纖維復(fù)合材料分層固化界面粘接性能探究

摘 要 利用脫模布和打磨兩種處理方式獲得纖維復(fù)合材料分層固化粘接界面，對不同方法獲得的表面進(jìn)行標(biāo)記區(qū)分。分別制作相應(yīng)的拉伸剪切試件，通過測試不同試件的拉伸剪切強(qiáng)度，比較不同試件粘接表面的粘接性能，并采用SEM法觀察拉剪破壞斷裂面破壞情況，通過對比分析，最終獲得可有效提高分層固化界面粘接性能的工藝處理方法。

關(guān)鍵詞 纖維復(fù)合材料；分層固化；粘接性能

Study on Interface Bonding Performance about Layered

Curing of Fiber Composite Posites

TIAN Zhongen， WANG Weili， WEI Cheng， LUO Shiwen，

WANG Tianqi， LI Wenbin， SHAN Pengyu

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Using the demolding material and sanding to obtain the fiber composite layered curing bonding interface， mark and distinguish the surfaces which to obtain in different ways， make the corresponding tensile shear strength. By testing the tensile shear strength of the different specimens and compare the bonding performance of the bonding surface which obtained by the different methods. SEM method is used to observe the state of shear failure. Through comparative analysis， obtain the process treatment method that can effectively improve the bonding performance of the layered curing interface.

KEYWORDS fibre composite; layered curing; adhesion performance

基金項目：中國建材集團(tuán)攻關(guān)專項資助（2023SJYL01）

通訊作者：田忠恩，男，碩士，工程師。研究方向為樹脂基復(fù)合材料成型工藝。E-mail：tianzhongen@163.com

1 引言

對于纖維復(fù)合材料制品成型而言，分層固化制度是比較常用的工藝方法。采用分層固化既及時固定了纖維纏繞位置，減緩了樹脂沿壁厚方向的不均勻性，又利于溶劑揮發(fā)、消除氣泡，提高制品內(nèi)外質(zhì)量的均勻性［1-3］。

本文延續(xù)《纖維復(fù)合材料管分層固化界面前處理方法探究》［4］一文中的內(nèi)容，對分層固化界面質(zhì)量做進(jìn)一步的探究，比較不同方法獲得的粗糙表面的粘接性能，分析影響粘接性能的因素，獲得可有效提高界面粘接性能的工藝方法［5-8］。

2 界面處理方法

現(xiàn)階段，濕法纏繞分層固化界面處理采用的方式為固化前處理和固化后打磨處理，兩種方式獲得具有一定粗糙度的粘接表面，為后續(xù)成型做好粘接基礎(chǔ)。

固化前處理：在產(chǎn)品外層卷纏脫模布，固化完成后撕掉脫模布，表面上形成與脫模布紋路相近的粗糙面，獲得的粗糙表面狀態(tài)如圖1所示。

脫模布種類主要區(qū)別在于材質(zhì)和面密度，常用的脫模布包括聚酯類脫模布、尼龍類脫模布，如表1所示。脫模布主要用于去除復(fù)合材料表面多余樹脂，固化后獲得粗糙規(guī)整表面。聚酯類脫模布應(yīng)用較廣泛，價格相對較低，尼龍類脫模布相較于聚酯類脫模布，其可提供更高的撕離強(qiáng)度和操作溫度，并且更容易從產(chǎn)品上剝離，但價格偏高，生產(chǎn)過程中可根據(jù)制品特點、工藝特點選擇不同種類脫模布［9-12］。

固化后表面處理：通常采用設(shè)備打磨的方式對光亮表面進(jìn)行打磨處理，獲得具有一定粗糙度的表面，打磨后的復(fù)合材料表面狀態(tài)如圖2所示，其表面狀態(tài)相對于脫模布獲得的表面要光滑很多。

上述兩種方法均可獲得一定粗糙度的粘接表面，但表面狀態(tài)存在差異，粘接性能同樣存在差異。

3 界面粘接性能對比試驗與分析

根據(jù)分層固化界面處理工藝特點，以界面不同的獲取方法為變化因素，拉伸剪切性能為評價指標(biāo)進(jìn)行試驗，試驗方案如表2所示。試驗材料、設(shè)備和工裝如表3所示。

首先，按試驗方案纏繞4塊2 mm厚碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料板，固化前分別鋪放脫模布A、脫模布B、脫模布C，第四塊表面不進(jìn)行處理，標(biāo)記為D，進(jìn)入固化爐固化。固化完成后將脫模布撕掉，第4塊表面使用設(shè)備打磨平整，去除亮面。參照GB/T7124-2008標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，各試件表面狀態(tài)如圖3所示。

參照GB/T7124-2008標(biāo)準(zhǔn)，按要求尺寸及粘接面積制做拉伸剪切強(qiáng)度測試試件，試件每組5件，采用丙烯酸酯類膠粘劑和環(huán)氧樹脂類膠粘劑，兩種不同膠粘劑進(jìn)行粘接，粘接用的丙烯酸酯膠粘劑中包含大量雙鍵、酯基、羥基等極性官能團(tuán)，環(huán)氧樹脂膠粘劑中含有環(huán)氧活性基團(tuán)、雙鍵、羥基等極性官能團(tuán)，兩種膠粘劑與復(fù)合材料之間均可產(chǎn)生良好的物理吸附和化學(xué)吸附，形成較好的粘接界面。膠層厚度控制在0.1～0.15 mm范圍進(jìn)行加壓、固化。各工藝方法制做的試件狀態(tài)如圖4所示。

對試件進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試，測試值如表4和表5所示。

從表4和表5中數(shù)據(jù)對比可知，使用兩種不同膠粘劑的四種處理方法獲得的試件，其拉伸剪切強(qiáng)度平均值大小順序均為：C＞B＞A＞D，說明對于同類膠粘劑，不同種類、不同面密度的脫模布所形成的表面對粘接性能存在一定影響。

對于同類脫模布A和B，脫模布A厚度小于脫模布B厚度，脫模布A面密度大于脫模布B面密度，說明脫模布A經(jīng)緯向編織較密實，脫模布B經(jīng)緯向編織較松散。復(fù)合材料表面鋪放脫模布后，脫模布B較脫模布A更容易被浸潤，在卷繞力作用下，表面樹脂更容易排出，固化完成撕掉脫模布后，脫模布B形成的表面紋路較A稀疏，且表面更加粗糙。因此，鋪放脫模布B的試件粘接性能優(yōu)于鋪放脫模布A的試件粘接性能。對于不同種類脫模布B和C，B為聚酯類脫模布，C為尼龍類脫模布，兩種脫模布厚度和面密度基本相同。試驗結(jié)果表明，使用尼龍類脫模布獲得的粘接表面粘接性能更優(yōu)。表面處理過程中，尼龍類脫模布較聚酯類脫模布更容易被浸潤，固化后形成的粗糙表面更加適合粘接。對于D種狀態(tài)粘接表面，其表面狀態(tài)通過設(shè)備打磨獲得，表面較光滑，粘接性能低于A、B、C三種方式獲得的粘接表面。

試件拉伸剪切破壞后，對粘接界面破壞情況進(jìn)行檢測，采用SEM法觀察拉剪破壞斷裂面［13-14］，如圖5所示。

由圖5對比可見，使用脫模布的3種樣片上，清晰可見脫模布反印在膠粘劑上留下的纖維痕跡，且纖維痕跡均有不同程度的破壞，說明使用膠粘劑的3種樣片的斷裂面均為膠粘劑膠層破壞，膠粘劑與復(fù)合材料浸潤性良好，但膠粘劑強(qiáng)度相對較弱。在使用脫模布的3種樣片上，膠層破壞程度C＞B＞A，與拉剪強(qiáng)度值趨勢一致。對于打磨處理的樣品，樣片的纖維裸露但未明顯脫出，且有少量膠粘劑樹脂附著，說明樣片受拉剪力破壞時，未造成復(fù)合材料較深層的損傷，破壞形式主要是膠粘劑大面積脫粘，因此，拉剪強(qiáng)度值較低。環(huán)氧樹脂膠粘劑界面破壞情況如圖6所示。

如圖6所示，使用脫模布的3種樣片中，僅脫模布A處理后的樣片上留下較明顯的脫模布反印的痕跡，破壞時為膠粘劑層破壞。脫模布B和脫模布C處理的樣片，出現(xiàn)了較明顯的復(fù)合材料層的破壞，尤其是脫模布C處理的樣片，纖維脫出明顯，說明受力時膠粘劑和復(fù)合材料之間界面和膠粘劑本身均沒有破壞，發(fā)生破壞的是復(fù)合材料樣片。而打磨處理的樣片，與丙烯酸酯膠粘劑相比，也出現(xiàn)了更明顯的破壞損傷。因此，環(huán)氧膠粘劑與復(fù)合材料之間界面更好，且膠粘劑強(qiáng)度更高，因此造成了復(fù)合材料內(nèi)部的破壞，使得環(huán)氧樹脂膠粘劑的拉剪強(qiáng)度值更高。

綜合拉剪試驗數(shù)據(jù)和SEM結(jié)果，表明同種類脫模布，面密度較低、經(jīng)緯向編織較松散的脫模布獲得的粘接表面更有利于粘接；尼龍類脫模布浸潤性好，形成復(fù)材試件的表面粗糙度更適宜粘接工藝。復(fù)合材料樣片的基體樹脂為環(huán)氧樹脂體系，在膠粘劑固化過程中，樣片表面狀態(tài)相同時，環(huán)氧膠粘劑由于與被粘接物之間具有更相近分子結(jié)構(gòu)，可能與基體樹脂中殘留的未反應(yīng)的活性官能團(tuán)產(chǎn)生二次固化，使得膠粘劑與復(fù)合材料之間形成更好的粘接界面，在受力破壞時，表現(xiàn)出更高的粘接強(qiáng)度。綜合考慮制品性能、經(jīng)濟(jì)性、工作效率、操作環(huán)境優(yōu)劣，實際生產(chǎn)中選用適合的脫模布進(jìn)行界面前處理，不建議采用固化后的打磨處理方式。膠粘劑選用原則：選擇與被粘接復(fù)合材料基體樹脂體系分子結(jié)構(gòu)相近的膠粘劑。

4 結(jié)語

本文通過試驗比較了不同方法獲取的界面對粘接性能的影響，通過拉伸剪切強(qiáng)度測試和破壞后的界面狀態(tài)可知：

（1）面密度較低的脫模布形成的復(fù)合材料表面，具備更高的粘接強(qiáng)度。

（2）尼龍類脫模布的浸潤性更好，形成復(fù)合材料試件的粗糙表面更適宜粘接工藝。

（3）與被粘接復(fù)合材料樹脂基體具有相近分子結(jié)構(gòu)的環(huán)氧膠粘劑的粘接強(qiáng)度更高，因此，在選擇復(fù)合材料用膠粘劑時應(yīng)充分考慮膠粘劑和被粘接復(fù)合材料樹脂基體之間的結(jié)構(gòu)相似性。

在工程應(yīng)用中，綜合考慮產(chǎn)制品性能、經(jīng)濟(jì)性、工作效率以及操作環(huán)境優(yōu)劣，宜選用適合的脫模布進(jìn)行界面前處理，選擇與復(fù)合材料基體樹脂體系分子結(jié)構(gòu)相近的膠粘劑進(jìn)行粘接。

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