復(fù)合材料管件膠接接頭的拉脫力研究

李鶯歌 房 怡 張 璇 彭志剛 朱大雷

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復(fù)合材料管件膠接接頭的拉脫力研究

李鶯歌 房 怡 張 璇 彭志剛 朱大雷

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

介紹了復(fù)合材料管件膠接接頭的拉脫力測試條件及結(jié)果，分析了膠粘劑材料對鋁合金接頭，以及接頭制造工藝對復(fù)合材料接頭拉脫力的影響。結(jié)果表明，國產(chǎn)J-133膠粘劑剪切強度≥20MPa，鋁合金接頭的失效形式為復(fù)合材料管件膠接區(qū)的纖維層間剝離破壞，膠粘劑破壞載荷優(yōu)于復(fù)合材料層間結(jié)合力；對于預(yù)浸料模壓成形和三維編織RTM成形的復(fù)合材料接頭，按使用狀態(tài)安裝M8鉸制孔用螺栓進行拉脫力測試時，實驗現(xiàn)象均為螺栓先發(fā)生彎曲變形，從而導致接頭開孔處同時承受拉伸和擠壓兩種載荷，最終失效載荷基本相當，且均為接頭開孔處破壞，接頭制造工藝對復(fù)合材料接頭拉脫力的影響可以忽略。所得結(jié)果可為產(chǎn)品設(shè)計和性能評估提供參考。

復(fù)合材料；管件；膠接接頭；拉脫力

1 引言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、高效、低成本的重要途徑[1]。膠接技術(shù)通過膠粘劑將多個結(jié)構(gòu)件粘接在一起，依靠粘接面的機械嵌合力、物理吸附力和化學鍵合力傳遞載荷，是一種較優(yōu)的復(fù)合材料連接手段[2]。根據(jù)膠接工藝的不同，可分為二次膠接、共膠接和共固化膠接三種方式[3]。其中，二次膠接工藝最簡便，對設(shè)備要求低、適應(yīng)性強，且更易于控制結(jié)構(gòu)件的尺寸和形位精度，目前應(yīng)用最為廣泛。如航天器復(fù)合材料管件的接頭大多采用二次膠接技術(shù)連接，更大程度地保證了載荷傳遞的連續(xù)性[4]。管件和接頭的膠接可靠性，以及復(fù)合材料接頭的自身強度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。本文實驗考察了復(fù)合材料矩形管件膠接鋁合金接頭和復(fù)合材料接頭的拉脫力，結(jié)合失效形式，主要從膠粘劑材料對鋁合金接頭，以及接頭制造工藝對復(fù)合材料接頭拉脫力的影響進行簡要敘述。

2 實驗

2.1 材料

a. 膠粘劑：國產(chǎn)J-133（QB/HSY063），實測剪切強度≥20MPa；英國GIBA-Geigy的Redux420，實測剪切強度≥32MPa；

b. 復(fù)合材料管件：HM-2碳纖維/4211樹脂；

c. 復(fù)合材料接頭：預(yù)浸料模壓成形接頭采用HT-1碳纖維平紋編織布/4211樹脂，三維編織RTM成形接頭采用HT-2碳纖維/BS-2樹脂；

d. 鋁合金接頭：鋁方棒2A12-T4（GB/T3191—1998），邊長100mm；

e. 鉸制孔用螺栓：M8×55-h9-8.8級，牌號為30CrMnSiA，技術(shù)標準為GB27—88。

2.2 試件

2.2.1 尺寸及構(gòu)型

鋁合金接頭試件的幾何尺寸及構(gòu)型見圖1。其中，復(fù)合材料管件長200mm，壁厚1.5mm，內(nèi)腔67mm×22mm，寬度方向單側(cè)加工適量1mm透氣孔。接頭加載段長40mm，厚12mm，膠接段長50mm，外形根據(jù)管件內(nèi)腔配加工。

圖1 鋁合金接頭拉脫力試件

復(fù)合材料接頭試件的幾何構(gòu)型與鋁合金接頭類似，但根據(jù)型號使用需求管件內(nèi)腔尺寸略有差異，為44mm×21mm。接頭外形也根據(jù)管件內(nèi)腔配加工，膠接段長50mm，加載段長30mm，并在加載段居中加工鉸制孔用螺栓安裝孔。

2.2.2 制造工藝

a. 鋁合金接頭制造工藝

鋁合金接頭采用數(shù)銑加工工藝，膠接前對表面進行磷酸陽極氧化處理。

b. 預(yù)浸料模壓成形接頭制造工藝

按編織布與4211樹脂重量比3∶2的比例制備預(yù)浸料，根據(jù)預(yù)期尺寸和加工余量裁剪后按[(+45/-45)、(0/90)]次序?qū)ΨQ鋪疊，裝模后于室溫下抽真空至-0.1MPa并保持至固化完畢，然后升溫至60℃用壓機施壓3MPa，繼續(xù)升溫至85℃前進行2次排氣操作，最后于165℃下用壓機施壓10MPa，并保溫2h使坯件固化成形，脫模后機加獲得接頭成品。

c. 三維編織RTM成形接頭制造工藝

采用3D機織技術(shù)按經(jīng)密大于緯密整體制造出復(fù)合材料預(yù)制件，然后采用RTM工藝成形，機加后獲得接頭成品。其中，樹脂預(yù)熱溫度為60～80℃，固化制度為90℃保溫30min，165℃保溫2h，纖維體積含量為55%～60%。

d. 復(fù)合材料管件制造工藝

復(fù)合材料管件由0°軸向纏繞、90°環(huán)向纏繞和45°螺旋纏繞層組成，采用手工鋪疊和纏繞鋪設(shè)纖維相結(jié)合的工藝方法，以金屬芯模定型，OPP帶收縮加壓，并通過定向定量的浮動外模傳遞固化外壓，于165℃、0.6MPa外壓和1個真空壓下固化成形，脫模后截取適宜長度并加工透氣孔后獲得試件所用管件。

e. 接頭膠接工藝

先用砂紙打磨復(fù)合材料膠接件的膠接面表層樹脂，再用有機溶劑清潔膠接面后晾干，然后將配好的膠液均勻地涂于管件和接頭的膠接面上，涂膠量為200～250g/m2，并采取適宜的工藝措施嚴格控制膠層厚度為0.1～0.15mm。

f. 膠粘劑固化工藝

保持膠接狀態(tài)，室溫≥22℃下停放7d。

2.3 拉脫力測試

利用Instron萬能試驗機測試接頭的拉脫力，鋁合金接頭試件通過接頭伸出管件的加載段與試驗機上、下夾頭連接，試件豎直安裝在上、下夾頭之間，利用試驗機自動對中。復(fù)合材料接頭試件通過M8鉸制孔用螺栓與試驗機上、下夾頭連接，裝夾狀態(tài)見圖2。

圖2 拉脫力試件裝夾狀態(tài)

對試件施加縱向拉伸載荷，先預(yù)加載0.1kN，再以3mm/min的速度連續(xù)加載直至試件變形、破壞。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋁合金接頭的拉脫力

表1 不同膠粘劑的鋁合金接頭拉脫力 kN

為考察國產(chǎn)和進口膠粘劑對復(fù)合材料管件膠接鋁合金接頭拉脫力的影響，分別選用國產(chǎn)J-133和進口Redux420膠粘劑制備其他技術(shù)狀態(tài)完全相同的復(fù)合材料管件膠接鋁合金接頭試件，對試件進行拉脫實驗，結(jié)果見表1，破壞后的試件形貌見圖3。

圖3 鋁合金接頭試件拉脫破壞形貌

測試結(jié)果表明，國產(chǎn)J-133和進口Redux420膠粘劑所制復(fù)合材料管件膠接鋁合金接頭試件的拉脫力數(shù)據(jù)基本相當，接頭的拉脫失效形式均為復(fù)合材料管件膠接區(qū)的纖維層間剝離破壞，說明兩種膠粘劑的破壞載荷均大于復(fù)合材料管件的層間結(jié)合力，因此可以選擇國產(chǎn)J-133膠粘劑來降低制造成本。

3.2 復(fù)合材料接頭的拉脫力

為降低航天器結(jié)構(gòu)重量，同時提高其承載能力，采取在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中預(yù)埋復(fù)合材料管件，并在管件兩端膠接復(fù)合材料接頭的方式來減輕結(jié)構(gòu)重量，并提高結(jié)構(gòu)承受集中沖擊載荷的能力。其中，復(fù)合材料接頭可采取預(yù)浸料鋪疊后模壓工藝成形，也可采取三維編織后RTM工藝成形。雖然三維編織配合RTM工藝成形的復(fù)合材料接頭厚度方向性能有所提高，但其制造周期長，對生產(chǎn)設(shè)備要求高，成本大。根據(jù)型號實際使用需求，為考察不同制造工藝所制復(fù)合材料接頭內(nèi)部M8鉸制孔用螺栓處的承載情況，利用同種膠粘劑，按照相同的膠接工藝，將兩種接頭分別膠接在相同的復(fù)合材料管件兩端，安裝相同的M8鉸制孔用螺栓后，對接頭進行拉脫實驗，結(jié)果見表2，破壞后的試件形貌見圖4。

表2 不同制造工藝的復(fù)合材料接頭拉脫力

圖4 復(fù)合材料接頭試件拉脫破壞形貌

測試結(jié)果表明，兩種工藝制造的復(fù)合材料接頭，按型號實際使用狀態(tài)安裝M8鉸制孔用螺栓后，接頭通過螺栓承受拉脫載荷時，螺栓首先失效，發(fā)生彎曲變形，隨著載荷加大，螺栓彎曲程度不斷加大，從而導致接頭的螺栓安裝孔處由最初單一的拉脫載荷變化為同時承受拉脫和擠壓兩種載荷，直至接頭開孔處發(fā)生破裂損傷、出現(xiàn)掉載現(xiàn)象。實驗數(shù)據(jù)表明兩種工藝所制復(fù)合材料接頭的自身強度，以及其與復(fù)合材料管件的膠接強度均顯著優(yōu)于鉸制孔用螺栓抵抗彎曲變形的強度；從最終的破壞情況可以看出，兩種工藝成型的復(fù)合材料接頭拉脫力幾乎一致，主要原因是在實驗過程中螺栓對接頭側(cè)壁的作用力主要是擠壓力，接頭承受的主要是沿纖維方向的壓縮力，而兩種接頭在沿纖維方向的壓縮強度相同，因此可以忽略制造工藝對復(fù)合材料接頭拉脫力的影響，選擇制造周期短、成本低的工藝方法。

4 結(jié)束語

通過實驗研究，得出以下結(jié)論：

a. 國產(chǎn)J-133膠粘劑剪切強度≥20MPa，其破壞載荷大于復(fù)合材料管件的層間結(jié)合力，鋁合金接頭的失效形式為復(fù)合材料管件膠接區(qū)的纖維層間剝離破壞。

b. 對于預(yù)浸料模壓成形和三維編織RTM成形的復(fù)合材料接頭，按使用狀態(tài)安裝M8鉸制孔用螺栓進行拉脫力測試時，實驗現(xiàn)象均為螺栓先彎曲變形，致使接頭開孔處除拉脫載荷外同時還需承受擠壓載荷，最終失效載荷基本相當，且均為接頭開孔處破裂損傷。

c. 承受拉、壓載荷時，接頭制造工藝對復(fù)合材料接頭拉脫力的影響可以忽略，可以選擇制造周期短、成本低的工藝方法。

d. 為縮短制造周期并降低成本，建議選用國產(chǎn)J-133膠粘劑，并采用預(yù)浸料模壓成形工藝制備復(fù)合材料接頭。

1 王雪明，謝富原. 含脫膠缺陷復(fù)合材料L形接頭拉脫強度實驗研究[J]. 復(fù)合材料學報，2012，29(2)：186

2 李書欣. 復(fù)合材料膠接接頭內(nèi)部應(yīng)變測量和受力分析[D]. 武漢：武漢理工大學，2013：1

3 Tillman M S, Hayes B S, Sefefis J C. Influence of sub-strate-adhesive resin compatibility on the fracture of composite bonds. In:46thinternational SAMPE symposium. 2001: 8～19

4 Picker A K, Hollaway L. The analysis of elastic-plastic adhesive stress in bonded lap joints in FRP structures[J]. Compos. Struct. 1985(4):135～160

Research of Pulling Test of Adhesive-bonded Joint within Composite Pipe

Li Yingge Fang Yi Zhang Xuan Peng Zhigang Zhu Dalei

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

In this work, the pulling test condition and test results of adhesive-bonded joint within composite pipe are introduced.The influences of the adhesive material to the aluminum alloy joints and the relationship between the joint manufacture process and the composite joints pulling test are discussed. The results show that the adhesion shear strength of domestic adhesive J-133 is higher than 20MPa and the failure mode of the aluminum alloy joints is the fiber peel-off in the bonding area of composite pipe. The adhesive failure strength is superior to the composite interlayer adhesion. Two manufacture processes have been applied, one is prepreg pavement and molding, the other is three-dimensional weaving and resin transfer molding. Within the pulling test with M8 hinged hole bolts, both of the two samples have the same experimental phenomena: the bolts bend first. The ultimate failure strengths are equivalent and the failure is within the opening hole area. The joints manufacturing process has no effect on the pull-off strength of the composite joints. This paper can provide a reference for product design and performance evaluation.

composites；pipe fittings；adhesive-bonded joint；pulling strength

李鶯歌（1978），研究員，材料工程專業(yè)；研究方向：星船復(fù)合材料成形工藝。

2017-10-23