的復(fù)合，但是其強度并不是兩者的疊加，而且強度還低于單一膠接接頭的強度。主要原因有2 個方面：一是在膠鉚混合連接中工藝順序是先黏接后鉚接，鉚接過程會引起2塊板產(chǎn)生相對移動，從而使部分黏接區(qū)域產(chǎn)生氣孔等缺陷，固化過程中這些缺陷留在膠層中，最終影響接頭強度。二是鉚釘孔的存在減小了黏接面積，根據(jù)鉚釘孔的直徑計算這部份的影響只會降低2.5%的強度。因此，使膠鉚混合連接強度低于單一膠接強度的主要因素還是鉚接過程對膠層產(chǎn)生的影響。

圖5 CFRP膠鉚混合接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.5 Curve of force-displacement of CFRP rivetbonding joint in uniaxial tension

根據(jù)變化特征可將圖 5 中曲線分為3 段：第1段，如圖 5 中AB所示，為CFRP 層合板的彈性變形與膠層的彈性變形。由于膠層所占面積較小，故這部分彈性變形主要是CFRP層合板的彈性變形。第2 段，如BC所示，變形到達(dá)B點膠層開始失效，接頭的承載能力產(chǎn)生突降，2塊層合板開始發(fā)生明顯的相對位移。同時，鉚釘開始承載；第3 段，如CD所示，鉚釘開始塑性變形，鉚釘孔沿著拉伸方向變形，使鉚釘孔由圓形逐漸變成橢圓形，因此接頭沿拉伸方向位移增加而載荷降低。當(dāng)鉚釘變形到一定程度，鉚釘會從鉚釘孔中脫離拔出，也即發(fā)生拉脫失效。

上述每種接頭的5 個接頭的最大載荷如圖 6 所示，由此可求得膠接接頭、鉚接接頭、膠鉚混合接頭最大載荷平均值分別為21.6kN、3.29kN、15.45kN?？梢?，同樣的母材，膠接接頭強度最高，膠鉚混合接頭次之，鉚接接頭強度最低。其中膠接接頭強度數(shù)據(jù)分散性相對較大一點，膠鉚混合接頭與鉚接接頭的數(shù)據(jù)分散性較小，其因是膠接工藝對膠層缺陷、膠層與母材界面狀態(tài)特別敏感，這也是目前CFRP 工程應(yīng)用中的一個難題。

圖6 CFRP膠接、鉚接和膠鉚混合接頭的單向拉伸強度Fig.6 Mean ultimate force of CFRP bonding,rivet,and rivet-bonding joints in uniaxial tension

2.2 拉-拉疲勞壽命

表1所示為拉-拉疲勞實驗獲得的CFRP膠鉚混合接頭在4個載荷水平下的疲勞壽命。每個載荷水平下進(jìn)行了4個重復(fù)試樣的疲勞實驗，疲勞壽命取4次實驗循環(huán)次數(shù)的平均值，也就是中值疲勞壽命。

表1 CFRP膠鉚混合接頭的疲勞壽命Tab.1 Fatigue life of rivet-bonding CFRP joints

圖7 所示為實驗獲得的F-lgN曲線。采用冪指數(shù)函數(shù)（1）對圖 7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得

圖7 CFRP膠鉚混合接頭的拉-拉疲勞壽命對數(shù)曲線Fig.7 Curve of logarithmic of CFRP rivet-bonding joints in tension-tension fatigue tests

式中：F為載荷，kN；N是最大循環(huán)次數(shù)。一般工程上以1×106作為受拉試件的無限循環(huán)壽命，根據(jù)該表達(dá)式，可以預(yù)測當(dāng)N為1×106時F為5.78kN，與接頭的最大平均載荷15.45kN相比約為37.1%。也就是說在37.1%的最大靜態(tài)強度的載荷水平下，該膠鉚混合接頭可以達(dá)到無限循環(huán)壽命106次。

2.3 失效模式

圖8 所示為6 個CFRP 膠鉚混合接頭在靜態(tài)拉伸載荷作用下的失效形貌，A 代表膠層剪切失效，B代表鉚釘孔開裂，C代表母材分層，D代表鉚釘拉脫。圖 8a字母A所標(biāo)記之處可看出被連接2塊母材上均有膠層，這說明膠層發(fā)生了剪切斷裂，而不是膠層與母材的界面失效。同時可看到鉚釘孔邊緣（字母B所標(biāo)記之處），發(fā)生了明顯的纖維絲斷裂，且鉚釘孔由圓形變?yōu)闄E圓形，圖 8b—8f 也出現(xiàn)了同樣的失效形貌特征。圖 8b、8c和8e中還可看到部分碳纖維鋪層被撕裂，如字母C 所示區(qū)域，這說明連接區(qū)域的CFRP層合板發(fā)生了分層失效。所有試樣所示的鉚釘?shù)妮S線均發(fā)生了傾斜，鉚釘被CFRP 層合板從鉚釘孔中拔出，說明發(fā)生了拉脫失效。

圖9所示為CFRP膠鉚接頭在拉-拉循環(huán)載荷作用下的失效形貌，圖 9a所示膠層中出現(xiàn)了肉眼可見的裂紋，說明膠層發(fā)生了剪切失效。圖 9b中可發(fā)現(xiàn)鉚釘軸線發(fā)生了傾斜，這說明鉚釘?shù)睦撨^程已經(jīng)開始，最終產(chǎn)生拉脫失效。

圖9c所示鉚釘孔周的碳纖維絲發(fā)生了斷裂，說明鉚釘孔也發(fā)生了失效。鉚釘?shù)睦撌c鉚釘孔周的開裂失效其實是相伴發(fā)生的，因為鉚釘?shù)睦摫厝话殡S著鉚釘孔的大變形，否則鉚釘無法從孔中脫開。與靜態(tài)拉伸相比，圖 9所示的失效模式與圖 8所示的失效模式基本相同，不同之處主要有兩點，第一是拉-拉循環(huán)加載中CFRP 層合板的分層開裂幾乎沒有出現(xiàn)；第二，鉚釘孔的變形量也沒有靜態(tài)拉伸中那么大，圖 8中可看到鉚釘孔呈橢圓形，而圖 9中鉚釘孔的橢圓形特征并不明顯。為了更好地觀察鉚釘孔區(qū)域的形貌，將接頭沿鉚釘孔對稱面處切開取出鉚釘，得到如圖 10所示的形貌?？煽闯鲢T釘孔區(qū)域的碳纖維絲發(fā)生了斷裂，而且?guī)缀跏敲總€鋪層都有碳纖維絲斷裂，尤其是在鉚釘孔鉚出側(cè)邊緣處碳纖維絲斷裂特別顯著。這是由于鉚出側(cè)的鉚釘發(fā)生了鐓粗變形，此處鉚釘與鉚釘孔的接觸壓力較大。另一方面，變形后期鉚釘發(fā)生了傾斜，導(dǎo)致鉚釘對鉚釘孔的壓力增大，從而加劇此處的纖維絲斷裂。圖11 所示為鉚釘孔周的碳纖維絲形貌?？梢姡泻芏嗵祭w維絲發(fā)生了斷裂，同時也看到了分層現(xiàn)象。

圖8 CFRP膠鉚接頭的靜態(tài)拉伸斷裂形貌Fig.8 Fracture morphology of CFRP rivet-bonding joints in static tension

圖9 CFRP膠鉚接頭在拉-拉疲勞實驗中的失效模式Fig.9 Failure modes of CFRP rivet-bonding joints in cyclic tension

圖10 CFRP鉚接接頭中鉚釘孔周的形貌Fig.10 Morphology of rivet-hole of CFRP joint

圖11 膠鉚接頭拉拉疲勞中鉚釘孔區(qū)域的形貌Fig.11 Morphology of rivet-hole of CFRP rivetbonding joint in tension-tension fatigue tests

綜合上述分析可得，CFRP 膠鉚接頭在靜態(tài)拉伸中主要失效形式為膠層的剪切失效、鉚釘孔的開裂和層合板的分層，在拉-拉疲勞加載中的主要失效形式為膠層的剪切斷裂和鉚釘孔的開裂。

如圖 12 所示，CFRP 膠鉚接頭的失效過程包括3個關(guān)鍵過程：第一，如圖 12b所示，沿板平面方向的拉伸力使2個CFRP層合板產(chǎn)生相對位移的趨勢，膠層開始彈性變形。由于膠層的韌性較小，彈性變形后期膠層內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這個過程可導(dǎo)致接頭剛度的急劇下降；第二，如圖 12c 所示，隨著膠層彈性變形的增大，上層板與鉚釘?shù)挠覀?cè)接觸，下層板與鉚釘?shù)淖髠?cè)接觸，鉚釘處于剪切變形狀態(tài)，同時鉚釘發(fā)生彎曲。這使得鉚釘帽與上層板、鉚釘與上下板鉚釘孔內(nèi)表面均發(fā)生局部擠壓變形。因此，膠層內(nèi)應(yīng)力增大導(dǎo)致微裂紋逐漸延伸擴展直至開裂。第三，如圖 12d 所示，膠層開裂后鉚釘成為主要的承載介質(zhì)，CFRP 層合板發(fā)生沿拉伸方向的相對運動使得鉚釘彎曲變形加劇，鉚釘與鉚釘孔的上下邊緣以及中間區(qū)域、鉚釘帽與上層板的擠壓變形急劇增加。擠壓變形使得鉚釘孔發(fā)生畸變或開裂，最終導(dǎo)致鉚釘被拉脫，接頭完全失去承載能力。

圖12 CFRP膠鉚混合接頭的循環(huán)拉伸失效過程示意圖Fig.12 Illustration of failure processes of CFRP rivet-bonding joints in cyclic tension

2.4 膠接與鉚接對膠鉚混合連接的貢獻(xiàn)

為了進(jìn)一步量化膠鉚混合接頭中膠層和鉚釘對接頭承載能力的貢獻(xiàn)，對圖 5 中的載荷位移曲線進(jìn)行了如下處理：首先，提取5條重復(fù)實驗曲線中各特征點的坐標(biāo)，然后對這些特征點的坐標(biāo)求平均值，獲得各點的坐標(biāo)，也就是A、B、C、D4個點所對應(yīng)的位移和載荷水平。最后按照平均值匯成一條特征曲線，如圖 5所示。圖中P點是B點在水平坐標(biāo)軸上的投影，D點是擬合直線與橫坐標(biāo)軸的交點。

從強度角度看，膠層的強度決定了膠鉚接頭的強度，也就是膠接對膠鉚復(fù)合連接的靜強度起了決定性作用，而鉚接在膠接失效后起“二次保護”作用，也就是膠層開裂后接頭承載能力快速下降，下降過程中鉚釘通過自身的彈塑性變形減緩載荷下降幅度，而且該過程持續(xù)時間較長，如CD段所對應(yīng)的位移跨度達(dá)到了7.64mm，占總位移的90.8%，這為啟動安全補救措施贏得了操作時間。

從能量角度，圖中三角形ABP的面積代表了膠層對膠鉚接頭吸能的貢獻(xiàn)，而PBCD所圍成的多邊形面積代表了鉚釘塑性變形所吸收的能量。采用曲線求積分的方法可獲得ABP、PBCD的面積分別為5.71kN?mm 和15.84kN?mm，后者是前者的2.8 倍?？梢姡T釘失效所吸收的能量為CFRP 層合板彈性變形與膠層失效所吸收能量之和的2.8 倍。因此，從安全性角度，碳纖維復(fù)合材料的膠接可以滿足靜態(tài)強度要求，但還需要鉚接來確保接頭在大變形下的連接可靠性。

2.5 提高CFRP層合板鉚釘孔強度的方法

根據(jù)上述研究可知，CFRP 膠鉚混合接頭的強度決定于膠接強度，鉚接對接頭主要起二次保護的作用，具體體現(xiàn)為增加接頭的整體吸能以及延長位移容許值的作用，而鉚接的強度及位移延長作用取決于鉚釘孔的強度。也就是說提高鉚釘孔強度可以提高CFRP 鉚接孔周的強度和最大位移。為此，本文將提出3種可能改善CFRP鉚接強度的方法。

第1種方法如圖 13a所示，考慮前述CFRP鉚接接頭的一個主要失效模式為孔周碳纖維絲的斷裂，這是因為CFRP 層合板在機加工孔時纖維絲被切斷，這些纖維絲在拉伸載荷作用下很容易從基體中被拉出。為此，提出在孔周涂敷一層結(jié)構(gòu)膠，孔表面膠層固化后再進(jìn)行鉚接。膠的作用在于將被切斷了的纖維絲固定在原有的基體中，同時增加了碳纖維鋪層的層間強度。第2種方法如圖 13b所示，考慮鉚釘鉚入端與鉚出端邊緣處發(fā)生擠壓變形，為此將此區(qū)域進(jìn)行倒角，以減少CFRP 層合板上下邊緣與鉚釘?shù)慕佑|擠壓變形，從而減小應(yīng)力集中。第3 種方法如圖 13c所示，考慮鉚出側(cè)鉚釘發(fā)生了鐓粗變形，鉚釘與鉚釘孔的擠壓嚴(yán)重，為此在鉚出側(cè)增加一個墊片來減緩鉚釘對鉚釘孔的擠壓作用。為了后續(xù)表述方便，將上述3 種方法分別標(biāo)記為方法B、方法C和方法D，不采取任何措施的命名為Base方法，作為對標(biāo)分析。

圖13 三種改進(jìn)鉚接強度的方法Fig.13 Three methods to improve the strength of rivet CFRP joints

圖14所示為采用上述3種方法處理的膠鉚接頭的最大靜態(tài)拉伸載荷，沒有采用任何處理的CFRP膠鉚接接頭的平均最大拉伸力為3.29kN，而經(jīng)過涂膠的接頭、鉚釘孔倒圓角的接頭、加墊片的接頭的平均最大拉伸力分別為4.20kN、3.04kN、4.35kN，也就是說經(jīng)過涂膠處理的接頭與加墊片的接頭的拉剪強度分別提高了27.7%和32.2%，而鉚釘孔倒圓角的接頭強度并沒有得到提高，反而下降了7.6%。這是因為傳統(tǒng)的車銑刨磨等機械加工，都會切斷纖維絲，纖維絲斷裂破壞了材料內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)平衡，使得碳纖維復(fù)合材鋪層結(jié)構(gòu)之間以及纖維絲與樹脂基體之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終表現(xiàn)為承載能力下降。為此，推薦采用增加墊片或?qū)妆谶M(jìn)行涂膠來提高CFRP層合板中鉚釘孔周的強度。

圖14 3種CFRP鉚接接頭的最大拉伸載荷Fig.14 Ultimate tensile force of rivet CFRP joints treated with the proposed methods

3 結(jié)論

（1）在CFRP膠鉚混合接頭中，膠接對接頭強度起決定性作用，鉚接依靠鉚釘?shù)乃苄宰冃螌宇^起到“二次保護”的作用，鉚接對接頭的整體吸能貢獻(xiàn)比例達(dá)到74%，故對重要的承載結(jié)構(gòu)膠接需要與其他連接復(fù)合使用。

（2）對所研究的CFRP 膠鉚混合接頭，在80%、65%、55%、45%靜態(tài)最大載荷水平下的中值疲勞壽命分別為8 174、22 568、95 014、331 916 次。在37.1%的載荷水平下該膠鉚混合接頭的拉-拉疲勞壽命可到106次。

（3）CFRP膠鉚混合接頭的靜態(tài)拉伸和拉-拉循環(huán)加載下失效模式基本相同，主要為膠層的剪切失效和鉚釘孔周開裂。在鉚出側(cè)增加墊片和鉚釘孔表面涂敷結(jié)構(gòu)膠可提高鉚接強度約30%，而對鉚釘孔進(jìn)行倒圓角處理反而會降低鉚接強度。

（4）對相同的CFRP層合板，本文所采用的環(huán)氧樹脂膠鉚混合接頭的強度略低于膠接接頭的強度，應(yīng)盡可能減少鉚接過程對膠層的影響。

作者貢獻(xiàn)聲明：

余海燕：內(nèi)容設(shè)計、技術(shù)和材料、研究經(jīng)費。

邢 萍：試驗設(shè)計與執(zhí)行，數(shù)據(jù)處理，調(diào)研整理文獻(xiàn)。

吳航宇：試驗執(zhí)行。