CFRP/鋼復合結構的II型斷裂性能研究

胡夏普，王斌華

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

0 引言

碳纖維增強復合材料具有比強度、比模量高，耐疲勞和耐腐蝕等優良的物理和化學性能[1]，已廣泛用于眾多領域。碳纖維增強復合材料加固鋼結構可以實現載荷大面積傳遞，相對于金屬結構的傳統加固方法，例如焊接、鉚接或螺栓連接等，不會產生焊接殘余應力、增重嚴重和應力集中等新問題。因此，碳纖維復合材料用于加固鋼結構具有顯著特點和優勢。近年來，有大量人員對碳纖維加固技術進行了深入研究，包括增強機理、失效模式和影響參數等方面，為碳纖維復合材料用于實際工程提供了指導。已有的研究表明對CFRP/金屬復合結構的金屬表面進行處理可增強粘接層強度[2-4]，加入短纖維可進一步增強復合結構粘接層的強度[5]。本文基于短纖維的橋聯增韌機理，采用鋼板表面刻槽處理，在刻槽鋼板和CFRP布之間的樹脂粘接層中加入kevlar短纖維和多壁碳納米管（MWCNT），kevlar短纖維的自由端可以隨機嵌入到金屬表面的槽中和CFRP布表面縫隙中，使CFRP/樹脂粘接層界面、金屬基質/樹脂粘接層界面和樹脂粘接層三者的強度協調增強；多壁碳納米管可以改性環氧樹脂粘接劑，并且可以進入到槽底部進一步增強CFRP/樹脂粘接層的強度，通過兩種短纖維的共同作用來提高CFRP/鋼復合結構的粘接層強度。

1 試驗研究

本試驗選用的鋼基為Q235普通碳素結構鋼（A3），截面尺寸為（25 × 3）mm2，長度為 150 mm，碳纖維布采用天力信牌碳纖維布，其材料性能如表1所示。樹脂選用鳳凰牌環氧樹脂型號為WSR618（E-51），固化劑為T-31，樹脂和固化劑按照質量比4∶1混合使用。粘接前制作好長度為6 mm密度為30 g/m2的kevlar薄膜，鋼板用丙酮超聲波清洗30 min，并使用微型銑床在鋼板表面銑出間距2 mm深度為0.3 mm的槽。用質量分數為3%的丙酮樹脂溶液預浸鋼板和kevlar薄膜，并在鋼板表面刷涂1%的CNT溶液，待丙酮揮發后完成粘接，其結構示意圖如圖1所示，然后在0.6 MPa壓力下固化24 h，固化完成后用鋸床將試件切割成設計參數[6-7]（表2）。根據GBT 232-2010，采用三點彎試驗（見圖2）對試樣強度進行研究，支撐跨度為 100 mm，具體支撐方式見圖3。使用萬能拉壓試驗機進行試驗，該設備最大試驗力為100 kN，加載速度為1 mm/min。

表1 碳纖維布力學性能

表2 E N F試樣設計參數

圖1 E N F試件結構示意圖

圖2 三點彎曲試驗

圖3 E N F試件支撐加載簡圖

2 試驗結果與分析

本試驗分別制備了刻槽/kevlar和刻槽/kevlar/CNT兩種界面的ENF試件各4個，其載荷-位移曲線如圖4和圖5所示。從載荷-位移曲線可以看出兩組粘接界面ENF試樣載荷-位移曲線斜率基本保持一致說明ENF試樣的剛度基本相等，既是試樣抵抗彈性變形的能力基本相同。平均極限載荷和斷裂能如圖6和圖7所示，平均失效破壞參數如表3所示，刻槽/kevlar/CNT界面平均極限載荷相比刻槽/kevlar界面提升了13.5%，斷裂能提升了16%。刻槽/Kevlar/CNT界面粘接效果更好歸功于兩個原因：（1）由于CNT尺寸較小，在刻槽鋼板表面刷涂CNT溶液可以使CNT進入鋼槽底部，進入鋼槽底部的CNT一端可以伸入鋼槽表面凹陷處，另一端嵌入樹脂粘接層中從而增加鋼板和樹脂層的粘接強度；（2）在剪切載荷下CNT可以使裂紋發生偏轉增加斷裂面積從而增加斷裂能。

表3 失效破壞參數平均值

圖4 刻槽+kevlar界面載荷-位移曲

圖5 刻槽+kevlar+C N T界面載荷-位移曲線

圖6 平均極限載荷

圖7平均斷裂能

圖8 為ENF試件失效后斷裂面圖，從圖中可以看出ENF試件失效后樹脂大部分附著在CFRP表面，鋼槽內也存在被剪斷的樹脂。CFRP面存在大量被掀翻的樹脂，可以清晰地看到kevlar短纖維的橋聯作用。

圖8 斷裂面形貌特征

3 結論

本文通過三點彎曲試驗研究了刻槽/kevlar和刻槽/kevlar/CNT兩種CFRP/鋼復合結構的層間剪切斷裂性能，實驗結果表明刻槽/kevlar/CNT試樣相對于刻槽/kevlar試樣厚度基本不變，極限載荷提高了13.5%，斷裂能提高了16%。kevlar短纖維的橋聯增強作用可有效協調增強了粘結層、粘結層/CFRP界面和粘結層/刻槽鋼界面的斷裂性能，實現了CFRP/鋼復合結構極值載荷和斷裂能的有效提升。CNT可以進入鋼槽底部增加鋼板和樹脂層的粘接強度，在剪切載荷下CNT可使裂紋發生偏轉增加斷裂能。