復(fù)合材料/鈦合金膠接強度影響因素研究*

蘇震宇，孫 煜

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

樹脂基復(fù)合材料具有重量輕、比模量和比強度高、可設(shè)計性強的特點，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。但隨著應(yīng)用范圍的擴大，應(yīng)用部位的增加，樹脂基復(fù)合材料的不足也逐漸顯現(xiàn)。對于機翼、舵面、發(fā)動機風(fēng)扇葉片等零件，需要具備抗異物撞擊能力，但相較于傳統(tǒng)金屬材料，樹脂基復(fù)合材料，特別是層合板結(jié)構(gòu)的層間強度較低，抗異物撞擊能力較弱。為了降低該類復(fù)合材料零件在工作時被異物撞擊的破損風(fēng)險，避免纖維損傷導(dǎo)致復(fù)合材料分層進而引起零件破壞，需要在該類零件的相關(guān)部位增加金屬加強件[2]。鈦合金抗沖擊性和耐腐蝕性好，特別是與碳纖維復(fù)合材料具有良好的電化學(xué)相容性和相近的熱膨脹系數(shù)等[3]，是比較理想的金屬加強件。金屬加強件與復(fù)合材料本體的連接方式主要有機械連接和膠接兩種。

航空飛行器工作時對某型零件的抗異物沖擊性有極高的要求，因此需要在該零件復(fù)合材料本體邊緣增加金屬加強件 （該零件選用的金屬加強件為鈦合金），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。但由于該零件復(fù)合材料本體前櫞厚度較薄，最薄處僅3 mm左右，若使用機械連接方式，連接前的打孔必定會切斷增強纖維導(dǎo)致復(fù)合材料整體性能下降，且易在開孔處造成應(yīng)力集中，進一步降低其性能及長期穩(wěn)定性[4-5]。因此，該零件的復(fù)合材料本體與金屬加強件無法采用機械連接，只能采用膠接方式連接。該零件復(fù)合材料本體目前有兩種：一種是層合結(jié)構(gòu)，另一種是編織結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了其與鈦合金膠接性能的差異，目前國內(nèi)對于鈦合金與復(fù)合材料膠接技術(shù)的研究較少，亟須開展相關(guān)研究工作?；诖耍疚拈_展了不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與鈦合金膠接過程中影響膠接強度的相關(guān)因素分析工作。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Part structure diagram

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬膠接界面破壞模式分析

復(fù)合材料本體與金屬加強件膠接過程中需要在兩者之間放置膠膜，膠膜的主要作用是分別與復(fù)合材料本體及金屬加強件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成牢固化學(xué)鍵，以此完成兩者的連接。這種連接的本質(zhì)是一種化學(xué)鍵連接，其連接強度取決于兩種被膠接物之間形成的化學(xué)鍵的數(shù)目及種類[6-9]。受載后膠膜的破壞形式主要有以下3種。

（1）復(fù)合材料-膠層界面破壞，具體破壞形式是在金屬表面一側(cè)可見大量殘膠。

（2）金屬-膠層界面破壞，具體破壞形式是在復(fù)合材料表面一側(cè)可見大量殘膠。

（3）膠層內(nèi)破壞，具體破壞形式是在復(fù)合材料和金屬表面都可見大小體積接近的殘膠。

以上3種破壞形式示意圖如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬膠接界面破壞形式示意圖Fig.2 Schematic diagram of failure mode of composite structure and metal bonding interface

從膠接強度角度看，3種破壞模式中第3種模式的膠接強度最高，其原因是這種破壞模式中金屬-膠層和復(fù)合材料-膠層的兩種膠接界面結(jié)合強度均較高，發(fā)生的層間破壞為膠層內(nèi)部的“內(nèi)聚破壞”[10]，膠層本身強度被充分發(fā)揮。

2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鈦合金膠接強度影響因素分析

對于本次研制的復(fù)合材料某型零件而言，其復(fù)合材料本體分為層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本體與編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本體兩種類型。層合結(jié)構(gòu)本體由不同角度預(yù)浸料經(jīng)過疊層后構(gòu)成，其表層纖維為同一角度，經(jīng)過熱壓罐固化成型后，與鈦合金加強件進行膠接。不同于層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本體的層間排布，編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本體是由經(jīng)緯紗在空間相互交織在一起形成的整體結(jié)構(gòu)[11]，該結(jié)構(gòu)經(jīng)RTM成型后在其編織節(jié)點會存在富樹脂區(qū)，圖3為編織結(jié)構(gòu)固化后的表面狀態(tài)照片，其中白色區(qū)域即為富樹脂區(qū)域，其表面與層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表面有較大差異。此外，交織的編織結(jié)構(gòu)與層合結(jié)構(gòu)相比較松散，其剛度低于層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。因此，編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料/鈦合金膠接強度與層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料/鈦合金膠接強度之間存在一定差異。

圖3 2.5D編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料Fig.3 2.5D braided structural composites

鈦合金表面性質(zhì)對膠接強度也至關(guān)重要。目前，用于鈦合金膠接表面處理的方法主要包括：噴砂磨蝕、酸洗堿洗、陽極氧化處理、等離子體處理、硅烷偶聯(lián)劑處理及激光處理[12-14]。按處理方式對以上方法進行分類，大體可分為機械方式處理和化學(xué)方式處理兩大類。

除此之外，膠層厚度也是影響膠接強度的重要因素。當膠層厚度很小或趨近于0且拉伸產(chǎn)生初始破壞裂紋時，較薄的膠層使得在裂紋尖端產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，裂紋擴展阻力較低，使得膠層更易被破壞，表現(xiàn)為較低的膠接強度[15]。膠層過厚，會導(dǎo)致缺陷增加，質(zhì)量難以控制，塑性變形和屈服應(yīng)力降低，承載能力降低[16]。

因此，本文基于一種復(fù)合材料零件研制，立足于不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本體與鈦合金加強件膠接，從鈦合金表面處理方式、膠層厚度等方面著手，探究不同因素下不同復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鈦合金膠接強度的關(guān)系，尋求最佳膠接工藝參數(shù)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鈦合金膠接界面性能提升提供相關(guān)理論依據(jù)。

3 材料與試驗

3.1 原材料

層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料平板 （以下簡稱“層合板”）：中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 （以下簡稱“中航復(fù)材”）BA3603預(yù)浸料，其中碳纖維為威海拓展T800級碳纖維，樹脂為中航復(fù)材高韌性環(huán)氧樹脂，鋪層形式為[+45/0/-45/90/0]S，材料密度1580 kg/m3，0°拉伸模量125 GPa，采用熱壓罐工藝成型。

編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料平板 （以下簡稱“編織板”）：中航復(fù)材Actech1304樹脂，威海拓展T800級碳纖維24 K纖維束，編織為2.5D預(yù)制體，采用RTM工藝成型，經(jīng)向拉伸模量約66 GPa。

H3PO4溶液：85%，市售。

HNO3溶液：60%，市售。

TC4鈦合金平板：市售。

膠粘劑：環(huán)氧膠膜，主要成分烷基胺/酚醛環(huán)氧樹脂。

表面預(yù)處理劑：表面活性劑，主要成分2，3-環(huán)氧丙基三甲氧基硅烷。

3.2 膠接試驗件的制備

參照標準ASTM D 3165—07的要求，預(yù)先加工好100 mm×25 mm×3 mm尺寸的復(fù)合材料板 （復(fù)合材料板塊長度方向為0°方向/經(jīng)向）和鈦合金板，使用丙酮清洗鈦合金和復(fù)合材料膠接面，烘干后分別對鈦合金和復(fù)合材料編號，對15件層合板和20件編織板膠接區(qū)域（25 mm×12.5 mm）進行120目砂紙打磨處理，處理完成后采用干燥氣流吹去表面殘渣。按規(guī)劃好的試驗方案對鈦合金膠接區(qū)域 （25 mm×12.5 mm）進行如下處理：

（1） 20件鈦合金板進行120目砂紙打磨處理，其中10件涂抹表面活性劑后分別與5件層合板和5件編織板膠接，另外10件不涂抹表面活性劑，分別與5件層合板和5件編織板膠接；

（2） 10件鈦合金板進行46目棕剛玉噴砂處理，均不涂抹表面活性劑，分別與5件層合板和5件編織板膠接；

（3） 對45件鈦合金板按標準ASTM D2651酸洗處理，全部涂抹表面活性劑，其中5件與編織板膠接，另外40件各自兩兩膠接，形成5件1組，共4組進行膠層厚度對比，分別控制膠層厚度為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm。

上述鈦合金板和復(fù)合材料板表面處理完成后，8 h內(nèi)完成膠接試樣制備；為保證膠層厚度均勻性，使用真空壓力對膠接試驗件進行壓緊，并置于180 ℃/0.3 MPa熱壓罐中固化2 h。

3.3 無損檢測

采用中航復(fù)材的700M復(fù)合材料超聲檢測儀檢測膠接試驗件膠接界面情況。超聲檢測參照標準HB7224—95 1級進行。

3.4 膠接強度測試

鈦合金/復(fù)合材料膠接強度測試在INSTRON 5567力學(xué)試驗機 （美國INSTRON公司）上完成，膠接強度測試參照標準ASTM D 3165—07。安裝試件，將試件放入試驗機上，使上、下夾頭夾緊，夾緊過程需保證試件兩端全部位于夾頭內(nèi)。保證試件與夾頭的對中度，使拉力沿著試件中心線加載。以 1.27 mm/min 的加載速率對試驗件施加拉伸載荷，加載至極限載荷，直到出現(xiàn)破壞為止。測試示意圖如圖4所示。

圖4 膠接強度測試示意圖Fig.4 Schematic diagram of adhesive strength test

4 結(jié)果與討論

4.1 工藝條件對膠接試驗件內(nèi)部質(zhì)量的影響

膠接試驗件無損檢測結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示不同工藝條件下的膠接試驗件內(nèi)部質(zhì)量均完好，不存在脫黏、空隙等缺陷，說明在控制好試驗件制備過程的前提下，改變工藝條件不影響膠接試驗件內(nèi)部質(zhì)量。從中選取編織板/鈦合金膠接和層合板/鈦合金膠接的超聲波形，如圖5和6所示，可以看出，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致編織板/鈦合金與層合板/鈦合金兩種膠接試驗件的超聲波形有所區(qū)別，但是兩者的底波a均高于膠接界面的反射波b，表明復(fù)合材料與鈦合金界面粘接緊密，不存在脫膠、空隙和裂縫等缺陷。

表1 膠接試驗件內(nèi)部質(zhì)量檢測及膠接強度結(jié)果Table 1 Internal quality inspection and bonding strength results of bonding test pieces

圖5 編織板/鈦合金膠接超聲波形Fig.5 Ultrasonic waveform of braided plate/titanium alloy bonding

圖6 層合板/鈦合金膠接超聲波形Fig.6 Ultrasonic waveform of laminated plate / titanium alloy bonding

4.2 層合板/鈦合金、編織板/鈦合金的膠接強度對比

復(fù)合材料/鈦合金膠接強度測試結(jié)果如表1所示。對比第1、4組，第2、5組和第3、6組試驗可以看出，在相同條件下，不論膠接工藝如何，層合板/鈦合金膠接強度均高于編織板/鈦合金。受到拉伸載荷的復(fù)合材料/鈦合金膠接界面屬于異質(zhì)材料膠接，其失效過程如下：由于復(fù)合材料拉伸模量低于鈦合金拉伸模量，受載過程中復(fù)合材料膠接端部沿界面長度、寬度方向均會發(fā)生偏移，產(chǎn)生較大剝離應(yīng)力。同時，膠接端部偏移使膠接區(qū)域鈦合金表面承受彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生負應(yīng)變，使鈦合金與復(fù)合材料在膠接區(qū)域發(fā)生剝離，產(chǎn)生界面破壞。由于層合板的拉伸彈性模量 （0°拉伸模量約125 GPa）遠遠高于編織板拉伸彈性模量 （經(jīng)向拉伸模量約66 GPa），在膠接界面受到拉伸載荷時，層合板模量較高，受載過程應(yīng)變較低，膠接界面發(fā)生偏移的程度較小，膠接界面承載能力更高，所以層合板/鈦合金膠接強度均高于編織板/鈦合金。

4.3 表面處理方式對復(fù)合材料/鈦合金膠接強度的影響

從表1第1、2組和4、5組試驗可以看出，鈦合金粘接面經(jīng)噴砂處理后，與層合板膠接強度為31.6 MPa，與編織板膠接強度為28.3 MPa，較打磨處理的22.0 MPa和20.1 MPa分別提升了43.6%和40.8%，這是因為鈦合金經(jīng)噴砂處理后其表面的粗糙度較打磨更均勻，更有助于膠膜的黏附，所以其膠接強度更高。

對比第6、7組試驗可知，鈦合金經(jīng)酸洗后，與編織復(fù)合材料的膠接強度為33.5 MPa，比經(jīng)打磨處理的31.9 MPa略有提升。這是由于酸洗可以去除鈦合金表面疏松的氧化層，同時形成微觀的粗糙表面，可以有效增加膠接表面積，更有利于與膠膜的機械連鎖作用。對比2、3組和5、6組試驗可知，鈦合金經(jīng)打磨處理后，使用表面預(yù)處理劑處理打磨區(qū)域，層合板/鈦合金膠接強度由未使用表面預(yù)處理劑時的22.0 MPa上升到36.1 MPa，上升了64.1%；編織板/鈦合金膠接強度由20.1 MPa上升到31.9 MPa，上升了58.7%。這是由于表面預(yù)處理劑的使用激發(fā)了鈦合金表面活性，使其在膠接過程中與膠黏劑之間形成偶聯(lián)，從而顯著提升膠接強度。圖7給出了使用表面活性劑預(yù)處理與不使用表面活性劑預(yù)處理層合板/鈦合金膠接試驗件破壞后膠接界面圖，可以看出，不使用表面活性劑，膠接主要在鈦合金表面破壞，而使用表面活性劑后，破壞主要表現(xiàn)為內(nèi)聚破壞或纖維拔出，與測試結(jié)果相符。

圖7 膠接試驗件拉剪破壞后膠接界面形貌Fig.7 Morphology of bonding interface after tensile shear failure of bonding test piece

4.4 膠層厚度對復(fù)合材料/鈦合金膠接強度的影響

對比表1中第8 ～11組試驗，發(fā)現(xiàn)膠層厚度從0.05 mm增加到0.1 mm后，鈦合金與鈦合金膠接強度從43.5 MPa下降到41.1 MPa，下降了5.5%，變化不大；但是膠層厚度增加到0.3 mm后，膠接強度下降到33.5 MPa，下降了23%，較為顯著。表明膠層厚度在一定范圍內(nèi)變化對鈦合金膠接強度影響不大，但超出該范圍后，膠接強度隨著膠層厚度的變化而顯著變化。

從試驗破壞模式看，當膠層厚度為 0.05 mm和0.1 mm時，破壞主要為膠膜的內(nèi)聚破壞，表現(xiàn)為兩塊鈦合金板上均有大面積膠膜分布；當膠層厚度為 0.3 mm 時，破壞發(fā)生在鈦合金-膠層界面，表現(xiàn)為一側(cè)鈦合金板部分區(qū)域表面光滑且無任何膠層附著，另一側(cè)有大塊膠膜附著，該現(xiàn)象在鈦合金試塊膠接區(qū)域前端尤其明顯，如圖8所示。以上現(xiàn)象可能是由于膠層厚度的增加，導(dǎo)致測試時厚膠層與鈦合金板一同變形，出現(xiàn)剝離力，從而使膠層更易從鈦合金表面脫黏，出現(xiàn)鈦合金-膠層界面破壞。

圖8 膠接試樣破壞界面形貌Fig.8 Failure interface morphology of bonding sample

5 結(jié)論

本文通過研究不同因素下不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料/鈦合金膠層內(nèi)部質(zhì)量和膠接強度，得到如下結(jié)論。

（1） 不同工藝條件下復(fù)合材料/鈦合金膠接試驗件膠層內(nèi)部質(zhì)量均完好，但層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與鈦合金膠接強度較編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料高。由此可知，本文提出的幾種工藝對于復(fù)合材料/鈦合金膠接均有效可行，但針對某型零件研制而言，為提高抗異物撞擊能力，膠接界面性能的差異使編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本體與金屬加強件膠接的結(jié)構(gòu)設(shè)計比層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本體與金屬加強件膠接的結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求更高。

（2） 鈦合金膠接面酸洗和噴砂處理較打磨處理更有利于復(fù)合材料/鈦合金的膠接，使用表面預(yù)處理劑處理鈦合金可以顯著提升復(fù)合材料/鈦合金膠接強度。但對于某型零件而言，除了需要考核膠接界面靜強度以外，產(chǎn)品需要長期在振動、冷熱態(tài)循環(huán)變化等嚴苛環(huán)境下服役，所以對于膠接振動疲勞特性和耐久性也有較高的要求，酸洗產(chǎn)生的微觀粗糙度可以在一定程度上提高膠接強度，但在疲勞性能的增益上還有待驗證。因此，在某型零件后續(xù)研制過程中，鈦合金的表面處理方式需要更深入地研究，以期能達到產(chǎn)品更高考核需求。

（3） 膠層厚度對復(fù)合材料/鈦合金膠接強度影響較大，在某型零件的研制過程中，金屬加強件與復(fù)合材料本體膠接的具體膠層厚度，需根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境結(jié)合膠層厚度對膠接強度的影響來進行設(shè)計。