復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)濕態(tài)鉚接對(duì)界面性能的影響研究

王艷麗，項(xiàng)國(guó)輝，陳博毅，鄭 艦

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330095）

0 引言

復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)一定程度上整體化成型,被廣泛應(yīng)用于航空航天及汽車等多個(gè)領(lǐng)域,但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仍不可避免地需要與其他部件連接,復(fù)合材料連接技術(shù)經(jīng)歷了機(jī)械連接、膠接連接和混合連接三個(gè)發(fā)展階段。其中，機(jī)械連接具有連接強(qiáng)度高、便于拆卸維修、抗沖擊性能好及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在鉆孔導(dǎo)致的應(yīng)力集中、連接件增重及連接效率低等問(wèn)題[1]。相比于機(jī)械連接，膠接連接具有耐疲勞、耐腐蝕、質(zhì)量輕、絕緣性好、不產(chǎn)生制孔后的應(yīng)力集中以及容易實(shí)現(xiàn)膠接一體化等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。但膠接強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)參數(shù)及膠接工藝的影響，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)包括膠層厚度、膠接長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)鋪層等，膠接工藝包括膠粘劑選擇、表面處理方式、環(huán)境條件及接頭形式等，影響因素較多,導(dǎo)致膠接強(qiáng)度分散性較大[1]。

因機(jī)械連接與膠接存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)連接的性能可靠性及穩(wěn)定性，出現(xiàn)了多種新型連接方式，其中膠/鉚混合連接結(jié)合了機(jī)械連接的負(fù)載優(yōu)勢(shì)與膠接的輕質(zhì)高強(qiáng)，能傳遞更大載荷且載荷傳遞路徑多[3]，能保證一定的接頭密封性。膠/鉚混合連接相對(duì)于單純的膠接連接，可阻止裂紋的擴(kuò)展，具有較高的抗疲勞強(qiáng)度[1]，相對(duì)于單純的機(jī)械連接，又可減小制孔處的應(yīng)力集中，故成為未來(lái)復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)重要的發(fā)展方向。

在膠/鉚混合連接的前提下，為掌握復(fù)合材料件與金屬件在膠粘劑不同固化條件下膠接時(shí)對(duì)其界面性能（剪切強(qiáng)度）的影響，規(guī)劃并開(kāi)展了相應(yīng)試驗(yàn)。 結(jié)果表明，相對(duì)于膠粘劑完全固化后進(jìn)行制孔鉚接，膠粘劑未完全固化鉚接即濕鉚時(shí)，可顯著提高剪切強(qiáng)度，同時(shí)縮短制造周期，降低制造成本，為之后相似領(lǐng)域復(fù)合材料件與金屬件的連接方式提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)復(fù)合材料件為平板件，預(yù)浸料材料型號(hào)為UC125/9A16；鋪層角度為[0/0/0/45/-45/0/0/0/45/-45/0/0/90]S，共計(jì)26 層，厚度3.12mm；平板上標(biāo)識(shí)0°鋪層方向。 鋁合金試板為平板件，材料為2A12-CZ。 復(fù)合材料試板和鋁合金試板的膠接使用室溫固化厚膠層高韌性結(jié)構(gòu)膠粘劑J-135，膠粘劑固化厚度0.2mm。鋁合金試板與復(fù)合材料試板膠接前要求表面混酸陽(yáng)極化處理；復(fù)合材料試板與金屬試板搭接長(zhǎng)度為50mm；2 個(gè)鋼鉚釘HB6319 直徑φ4mm，連接邊距12.5mm，鉚釘間距25mm。剪切強(qiáng)度試驗(yàn)前需實(shí)測(cè)并記錄膠接區(qū)的長(zhǎng)度、寬度和膠層厚度范圍。

試樣制備示意圖見(jiàn)圖1，試樣選用材料及尺寸見(jiàn)表1。

表1 試樣制備材料

圖1 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)件膠接示意圖

試驗(yàn)環(huán)境為室溫干態(tài)，溫度23±2℃，相對(duì)濕度50%±10%RH。以不大于4mm/min 的速度穩(wěn)定加載進(jìn)行剪切試驗(yàn)。 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)件加載示意圖如圖2。

圖2 剪切試驗(yàn)加載示意圖

試樣制備分濕鉚、基本固化鉚接和完全固化鉚接三種狀態(tài)，考慮到實(shí)際工藝方案存在膠粘劑固化狀態(tài)的時(shí)效性，濕鉚設(shè)置一組1.5h 后濕鉚試驗(yàn)，為鉚接預(yù)留操作時(shí)間。每種狀態(tài)的試樣編號(hào)和數(shù)量等信息見(jiàn)表2。

表2 試樣制備狀態(tài)

1） 濕鉚狀態(tài)指按圖1 制2-φ4.1mm 鉚釘孔，再按圖1 和相關(guān)要求進(jìn)行膠接， 然后鉚接，7 天后做剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。

2） 基本固化鉚接狀態(tài)指按圖1 和相關(guān)要求進(jìn)行膠接，再在膠接處施接觸壓力進(jìn)行固定以保證膠層厚度均勻并保持3 天，然后制孔鉚接，7 天后做剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。

3） 完全固化鉚接狀態(tài)指按圖1 和相關(guān)要求進(jìn)行膠接，再在膠接處施接觸壓力進(jìn)行固定以保證膠層厚度均勻并保持7 天，然后制孔鉚接，7 天后做剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。實(shí)際剪切試驗(yàn)過(guò)程如圖3 所示。

圖3 實(shí)際剪切試驗(yàn)過(guò)程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

處理分析記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到各試樣等效剪切強(qiáng)度，見(jiàn)表3，試樣剪切試驗(yàn)破壞模式如圖4所示。

表3 試樣等效剪切強(qiáng)度

圖4 試樣破壞模式圖

由所有試樣剪切試驗(yàn)后的形貌分析可知，膠接層一定發(fā)生破壞，故破壞模式主要有以下兩種：

1） 膠接層受剪切破壞，鉚釘受剪切彎曲變形；

2） 膠接層受剪切破壞，復(fù)材板與鉚釘連接處應(yīng)力集中發(fā)生擠壓破壞。且由編號(hào)可知，當(dāng)破壞模式為鉚釘完全變形時(shí)，剪切強(qiáng)度為同小組試樣最低值，為使剪切強(qiáng)度盡可能大，破壞模式應(yīng)傾向于使復(fù)合材料件受鉚釘擠壓破壞。

處理數(shù)據(jù)得到不同狀態(tài)試樣界面性能對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同狀態(tài)試樣界面性能對(duì)比

由表4 可知，對(duì)比完全固化鉚接方案，基本固化鉚接方案試樣的平均等效剪切強(qiáng)度提高11.80%，最小等效剪切強(qiáng)度提高17.27%，原因可能是膠粘劑完全固化時(shí)再進(jìn)行鉚接會(huì)破壞膠接面的連續(xù)性，而未完全固化時(shí)進(jìn)行鉚接，因膠粘劑的粘彈性，具有一定的抗膠接面損傷能力，故剪切強(qiáng)度較完全固化后鉚接有所提升。膠接后立即進(jìn)行鉚接，因膠粘劑流動(dòng)性較好，膠粘劑滲透進(jìn)制孔鉚接面的膠接面積更大，故剪切強(qiáng)度提升50%左右，但因膠粘劑無(wú)法定型，存在操作不便等問(wèn)題。 考慮膠粘劑時(shí)效性，在膠接后1.5h 進(jìn)行鉚接，此時(shí)膠粘劑有一定固化度，粘性增大，操作上較立即濕鉚更加方便，但鉚接時(shí)易造成膠接面存在氣泡等間隙，破壞膠接面的連續(xù)性，故剪切強(qiáng)度較完全固化后鉚接增幅不明顯。綜上所述，基本完全固化鉚接和制孔膠接后1.5h 內(nèi)鉚接較完全固化后鉚接剪切強(qiáng)度更高，可根據(jù)實(shí)際工藝操作進(jìn)行選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)室溫膠接不同固化狀態(tài)緊固件安裝界面性能試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，對(duì)比了完全固化鉚接、基本固化鉚接和濕法鉚接三種方案試樣的等效剪切強(qiáng)度。分析結(jié)果表明，基本固化鉚接和濕法鉚接這兩種工藝方案試樣界面剪切性能均優(yōu)于完全固化鉚接方案。后續(xù)結(jié)構(gòu)裝配工藝方案可根據(jù)實(shí)際施工便利性選擇基本固化鉚接或濕法鉚接提升界面剪切性能，從而替代完全固化鉚接。