復合材料粘接修復鋁合金板結構的失效模式研究

陳 棟，趙培仲

（1.中國人民解放軍92138部隊，江蘇 常州 213131；2海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

復合材料修復技術相比于傳統機械連接修復方式有諸多優點[1]，如能更好地滿足戰場條件下臨時、快速修復等要求[2]。但是修復結構在使用過程中會由于環境，特別是海洋環境、意外沖擊或應力集中等導致失效的狀況，研究人員對復合材料層合板的失效過程研究頗多[3～7]；但對修復結構的失效模式研究卻相對較少[8～10]。復合材料修復金屬結構的失效首先發生在相對最薄弱的地方[11]，根據破壞的特征不同，失效的形式有以下3種：Ⅰ型破壞—補片本身未破壞，但與金屬板完全剝離；Ⅱ型破壞—補片僅在損傷處微量剝離，補片破壞；Ⅲ型破壞—補片破壞的同時大面積剝離。各種失效模式的破壞起點都是損傷處的剝離，其區別體現在過程中的破壞情況，本研究利用高速攝像采集分析系統和聲發射檢測系統重點關注了試件的失效過程。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

2A12型鋁合金板（厚度為1.5 mm），青島云海鋁業公司；高強度玻璃纖維布（SW100A-90a），南京玻璃鋼研究設計院；E-44環氧樹脂（6101），鎮江丹寶樹脂有限公司；固化劑（593），岳陽巴陵石化公司。

1.2 儀器與設備

WDW-1型電子萬能拉力機，濟南泰思特儀器有限公司；Estrong-CL130型高速攝像采集分析系統，北京匯眾思壯圖象技術有限公司；Vallen AMSY-6型聲發射檢測系統，德國華倫公司；QC12Y液壓擺式剪板機，南通眾誠數控機床有限公司；Z4120型臺鉆，浙江金牛機械有限公司；DK7735電火花數控線切割機，青州經緯儀器有限公司；GT-9096噴砂機，青島冠泰噴砂設備有限公司；101-1AB電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；HH-1恒溫水浴箱，常州華普達教學儀器有限公司。

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagrams of specimens

1.3 試驗制備

1.3.1 損傷件的制備

用液壓擺式剪板機裁得試件尺寸為140 mm×50 mm，分為預制裂紋和預制破孔2大組，預制裂紋為橫向中心裂紋，長度為10 mm，用電火花數控線切割機床制得；預制破孔位置在試件中心，直徑10 mm，用工業臺鉆制得。如圖1所示。

1.3.2 修復試件的制備

損傷試件經過清洗、噴砂和干燥等步驟后進行修復，修復方式為鋪設4層玻璃纖維。試件變量有3個：補片長度、固化溫度和使用環境。補片長度有60 mm、70 mm和80 mm 3種；加熱固化條件是利用電熱鼓風干燥箱100℃處理2 h，室溫固化條件是置放于室溫下24 h以上；本次實驗利用恒溫水浴箱產生的高溫、高熱環境加速腐蝕過程，水溫恒為99℃，處理時間為48 h。

1.4 性能測試

（1）拉伸試驗：按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》標準，采用電子萬能拉力機進行測試（室溫下，拉伸速率為5 mm/min）。

（2）失效過程：采用高速攝像采集分析系統進行觀察（取相頻率為512FPS）；采用聲發射檢測系統進行分析（利用其中的1、2、3這3個信號通道，1為傳感器粘接在復合材料補片上部，2為傳感器粘接在鋁合金板上，3為傳感器粘接在復合材料補片下部，如圖2所示）。

圖2 傳感器的安裝Fig.2 Installation of sensors

2 結果與討論

2.1 失效模式分析

如前所述，試件的破壞形式有：Ⅰ型破壞、Ⅱ型破壞和Ⅲ型破壞。實驗中出現的幾種典型失效模式如圖3所示。

本次實驗出現的不同失效模式體現在不同過程中：當試件經過濕熱處理后，補片本身的強度和補片與金屬板的黏附強度均降低，在承受拉伸載荷時，首先是損傷處發生脫粘，損傷處少量纖維絲發生失效，進而補片被破壞，這是Ⅱ型破壞的過程；如果試驗力先達到補片與金屬板的黏附強度，補片會在邊緣和損傷處發生脫粘，隨著試驗力的增加，如果達到補片的強度而未完全脫粘，補片會被破壞，由于補片的破壞不是一個瞬間過程，在此過程中，脫粘仍在繼續，鋁合金板也開始出現破壞，直至完全脫粘，鋁合金板隨即被拉斷，這就是Ⅲ型破壞的過程；如果試驗力未達到補片的抗拉強度就發生了完全脫粘，就是Ⅰ型破壞過程。

圖3 典型失效模式Fig.3 Typical failure modes

2.2 失效過程分析

2.2.1 Ⅰ型破壞

在高速攝像采集分析系統捕捉到的畫面中截取5張明顯變化的照片，從中可以看到：典型的Ⅰ型破壞過程會經過損傷處起膠、脫粘擴展、邊緣脫粘和完全脫粘這4個過程。照片中泛白色的就是脫粘部分，在拉伸載荷的作用下，損傷孔周圍的應力集中相對最嚴重，因此，在孔周圍最先出現粘接修復的破壞，出現了補片的剝離現象。隨著試驗力逐漸增大，破孔周邊的剝離區域不斷擴展。由于補片和鋁板的剝離，載荷通過膠層傳遞給補片的能力減弱，整個粘接修復結構的承載能力下降。載荷的傳遞越來越集中到補片的2端區域，導致補片邊緣區域的應力越來越大，剝離應力也因此增大，引起端部補片發生剝離，最終補片在損傷孔的一側完全與鋁板剝離。隨后鋁板被拉斷，形成結構破壞。如圖4所示。

試件的聲發射信號如圖5所示。由圖5可知：實驗進行到80 s時，試驗力為22.6 kN，這非常接近破孔損傷試件的破壞載荷，通道1和通道3出現第1次信號，但信號強度并不高，這是由于損傷孔處脫粘剝離引起的，在90～100 s之間，脫粘區域不斷擴展，1通道和3通道均有信號且強度相當。100～120 s，脫粘區域繼續擴展，并且補片的端部也開始脫粘剝離。在此區間，1通道的信號明顯強于3通道，這是因為1傳感器所在上部膠層脫粘剝離比較嚴重，最終上部分補片完全剝離。隨后在130 s時，鋁合金板被拉斷，貼在鋁合金板上的2傳感器檢測到信號。

圖4 Ⅰ型破壞過程Fig.4 Propagation process of type Ⅰ failure

圖5 Ⅰ型破壞聲發射信號Fig.5 Acoustic emission signals of typeⅠfailure

2.2.2 Ⅱ型破壞

實驗發現，99 ℃高溫下樹脂基體固化后交聯密度增大，因此會提高試件的黏附強度。在濕熱環境下，樹脂會吸收更多的水蒸汽而發生膨脹，但是纖維的吸水量極少，這就導致樹脂基體與部分纖維絲的結合強度嚴重下降，進而使得補片本身的強度有所降低，致使其主要失效模式為Ⅱ型破壞。

Ⅱ型破壞首先仍然是沿著損傷的周邊形成部分脫粘，隨后，在其損傷處會出現補片少量纖維絲的失效，隨著試驗力逐漸增大，補片被拉斷，但是補片與金屬板僅在損傷處有少量脫粘。如圖6所示。圖7為復合材料粘接修理失效前，拉伸過程中補片出現的裂紋。

圖6 Ⅱ型破壞特征圖Fig.6 Diagram of typeⅡfailure

圖7 補片出現的裂紋Fig.7 Crack on patch

典型的Ⅱ型破壞在拉伸過程中的試驗力-位移曲線如圖8所示。由圖8可知：與經典拉伸曲線基本無差別。這是因為補片和鋁合金板的黏附強度大于補片本身的強度，2者在承受載荷時一起發生破壞。

圖8 Ⅱ型破壞試驗力-位移曲線Fig.8 Curve of load VS. displacement for typeⅡ failure

試件的聲發射信號如圖9所示。由圖9可知：在61 s時，即試驗力為16.7 kN時，1通道和3通道開始出現信號，這是補片內部在損傷處有少量纖維絲開始失效，并伴隨有脫粘現象。此時試驗力低于裂紋損傷試件的破壞力18.33 kN，證明經過濕熱處理的試件性能嚴重下降。此過程一直持續到88 s，在88 s處，補片開始出現類似裂紋的損傷并開始擴展，如圖8所示。同時，2通道也出現信號，表明鋁合金的裂紋也在擴展，最終2者同時被拉斷。

圖9 Ⅱ型破壞聲發射信號Fig.9 Acoustic emission signals of type Ⅱfailure

2.2.3 Ⅲ型破壞

由于黏附強度和補片強度接近，Ⅲ型破壞的不同點是脫粘過程中的補片被破壞，補片破壞和脫粘同時進行，直至金屬板破壞，但是膠層并未完全脫離。由于前幾個過程大致相似，這里只比較最后破壞特征。如圖10所示。

圖10 Ⅲ型破壞后的試件Fig.10 Specimen after typeⅢ failure

Ⅲ型破壞在拉伸過程中的試驗力-位移曲線如圖11所示。由圖11可知：與Ⅱ型破壞相同的是，在A點之前一直呈現出經典的拉伸曲線，試件在A點發生損傷處的脫粘，試驗力有一個突變，A點到B點的過程還是持續脫粘的過程。

圖11 Ⅲ型破壞試驗力-位移曲線Fig.11 Curve of load VS. displacement for typeⅢ failure

試件的聲發射信號如圖12所示。由圖12可知：實驗進行到92 s時，即試驗力為23.02 kN時，試驗力已經超過裂紋損傷的破壞力18.33 kN，通道1第1次出現信號，這是由于損傷處脫粘而引起的，由此可見裂紋損傷的修復效果優于破孔損傷。在95～105 s之間，通道1和通道3均有信號，且1通道信號較強、持續時間較長，說明上部分脫粘比較嚴重，補片破壞也始于上半部分；2通道也出現較弱的信號，說明裂紋有擴展。105～106 s處，3個通道均有較強的信號，此過程中，補片破壞、脫粘，鋁合金板被拉斷。但是補片的第1層纖維布并未完全從鋁合金板脫離，隨著實驗的進行，在126～127 s時，單層纖維布被拉斷，通道1出現信號。最后特征如圖10所示。

圖12 Ⅲ型破壞聲發射信號Fig.12 Acoustic emission signals of typeⅢ failure

3 結論

（1）在高溫下，由于外界提供的能量較大，樹脂的固化程度更高，補片與鋁合金板的黏附性更好，不易發生Ⅰ型破壞。

（2）由于樹脂基體的吸水性比纖維好，濕熱環境下，樹脂和纖維之間的結合強度會降低，因此補片強度降低，其失效模式主要為Ⅱ型破壞。

（3）修復構件的失效都是從應力集中相對最嚴重的損傷處開始脫粘。黏附強度較弱的試件會發生Ⅰ型破壞；補片強度較弱的試件會發生Ⅱ型破壞；2者強度相當時會發生Ⅲ型破壞。

（4）典型的Ⅰ型破壞過程會經過損傷處起膠、脫粘擴展、邊緣脫粘和完全脫粘這4個過程；典型的Ⅱ型破壞有損傷處起膠、脫粘擴展、補片破壞和補片拉斷這4個過程；典型的Ⅲ型破壞為損傷處起膠、脫粘擴展、邊緣脫粘、補片破壞和金屬板破壞這5個過程。