炭纖維層合板和鋁合金板階梯形膠接接頭拉伸失效實驗①

杜 宇，楊 濤，牛雪娟

(1.天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387； 2.天津工業大學 機械工程學院，天津 300387)

0 引言

復合材料具有比強度、比剛度高、可設計性強、疲勞性能好和耐腐蝕等許多優異性能，已成為航空航天結構中的基本材料[1-3]。大部分的結構中需要多個部件進行接頭連接，而膠接具有應力分布均勻、耐腐蝕性能好和工藝簡便等特點，適合不同材質、不同厚度和復雜構型的構件連接，已成為航天工藝中不可缺少的一種連接工藝技術[4]。膠接可分為單搭接、雙搭接、斜面形搭接和階梯形搭接等連接方式，斜面形和階梯形連接可降低結合面的剝離應力的產生。與斜面形膠接連接相比，階梯形膠接連接結合面較好，并具有很好的工藝特性，通過調整接頭的結構參數，可獲得較高的連接效率。

對階梯形膠接接頭，國內外學者從強度和結構參數方面進行了理論分析和實驗研究[5-6]。Ichikawa等[7]通過對拉伸載荷作用下的階梯形膠接接頭建立三維有限元模型，分析了膠層內的應力分布與膠層模量、膠層厚度以及階梯數量的影響。Beylergil等[8]通過試驗和數值分析，研究了玻璃纖維復合材料層合板階梯形膠接接頭在有無外加補片情況下的屈曲和壓縮破壞，驗證了外加補片可提高承載能力的作用，其試驗結果與數值分析結果一致，屈曲載荷隨著階梯搭接長度的增加而緩慢增長。Hart-Smith[9]采用基于連續介質損傷行為的力學分析方法，建立了斜面形和階梯形膠接接頭的數學模型，并對拉伸載荷條件下的內部應力分布進行了數值分析。Kim等[10]制備了炭纖維層合板階梯形膠接接頭，并進行了拉伸和疲勞實驗，分析搭接長度、搭接個數和階梯斜角對拉伸和疲勞性能的影響。Salih Akpinar[11]研究不同階梯數量的鋁合金階梯形膠接接頭和兩種不同的膠粘劑對其拉伸強度和破壞模式的影響，并運用有限元的分析方法，模擬了沿界面長度及寬度方面的剪應力和剝離應力的分布情況。陳光偉等[12]通過試驗分析了增強織物的接縫間隔長度對2D機織物疊層方式制備的復合材料拉伸和彎曲性能的影響。喬玉等[13]運用有限元法建立了雙階梯形膠接接頭的三維有限元模型，進行了拉伸漸進損傷分析，討論了搭接長度、外加補片的搭接長度及厚度對其拉伸強度的影響。

目前對階梯形膠接接頭力學性能研究相對較少，極少研究主要集中在理論分析方面，缺少實驗驗證。本文以炭纖維層合板和鋁合金板階梯形膠接接頭為研究對象，對其拉伸失效損傷進行實驗研究，重點討論搭接長度、粘接體厚度、膠層中缺陷及層合板的鋪層方式對接頭強度和失效模式的影響。

1 實驗

1.1 試件制備

測試試件的結構如圖1所示，依據ASTM D3039/3039M-00拉伸測試標準，炭纖維層合板與鋁合金板階梯形搭接長度為“L”，厚度為“T”，試件寬度為25 mm，長度為250 mm。在膠層中采用聚四氟乙烯薄膜制備缺陷，缺陷面積為16 mm2分布在搭接長度為20 mm和40 mm的正中位置。

層合板采用SK化工(青島)有限公司的TR60炭纖維預浸料制備，炭纖維的密度1.86 g/cm3，每層厚度為0.1875 mm，鋁合金板型號為6061。層合板采用模具熱壓成型的方法，在全自動熱壓、冷卻成型機上進行，具體操作是溫度設定為100 ℃加熱1.5 h和135 ℃加熱3 h，壓力設定為0.5 MPa。階梯粘接面用400#砂紙打磨，然后用丙酮清洗干凈，層合板和鋁合金用Araldite@2015膠粘劑粘接，在0.3 MPa的壓力下，常溫固化24 h。膠接后的試件如圖2所示。

對于階梯形膠接接頭，炭纖維層合板采用3種不同的鋪層順序，分別為[±45/0/90]2S、[±45/0/90]4S和[±45/05/90]S，考慮4種搭接長度，分別為10、20、30、40 mm。試件編號為SF(SD，SU)-T-L-N(Y)，其中SF、SD、SU分別代表上述3種鋪層順序試件，T代表試件厚度，L代表搭接長度，N和Y代表膠中有無缺陷。每種類型試件均有5個測試試件。詳細的試件編號如表1所示。

表1 試件編號及參數

1.2 實驗過程

為分析階梯形膠接接頭的承載能力及其膠接部分的破壞形式，首先進行拉伸實驗，實驗設備為日本島津(SHIMADZU)的AG-50KNE型萬能試驗機。依據ASTM D3039/3039M-00拉伸測試標準，采用位移單向控制，實驗在室溫準靜態拉伸載荷下進行，拉伸加載速率為2 mm/min。拉伸實驗如圖3所示。

2 實驗結果與討論

2.1 搭接長度的影響

為研究搭接長度對階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測試不同搭接長度10、20、30、40 mm的試件，炭纖維層合板的鋪層順序為[±45/0/90]2S。圖4為不同搭接長度的試件外加載荷與位移的曲線圖。由圖4可見，該曲線為非線性，與炭纖維層合板膠接接頭不同[14]，主要是由于炭纖維層合板是脆性材料，而鋁合金板是塑性材料，鋁合金板膠接失效過程表現為塑性變形。各種搭接長度的試件剛度近似相等，變化較小。

圖5為不同的搭接長度10、20、30、40 mm試件的失效載荷和接頭強度值。從圖5可看出，失效載荷值隨著搭接長度的增加而增大，但接頭強度值隨著搭接長度的增加而減小，主要是由于接頭強度與搭接區面積成反比。而失效載荷與接頭強度隨著搭接長度的增加變化規律相反，主要是由于載荷的增加率與搭接面積的增長率不相同。搭接長度為10、20、30、40 mm的試件失效載荷值分別為2.08、3.57、4.69、5.61 kN，搭接長度每增加10 mm，失效載荷值分別增加了1.19、1.12、0.92 kN，其失效載荷值的增加率逐漸減小，其結果與炭纖維層合板階梯形膠接測試結果[11]相似，主要是由于剪切應力隨著搭接長度的增加逐漸減小。

圖6為搭接長度為10、20、30、40 mm試件拉伸失效損傷破壞形貌。從圖6中可看出，搭接長度為10 mm的試件，膠層間剝離應力和剪切應力相對較大，所以破壞形貌主要表現為膠層失效和分層失效。而隨著搭接長度的增加，膠層間的剝離應力和剪切應力逐漸減小，其余搭接長度的試件表現為分層失效。

2.2 粘接體厚度的影響

為研究粘接體厚度對階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測試兩種不同的粘接體厚度和搭接長度的試件，試件的厚度為3 mm和6 mm，對應的層合板鋪層順序為[±45/0/90]2S和[±45/0/90]4S，搭接長度為20 mm和40 mm。試件接頭強度值如圖7所示。從圖7中可看出，隨著厚度的增加，試件的接頭強度逐漸增大。當層合板的厚度增加2倍時，20 mm搭接長度的試件，接頭強度增加1.4倍，40 mm搭接長度的試件，接頭強度增加1.2倍，接頭強度和層合板厚度并不成正比例關系，主要是作用于搭接接頭上的載荷形成一個力偶，使得接頭在受拉的同時并伴隨有彎曲的變形。當層合板的厚度增加2倍時，彎矩也近似的增加2倍，然而膠接接頭的彎曲剛度與搭接區域的厚度的立方是成正比，彎曲剛度的增長率遠大于彎矩的增長率。所以，層合板的厚度增加時，會使接頭的失效載荷和強度增加。該結果與炭纖維層合板和鋁合金板單搭膠接測試結果[15]相似。

圖8為厚度6 mm，搭接長度為20 mm和40 mm的試件拉伸失效損傷破壞形貌。當搭接長度為20 mm時，6 mm試件的破壞形貌與3 mm試件相同。當搭接長度為40 mm時，6 mm試件的破壞形貌與3 mm試件的破壞形貌不相同，主要表現為分層失效和纖維撕裂現象。隨著粘接體厚度的增加，試件的剛度也逐漸增大，試件的破壞形貌更趨向于分層失效。

2.3 膠層缺陷的影響

為研究膠中缺陷對階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測試兩種膠中帶缺陷的，不同搭接長度的試件，該試件的鋪層順序為[±45/0/90]2S，厚度為3 mm，搭接長度為20 mm和40 mm，膠中缺陷面積為16 mm2。試件接頭強度值如圖9所示。

從圖9中可看出，搭接長度為20 mm時，膠中有無缺陷試件的平均強度值相差0.19 MPa，搭接長度為40 mm時，有無膠中缺陷試件的平均強度值相差0.13 MPa，隨著搭接長度的增加，缺陷影響越小。膠層中設置的微小缺陷對膠接接頭的強度值影響較小，這說明在搭接區涂抹膠時產生的狹小或微小空隙并不影響膠接接頭的整體強度。

圖10為膠中帶16 mm2缺陷、搭接長度為20 mm和40 mm的試件拉伸失效損傷破壞形貌。從圖10中可看出，搭接長度為20 mm和40 mm的試件，拉伸破壞形貌主要表現為分層失效，與膠中無缺陷的試件破壞形貌相同，這說明膠中設置的微小缺陷，對試件的破壞形貌并未產生明顯影響。

2.4 鋪層方式的影響

為研究層合板鋪層方式對階梯形膠接接頭拉伸失效損傷的影響，測試兩種鋪層順序分別為[±45/0/90]2S和[±45/05/90]S，厚度均為3 mm，膠接長度為20 mm和40 mm的試件。試件接頭強度值如圖11所示。從圖11可看出，增加層合板中單向纖維的鋪層數，可提高接頭的失效載荷和強度值。接頭強度值分別提高1.41 MPa和0.96 MPa。

圖12為層合板鋪層順序為[±45/05/90]S，搭接長度為20 mm和40 mm的試件拉伸失效損傷破壞形貌。從圖12可看出，搭接長度為20 mm試件，破壞形貌主要表現為膠層失效和分層失效。搭接長度為40 mm試件，破壞形貌主要表現為膠層失效、分層失效和纖維撕裂現象。隨著層合板中單向纖維鋪層數的增加，試件的強度也逐漸增大，纖維撕裂現象也越嚴重。

3 結論

(1)隨著搭接長度的增加，失效載荷逐漸增大，接頭強度逐漸減小，二者隨搭接長度的增加變化規律相反。

(2)當層合板的厚度增加2倍時，20 mm搭接長度的試件，接頭強度增加了1.4倍，40 mm搭接長度的試件，接頭強度增加了1.2倍，接頭強度與層合板的厚度并不成正比關系。

(3)膠層中設置的微小缺陷對接頭強度影響較小，隨著搭接長度的增加，缺陷影響越來越小。

(4)增加層合板中單向纖維的鋪層數，可提高接頭的失效載荷和強度。

(5)各類型試件主要的失效模式為分層失效，有時并伴隨有膠層失效和纖維撕裂現象。