復(fù)合材料粘接修復(fù)鋁合金板結(jié)構(gòu)的失效模式研究

陳 棟，趙培仲

（1.中國人民解放軍92138部隊(duì)，江蘇 常州 213131；2海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)相比于傳統(tǒng)機(jī)械連接修復(fù)方式有諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，如能更好地滿足戰(zhàn)場條件下臨時、快速修復(fù)等要求[2]。但是修復(fù)結(jié)構(gòu)在使用過程中會由于環(huán)境，特別是海洋環(huán)境、意外沖擊或應(yīng)力集中等導(dǎo)致失效的狀況，研究人員對復(fù)合材料層合板的失效過程研究頗多[3～7]；但對修復(fù)結(jié)構(gòu)的失效模式研究卻相對較少[8～10]。復(fù)合材料修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)的失效首先發(fā)生在相對最薄弱的地方[11]，根據(jù)破壞的特征不同，失效的形式有以下3種：Ⅰ型破壞—補(bǔ)片本身未破壞，但與金屬板完全剝離；Ⅱ型破壞—補(bǔ)片僅在損傷處微量剝離，補(bǔ)片破壞；Ⅲ型破壞—補(bǔ)片破壞的同時大面積剝離。各種失效模式的破壞起點(diǎn)都是損傷處的剝離，其區(qū)別體現(xiàn)在過程中的破壞情況，本研究利用高速攝像采集分析系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注了試件的失效過程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

2A12型鋁合金板（厚度為1.5 mm），青島云海鋁業(yè)公司；高強(qiáng)度玻璃纖維布（SW100A-90a），南京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院；E-44環(huán)氧樹脂（6101），鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司；固化劑（593），岳陽巴陵石化公司。

1.2 儀器與設(shè)備

WDW-1型電子萬能拉力機(jī)，濟(jì)南泰思特儀器有限公司；Estrong-CL130型高速攝像采集分析系統(tǒng)，北京匯眾思壯圖象技術(shù)有限公司；Vallen AMSY-6型聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，德國華倫公司；QC12Y液壓擺式剪板機(jī)，南通眾誠數(shù)控機(jī)床有限公司；Z4120型臺鉆，浙江金牛機(jī)械有限公司；DK7735電火花數(shù)控線切割機(jī)，青州經(jīng)緯儀器有限公司；GT-9096噴砂機(jī)，青島冠泰噴砂設(shè)備有限公司；101-1AB電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；HH-1恒溫水浴箱，常州華普達(dá)教學(xué)儀器有限公司。

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagrams of specimens

1.3 試驗(yàn)制備

1.3.1 損傷件的制備

用液壓擺式剪板機(jī)裁得試件尺寸為140 mm×50 mm，分為預(yù)制裂紋和預(yù)制破孔2大組，預(yù)制裂紋為橫向中心裂紋，長度為10 mm，用電火花數(shù)控線切割機(jī)床制得；預(yù)制破孔位置在試件中心，直徑10 mm，用工業(yè)臺鉆制得。如圖1所示。

1.3.2 修復(fù)試件的制備

損傷試件經(jīng)過清洗、噴砂和干燥等步驟后進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方式為鋪設(shè)4層玻璃纖維。試件變量有3個：補(bǔ)片長度、固化溫度和使用環(huán)境。補(bǔ)片長度有60 mm、70 mm和80 mm 3種；加熱固化條件是利用電熱鼓風(fēng)干燥箱100℃處理2 h，室溫固化條件是置放于室溫下24 h以上；本次實(shí)驗(yàn)利用恒溫水浴箱產(chǎn)生的高溫、高熱環(huán)境加速腐蝕過程，水溫恒為99℃，處理時間為48 h。

1.4 性能測試

（1）拉伸試驗(yàn)：按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用電子萬能拉力機(jī)進(jìn)行測試（室溫下，拉伸速率為5 mm/min）。

（2）失效過程：采用高速攝像采集分析系統(tǒng)進(jìn)行觀察（取相頻率為512FPS）；采用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析（利用其中的1、2、3這3個信號通道，1為傳感器粘接在復(fù)合材料補(bǔ)片上部，2為傳感器粘接在鋁合金板上，3為傳感器粘接在復(fù)合材料補(bǔ)片下部，如圖2所示）。

圖2 傳感器的安裝Fig.2 Installation of sensors

2 結(jié)果與討論

2.1 失效模式分析

如前所述，試件的破壞形式有：Ⅰ型破壞、Ⅱ型破壞和Ⅲ型破壞。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的幾種典型失效模式如圖3所示。

本次實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的不同失效模式體現(xiàn)在不同過程中：當(dāng)試件經(jīng)過濕熱處理后，補(bǔ)片本身的強(qiáng)度和補(bǔ)片與金屬板的黏附強(qiáng)度均降低，在承受拉伸載荷時，首先是損傷處發(fā)生脫粘，損傷處少量纖維絲發(fā)生失效，進(jìn)而補(bǔ)片被破壞，這是Ⅱ型破壞的過程；如果試驗(yàn)力先達(dá)到補(bǔ)片與金屬板的黏附強(qiáng)度，補(bǔ)片會在邊緣和損傷處發(fā)生脫粘，隨著試驗(yàn)力的增加，如果達(dá)到補(bǔ)片的強(qiáng)度而未完全脫粘，補(bǔ)片會被破壞，由于補(bǔ)片的破壞不是一個瞬間過程，在此過程中，脫粘仍在繼續(xù)，鋁合金板也開始出現(xiàn)破壞，直至完全脫粘，鋁合金板隨即被拉斷，這就是Ⅲ型破壞的過程；如果試驗(yàn)力未達(dá)到補(bǔ)片的抗拉強(qiáng)度就發(fā)生了完全脫粘，就是Ⅰ型破壞過程。

圖3 典型失效模式Fig.3 Typical failure modes

2.2 失效過程分析

2.2.1 Ⅰ型破壞

在高速攝像采集分析系統(tǒng)捕捉到的畫面中截取5張明顯變化的照片，從中可以看到：典型的Ⅰ型破壞過程會經(jīng)過損傷處起膠、脫粘擴(kuò)展、邊緣脫粘和完全脫粘這4個過程。照片中泛白色的就是脫粘部分，在拉伸載荷的作用下，損傷孔周圍的應(yīng)力集中相對最嚴(yán)重，因此，在孔周圍最先出現(xiàn)粘接修復(fù)的破壞，出現(xiàn)了補(bǔ)片的剝離現(xiàn)象。隨著試驗(yàn)力逐漸增大，破孔周邊的剝離區(qū)域不斷擴(kuò)展。由于補(bǔ)片和鋁板的剝離，載荷通過膠層傳遞給補(bǔ)片的能力減弱，整個粘接修復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力下降。載荷的傳遞越來越集中到補(bǔ)片的2端區(qū)域，導(dǎo)致補(bǔ)片邊緣區(qū)域的應(yīng)力越來越大，剝離應(yīng)力也因此增大，引起端部補(bǔ)片發(fā)生剝離，最終補(bǔ)片在損傷孔的一側(cè)完全與鋁板剝離。隨后鋁板被拉斷，形成結(jié)構(gòu)破壞。如圖4所示。

試件的聲發(fā)射信號如圖5所示。由圖5可知：實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到80 s時，試驗(yàn)力為22.6 kN，這非常接近破孔損傷試件的破壞載荷，通道1和通道3出現(xiàn)第1次信號，但信號強(qiáng)度并不高，這是由于損傷孔處脫粘剝離引起的，在90～100 s之間，脫粘區(qū)域不斷擴(kuò)展，1通道和3通道均有信號且強(qiáng)度相當(dāng)。100～120 s，脫粘區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)展，并且補(bǔ)片的端部也開始脫粘剝離。在此區(qū)間，1通道的信號明顯強(qiáng)于3通道，這是因?yàn)?傳感器所在上部膠層脫粘剝離比較嚴(yán)重，最終上部分補(bǔ)片完全剝離。隨后在130 s時，鋁合金板被拉斷，貼在鋁合金板上的2傳感器檢測到信號。

圖4 Ⅰ型破壞過程Fig.4 Propagation process of type Ⅰ failure

圖5 Ⅰ型破壞聲發(fā)射信號Fig.5 Acoustic emission signals of typeⅠfailure

2.2.2 Ⅱ型破壞

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，99 ℃高溫下樹脂基體固化后交聯(lián)密度增大，因此會提高試件的黏附強(qiáng)度。在濕熱環(huán)境下，樹脂會吸收更多的水蒸汽而發(fā)生膨脹，但是纖維的吸水量極少，這就導(dǎo)致樹脂基體與部分纖維絲的結(jié)合強(qiáng)度嚴(yán)重下降，進(jìn)而使得補(bǔ)片本身的強(qiáng)度有所降低，致使其主要失效模式為Ⅱ型破壞。

Ⅱ型破壞首先仍然是沿著損傷的周邊形成部分脫粘，隨后，在其損傷處會出現(xiàn)補(bǔ)片少量纖維絲的失效，隨著試驗(yàn)力逐漸增大，補(bǔ)片被拉斷，但是補(bǔ)片與金屬板僅在損傷處有少量脫粘。如圖6所示。圖7為復(fù)合材料粘接修理失效前，拉伸過程中補(bǔ)片出現(xiàn)的裂紋。

圖6 Ⅱ型破壞特征圖Fig.6 Diagram of typeⅡfailure

圖7 補(bǔ)片出現(xiàn)的裂紋Fig.7 Crack on patch

典型的Ⅱ型破壞在拉伸過程中的試驗(yàn)力-位移曲線如圖8所示。由圖8可知：與經(jīng)典拉伸曲線基本無差別。這是因?yàn)檠a(bǔ)片和鋁合金板的黏附強(qiáng)度大于補(bǔ)片本身的強(qiáng)度，2者在承受載荷時一起發(fā)生破壞。

圖8 Ⅱ型破壞試驗(yàn)力-位移曲線Fig.8 Curve of load VS. displacement for typeⅡ failure

試件的聲發(fā)射信號如圖9所示。由圖9可知：在61 s時，即試驗(yàn)力為16.7 kN時，1通道和3通道開始出現(xiàn)信號，這是補(bǔ)片內(nèi)部在損傷處有少量纖維絲開始失效，并伴隨有脫粘現(xiàn)象。此時試驗(yàn)力低于裂紋損傷試件的破壞力18.33 kN，證明經(jīng)過濕熱處理的試件性能嚴(yán)重下降。此過程一直持續(xù)到88 s，在88 s處，補(bǔ)片開始出現(xiàn)類似裂紋的損傷并開始擴(kuò)展，如圖8所示。同時，2通道也出現(xiàn)信號，表明鋁合金的裂紋也在擴(kuò)展，最終2者同時被拉斷。

圖9 Ⅱ型破壞聲發(fā)射信號Fig.9 Acoustic emission signals of type Ⅱfailure

2.2.3 Ⅲ型破壞

由于黏附強(qiáng)度和補(bǔ)片強(qiáng)度接近，Ⅲ型破壞的不同點(diǎn)是脫粘過程中的補(bǔ)片被破壞，補(bǔ)片破壞和脫粘同時進(jìn)行，直至金屬板破壞，但是膠層并未完全脫離。由于前幾個過程大致相似，這里只比較最后破壞特征。如圖10所示。

圖10 Ⅲ型破壞后的試件Fig.10 Specimen after typeⅢ failure

Ⅲ型破壞在拉伸過程中的試驗(yàn)力-位移曲線如圖11所示。由圖11可知：與Ⅱ型破壞相同的是，在A點(diǎn)之前一直呈現(xiàn)出經(jīng)典的拉伸曲線，試件在A點(diǎn)發(fā)生損傷處的脫粘，試驗(yàn)力有一個突變，A點(diǎn)到B點(diǎn)的過程還是持續(xù)脫粘的過程。

圖11 Ⅲ型破壞試驗(yàn)力-位移曲線Fig.11 Curve of load VS. displacement for typeⅢ failure

試件的聲發(fā)射信號如圖12所示。由圖12可知：實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到92 s時，即試驗(yàn)力為23.02 kN時，試驗(yàn)力已經(jīng)超過裂紋損傷的破壞力18.33 kN，通道1第1次出現(xiàn)信號，這是由于損傷處脫粘而引起的，由此可見裂紋損傷的修復(fù)效果優(yōu)于破孔損傷。在95～105 s之間，通道1和通道3均有信號，且1通道信號較強(qiáng)、持續(xù)時間較長，說明上部分脫粘比較嚴(yán)重，補(bǔ)片破壞也始于上半部分；2通道也出現(xiàn)較弱的信號，說明裂紋有擴(kuò)展。105～106 s處，3個通道均有較強(qiáng)的信號，此過程中，補(bǔ)片破壞、脫粘，鋁合金板被拉斷。但是補(bǔ)片的第1層纖維布并未完全從鋁合金板脫離，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，在126～127 s時，單層纖維布被拉斷，通道1出現(xiàn)信號。最后特征如圖10所示。

圖12 Ⅲ型破壞聲發(fā)射信號Fig.12 Acoustic emission signals of typeⅢ failure

3 結(jié)論

（1）在高溫下，由于外界提供的能量較大，樹脂的固化程度更高，補(bǔ)片與鋁合金板的黏附性更好，不易發(fā)生Ⅰ型破壞。

（2）由于樹脂基體的吸水性比纖維好，濕熱環(huán)境下，樹脂和纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度會降低，因此補(bǔ)片強(qiáng)度降低，其失效模式主要為Ⅱ型破壞。

（3）修復(fù)構(gòu)件的失效都是從應(yīng)力集中相對最嚴(yán)重的損傷處開始脫粘。黏附強(qiáng)度較弱的試件會發(fā)生Ⅰ型破壞；補(bǔ)片強(qiáng)度較弱的試件會發(fā)生Ⅱ型破壞；2者強(qiáng)度相當(dāng)時會發(fā)生Ⅲ型破壞。

（4）典型的Ⅰ型破壞過程會經(jīng)過損傷處起膠、脫粘擴(kuò)展、邊緣脫粘和完全脫粘這4個過程；典型的Ⅱ型破壞有損傷處起膠、脫粘擴(kuò)展、補(bǔ)片破壞和補(bǔ)片拉斷這4個過程；典型的Ⅲ型破壞為損傷處起膠、脫粘擴(kuò)展、邊緣脫粘、補(bǔ)片破壞和金屬板破壞這5個過程。