濕熱環(huán)境下表面處理對(duì)GFRP加固鋁板結(jié)構(gòu)耐久性的影響

余周輝, 趙培仲, 胡芳友

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 航空機(jī)械系，山東 青島 266041）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymers，F(xiàn)RP）加固修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)是通過膠黏劑將FRP片材粘貼到金屬損傷部位，將金屬結(jié)構(gòu)與FRP形成整體，使部分載荷通過膠層傳遞到FRP片材上，降低損傷部位的應(yīng)力水平，以提高金屬結(jié)構(gòu)承載能力。與傳統(tǒng)的加固方法相比較，F(xiàn)RP加固修復(fù)具有修理結(jié)構(gòu)增重小、不損傷原有結(jié)構(gòu)、效率高、成本低等明顯優(yōu)勢，在金屬結(jié)構(gòu)的修復(fù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。

目前，F(xiàn)RP加固金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)是FRP材料的強(qiáng)度、膠黏劑的本體強(qiáng)度以及FRP與金屬的粘接強(qiáng)度，研究結(jié)果顯示的是初始修復(fù)效果。然而，修復(fù)結(jié)構(gòu)在使用過程中，必然會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響；因此，其耐久性能也越來越受到人們的關(guān)注。國內(nèi)外對(duì)FRP加固結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要包括樹脂基體、FRP材料以及加固結(jié)構(gòu)。已有的部分研究結(jié)果表明[3-10]：溫度循環(huán)、凍融循環(huán)、潮濕環(huán)境等因素對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymers，CFRP）的力學(xué)性能沒有明顯影響，而對(duì)GFRP的力學(xué)性能均產(chǎn)生一定的不利影響，其彈性模量、抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變均降低，材料有脆化的趨勢；水分對(duì)粘接樹脂、FRP材料及修復(fù)結(jié)構(gòu)的界面粘接性能影響較大，但其作用機(jī)理及影響規(guī)律還有待于更多的研究；酸、堿、鹽環(huán)境對(duì)CFRP性能影響不大，對(duì)GFRP性能影響較大。同時(shí)，F(xiàn)RP加固結(jié)構(gòu)的耐久性研究也表明，F(xiàn)RP與加固結(jié)構(gòu)之間界面粘接性能的下降是影響FRP加固結(jié)構(gòu)耐久性能的主要因素。在外部環(huán)境作用下，F(xiàn)RP與金屬界面的粘接性能變差，無法有效實(shí)現(xiàn)載荷在FRP與粘接材料之間的傳遞，從而降低修理效果。粘接前對(duì)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面處理是獲得良好粘接的前提，不僅可以提高修復(fù)效果，而且可以較好地提高修理結(jié)構(gòu)的耐久性[11-13]。目前，金屬表面處理工藝主要包括機(jī)械處理、化學(xué)處理和電化學(xué)處理，每種方法獲得的粘接強(qiáng)度都有所不同。研究不同表面處理的FRP加固金屬結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，對(duì)FRP加固修復(fù)損傷金屬結(jié)構(gòu)更廣泛應(yīng)用十分必要。本工作主要通過濕熱環(huán)境下GFRP修復(fù)鋁板的拉伸實(shí)驗(yàn)，研究濕熱環(huán)境、表面處理工藝等因素對(duì)GFRP修復(fù)損傷試樣耐久性能的影響，分析其作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鋁板選取完好鋁板（LY12）和損傷鋁板D0；GFRP材料為南京產(chǎn)正交平紋布，實(shí)驗(yàn)前對(duì)所選材料進(jìn)行基本力學(xué)性能測試，結(jié)果見表1。基體樹脂為脂環(huán)族環(huán)氧樹脂（UVR6110）/有機(jī)硅環(huán)氧樹脂（ES06）共混樹脂，兩者比例為85∶15，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的光引發(fā)劑820和2%引發(fā)劑T。

表 1 鋁板和玻璃纖維布主要力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of aluminum alloy and glass fiber sheet

1.2 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)部分：濕熱環(huán)境對(duì)GFRP力學(xué)性能的影響，濕熱環(huán)境對(duì)GFRP與鋁板粘接性能的影響以及濕熱環(huán)境對(duì)GFRP修復(fù)損傷鋁板力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括環(huán)境因素和粘接前鋁板表面處理工藝。粘接前，鋁板表面處理工藝如下。

工藝Ⅰ：噴砂處理后，丙酮清洗。

工藝Ⅱ：噴砂處理后，丙酮清洗，再將鋁板放入預(yù)先配制好的1%的KH550硅烷偶聯(lián)劑溶液浸泡10 min。KH550偶聯(lián)劑溶液的配制方法為[14]：稱取一定質(zhì)量的去離子水并加入一定量的醇，充分?jǐn)嚢韬蠹尤隟H550偶聯(lián)劑，使得KH550濃度為1%，再用乙酸滴定至pH值為5，繼續(xù)攪拌均勻，靜置水解2 h待用。

工藝Ⅲ：噴砂處理后，丙酮清洗，之后進(jìn)行堿蝕，然后硫酸陽極化。堿蝕處理為在50 ℃的10%NaOH溶液浸泡5 min。硫酸陽極氧化[15]在200 g/L的硫酸（98%）溶液中進(jìn)行，氧化電流密度為1 A/dm2，實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃，氧化時(shí)間15 min。

GFRP復(fù)合材料試樣的制備：參照《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸試驗(yàn)方法》GB/T 3354—1999。將玻璃纖維布裁成如圖1尺寸啞鈴形拉伸試樣，此時(shí)，GFRP片材基本于中部被拉斷，滿足實(shí)驗(yàn)要求。試樣采用濕法鋪設(shè)，鋪設(shè)層數(shù)為4層，置于1000 W高壓汞燈25 mm處輻照15 min固化。

參照GB 7124—1986標(biāo)準(zhǔn)制作試樣測試粘接副的拉剪強(qiáng)度，根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]，選擇補(bǔ)片粘接長度為120 cm，具體尺寸參數(shù)見圖2。

損傷試樣的制備：將LY12鋁合金板裁成35 mm ×140 mm的矩形板，在中心處鉆直徑8 mm的圓孔模擬損傷。

光固化修理試樣的制備：復(fù)合材料補(bǔ)片采用濕法鋪設(shè)，補(bǔ)片尺寸為35 mm × 60 mm，鋪設(shè)4層，具體參數(shù)見圖3。最后將處理好的修理試樣置于1000 W高壓汞燈25 mm處，輻照15 min固化。

圖 1 GFRP拉伸試樣形狀與尺寸示意Fig. 1 diagram of GFRP tensile specimen

圖 2 拉伸剪切示意圖Fig. 2 diagram of tensile shear test

圖 3 GFRP粘接修理鋁合金示意圖Fig. 3 diagram of aluminum alloy repaired by bonded GFRP

濕熱實(shí)驗(yàn)參照《玻璃纖維增強(qiáng)塑料老化性能試驗(yàn)方法》（GB/T 2573），實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間分別為50 d和100 d，濕度保持98%。采用WDS-1型電子萬能拉力機(jī)測試試樣的力學(xué)性能，測試溫度為室溫，拉伸速率為5 mm/min，直至試件破壞，記錄載荷、位移以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 濕熱環(huán)境對(duì) GFRP 力學(xué)性能的影響

表2為GFRP試樣在濕熱環(huán)境下力學(xué)性能隨濕熱時(shí)間變化情況。從表2可以看出，溫度60 ℃和濕度98%環(huán)境下濕熱老化50 d和100 d，GFRP的抗拉強(qiáng)度分別下降15.7%和25.1%，彈性模量下降14.2%和20.1%，伸長率下降9.4%和14.3%，表明濕熱對(duì)GFRP的力學(xué)性能有較大不利影響，這與文獻(xiàn)[9]采用熱固化GFRP在濕熱環(huán)境下性能下降的研究結(jié)果是一致的。濕熱環(huán)境對(duì)GFRP的影響是多方面的，主要包括：（1）樹脂基體在濕熱環(huán)境下其自身內(nèi)聚強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯的變化；（2）濕熱環(huán)境會(huì)對(duì)玻璃纖維強(qiáng)度造成下降，但其作用機(jī)理還有待研究，比較有代表性的解釋是：水中OH-會(huì)侵蝕玻璃纖維Si—O鍵，降低玻璃纖維的單絲強(qiáng)度從而使GFRP整體性能下降，玻璃纖維的劣化也是GFRP性能下降最主要的原因[18]；（3）濕熱環(huán)境對(duì)樹脂與纖維之間界面粘接性能的影響，承受載荷過程中，樹脂與纖維協(xié)調(diào)變形能力變差，這些因素共同作用導(dǎo)致GFRP力學(xué)性能受濕熱影響較大。

表 2 60 ℃下GFRP濕熱老化前后力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of GFRP before and after hygrothermal aging at 60 ℃

2.2 濕熱環(huán)境對(duì) GFRP-金屬粘接性能的影響

表3為濕熱環(huán)境下不同表面處理試樣拉伸剪切強(qiáng)度。根據(jù)已有的研究結(jié)果，濕熱環(huán)境對(duì)界面粘接強(qiáng)度影響主要表現(xiàn)為：（1）水分子的解吸附作用降低樹脂自身的內(nèi)聚強(qiáng)度和樹脂-金屬的黏附力；（2）一定的溫度會(huì)提高樹脂的固化程度和交聯(lián)程度，從而提高樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)度和樹脂-金屬間的粘接強(qiáng)度。上述兩點(diǎn)是針對(duì)熱固化的，對(duì)于本研究的光固化試樣，其固化機(jī)理與溫度無關(guān)，因而濕熱環(huán)境對(duì)GFRP-金屬粘接性能主要表現(xiàn)為第一點(diǎn)。

表3數(shù)據(jù)表明，濕熱環(huán)境對(duì)GFRP-鋁板界面粘接性能有明顯不利影響，不同表面處理試樣其粘接強(qiáng)度隨濕熱時(shí)間增加均出現(xiàn)不同程度的下降，SI試樣下降幅度較大，而SII、SIII試樣不僅有較高的初始剪切強(qiáng)度，濕熱環(huán)境下其下降幅度也更小，同時(shí)隨濕熱時(shí)間的增加，試樣的破壞形態(tài)也發(fā)生變化。原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）鋁合金經(jīng)噴砂處理后表面粗糙度增加，一般為0.5～0.8 μm，表面粗糙度的增加有助于提高界面的粘接強(qiáng)度，但是這樣形成的界面很不均勻，也不致密。因此，鋁合金表面每個(gè)位置的粘接強(qiáng)度是不同的，粘接界面易產(chǎn)生缺陷，濕熱環(huán)境下，水分子容易沿著缺陷滲入界面，使得修復(fù)構(gòu)件性能下降明顯，因而耐濕熱性能較差；（2）硅烷偶聯(lián)劑以化學(xué)鍵的形式將兩種不同性質(zhì)的材料牢固的粘接在一起，偶聯(lián)劑非極性基團(tuán)水解與鋁合金表面氧化物或羥基反應(yīng)生成硅氧鍵，極性基團(tuán)與環(huán)氧基官能團(tuán)反應(yīng)形成化學(xué)鍵，其表面形成一層兩性涂層，有效改善應(yīng)力傳遞，同時(shí)生成的硅氧鍵具有優(yōu)異的耐水性能，可顯著提高修理構(gòu)件的耐久性能，表現(xiàn)出較高的粘接強(qiáng)度和較好的耐濕熱性能；（3）硫酸陽極化處理在鋁合金表面生成具有微米級(jí)粗糙度多孔結(jié)構(gòu)氧化膜，上層是多孔層，下層為致密無孔的阻擋層，與鋁合金基體有非常高的咬合強(qiáng)度。與噴砂處理的試樣相比較，陽極化一方面對(duì)表面起到活化作用，表面能升高，使樹脂更好地浸潤到鋁板微孔處，使得界面缺陷減少，有利于粘接強(qiáng)度的提高；另一方面陽極氧化膜表面呈凹凸結(jié)構(gòu)，增大樹脂與鋁板的結(jié)合面積，增強(qiáng)樹脂與鋁合金表面的機(jī)械嵌合，起到提高粘接性能的作用，兩者共同作用提高樹脂-鋁板的界面粘接強(qiáng)度。因而，SII與SIII表現(xiàn)出更高的粘接強(qiáng)度。

表 3 濕熱環(huán)境對(duì)GFRP-鋁板粘接性能的影響Table 3 Effect of hygrothermal environment on bonding strength of GFRP-aluminum

2.3 表面處理對(duì)GFRP修復(fù)試樣力學(xué)性能的影響

2.3.1 實(shí)驗(yàn)過程及破壞特征

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面處理工藝和濕熱環(huán)境對(duì)修復(fù)試樣的破壞形態(tài)有很大影響。圖4（a）為噴砂處理試樣濕熱前破壞形態(tài)，鋁板表面殘留有零星呈點(diǎn)狀分布的樹脂，其中也有相當(dāng)部分鋁合金基體暴露出表面，主要破壞形態(tài)以界面破壞為主同時(shí)伴隨部分樹脂內(nèi)聚破壞。這主要是因?yàn)閲娚疤幚砗螅X板表面粗糙度增加，GFRP與鋁板界面獲得一定的粘接強(qiáng)度，但是很不均勻也不致密，因而鋁合金表面每個(gè)位置的粘接強(qiáng)度是不同的，在薄弱區(qū)域容易出現(xiàn)界面局部剝離，造成試樣的過早破壞。圖4（b）與（c）為噴砂處理試樣在濕熱50 d和100 d后破壞界面，可以看出，濕熱處理后補(bǔ)片顏色發(fā)白，鋁板表面幾乎沒有樹脂，破壞主要發(fā)生在樹脂-鋁板界面，表明濕熱環(huán)境對(duì)噴砂處理試樣的樹脂-鋁板界面粘接強(qiáng)度有較大影響，樹脂與鋁板界面粘接強(qiáng)度較差。原因可能是噴砂處理試樣表面粗糙度不均勻，導(dǎo)致粘接界面存在較多的缺陷，濕熱環(huán)境下，水分子沿著界面缺陷滲透到粘接界面，削弱樹脂與鋁板的粘接力和樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)度，濕熱的時(shí)間越長，作用效果越明顯，導(dǎo)致修復(fù)試樣在較低載荷下就發(fā)生界面剝離破壞，補(bǔ)片使用效率嚴(yán)重下降。

圖5為偶聯(lián)劑表面處理試樣濕熱前后破壞界面形態(tài)。由圖5可以看出，濕熱前破壞主要發(fā)生在樹脂-GFRP界面，濕熱處理后，鋁板邊緣部分樹脂與鋁板脫粘，隨著濕熱時(shí)間的增加，脫粘現(xiàn)象更加明顯。這主要是濕熱環(huán)境下水分子最先滲入金屬邊緣表面，降低樹脂內(nèi)聚強(qiáng)度同時(shí)使偶聯(lián)劑與鋁板間形成的化學(xué)鍵發(fā)生水解，使得這一部分界面粘接強(qiáng)度迅速下降，隨著濕熱時(shí)間的增加，破壞向內(nèi)部擴(kuò)展。

圖 4 噴砂處理修復(fù)試樣濕熱老化前后界面破壞形態(tài) （a）對(duì)比試樣;（b）濕熱老化50 d;（c）濕熱老化100 dFig. 4 Failure characteristics of bond interface of repaired specimens with sand blasting treatment before and after hygrothermal aging （a）comparison specimens;（b）hygrothermal aging for 50 days;（c）hygrothermal aging for 100 days

圖 5 硅烷偶聯(lián)劑處理修復(fù)試樣老化濕熱前后界面破壞形態(tài) （a）對(duì)比試樣;（b）濕熱老化50 d;（c）濕熱老化100 dFig. 5 Failure characteristics of bond interface of repaired specimens with silane coupling agent before and after hygrothermal aging （a）comparison specimens;（b）hygrothermal aging for 50 days;（c）hygrothermal aging for 100 days

圖6為陽極化處理修復(fù)試樣拉伸破壞界面。由圖6可以看出，濕熱前，破壞主要發(fā)生在膠層-GFRP界面，鋁板表面留有大量樹脂。濕熱處理50 d后，破壞主要發(fā)生在樹脂-GFRP界面，而濕熱100 d后，主要發(fā)生補(bǔ)片分層破壞，此時(shí)補(bǔ)片的性能是整體構(gòu)建的薄弱單元。

2.3.2 表面處理對(duì)修復(fù)試樣載荷的影響

圖 6 陽極氧化處理修復(fù)試樣濕熱老化前后界面破壞形態(tài) （a）對(duì)比試樣;（b）濕熱老化50 d;（c）濕熱老化100 dFig. 6 Failure characteristics of bond interface of repaired specimens with anodizing before and after hygrothermal aging（a）comparison specimens;（b）hygrothermal aging for 50 days;（c）hygrothermal aging for 100 days

表 4 不同表面處理試樣濕熱老化實(shí)驗(yàn)前后力學(xué)性能比較Table 4 Comparison of mechanical properties of repaired specimens with different surface treatments before and after hygrothermal aging tests

眾所周知，補(bǔ)片承擔(dān)的載荷是通過膠層的剪切變形實(shí)現(xiàn)的，好的粘接界面是實(shí)現(xiàn)載荷有效傳遞的前提。修復(fù)試樣的拉伸性能可以作為載荷傳遞效率的表征，反映修復(fù)試樣的界面粘接性能。表4列出了鋁合金經(jīng)不同表面處理修復(fù)試樣濕熱前后力學(xué)性能，從表4可以得出以下結(jié)論：（1）不同表面處理修復(fù)試樣與損傷未修理試樣相比較，載荷強(qiáng)度得到不同程度的提高，提高順序?yàn)?SIII ＞ SII ＞ SI；（2）濕熱環(huán)境下，不同表面處理修復(fù)試樣的力學(xué)性能出現(xiàn)不同程度的下降。采用噴砂處理的修復(fù)試樣初始最大載荷僅為19.63 kN，在濕熱環(huán)境下，載荷的下降速率也最為明顯，而且其極限載荷隨濕熱時(shí)間的延長下降速率加快，60 ℃下濕熱處理50 d和100 d，其極限載荷分別下降了4.4%和11.3%。而采用偶聯(lián)劑和陽極化處理的修復(fù)試樣不僅有較高的初始強(qiáng)度，耐濕熱性能也得到明顯提高，兩者的載荷強(qiáng)度下降幅度隨濕熱時(shí)間的增加有逐漸上升的趨勢，但明顯要低于SI試樣。濕熱處理50 d和100 d，其載荷強(qiáng)度分別下降2.8%～7.1%和2.6%～6.0%；（3）修復(fù)構(gòu)件的伸長率隨濕熱時(shí)間的增加而逐漸降低，變形協(xié)調(diào)能力下降。

2.4 濕熱環(huán)境對(duì)GFRP粘接修理金屬結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響探討

濕熱環(huán)境對(duì)GFRP與鋁板修復(fù)結(jié)構(gòu)的影響是多方面的，主要包括：（1）濕熱環(huán)境對(duì)材料耐久性（包括鋁板、GFRP和樹脂）的影響；（2）濕熱環(huán)境對(duì)GFRP-樹脂和樹脂-鋁板界面耐久性和復(fù)合結(jié)構(gòu)耐久性的影響。根據(jù)已有的研究可知，樹脂對(duì)濕度比較敏感，水分子在膠層的內(nèi)部擴(kuò)散，破壞樹脂分子間的內(nèi)聚力，使樹脂自身強(qiáng)度、模量與被粘材料的黏附力發(fā)生很大的變化[19-20]。同樣，經(jīng)濕熱老化實(shí)驗(yàn)后，GFRP的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長率均有不同明顯的下降[9]，這與本研究的結(jié)果是一致的。與文獻(xiàn)[10]不同的是，由于本研究被加固件鋁板為延性材料，由表4數(shù)據(jù)可知，GFRP加固損傷鋁板斷裂時(shí)其伸長率最小為5.6%，遠(yuǎn)大于GFRP的斷裂伸長率2.23%，濕熱老化后，GFRP斷裂伸長率下降遠(yuǎn)小于修復(fù)試樣，因此可以認(rèn)為，濕熱環(huán)境對(duì)GFRP伸長率的影響會(huì)降低GFRP修復(fù)鋁板的效果。而濕熱環(huán)境對(duì)GFRP加固材料界面粘接強(qiáng)度影響較為復(fù)雜，粘接界面也更容易受到環(huán)境因素的影響。在粘接界面或多或少會(huì)存在一些缺陷，濕熱環(huán)境下，水分子會(huì)沿著缺陷深入界面，對(duì)界面粘接強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響：比如水分子對(duì)樹脂的降解作用會(huì)削弱界面粘接強(qiáng)度，又比如經(jīng)偶聯(lián)劑KH550處理的試樣在濕熱環(huán)境下，KH550-鋁板間的化學(xué)鍵也會(huì)發(fā)生水解作用，使得界面粘接強(qiáng)度下降。一旦水分子滲入界面對(duì)粘接強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，就會(huì)使得界面缺陷增加，缺陷的增加會(huì)進(jìn)一步加快水分子的滲透作用，滲透作用使得裂紋逐漸擴(kuò)展，從而使修復(fù)結(jié)構(gòu)的破壞特征和力學(xué)性能發(fā)生很大的變化。表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，改進(jìn)表面處理工藝，不僅可以提高試樣初始粘接強(qiáng)度，而且試樣的耐濕性能也得到提高。

3 結(jié)論

（1）濕熱環(huán)境對(duì)光固化GFRP有明顯不利影響，GFRP的抗拉強(qiáng)度、模量以及斷裂伸長率均出現(xiàn)不同程度的下降。

（2）濕熱環(huán)境對(duì)GFRP-鋁板界面粘接強(qiáng)度有明顯劣化作用，劣化作用最先體現(xiàn)于界面粘接最薄弱的單元，破壞也最先發(fā)生在該界面；同時(shí)，表面處理工藝也會(huì)直接影響GFRP-鋁板的界面粘接強(qiáng)度；不同表面處理后，GFRP-鋁板界面粘接強(qiáng)度為：SIII ＞SII ＞ SI。噴砂處理試樣樹脂-鋁板界面最易受到濕熱環(huán)境的影響，而偶聯(lián)劑和陽極氧化處理后，樹脂-GFRP界面最易受到濕熱環(huán)境影響。

（3）濕熱環(huán)境會(huì)降低GFRP加固修復(fù)損傷鋁板的承載能力，60 ℃下濕熱50 d和100 d，采用噴砂處理的修復(fù)試樣載荷分別下降4.4%和11.3%，其破壞主要發(fā)生在樹脂-鋁板界面。采用偶聯(lián)劑與陽極化處理試樣載荷分別下降2.8%～7.1%和2.6%～6.0%；由于偶聯(lián)劑與陽極化處理后樹脂與鋁板之間有較高的界面粘接強(qiáng)度，因而其破壞主要發(fā)生在樹脂-GFRP界面。