軌道交通用CFRP結(jié)構(gòu)損傷濕法修復(fù)工藝研究

曾 宇,顧春雷,戶(hù)迎燦,鄭 凱,靳 凱

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,山東 青島 266000; 2.中國(guó)海洋大學(xué),山東 青島 266000)

軌道交通的高速發(fā)展催生了車(chē)輛的輕量化,軌道交通車(chē)輛的輕量化是促進(jìn)軌道交通節(jié)能減排的有效手段,也是實(shí)現(xiàn)軌道交通高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、可靠性高、耐腐蝕能力強(qiáng)、耐疲勞性好等優(yōu)點(diǎn),且隔聲降噪性能優(yōu)異[1]。作為軌道車(chē)輛的主要承載結(jié)構(gòu),車(chē)體結(jié)構(gòu)的輕量化是軌道交通車(chē)輛減重的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在車(chē)體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用CFRP能夠大幅降低車(chē)輛自重,提升車(chē)輛性能。然而,由于頻繁受到?jīng)_擊、磨損的影響,車(chē)體結(jié)構(gòu)受損傷的情況時(shí)常發(fā)生且無(wú)法避免,因而開(kāi)發(fā)高效省時(shí)的軌道交通用CFRP結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)工藝技術(shù)顯得尤為重要。

復(fù)合材料修復(fù)方法可分為膠接修復(fù)和濕法修復(fù)[2]。膠接修復(fù)是利用膠黏劑將復(fù)合材料補(bǔ)片與損傷待修復(fù)部位進(jìn)行連接,以達(dá)到修復(fù)的目的。該方法優(yōu)點(diǎn)是修復(fù)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、增重小、時(shí)間短、成本低,缺點(diǎn)是修復(fù)補(bǔ)片易從損傷部位剝離,修復(fù)效果一般。濕法修復(fù)是將預(yù)配的樹(shù)脂與復(fù)合材料與損傷待修復(fù)部位進(jìn)行黏接,采用共固化的手段對(duì)損傷部位進(jìn)行修復(fù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是所用復(fù)合材料與損傷部位的界面結(jié)合力較強(qiáng)、修復(fù)效果較好,缺點(diǎn)是操作難度大、對(duì)施工人員的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)要求較高。

R.TERAZAWA等[3]通過(guò)對(duì)濕法修復(fù)的黏接界面進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,發(fā)現(xiàn)界面處有機(jī)硅分子的滲入會(huì)導(dǎo)致界面結(jié)合力的強(qiáng)度顯著降低。M.ALI等[4]通過(guò)拉伸和彎曲試驗(yàn)、模態(tài)分析和數(shù)值建模對(duì)濕法修復(fù)后的損傷界面進(jìn)行形態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)修復(fù)效率在很大程度上取決于補(bǔ)片與損傷修復(fù)區(qū)域之間的黏接強(qiáng)度。楊青等[5]研究不同固化壓力、樹(shù)脂浸潤(rùn)時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)濕法修復(fù)碳纖維層合板強(qiáng)度的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)固化壓力對(duì)修復(fù)效果影響較大,壓力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂無(wú)法完全浸,壓力太大則會(huì)導(dǎo)致纖維織物過(guò)密,樹(shù)脂無(wú)法浸潤(rùn)就被擠出。王英男等[6]采用濕法修復(fù)-模壓成型工藝制備CFRP層合板,發(fā)現(xiàn)了浸潤(rùn)時(shí)間對(duì)濕法修復(fù)工藝的影響規(guī)律,在浸潤(rùn)時(shí)間為4 min時(shí),CFRP層合板成型質(zhì)量最好,界面缺陷較少,力學(xué)強(qiáng)度較高。洪明等[7]通過(guò)損傷模擬仿真發(fā)現(xiàn),采用膠接修復(fù),在織補(bǔ)密度達(dá)到一定程度后損傷部位的動(dòng)剛度不再提高,而采用濕法修復(fù)可同時(shí)增加拉伸和剪切剛度,損傷部位的動(dòng)剛度理論上可完全恢復(fù)。

作者以T700-12K短切碳纖維、碳纖維平紋布為修復(fù)纖維,以環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑為修復(fù)樹(shù)脂體系,對(duì)CFRP層合板(厚度4 mm)缺陷樣進(jìn)行濕法修復(fù),著重探討不同修復(fù)用纖維及其含量對(duì)濕法修復(fù)CFRP層合板缺陷樣的修復(fù)效果,以期得到較佳的CFRP結(jié)構(gòu)損傷濕法修復(fù)工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

CFRP試件:厚度4 mm,鋪貼角度[0°/90°]ns,長(zhǎng)、寬均為150 mm,中車(chē)四方車(chē)輛股份有限公司提供;T700-12K短切碳纖維:拉伸強(qiáng)度4 900 GPa,拉伸模量230 GPa,纖維直徑7 μm,日本東麗株式會(huì)社產(chǎn);3K碳纖維平紋布:織物結(jié)構(gòu)為碳纖維雙向布,克重為200 g/m2,纖維直徑7 μm,厚度0.3 mm,百豐碳纖維科技(常州)有限公司產(chǎn);GT-920A環(huán)氧樹(shù)脂:黃色透明黏稠體,25 ℃下黏度為700～1 500 mPa·s,密度為1.10～1.30 g/cm3,惠柏新材料科技(上海)股份有限公司產(chǎn);GT-920B固化劑:無(wú)色透明液體,25 ℃下黏度為12～20 mPa·s,密度為0.90～1.00 g/cm3,惠柏新材料科技(上海)股份有限公司產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

缺陷打磨機(jī)器人:由FANUC/M20iD機(jī)器人、磨削高速主軸電機(jī)、金剛石磨頭組成,自制;BriskHeat ACR MiniPRO熱補(bǔ)儀:深圳市銀飛電子科技有限公司制;C52.105微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī):新三思(上海)企業(yè)發(fā)展有限公司制;壓縮模具:自制;三軸移動(dòng)工業(yè)相機(jī):堡盟電子(上海)有限公司制。

1.3 CFRP結(jié)構(gòu)損傷濕法修復(fù)方案

(1)根據(jù)實(shí)際缺陷尺寸,首先判斷是否需要缺陷去損,若缺陷僅存在于表面,則不需要去損操作;若缺陷較深則需要進(jìn)行去損,以損傷區(qū)域的最大直線跨度尺寸為邊或直徑制作矩形或圓形盲孔[8-9]。通常選用圓形盲孔,若材料尺寸特殊則選擇矩形盲孔。以圓形盲孔為例,確認(rèn)尺寸后將工業(yè)機(jī)器人路徑程序編寫(xiě)好,將損傷區(qū)域全部去除,缺陷試樣如圖1所示。

圖1 缺陷試樣示意

(2)CFRP層合板濕法修復(fù)工藝:將T700-12K短切碳纖維進(jìn)行短切,短切長(zhǎng)度分別為3 mm與6 mm;分別采用短切碳纖維、碳纖維平紋布與樹(shù)脂混合,濕法修復(fù)CFRP層合板缺陷試樣,不同纖維及其含量與樹(shù)脂混合濕法修復(fù)所得試樣見(jiàn)表1。完好試樣、缺陷試樣分別標(biāo)記為1#、2#。

表1 不同濕法修復(fù)條件所得試樣

短切碳纖維濕法修復(fù):先將不同長(zhǎng)度(3 mm或6 mm)短切碳纖維與樹(shù)脂混合,短切碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%,快速攪拌均勻,保證兩者的充分浸潤(rùn);隨后按照樹(shù)脂與固化劑的比例要求加入固化劑并再次攪拌均勻;最后,將調(diào)配好的短切碳纖維/樹(shù)脂均勻涂在缺陷處,并適當(dāng)高出缺陷處的平面[10],得到修復(fù)試樣。

碳纖維平紋布濕法修復(fù):裁剪對(duì)應(yīng)缺陷大小的碳纖維布,按環(huán)氧樹(shù)脂:纖維布質(zhì)量比1.4:1.0計(jì)算環(huán)氧樹(shù)脂用量,并與固化劑配置修復(fù)樹(shù)脂體系[11];用玻璃棒將配置好的修復(fù)樹(shù)脂均勻的涂覆到碳纖維布上,并進(jìn)行反復(fù)按壓,使樹(shù)脂完全浸漬到碳纖維布的縫隙當(dāng)中,接著在浸漬樹(shù)脂的碳纖維布上鋪貼一層隔離膜,封裝真空袋并抽真空,以使樹(shù)脂更進(jìn)一步地浸漬到碳纖維布上,同時(shí)也有利于將濕鋪層內(nèi)的空氣排出[12-13];根據(jù)缺陷大小裁剪濕鋪層并貼在缺陷處,通過(guò)熱固化得到修復(fù)試樣。

1.4 分析與測(cè)試

表觀形貌:采用三軸移動(dòng)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行表面形貌的采集,將修復(fù)好的試樣放置到工業(yè)相機(jī)的拍攝中心,調(diào)整相機(jī)的焦距進(jìn)行拍攝。

壓縮應(yīng)力-位移曲線:采用新三思C52.105微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。將修復(fù)好的試樣放置到壓縮模具中進(jìn)行固定,將模具放置到拉伸試驗(yàn)機(jī)的中心位置進(jìn)行壓縮測(cè)試。在試驗(yàn)壓縮破壞時(shí)停止壓縮,得到壓縮破壞前壓縮應(yīng)力及此時(shí)的位移的曲線圖。

壓縮性能:表征復(fù)合材料修復(fù)后性能恢復(fù)的重要指標(biāo),相較于彎曲與拉伸,更能反映修復(fù)性能恢復(fù)程度。采用C52.105微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī),根據(jù)ASTM D7137/D7137M—17對(duì)復(fù)合材料修復(fù)件進(jìn)行壓縮性能測(cè)試[14]。按式(1)、(2)分別計(jì)算修復(fù)試樣的最大壓縮強(qiáng)度(M)、壓縮強(qiáng)度恢復(fù)率(RM),按式(3)、(4)分別計(jì)算修復(fù)試樣的最大壓縮剛度(K)、壓縮剛度恢復(fù)率(RK)。

M=F/S

(1)

(2)

K=F/δ

(3)

(4)

式中:F為最大壓縮應(yīng)力,S為壓縮方向截面積,δ為壓縮形變,Ms為完好試樣的最大壓縮強(qiáng)度,Ks為完好試樣的最大壓縮剛度。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀形貌

從圖2可以看出,采用短切碳纖維濕法修復(fù)缺陷得到的3#試樣損傷部位產(chǎn)生凹陷,而采用碳纖維平紋布濕法修復(fù)缺陷得到的9#試樣保持著完好的平整度。這是因?yàn)槎糖刑祭w維與環(huán)氧樹(shù)脂之間的界面結(jié)合力較弱,在固化過(guò)程中由于重力的原因出現(xiàn)下沉而產(chǎn)生凹陷;而碳纖維平紋布為一個(gè)整體,受到重力下沉的影響較小,所以固化后的平面較為整齊[15]。

圖2 短切碳纖維與碳纖維布濕法修復(fù)后的試樣示意

2.2 壓縮應(yīng)力-位移曲線

對(duì)圖3分析可知:濕法修復(fù)各試樣的壓縮應(yīng)力-位移曲線均表現(xiàn)出與完好試樣(1#)相同的趨勢(shì),不同的是濕法修復(fù)試樣的極限載荷與極限位移比1#試樣均小一些,說(shuō)明濕法修復(fù)試樣的力學(xué)性能接近于完好試樣,但還是有所缺陷,這是因?yàn)樾迯?fù)部位無(wú)法與缺陷周?chē)奶祭w維融合成一個(gè)整體;缺陷試樣(2#)的壓縮應(yīng)力-位移曲線并未表現(xiàn)出1#試樣的趨勢(shì),而是在載荷隨著位移增加到一定值后,隨著位移增加而降低,并沒(méi)有出現(xiàn)懸崖式的降低;6 mm短切碳纖維濕法修復(fù)試樣與碳纖維平紋布濕法修復(fù)試樣的壓縮應(yīng)力均高于3 mm短切碳纖維濕法修復(fù)試樣,說(shuō)明短切碳纖維的長(zhǎng)度越小,短切碳纖維與樹(shù)脂之間的界面結(jié)合力越弱,修復(fù)的效果也就越差。從修復(fù)固化后產(chǎn)生的塌陷也可看出短切碳纖維越短會(huì)導(dǎo)致修復(fù)效果越差[16]。

圖3 不同纖維濕法修復(fù)試樣的壓縮應(yīng)力-位移曲線

2.3 壓縮強(qiáng)度

由表2可以看出:缺陷試樣(2#)的M較低(88.00 MPa),RM只有33%,說(shuō)明缺陷對(duì)整體強(qiáng)度影響較大;采用3 mm短切碳纖維濕法修復(fù),不同纖維含量所得修復(fù)試樣(3#、4#、5#)的M及RM均略有提高,RM為40%～50%,修復(fù)效果不佳,這是因?yàn)? mm短切碳纖維較短,較為分散,發(fā)生交聯(lián)纏繞較少或者不會(huì)發(fā)生,導(dǎo)致界面結(jié)合力較弱,且承壓結(jié)構(gòu)主要為樹(shù)脂,修復(fù)試樣的RM也就相應(yīng)較小;6 mm 短切碳纖維濕法修復(fù)試樣(6#、7#)的M和RM均高于3 mm短切碳纖維濕法修復(fù)試樣,這是因?yàn)槎糖刑祭w維較長(zhǎng),與樹(shù)脂混合后會(huì)產(chǎn)生更多的交聯(lián)纏繞,界面結(jié)合力越強(qiáng),濕法修復(fù)試樣的強(qiáng)度也就越高;采用6 mm短切碳纖維濕法修復(fù)時(shí),隨著短切纖維含量的增加,修復(fù)試樣的RM呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%(7#試樣)的修復(fù)試樣的RM最高,達(dá)93%,接近完好試樣,這是因?yàn)槎糖刑祭w維含量過(guò)高會(huì)使短切碳纖維過(guò)于致密,樹(shù)脂無(wú)法完全浸潤(rùn),RM相應(yīng)降低,短切碳纖維含量過(guò)低會(huì)使修復(fù)結(jié)構(gòu)碳纖維支撐強(qiáng)度較弱,修復(fù)試樣的RM也較低;碳纖維平紋布濕法修復(fù)試樣(9#)的RM為76%,略低于7#試樣,這是因?yàn)樘祭w維平紋布是一個(gè)整體,修復(fù)固化過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生塌陷,導(dǎo)致與損傷部位的結(jié)合不夠緊密,強(qiáng)度稍低。

表2 不同纖維濕法修復(fù)試樣的M與RM

2.4 壓縮剛度

壓縮剛度是反應(yīng)試樣抵抗變形能力的數(shù)值,在工程中有著較大的參考價(jià)值[17]。由表3可以看出:缺陷試樣(2#)的RK僅8%,說(shuō)明缺陷試樣抵抗外力下的變形能力出現(xiàn)了較大下降;采用3 mm 短切碳纖維濕法修復(fù),不同纖維含量所得試樣(3#、4#、5#)的RK在62%左右波動(dòng),說(shuō)明3 mm 短切纖維含量對(duì)修復(fù)試樣的RK影響不大;相比3 mm短切碳纖維,6 mm短切碳纖維濕法修復(fù)試樣(6#、7#)的RK均有所提高,這是由于短切碳纖維越短,修復(fù)部位的短切碳纖維分布越分散,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)脆性,修復(fù)試樣的RK就越低;但6 mm短切碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)濕法修復(fù)試樣(8#)的RK出現(xiàn)急劇下降,這可能由于樹(shù)脂含量較低導(dǎo)致纖維與修復(fù)板材連接出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致RK下降;相比之下,碳纖維平紋布濕法修復(fù)試樣(9#)的RK最高,達(dá)91%,這是因?yàn)樘祭w維平紋布濕法修復(fù)固化過(guò)程中,碳纖維布是一個(gè)整體結(jié)構(gòu),碳纖維的高韌性能被完整保留了下來(lái),對(duì)修復(fù)試樣的抵抗變形能力有著較大貢獻(xiàn),所以RK較高。因此,綜合考慮修復(fù)試樣的RM和RK,采用碳纖維平紋布進(jìn)行濕法修復(fù)為較佳選擇。

表3 不同纖維濕法修復(fù)試樣的K與RK

3 結(jié)論

a.3 mm短切碳纖維濕法修復(fù)試樣的RM普遍較低;6 mm短切碳纖維濕法修復(fù)試樣的RM顯著上升,但纖維含量過(guò)高時(shí)RM下降,纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)修復(fù)試樣的RM最高,達(dá)93%;碳纖維平紋布濕法修復(fù)試樣的RM為76%,略低于采用6 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%短切碳纖維所得試樣。

b.采用3 mm短切碳纖維濕法修復(fù),不同纖維含量所得試樣的RK在62%左右波動(dòng);采用6 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%與3%短切碳纖維濕法修復(fù)所得試樣的RK均有所提高,為77%～79%,但短切碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)所得試樣的RK急劇下降至51%;采用碳纖維平紋布濕法修復(fù),所得試樣的RK最高,達(dá)91%。

c.在軌道交通用CFRP結(jié)構(gòu)損傷濕法修復(fù)過(guò)程中,綜合考慮修復(fù)試樣的RM和RK,采用碳纖維平紋布進(jìn)行濕法修復(fù)為較佳修復(fù)工藝。