膠接修復(fù)對碳纖維復(fù)合材料層合板撓度的影響

張晨穎 楊 濤1， 杜 宇 侯思宇

（1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

（2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

文 摘 為了研究膠接修復(fù)對碳纖維復(fù)合材料層合板彎曲撓度的影響，試驗(yàn)設(shè)置了階梯搭接和斜面搭接兩種搭接方式，通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）來研究膠接接頭的彎曲變形情況。結(jié)果表明，在相同搭接長度下，階梯搭接試件的失效載荷和彎曲強(qiáng)度均低于斜面搭接試件；試件的彎曲撓度與強(qiáng)度和搭接長度有關(guān)，搭接長度越長，彎曲強(qiáng)度越高，而彎曲撓度越小。由此表明，搭接長度越長，膠接層合板的強(qiáng)度越高，但不利于層合板的柔性變形。

0 引言

碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，然而這種大型結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)制造以及使用的過程中容易產(chǎn)生缺陷和損傷。因此，膠接修復(fù)以輕質(zhì)、高效的特點(diǎn)，成為航空航天設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)，在極大程度上減少了材料的浪費(fèi)。由于接頭處材料和結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，膠接接頭恰恰成為整個(gè)構(gòu)件中最薄弱的位置，進(jìn)而影響構(gòu)件整體性能。目前針對膠接接頭的研究多集中于強(qiáng)度，包括拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度等，如孫中雷等［1］對復(fù)合材料膠接接頭的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真，羅書舟等［2］對單搭接接頭的低速?zèng)_擊進(jìn)行了數(shù)值模擬。

增強(qiáng)膠接接頭強(qiáng)度主要包括改變膠接接頭表面特性、改善膠黏劑的性質(zhì)以及優(yōu)化搭接結(jié)構(gòu)三方面。對于復(fù)合材料板之間的粘結(jié)過程，基板表面特性對粘結(jié)部件的粘結(jié)性能的影響較大，所以對膠接面進(jìn)行合適的表面處理以增強(qiáng)材料的粘接性能。如TAKEDA 等［3］用火焰表面處理方法對CFRP 單搭接試件膠接接頭進(jìn)行處理；QUAN 等［4］采用高功率紫外光對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行快速表面處理；劉良威［5］和LEDESMA等［6］研究了激光表面處理對碳纖維復(fù)合材料膠接性能的影響；YANG 等［7］研究了打磨方向和表面粗糙度對膠接接頭強(qiáng)度的影響。通過這些表面處理，提高了接頭強(qiáng)度和抗剪能力，進(jìn)而提高了膠接接頭的斷裂韌性。

膠接接頭的強(qiáng)度不僅與接頭的表面特性有關(guān)，還與膠黏劑的性質(zhì)有關(guān)。加入納米顆?？梢蕴畛淠z黏劑中的氣泡，使粘接更充分。KHASHABA 等［8］在環(huán)氧樹脂中引入多壁碳納米管以改善斜面式膠接接頭的性能；原文慧等［9］在膠黏劑中加入碳納米管（CNTs），有效提升了膠合板的拉剪強(qiáng)度；DORIGATO等［10］在膠黏劑中加入Al2O3納米顆粒，提高了單搭接接頭的抗剪強(qiáng)度和疲勞壽命。

不同的搭接結(jié)構(gòu)對層合板強(qiáng)度的影響很大，常見的膠接結(jié)構(gòu)有階梯式搭接、斜面式搭接和單搭接等。曹雙輝等［11］研究了多級階梯式膠接結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和壽命；余芬等［12］對階梯型膠接修補(bǔ)進(jìn)行有限元模擬；WU等［13］通過有限元模擬階梯搭接和斜面搭接在室溫和濕熱條件下的損傷容限；鄒田春等［14］研究了異種材料間搭接長度對膠接接頭性能的影響；DURMUS 等［15］研究了不同步長的單搭接接頭、一步搭接接頭和三步搭接接頭在拉伸載荷作用下的力學(xué)性能；ZHANG 等［16］研究溫度和搭接長度對搭接接頭壓剪性能的影響，得到膠接層剪切應(yīng)力隨接頭搭接長度的變化規(guī)律；郭霞等［17］研究了搭接長度對復(fù)合材料單搭接膠接接頭的影響，當(dāng)搭接長度大于20 mm時(shí)，應(yīng)力值變化減小，同時(shí)具有一定的承載能力，極限載荷均值隨搭接長度提升。

在飛機(jī)飛行過程中，機(jī)翼受氣動(dòng)載荷的作用產(chǎn)生較大彎曲變形，從而對外翼的正常工作造成影響，所以在保證膠接強(qiáng)度的同時(shí)，還要考慮對彎曲撓度的影響。目前，對于搭接接頭強(qiáng)度的研究較多，而關(guān)于膠接修復(fù)后層合板彎曲變形的研究較少，本文通過三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和DIC 高頻拍攝，研究階梯搭接和斜面搭接兩種接頭類型在不同載荷下的彎曲撓度，得到不同接頭類型和搭接長度對撓度的影響，并進(jìn)一步分析膠接接頭的應(yīng)變情況。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制備

試件采用T300 碳纖維增強(qiáng)樹脂基預(yù)浸料制備，材料的密度為1.76 g/cm3，碳纖維直徑為7 μm。層合板采用［0°/90°］4S的鋪層方式，采用熱壓罐方式固化成型，成型后層合板的厚度為2 mm。按照三點(diǎn)彎標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸采用水射流切割試件，保證最終粘接好的試件尺寸為90 mm×25 mm×2 mm，將裁剪好的試件加工成階梯狀和斜面狀結(jié)構(gòu)。

為獲得較好的膠接強(qiáng)度，用細(xì)砂紙打磨表面并用清水沖洗1～2 min，在丙酮中浸泡10 min 進(jìn)行脫脂處理，最后用蒸餾水清洗，烘干待用。

實(shí)驗(yàn)采用Araldite 2015 的雙組分韌性環(huán)氧樹脂膠黏劑，在室溫環(huán)境下按1∶1的體積比例充分混合進(jìn)行粘接。膠黏劑的初始固化時(shí)間為4 h，24 h 后達(dá)到最佳膠接強(qiáng)度。膠接后用游標(biāo)卡尺測量膠接處厚度和原試件厚度，使厚度之差保持在0.1 mm 內(nèi)，最大程度恢復(fù)層合板的外形。階梯式和斜面式膠接層合板的膠接接頭示意圖如圖1所示。

圖1 階梯式膠接和斜面式膠接接頭模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of stepped and bevelled glue joint models

在保證搭接長度小于跨距且具有一定承載能力的前提下，實(shí)驗(yàn)采用S=20、30、40、50 mm 4 種搭接長度。為保證斜面搭接長度與階梯搭接長度一致，各搭接長度對應(yīng)的修補(bǔ)斜度為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，實(shí)驗(yàn)設(shè)置完好試件與膠接試件做對照。試件共分為9組，每組4個(gè)試件，參數(shù)如表1所示。

表1 試件編號與參數(shù)Tab.1 Specimen number and parameters

1.2 試驗(yàn)條件及測試方法

試件采用簡支梁三點(diǎn)彎曲的方法測試彎曲強(qiáng)度，根據(jù)國際測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 790M，試件的尺寸取90 mm×25 mm×2 mm，跨厚比取32∶1。采用日本島津的AGS-X-50kND 型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行勻速加載，加載速度為2 mm/min，跨距為64 mm，實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 三點(diǎn)彎試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Three point bending test device diagram

試件的彎曲撓度采用數(shù)字圖像相關(guān)檢測與分析系統(tǒng)（Digital Image Correction，簡稱DIC）對膠接件搭接區(qū)域應(yīng)變場進(jìn)行采集與分析。試件的側(cè)面噴涂白色底漆，并制作黑色散斑，白色與黑色面積比約為1∶1；圖像采集頻率為1 幀/s，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖3 層合板彎曲試驗(yàn)與應(yīng)變采集設(shè)備Fig.3 Bending test and strain acquisition equipment for laminated plates

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為不同搭接長度的階梯式搭接和斜面式搭接三點(diǎn)彎曲載荷時(shí)的典型載荷-位移曲線，可以看出隨著搭接長度的增加，兩種膠接接頭的彎曲失效載荷均呈增長趨勢；對比可見階梯搭接的彎曲失效載荷均小于完好試件，斜面搭接的彎曲失效載荷較大，且斜面搭接的彎曲失效載荷整體均大于階梯搭接，在搭接40、50 mm時(shí)，失效載荷大于完好試件。

圖4 不同搭接長度下的典型載荷-位移曲線Fig.4 Typical load displacement curves under different lap lengths

試件的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中，σy為彎曲強(qiáng)度；pmax為最大彎曲載荷；l為跨距；b為試件寬度；t為試件厚度。

表2為完好試件、階梯搭接和斜面搭接試件的失效載荷、彎曲強(qiáng)度值及修補(bǔ)效率。其中，完好試件的彎曲強(qiáng)度為1 017.01 MPa。在兩種搭接方式下，試件的彎曲強(qiáng)度均隨搭接長度的增大而增大，階梯搭接試件的整體彎曲強(qiáng)度較低，在搭接50 mm 時(shí)的彎曲強(qiáng)度最高，為369.65 MPa；斜面搭接試件的彎曲強(qiáng)度增長趨勢明顯，在斜面搭接長度分別為40、50 mm時(shí)，彎曲強(qiáng)度分別為1 031.93、1 327.64 MPa，均高于完好試件。因此，斜面搭接的修補(bǔ)效率要高于階梯搭接，斜面搭接長度為40、50 mm 時(shí)，其修補(bǔ)效率達(dá)到101.47%和130.54%，二者承載彎曲載荷的能力超過完好試件。

表2 不同搭接長度下試件的失效載荷、彎曲強(qiáng)度及修補(bǔ)效率Tab.2 Failure load，bending strength and repair efficiency of specimens with different lap lengths

2.2 彎曲撓度結(jié)果分析

膠接接頭的力學(xué)性能分為兩個(gè)階段，第一階段為彈性變形階段，第二階段為斷裂失效階段，本文的彎曲撓度均在彈性變形階段進(jìn)行測量分析。圖5為不同階梯搭接長度在載荷為30、50、70、90 N 下與完好試件的撓度趨勢對比。可以看出，在載荷較小為30 N 時(shí)，搭接長度為20 mm 時(shí)的撓度更接近于完好試件，隨著載荷增加，由于搭接長度為20 mm 的強(qiáng)度太小，導(dǎo)致搭接接頭發(fā)生破壞，撓度迅速變大。當(dāng)載荷為90 N 時(shí)，搭接長度為40 mm 的撓度更接近于完好試件，搭接長度為50 mm 的彎曲撓度始終小于完好試件。表3為階梯搭接試件和完好試件在同一載荷下的最大撓度值。

圖5 不同長度的階梯搭接試件在同一載荷下的撓度曲線Fig.5 Deflection curve of different length stepped lap specimens under the same load

表3 階梯搭接試件與完好試件在同一載荷下的最大撓度值Tab.3 Maximum deflection value of step lap test piece and intact test piece under the same load

圖6為不同斜面搭接長度的試件在載荷為100、200、300、400 N 下與完好試件的撓度趨勢對比。從圖6（a）中可以看出，當(dāng)載荷為100 N 時(shí)，斜面搭接試件的撓度均小于完好試件，故當(dāng)載荷低于100 N 時(shí)，斜面搭接試件的撓度必然小于完好試件，因此斜面搭接試件的撓度僅在100～400 N 內(nèi)進(jìn)行分析。可以看出，撓度隨著搭接長度的增大而減小；斜面搭接長度為30、40、50 mm 的試件在100～400 N 的載荷下，撓度始終小于完好試件，說明搭接長度對于試件的彎曲撓度影響較大，不利于試件的柔性彎曲；而搭接長度為20 mm 的試件，由于其強(qiáng)度較小，強(qiáng)度對撓度的影響大于搭接長度的影響，當(dāng)載荷不斷增加時(shí)，其撓度比完好試件大。表4為斜面搭接試件和完好試件在同一載荷下的最大撓度值。

表4 斜面搭接試件與完好試件在同一載荷下的最大撓度值Tab.4 Maximum deflection values of inclined lap joint specimen and intact specimen under the same load

圖6 不同長度的斜面搭接試件在同一載荷下的撓度曲線Fig.6 Deflection curves of different lengths of inclined lap specimens under the same load

通過觀察同一載荷下不同搭接長度的撓度曲線，可見搭接長度越長越不利于碳纖維層合板的彎曲撓度；對比兩種不同搭接形式隨載荷增加的撓度變化趨勢可以看出強(qiáng)度對撓度的影響，強(qiáng)度越低，層合板的彎曲撓度越大。所以在保證強(qiáng)度的同時(shí)，盡量選取較短的搭接長度，以保證層合板的柔性彎曲。

2.3 DIC分析

在施加壓力的過程中，膠接接頭處受到剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力的影響，在膠接接頭區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變較為復(fù)雜，本文僅對斜面搭接試件的側(cè)表面進(jìn)行應(yīng)變分析。圖7為4 種搭接長度的斜面搭接試件在400 N時(shí)的x方向應(yīng)變云圖，可以看出在局部壓力的作用下，膠接區(qū)域的應(yīng)變值從上到下呈由負(fù)到正的變化趨勢。層合板的上表面被壓縮，應(yīng)變值為負(fù)，尤其在上表面的接頭A 處產(chǎn)生最大負(fù)應(yīng)變；層合板的下表面被拉伸，應(yīng)變值為正，在下表面接頭B 處有最大正應(yīng)變。當(dāng)搭接長度增大時(shí)，層合板的應(yīng)變值的變化范圍隨之減小，接頭處的應(yīng)變不再集中分布，原因是搭接長度越長，增大了膠接面積，膠接接頭處的承載能力提高，避免了應(yīng)力集中，接頭的剪切應(yīng)力減小。

圖7 4種斜面搭接長度在400 N下的x方向應(yīng)變云圖Fig.7 x-Direction strain nephogram of four kinds of inclined plane lap length at 400 N

圖8為4 種長度的斜面搭接試件在400 N 時(shí)的y方向應(yīng)變云圖，可以看出y方向的整體應(yīng)變并不明顯，應(yīng)變主要集中在C處，由于搭接長度為20、30 mm的試件的接頭處恰與C 處應(yīng)變位置重合，接頭處更容易受到剝離應(yīng)力的影響。

圖8 4種斜面搭接長度在400 N下的y方向應(yīng)變云圖Fig.8 y-Direction strain nephogram of four kinds of inclined plane lap length at 400 N

3 結(jié)論

（1）對4種不同搭接長度的階梯搭接和斜面搭接試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，階梯搭接試件最大彎曲強(qiáng)度為369.65 MPa，斜面搭接試件最大彎曲強(qiáng)度為1 327.64 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著搭接長度的增加，兩種形式下的搭接試件的最大彎曲強(qiáng)度均明顯增大，且斜面搭接試件的最大彎曲強(qiáng)度明顯大于階梯搭接試件，當(dāng)斜面搭接長度為40 和50 mm 時(shí)，最大彎曲強(qiáng)度大于完好試件，彎曲效率為101.47%和130.54%。

（2）通過對比四種搭接長度的階梯搭接和斜面搭接在同一載荷下的撓度曲線，階梯搭接長度為20 mm 的試件在30 N 的較小載荷下的彎曲撓度更接近于完好試件，搭接長度為50 mm 的試件的彎曲撓度始終小于完好試件；斜面搭接長度為20 mm 的試件在100 和200 N 的載荷下，撓度與完好試件相似，當(dāng)載荷繼續(xù)增大時(shí)，撓度也隨之增大，并超過完好試件，而搭接長度為30、40和50 mm 的試件的彎曲撓度在100～400 N 的載荷下始終小于完好試件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，搭接長度越長，撓度越小，越不利于層合板的柔性彎曲。

（3）當(dāng)搭接長度較短時(shí)，層合板在x方向和y方向應(yīng)變值均集中于膠接接頭處，隨著搭接長度的增大，接頭處的應(yīng)變不再集中分布，且應(yīng)變值的變化范圍逐漸減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，搭接長度越長，改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)變值的變化范圍減小，不利于膠接接頭的柔性彎曲。