體育器械用復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能研究

屈 濤

（西北大學(xué) 現(xiàn)代學(xué)院，陜西 西安710130）

前言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和柔軟可加工等特性而被廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織和化工等領(lǐng)域[1]，且隨著體育器械等行業(yè)對新材料性能要求的日益提高，應(yīng)用于體育器械的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/鋼的粘結(jié)性能成為衡量其使用性能的重要指標(biāo)[2]。通常情況下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/鋼的粘結(jié)主要由能將同種或兩種或兩種以上同質(zhì)或異質(zhì)的制件（或材料）連接在一起，固化后具有足夠強(qiáng)度的有機(jī)或無機(jī)的、天然或合成的膠粘劑來完成，而二者的界面粘結(jié)性能一直是使用過程中的薄弱環(huán)節(jié)[3]，尤其是在氣候變化或者溫度變化條件下，不同類型粘結(jié)劑制成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板/鋼界面的粘結(jié)性能會呈現(xiàn)出不同的差異[4]，而溫度交變對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板/鋼界面的粘結(jié)性能的影響方面的報道較少[5～7]。因此，本文選取線性膠粘劑和非線性膠粘劑對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板/鋼進(jìn)行了粘結(jié)處理，對比分析了兩種膠粘劑和溫度交變次數(shù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板/鋼界面粘結(jié)性能的影響，結(jié)果將有助于明確溫度交變環(huán)境下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板/鋼界面粘結(jié)劑的選取及弄清楚其對粘結(jié)性能的影響。

1 材料與方法

以拉擠型碳纖維增強(qiáng)體復(fù)合板（寬25mm、厚1.5mm，拉伸強(qiáng)度1652MPa、彈性模量172GPa、斷后伸長率1.0%）和薄鋼板（拉伸強(qiáng)度400MPa、屈服強(qiáng)度270MPa、彈性模量2.1×105MPa、泊松比0.29、斷后伸長率39.5%）為原料，以線性T1膠粘劑（彈性模量1.75GPa、拉伸強(qiáng)度39.8MPa、最大應(yīng)變6.35%、應(yīng)變能2N/mm）和非線性T2膠粘劑（彈性模量3.15GPa、拉伸強(qiáng)度52.92MPa、最大應(yīng)變1.93%、應(yīng)變能0.58N/mm）為結(jié)構(gòu)膠粘劑。

將上述拉擠型碳纖維增強(qiáng)體復(fù)合板和薄鋼板粘結(jié)成拉伸試件和短梁剪切試件。拉伸試件尺寸為25cm×25cm×1.5mm，測試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D3039《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》，每組準(zhǔn)備5個平行試樣；短梁剪切試件根據(jù)ASTM D2344/D2344M-2016《聚合物基復(fù)合材料及其層壓材料短梁強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》進(jìn)行試樣制備[8]，每組準(zhǔn)備5個平行試樣。試驗試件分別采用T1和T2兩種膠粘劑進(jìn)行膠粘，然后置于GT-TH-S-80Z型溫度交變箱中進(jìn)行溫度交變處理，具體方案如圖1，膠粘對接基體材料為鋼板。

圖2 拉伸試件形貌與加載裝置Fig.2 The tensile specimen morphology and loading device

圖2 為拉伸試件形貌與加載裝置宏觀形貌，試驗裝置為MTS-810型液壓伺服萬能拉伸試驗機(jī)，加載速率為1.5mm/min，溫度為室溫；在萬能拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板/鋼單面剪切試驗，加載速率為0.2mm/min，通過應(yīng)變采集儀記錄應(yīng)變變化，采集頻率為2Hz。

2 結(jié)果及討論

圖3 為不同溫度交變次數(shù)下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的室溫拉伸性能。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可見，溫度交變次數(shù)為0、150、300和500時的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本重合，即溫度交變次數(shù)不會對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線造成明顯影響[9]；從拉伸強(qiáng)度-溫度交變次數(shù)曲線可見，隨著溫度交變次數(shù)從0增加至500時，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的特征，但是變化幅度較??；從彈性模量-溫度交變次數(shù)變化曲線可見，溫度交變次數(shù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量影響較小，溫度交變次數(shù)為150、300和500時相較于溫度交變次數(shù)為0時的彈性模量都有少量減??；從最大應(yīng)變-溫度交變次數(shù)變化曲線可見，溫度交變次數(shù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的最大應(yīng)變影響較小。從不同溫度交變次數(shù)下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能測試結(jié)果可知，溫度交變次數(shù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能影響較小，即溫度交變處理不會顯著惡化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能。

圖3 不同溫度交變次數(shù)下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的室溫拉伸性能Fig.3 The room temperature tensile properties of the carbon fiber reinforced composite under different temperature alternation times

圖4 為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短梁剪切強(qiáng)度與溫度交變次數(shù)的關(guān)系曲線。

圖4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短梁剪切強(qiáng)度與溫度交變次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4 The relation curve between the short beam shear strength and temperature alternation times of carbon fiber reinforced composite

可見，隨著溫度交變次數(shù)的增加，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短梁剪切強(qiáng)度平均值呈現(xiàn)先增加后減小的特征；溫度交變次數(shù)為150、300和500時的短梁剪切強(qiáng)度平均值相較于溫度交變次數(shù)為0時的比值分別為1.08、1.02和1，可見，溫度交變次數(shù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短梁剪切強(qiáng)度的影響較小，且不同溫度交變次數(shù)下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞模式都表現(xiàn)為碳纖維復(fù)合材料與鋼板界面的層間剪切破壞。

圖5 為T1膠粘劑在溫度交變下的室溫拉伸性能。可見，隨著溫度交變次數(shù)從0增加至500次時，T1膠粘劑的拉伸強(qiáng)度變化幅度在5%以內(nèi)，表明溫度交變次數(shù)不會對T1粘結(jié)件的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。從彈性模量-溫度交變次數(shù)變化曲線可知，隨著溫度交變次數(shù)從0增加至500次時，T1膠粘劑的彈性模量呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。

圖5 T1膠粘劑在不同溫度交變次數(shù)下的室溫拉伸性能Fig.5 The tensile properties of T1 adhesive at room temperature under different alternating temperature times

圖6 T2膠粘劑在不同溫度交變次數(shù)下的室溫拉伸性能Fig.6 The tensile properties of T2 adhesive at room temperature under alternating temperature times

圖6 為T2膠粘劑在不同溫度交變次數(shù)下的室溫拉伸性能?？梢姡S著溫度交變次數(shù)從0增加至500次時，T2膠粘劑的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。從彈性模量-溫度交變次數(shù)變化曲線可知，隨著溫度交變次數(shù)從0增加至500次時，T1膠粘劑的彈性模量變化幅度在5%以內(nèi)，即溫度交變次數(shù)不會對T2膠粘劑的彈性模量造成明顯影響。

結(jié)合圖5和圖6兩種膠粘劑在不同溫度交變次數(shù)下的拉伸性能測試結(jié)果可知，線性T1膠粘劑和非線性T2膠粘劑在不同溫度交變次數(shù)下的拉伸性能變化趨勢明顯不同。其中，溫度交變次數(shù)對線性T1膠粘劑的拉伸強(qiáng)度影響較小，而對應(yīng)的彈性模量會隨著溫度交變次數(shù)增加而逐漸減?。?00次時下降了約9%）；溫度交變次數(shù)增加會降低非線性T2膠粘劑的拉伸強(qiáng)度（500次時降低了約16%），而對應(yīng)的彈性模量不會隨著溫度交變次數(shù)增加而發(fā)生明顯變化。

圖7 為不同溫度交變次數(shù)下膠粘劑試件的界面破壞形態(tài)。對于不同溫度交變次數(shù)下的T1膠粘劑試件，溫度交變次數(shù)對整體試件的極限承載力的影響較小，界面破壞模式也基本相同，都表現(xiàn)為加載端碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板層間剪切破壞[9～11]，而自由端界面脫粘程度較小的特征，未出現(xiàn)膠粘劑與鋼界面脫粘的斷裂方式[12]。對于不同溫度交變次數(shù)下的T2膠粘劑試件，溫度交變次數(shù)對整體試件的極限承載力有一定影響（500次時約降低9%），界面破壞模式也呈現(xiàn)出不同特征，如溫度交變次數(shù)為150、300和500次時，粘結(jié)位置出現(xiàn)了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板的層間剪切破壞，且夾頭位置的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板也出現(xiàn)了斷裂，而其它試件則出現(xiàn)了非粘結(jié)區(qū)域的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板斷裂破壞。

圖7 不同溫度交變次數(shù)下膠粘劑試件的界面破壞形態(tài)Fig.7 The interface failure mode of adhesive specimen under different temperature alternation times

3 結(jié)論

（1）溫度交變次數(shù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能影響較小，即溫度交變處理不會顯著惡化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能。

（2）溫度交變次數(shù)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短梁剪切強(qiáng)度的影響較小，且不同溫度交變次數(shù)下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞模式都主要表現(xiàn)為碳纖維復(fù)合材料與鋼板界面的層間剪切破壞。

（3）隨著溫度交變次數(shù)從0增加至500次時，溫度交變次數(shù)不會對T1粘結(jié)件的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響，T1膠粘劑的彈性模量呈現(xiàn)逐漸減小趨勢；隨著溫度交變次數(shù)從0增加至500次時，T2膠粘劑的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，溫度交變次數(shù)不會對T2膠粘劑的彈性模量造成明顯影響。