膠接修復對碳纖維復合材料層合板撓度的影響

張晨穎 楊 濤1， 杜 宇 侯思宇

（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）

文 摘 為了研究膠接修復對碳纖維復合材料層合板彎曲撓度的影響，試驗設置了階梯搭接和斜面搭接兩種搭接方式，通過三點彎曲實驗和數字圖像相關技術（DIC）來研究膠接接頭的彎曲變形情況。結果表明，在相同搭接長度下，階梯搭接試件的失效載荷和彎曲強度均低于斜面搭接試件；試件的彎曲撓度與強度和搭接長度有關，搭接長度越長，彎曲強度越高，而彎曲撓度越小。由此表明，搭接長度越長，膠接層合板的強度越高，但不利于層合板的柔性變形。

0 引言

碳纖維復合材料質量輕、強度高的特點，使其廣泛應用于航空航天等領域，然而這種大型結構在生產制造以及使用的過程中容易產生缺陷和損傷。因此，膠接修復以輕質、高效的特點，成為航空航天設計制造的關鍵技術，在極大程度上減少了材料的浪費。由于接頭處材料和結構的不連續性，膠接接頭恰恰成為整個構件中最薄弱的位置，進而影響構件整體性能。目前針對膠接接頭的研究多集中于強度，包括拉伸強度、彎曲強度以及沖擊強度等，如孫中雷等［1］對復合材料膠接接頭的拉伸強度進行有限元仿真，羅書舟等［2］對單搭接接頭的低速沖擊進行了數值模擬。

增強膠接接頭強度主要包括改變膠接接頭表面特性、改善膠黏劑的性質以及優化搭接結構三方面。對于復合材料板之間的粘結過程，基板表面特性對粘結部件的粘結性能的影響較大，所以對膠接面進行合適的表面處理以增強材料的粘接性能。如TAKEDA 等［3］用火焰表面處理方法對CFRP 單搭接試件膠接接頭進行處理；QUAN 等［4］采用高功率紫外光對碳纖維復合材料進行快速表面處理；劉良威［5］和LEDESMA等［6］研究了激光表面處理對碳纖維復合材料膠接性能的影響；YANG 等［7］研究了打磨方向和表面粗糙度對膠接接頭強度的影響。通過這些表面處理，提高了接頭強度和抗剪能力，進而提高了膠接接頭的斷裂韌性。

膠接接頭的強度不僅與接頭的表面特性有關，還與膠黏劑的性質有關。加入納米顆粒可以填充膠黏劑中的氣泡，使粘接更充分。KHASHABA 等［8］在環氧樹脂中引入多壁碳納米管以改善斜面式膠接接頭的性能；原文慧等［9］在膠黏劑中加入碳納米管（CNTs），有效提升了膠合板的拉剪強度；DORIGATO等［10］在膠黏劑中加入Al2O3納米顆粒，提高了單搭接接頭的抗剪強度和疲勞壽命。

不同的搭接結構對層合板強度的影響很大，常見的膠接結構有階梯式搭接、斜面式搭接和單搭接等。曹雙輝等［11］研究了多級階梯式膠接結構的疲勞損傷和壽命；余芬等［12］對階梯型膠接修補進行有限元模擬；WU等［13］通過有限元模擬階梯搭接和斜面搭接在室溫和濕熱條件下的損傷容限；鄒田春等［14］研究了異種材料間搭接長度對膠接接頭性能的影響；DURMUS 等［15］研究了不同步長的單搭接接頭、一步搭接接頭和三步搭接接頭在拉伸載荷作用下的力學性能；ZHANG 等［16］研究溫度和搭接長度對搭接接頭壓剪性能的影響，得到膠接層剪切應力隨接頭搭接長度的變化規律；郭霞等［17］研究了搭接長度對復合材料單搭接膠接接頭的影響，當搭接長度大于20 mm時，應力值變化減小，同時具有一定的承載能力，極限載荷均值隨搭接長度提升。

在飛機飛行過程中，機翼受氣動載荷的作用產生較大彎曲變形，從而對外翼的正常工作造成影響，所以在保證膠接強度的同時，還要考慮對彎曲撓度的影響。目前，對于搭接接頭強度的研究較多，而關于膠接修復后層合板彎曲變形的研究較少，本文通過三點彎曲實驗和DIC 高頻拍攝，研究階梯搭接和斜面搭接兩種接頭類型在不同載荷下的彎曲撓度，得到不同接頭類型和搭接長度對撓度的影響，并進一步分析膠接接頭的應變情況。

1 實驗設計

1.1 試件制備

試件采用T300 碳纖維增強樹脂基預浸料制備，材料的密度為1.76 g/cm3，碳纖維直徑為7 μm。層合板采用［0°/90°］4S的鋪層方式，采用熱壓罐方式固化成型，成型后層合板的厚度為2 mm。按照三點彎標準試件尺寸采用水射流切割試件，保證最終粘接好的試件尺寸為90 mm×25 mm×2 mm，將裁剪好的試件加工成階梯狀和斜面狀結構。

為獲得較好的膠接強度，用細砂紙打磨表面并用清水沖洗1～2 min，在丙酮中浸泡10 min 進行脫脂處理，最后用蒸餾水清洗，烘干待用。

實驗采用Araldite 2015 的雙組分韌性環氧樹脂膠黏劑，在室溫環境下按1∶1的體積比例充分混合進行粘接。膠黏劑的初始固化時間為4 h，24 h 后達到最佳膠接強度。膠接后用游標卡尺測量膠接處厚度和原試件厚度，使厚度之差保持在0.1 mm 內，最大程度恢復層合板的外形。階梯式和斜面式膠接層合板的膠接接頭示意圖如圖1所示。

圖1 階梯式膠接和斜面式膠接接頭模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of stepped and bevelled glue joint models

在保證搭接長度小于跨距且具有一定承載能力的前提下，實驗采用S=20、30、40、50 mm 4 種搭接長度。為保證斜面搭接長度與階梯搭接長度一致，各搭接長度對應的修補斜度為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，實驗設置完好試件與膠接試件做對照。試件共分為9組，每組4個試件，參數如表1所示。

表1 試件編號與參數Tab.1 Specimen number and parameters

1.2 試驗條件及測試方法

試件采用簡支梁三點彎曲的方法測試彎曲強度，根據國際測試標準ASTM D 790M，試件的尺寸取90 mm×25 mm×2 mm，跨厚比取32∶1。采用日本島津的AGS-X-50kND 型萬能試驗機進行勻速加載，加載速度為2 mm/min，跨距為64 mm，實驗裝置見圖2。

圖2 三點彎試驗裝置圖Fig.2 Three point bending test device diagram

試件的彎曲撓度采用數字圖像相關檢測與分析系統（Digital Image Correction，簡稱DIC）對膠接件搭接區域應變場進行采集與分析。試件的側面噴涂白色底漆，并制作黑色散斑，白色與黑色面積比約為1∶1；圖像采集頻率為1 幀/s，試驗設備如圖3所示。

圖3 層合板彎曲試驗與應變采集設備Fig.3 Bending test and strain acquisition equipment for laminated plates

2 試驗結果與分析

2.1 彎曲試驗結果分析

圖4為不同搭接長度的階梯式搭接和斜面式搭接三點彎曲載荷時的典型載荷-位移曲線，可以看出隨著搭接長度的增加，兩種膠接接頭的彎曲失效載荷均呈增長趨勢；對比可見階梯搭接的彎曲失效載荷均小于完好試件，斜面搭接的彎曲失效載荷較大，且斜面搭接的彎曲失效載荷整體均大于階梯搭接，在搭接40、50 mm時，失效載荷大于完好試件。

圖4 不同搭接長度下的典型載荷-位移曲線Fig.4 Typical load displacement curves under different lap lengths

試件的三點彎曲強度計算公式為：

式中，σy為彎曲強度；pmax為最大彎曲載荷；l為跨距；b為試件寬度；t為試件厚度。

表2為完好試件、階梯搭接和斜面搭接試件的失效載荷、彎曲強度值及修補效率。其中，完好試件的彎曲強度為1 017.01 MPa。在兩種搭接方式下，試件的彎曲強度均隨搭接長度的增大而增大，階梯搭接試件的整體彎曲強度較低，在搭接50 mm 時的彎曲強度最高，為369.65 MPa；斜面搭接試件的彎曲強度增長趨勢明顯，在斜面搭接長度分別為40、50 mm時，彎曲強度分別為1 031.93、1 327.64 MPa，均高于完好試件。因此，斜面搭接的修補效率要高于階梯搭接，斜面搭接長度為40、50 mm 時，其修補效率達到101.47%和130.54%，二者承載彎曲載荷的能力超過完好試件。

表2 不同搭接長度下試件的失效載荷、彎曲強度及修補效率Tab.2 Failure load，bending strength and repair efficiency of specimens with different lap lengths

2.2 彎曲撓度結果分析

膠接接頭的力學性能分為兩個階段，第一階段為彈性變形階段，第二階段為斷裂失效階段，本文的彎曲撓度均在彈性變形階段進行測量分析。圖5為不同階梯搭接長度在載荷為30、50、70、90 N 下與完好試件的撓度趨勢對比。可以看出，在載荷較小為30 N 時，搭接長度為20 mm 時的撓度更接近于完好試件，隨著載荷增加，由于搭接長度為20 mm 的強度太小，導致搭接接頭發生破壞，撓度迅速變大。當載荷為90 N 時，搭接長度為40 mm 的撓度更接近于完好試件，搭接長度為50 mm 的彎曲撓度始終小于完好試件。表3為階梯搭接試件和完好試件在同一載荷下的最大撓度值。

圖5 不同長度的階梯搭接試件在同一載荷下的撓度曲線Fig.5 Deflection curve of different length stepped lap specimens under the same load

表3 階梯搭接試件與完好試件在同一載荷下的最大撓度值Tab.3 Maximum deflection value of step lap test piece and intact test piece under the same load

圖6為不同斜面搭接長度的試件在載荷為100、200、300、400 N 下與完好試件的撓度趨勢對比。從圖6（a）中可以看出，當載荷為100 N 時，斜面搭接試件的撓度均小于完好試件，故當載荷低于100 N 時，斜面搭接試件的撓度必然小于完好試件，因此斜面搭接試件的撓度僅在100～400 N 內進行分析。可以看出，撓度隨著搭接長度的增大而減小；斜面搭接長度為30、40、50 mm 的試件在100～400 N 的載荷下，撓度始終小于完好試件，說明搭接長度對于試件的彎曲撓度影響較大，不利于試件的柔性彎曲；而搭接長度為20 mm 的試件，由于其強度較小，強度對撓度的影響大于搭接長度的影響，當載荷不斷增加時，其撓度比完好試件大。表4為斜面搭接試件和完好試件在同一載荷下的最大撓度值。

表4 斜面搭接試件與完好試件在同一載荷下的最大撓度值Tab.4 Maximum deflection values of inclined lap joint specimen and intact specimen under the same load

圖6 不同長度的斜面搭接試件在同一載荷下的撓度曲線Fig.6 Deflection curves of different lengths of inclined lap specimens under the same load

通過觀察同一載荷下不同搭接長度的撓度曲線，可見搭接長度越長越不利于碳纖維層合板的彎曲撓度；對比兩種不同搭接形式隨載荷增加的撓度變化趨勢可以看出強度對撓度的影響，強度越低，層合板的彎曲撓度越大。所以在保證強度的同時，盡量選取較短的搭接長度，以保證層合板的柔性彎曲。

2.3 DIC分析

在施加壓力的過程中，膠接接頭處受到剪切應力和剝離應力的影響，在膠接接頭區域內的應變較為復雜，本文僅對斜面搭接試件的側表面進行應變分析。圖7為4 種搭接長度的斜面搭接試件在400 N時的x方向應變云圖，可以看出在局部壓力的作用下，膠接區域的應變值從上到下呈由負到正的變化趨勢。層合板的上表面被壓縮，應變值為負，尤其在上表面的接頭A 處產生最大負應變；層合板的下表面被拉伸，應變值為正，在下表面接頭B 處有最大正應變。當搭接長度增大時，層合板的應變值的變化范圍隨之減小，接頭處的應變不再集中分布，原因是搭接長度越長，增大了膠接面積，膠接接頭處的承載能力提高，避免了應力集中，接頭的剪切應力減小。

圖7 4種斜面搭接長度在400 N下的x方向應變云圖Fig.7 x-Direction strain nephogram of four kinds of inclined plane lap length at 400 N

圖8為4 種長度的斜面搭接試件在400 N 時的y方向應變云圖，可以看出y方向的整體應變并不明顯，應變主要集中在C處，由于搭接長度為20、30 mm的試件的接頭處恰與C 處應變位置重合，接頭處更容易受到剝離應力的影響。

圖8 4種斜面搭接長度在400 N下的y方向應變云圖Fig.8 y-Direction strain nephogram of four kinds of inclined plane lap length at 400 N

3 結論

（1）對4種不同搭接長度的階梯搭接和斜面搭接試件進行彎曲試驗，階梯搭接試件最大彎曲強度為369.65 MPa，斜面搭接試件最大彎曲強度為1 327.64 MPa，實驗結果表明隨著搭接長度的增加，兩種形式下的搭接試件的最大彎曲強度均明顯增大，且斜面搭接試件的最大彎曲強度明顯大于階梯搭接試件，當斜面搭接長度為40 和50 mm 時，最大彎曲強度大于完好試件，彎曲效率為101.47%和130.54%。

（2）通過對比四種搭接長度的階梯搭接和斜面搭接在同一載荷下的撓度曲線，階梯搭接長度為20 mm 的試件在30 N 的較小載荷下的彎曲撓度更接近于完好試件，搭接長度為50 mm 的試件的彎曲撓度始終小于完好試件；斜面搭接長度為20 mm 的試件在100 和200 N 的載荷下，撓度與完好試件相似，當載荷繼續增大時，撓度也隨之增大，并超過完好試件，而搭接長度為30、40和50 mm 的試件的彎曲撓度在100～400 N 的載荷下始終小于完好試件，實驗結果表明，搭接長度越長，撓度越小，越不利于層合板的柔性彎曲。

（3）當搭接長度較短時，層合板在x方向和y方向應變值均集中于膠接接頭處，隨著搭接長度的增大，接頭處的應變不再集中分布，且應變值的變化范圍逐漸減小。實驗結果表明，搭接長度越長，改善了應力集中現象，但應變值的變化范圍減小，不利于膠接接頭的柔性彎曲。