碳纖維復(fù)合材料膠鉚混合結(jié)構(gòu)拉伸失效研究

摘要：隨著復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，形成了一系列復(fù)合材料車體、設(shè)備艙等結(jié)構(gòu)，其車體裝配方式已由金屬焊接方式過渡到鉚接、栓接以及混合連接的結(jié)構(gòu)方式，連接的可靠性直接決定車體服役性能。鑒于此，本文制備了青島1號線車體的典型碳纖維復(fù)合材料膠鉚混合結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了靜載拉伸試驗，分析了不同膠鉚混合接頭的承載能力、失效模式。研究結(jié)果表明，膠鉚混合連接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下，膠層首先在拉伸引起的偏心載荷下產(chǎn)生微裂紋，沿載荷方向兩側(cè)邊緣向內(nèi)部逐步擴(kuò)展而后失效。膠層大部分失效后，鉚釘和板材主要承載，復(fù)合材料/金屬混合連接結(jié)構(gòu)失效形式為鉚釘斷裂，而復(fù)合材料膠鉚混連結(jié)構(gòu)的失效形式表現(xiàn)為復(fù)合材料分層、纖維斷裂、基體開裂的漸進(jìn)破壞及鉚釘拉脫。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；膠鉚混合結(jié)構(gòu)；拉伸載荷；膠層失效

中圖分類號：TQ342+.742文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0020-04

Study on the tensile failure of carbon fiber composite adhesive riveting mixed structure

WANG Peng1，HU Liang2，LI Gangqing1，SHEN Hefei1，HAN Xiaohui1

（1.CRRC QingdaoSifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，Shangdong China；

2.Qingdao CIMC Special Reefer Co.，Ltd.，Qingdao 266555，Shangdong China）

Abstract：With the wide application of composite materials in the field of rail transit，a series of composite car body，equipment cabin and other structures have been formed.The assembly mode of car body has been trans-formed from metal welding mode to riveting，bolting and mixed connection mode，and the reliability of connection di-rectly determines the service performance of the car body.In view of this，atypical carbon fiber composite glue-riv-eting hybrid structure of Qingdao Line 1 car body was prepared，and a static load tensile test was carried out to ana-lyze the bearing capacity and failure mode of different adhesive-riveting hybrid joints.The results showed that un-der the tensile load，the adhesive layer first produced microcracks under the eccentric load caused by tensile load，and then gradually expanded inward along the edges of both sides of the load direction and then failed.After the fail-ure of the most adhesive layer，the rivet and plate were mainly load-bearing.The failure form of the composite mate-rial/metal mixed connection structure was rivet fracture，while the failure form of the composite adhesive riveting joint structure was the progressive failure of composite material，fiber fracture，matrix cracking and rivet pulling.

Key words：carbon fiber composite；adhesive riveting mixed structure；tensile load；adhesive failure

輕量化設(shè)計已經(jīng)成為高速列車提速增效以及節(jié)能減排的緊迫任務(wù)，碳纖維復(fù)合材料憑借優(yōu)良的力學(xué)性能在軌道交通裝備上應(yīng)用逐漸廣泛，已經(jīng)由最初的非承載結(jié)構(gòu)逐步拓展至次承載以及主承載結(jié)構(gòu)[1]。隨著碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例增加，在列車中形成了復(fù)合材料/復(fù)合材料以及復(fù)合材料/金屬連接結(jié)構(gòu)，目前工程中常用的連接方式有膠接、鉚接、螺栓連接以及混合連接等，異質(zhì)材料之間的連接對于維持列車結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度具有重要意義[2]，因此，開發(fā)有效可靠的復(fù)合材料間、復(fù)合材料與金屬材料之間的連接方法已成為學(xué)者們的研究熱點。與粘結(jié)劑相比，鉚釘易于安裝，連接強(qiáng)度和耐久性高，成本效益高，是最為可靠的接頭連接方式之一。研究表明鉚接接頭的強(qiáng)度取決于緊固件、配合方式、鉚接力等。由于制孔破壞了材料連續(xù)性，鉚接過程中容易造成應(yīng)力集中而降低接頭的強(qiáng)度。膠接不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，但是其受環(huán)境影響面臨老化的風(fēng)險[3]。因此，膠鉚混合連接方式結(jié)合了膠接、鉚接的優(yōu)點而受到廣泛學(xué)者的關(guān)注。Lopez-Cruz等[4]通過對比碳纖維復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)、螺栓連接結(jié)構(gòu)和膠螺混合連接結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度，研究表明，混合接頭比單獨螺栓或者粘接接頭力學(xué)性能更強(qiáng)，擁有更強(qiáng)的止裂能力。Chen等[5]研究發(fā)現(xiàn)膠鉚混合接頭在峰值載荷和能量吸收方面與單獨的鉚接和粘接接頭相比表現(xiàn)出突出的性能，膠層先于鉚釘剪切失效，可以防止災(zāi)難性的接頭失效。Zhang等[6]通過試驗和模擬將單搭接Al/CFRP膠鉚混合結(jié)構(gòu)拉伸破壞過程，分析了膠層破壞機(jī)理和復(fù)材損傷模式。Lu等[7]探究了CFRP/Al膠鉚混合接頭在拉伸載荷下的響應(yīng)，研究表明CFRP和Al的放置順序影響結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，CFRP放置在鉚釘凸頭處的接頭缺陷較少，峰值載荷和能量吸收能力更優(yōu)。熊勇堅等[8]建立了金屬-復(fù)合材料鉚接、膠接、混合連接的拉伸模型，對比分析了不同連接方式的拉伸失效形式，并且研究了不同接頭參數(shù)對接頭承載強(qiáng)度和失效形式的影響。劉禮平等[9]研究了碳纖維復(fù)合材料膠鉚混合修理結(jié)構(gòu)靜載拉伸失效過程，揭示了膠層、鉚釘損傷起始及擴(kuò)展機(jī)理。

大量的工作已經(jīng)系統(tǒng)地研究了粘接、鉚接和混合接頭的機(jī)械性能和失效機(jī)制，但仍然有一些問題亟待解決。高速列車中存在多種材料組合的連接接頭，不同組合連接下的拉伸失效行為還未得到有效探究。

綜上所述，不同材料組合膠鉚混合連接接頭的拉伸力學(xué)行為以及失效模式仍不清楚，這是現(xiàn)有高速列車接頭高可靠輕量化設(shè)計的關(guān)鍵問題。本研究制備了青島1號線車體的典型碳纖維復(fù)合材料膠鉚混合結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了靜載拉伸試驗，分析了不同膠鉚混合接頭的承載能力、失效模式，對比了不同組合之間的失效過程和行為。

1試驗部分

1.1試驗材料

EP 6250車用膠，是一種高強(qiáng)度膠粘劑，適用于復(fù)合材料或者金屬材料之間的連接設(shè)計。該膠粘劑為高性能的雙組分環(huán)氧樹脂膠粘劑，可以配合鉚接等連接方式復(fù)合使用，具有高剪切和沖擊韌性。它具有以下特點：對金屬的粘合強(qiáng)度高，卓越的沖擊韌性，無腐蝕性/優(yōu)異的耐化學(xué)性。EP 6250膠粘劑的力學(xué)性能[10-13]：密度1.05 g/cm-3；剪切失效強(qiáng)度15～20 MPa；拉伸失效強(qiáng)度25 MPa；工作溫度-40～105℃;固化時間16 h。

本試驗中膠鉚混合結(jié)構(gòu)母板材料選用：16 mm厚TA18鈦合金；6、6.4、6.8、8、12、17、30 mm厚CFRP碳纖維；13 mm厚S355J2N碳鋼；12 mm厚6CrNiMoTi17-12-2不銹鋼。各材料力學(xué)性能見表1。采用的鉚釘型號為HUCK C6LB系列環(huán)槽鉚釘以及CHERRY CR7620、CR7621系列抽芯鉚釘。

1.2試驗件設(shè)計與制備

本試驗設(shè)計的單搭接膠鉚接頭試件示意圖如圖1所示，由母板、膠層和鉚釘構(gòu)成[14-18]。

復(fù)合材料單搭接膠鉚接頭的制備過程如下：首先使用水切割機(jī)按照所需尺寸將材料分割為試片，使用清洗劑清洗試片上的污漬，并用砂紙打磨試片表面，形成一定的粗糙度，使得材料表面可以被膠粘劑充分浸潤，達(dá)到有效粘接。涂膠前在試件膠粘區(qū)域做好標(biāo)識，邊緣部分涂適量的脫模劑，防止溢膠粘連影響實驗準(zhǔn)確性。試片處理完成后，將膠粘劑均勻涂抹在連接件試片上進(jìn)行粘接。等到膠粘劑固化完成后，通過三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床對連接件進(jìn)行制孔，制孔完成后使用砂紙對試件打磨出口毛刺，并用無水乙醇去除碎屑和清洗粘接表面。單搭接試件制備完成后，放入相應(yīng)型號的鉚釘，使用拉鉚槍進(jìn)行鉚接。為研究工藝參數(shù)對碳纖維復(fù)合材料膠鉚混合接頭強(qiáng)度的影響，設(shè)計實驗規(guī)劃如表2所示，實驗共6組，每組進(jìn)行5次重復(fù)性實驗。

1.3試驗設(shè)備及過程

本文采用CSS-88100型電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料膠鉚接頭的拉伸實驗。試驗在常溫干燥的環(huán)境下完成，為了確保拉伸過程中載荷作用在試件中心，避免端部加載產(chǎn)生的偏心效應(yīng)對實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響，因此在試件兩端分別墊片[19-20]。開始實驗后，先對試件加載定量的預(yù)緊力，等試件承載穩(wěn)定后，以2 mm/min的加載速率完成實驗。本實驗設(shè)置接頭載荷下降了超過最大載荷的30%時停止，得到拉伸過程的載荷-位移曲線。分別對每組接頭進(jìn)行3組重復(fù)性實驗，以減小實驗誤差。實驗過程中，應(yīng)注意對拉伸機(jī)測試軟件獲得的實驗數(shù)據(jù)實時分析，觀察對比接頭承載情況。

2試驗結(jié)果分析

2.1拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

6組不同材料組合的復(fù)合材料疊層膠鉚混合試件在靜載拉伸實驗中的載荷-位移曲線如圖2所示。圖2（a）中1-3和圖2（e）中5-5在實驗中夾具松脫，其實驗結(jié)果已被剔除，其余曲線的一致性較好。復(fù)合材料/復(fù)合材料、復(fù)合材料/金屬膠鉚混合結(jié)構(gòu)的拉伸行為可以劃分為3段：首先是膠層、鉚釘及板材共同承載；隨著位移的增大，拉伸引起的剝離應(yīng)力促使膠層發(fā)生內(nèi)聚失效而產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展最終斷裂，記錄膠層失效的峰值載荷為F1，這是第2階段；第3階段由鉚釘獨自承載，最終完全失效，記錄最終失效峰值載荷為F2。膠層失效及最終失效的平均載荷見表3，第5、6組的最終失效載荷明顯小于膠層失效載荷，是因為第5、6組試件的連接厚度較小，膠層承載能力強(qiáng)于碳纖維板，隨后碳纖維層合板持續(xù)損傷并逐漸撕裂，甚至出現(xiàn)了鉚釘拉脫的現(xiàn)象。

2.2失效模式分析

當(dāng)膠層失效時，第1組TC18/CFRP膠鉚混合連接接頭主要表現(xiàn)為膠層脫粘，這是1種界面失效模式，需要采取改進(jìn)的表面處理或者采用更適合的膠粘劑來解決脫粘問題。第2組CFRP/CFRP膠鉚混合連接接頭主要表現(xiàn)為碳纖維層合板分層失效導(dǎo)致膠層提前失效，這是由于層合板層間強(qiáng)度小于膠層與復(fù)合材料粘接的界面強(qiáng)度。剩下的四組均表現(xiàn)為膠層斷裂，發(fā)生了膠層界面、內(nèi)聚以及混合失效。通過對比最終的失效模式，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料和金屬的混合連接最終均是以鉚釘斷裂為結(jié)束點，而復(fù)合材料和復(fù)合材料的混合連接是以鉚釘拉脫、復(fù)合材料板發(fā)生層間分層、纖維斷裂、基體開裂而最終失效，在曲線上表現(xiàn)出漸進(jìn)失效的特征。

3結(jié)語

本文采用實驗研究的方法分析了碳纖維復(fù)合材料膠鉚混合結(jié)構(gòu)在靜載拉伸下的損傷失效過程。通過分析載荷-位移曲線以及試驗件損傷觀察結(jié)果，得出結(jié)論：

復(fù)合材料膠鉚混合結(jié)構(gòu)在承受拉伸載荷時，膠層先發(fā)生失效。膠層首先在拉伸引起的剝離應(yīng)力下逐漸產(chǎn)生裂紋，這一過程通常是膠層內(nèi)聚破壞、界面脫粘的混合失效過程，最后沿載荷方向兩側(cè)邊緣向內(nèi)部逐步擴(kuò)展而后失效。

膠層大部分失效后，鉚釘和板材主要承載，復(fù)合材料/金屬混合連接結(jié)構(gòu)失效形式為鉚釘斷裂，而復(fù)合材料膠鉚混連結(jié)構(gòu)的失效形式表現(xiàn)為復(fù)合材料層間分層、纖維斷裂、基體開裂的漸進(jìn)破壞及鉚釘拉脫。

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（責(zé)任編輯：張玉平）