劉淑峰，張 騫,2，程小全，李偉東，包建文

（1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191；2. 合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，合肥 230009；3.中航復合材料有限責任公司，北京 100095）

濕熱環(huán)境下碳纖維復合材料斜面膠接件拉伸試驗研究

劉淑峰1，張 騫1,2，程小全1，李偉東3，包建文3

（1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191；2. 合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，合肥 230009；3.中航復合材料有限責任公司，北京 100095）

測量了膠膜及其復合材料斜面膠接件在濕熱環(huán)境下的力學性能，對比分析了濕熱環(huán)境對膠膜及其碳纖維復合材料斜面膠接件力學性能的影響，并分析了濕熱對其破壞模式的影響。研究表明，膠膜的模量和強度吸濕后分別下降23.6%和27.0%，高溫下分別下降69.4%和66.9%，吸濕后高溫下分別下降85.0%和89.0%；其碳纖維復合材料斜面膠接件的名義剪切強度在吸濕后、高溫下和吸濕后高溫下分別下降了12.6%、36.4%和78.1%。同時，該斜面膠接結構的失效模式在室溫干態(tài)時膠層和膠接界面破壞都有；吸濕致使膠接界面性能下降而發(fā)生更多界面破壞；高溫環(huán)境下，以膠層破壞為主；濕熱同時作用下，以界面破壞為主。

碳纖維復合材料；斜面膠接；力學性能；耐濕熱性能；失效模式

0 引言

隨著復合材料性能與其工藝手段的不斷增強，復合材料的應用越來越廣泛，涉及到航空、航天、船舶、車輛等各個領域。復合材料的連接結構是飛機結構中的關鍵環(huán)節(jié)，其承載能力直接影響到復合材料結構的完整性和安全性，所以復合材料的連接設計分析變得尤為重要。復合材料結構服役的環(huán)境也越來越復雜，濕熱效應[1～2]的存在導致結構的力學性能明顯下降，尤其是對于濕熱環(huán)境中復合材料膠接結構力學性能的研究顯得更為重要[3]。

1970年代，Hart-Smith等[4～5]采用二維的解析法求解單面搭接、雙面搭接和階梯型搭接接頭的極限載荷，得出膠接接頭能承受的最大載荷取決于膠層的剪切變形能的結論。Fredrickson等[6]采用B-Spline分析方法計算了復合材料斜搭接結構在拉伸載荷下的應變場，并與云紋干涉方法進行對比，獲得較好的一致性。Campilho等[7]建立了復合材料單面搭接結構有限元模型，將膠層材料等效為理想彈塑性材料，并引入內聚力破壞，準確的預測了結構強度和破壞方式。Knighta等[8]采用AF-555M膠膜和T800H/3900層合板制備單面搭接件，測試了試件吸濕后的剪切強度，結果表明結構剪切強度隨著吸濕時間的增加而先快速下降，后趨于不變。Li等[9]采用不同鋪層順序的復合材料層合板進行單面搭接件的拉伸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)層合板膠接面為90°時，層合板不發(fā)生破壞，只有膠層破壞，而為45°和90°時，層合板發(fā)生不同程度地破壞。

Kumar等[10]研究了斜面膠搭接試樣件的壓縮強度和破壞失效模式與斜面角度的變化關系。Li等[9]對復合材料斜面膠接件的拉伸性能進行了試驗研究，結論為當挖補角＜8.13°時，剪切強度與挖補角度成線性關系，當挖補角＞8.13°時其剪切強度近似為常數(shù)。Mortensen F等[11]在經典層合板的理論基礎上對挖補修理做了理論研究，建立了一個數(shù)值分析方法研究膠黏劑的彈性與非彈性性能對膠接接頭應力分布的影響。高宇劍[12]對膠層采用擴展Drucker-Prager非線性材料模型，預測了挖補修理層合板的強度，預測結果更加精確，并在此基礎上提出了“挖補結構與膠粘劑相匹配”的膠接思想。

A. Zafar等[13]研究了吸濕對碳纖維和環(huán)氧樹脂之間界面的影響，其研究表明吸濕的樹脂發(fā)生溶脹直接導致復合材料的力學性能下降，并通過DSC試驗發(fā)現(xiàn)樹脂在吸濕后玻璃化轉變溫度（Tg）也有所下降。Krzysztof[14]對復合材料的熱力學性能做了深入的理論研究，并把纖維的截面形狀作為影響變量，分析了其對復合材料層合板的宏觀熱傳導系數(shù)的影響，計算得到層合板在熱載作用下的熱傳遞和熱分布，為研究復合材料受熱載時的力學行為奠定了基礎。

目前關于復合材料單面、雙面和斜面膠搭接的報道較多，但涉及濕熱環(huán)境下復合材料膠接結構的強度與失效模式分析較少。試驗將測量不同濕熱環(huán)境條件下膠膜的力學性能和復合材料斜面膠接件在拉伸載荷下的強度與破壞模式，并對比分析濕熱環(huán)境對結構強度與破壞模式的影響。

圖1 膠膜拉伸試件尺寸

1 試驗

1.1 試驗件

試驗采用北京航空材料研究院提供的SY-14M膠膜，被膠接層合板選用CCF300/5228A預浸料通過熱壓罐工藝成型制備，其鋪層順序為[+45/02/-45/90/+45/02/-45/0]s，層合板的名義厚度為2.7 mm，被膠接的兩個層合板相同。

試驗分別對膠膜材料和復合材料斜面膠接件進行拉伸試驗。膠膜的拉伸試件參考文獻[15]設計，試件尺寸如圖1所示，試件由8 層膠膜鋪疊制成，厚度為1 mm。

復合材料斜面膠接件的尺寸參考文獻[16]進行設計，如圖2所示，其中試驗件厚度為2.7 mm，寬度為25 mm，試驗件總長度為180 mm，斜接角度為6°，搭接長度為25.8 mm。試件長度方向與0°方向一致。試件加工時，首先將層合板一端進行斜削（機加工），斜面角度為6°，然后采用SY-14M膠膜將斜削后復合材料層合板在斜面處進行膠接，最后將膠接后的復合材料層合板加工為25×180 mm的試驗件。如圖3～4分別為膠膜和復合材料斜面膠接試驗件。

膠膜拉伸試驗分為RTD（室溫干態(tài)）、RTW（室溫濕態(tài)）、ETD（高溫干態(tài)）和ETW（高溫濕態(tài)）4 組，每組5 個試驗件，總共20 件。復合材料斜面膠接件拉伸試驗也分為以上4 組，每組3件，共12 件。其中，濕態(tài)試件是在95 ℃水中浸泡60 h獲得，吸濕前后稱量試件質量，得到濕態(tài)試樣的平均吸濕率約為0.947%；高溫指測試環(huán)境為95 ℃。

圖2 復合材料斜面膠接件拉伸試件尺寸

圖3 膠膜試驗件

圖4 復合材料斜面膠接件

圖5 試驗機和環(huán)境箱

1.2 試驗過程

從表2中可以看出，量表中3個維度的Cronbach'a系數(shù)都大于0.70，總量表的信度系數(shù)高于0.80，說明具有良好的信度。

如圖5所示，膠膜拉伸試驗和復合材料斜面膠接件分別在49和98 kN級的Instron液壓伺服試驗機配合環(huán)境試驗箱里進行，試驗加載速率分別為0.5和1.25 mm/min。試驗過程中載荷通過機器橫梁處的載荷傳感器獲得，變形量（位移）通過Instron引伸計測量，如圖6所示。

1.3 試驗數(shù)據(jù)處理

對于膠膜拉伸試驗，根據(jù)載荷和變形量數(shù)據(jù)按照式⑴計算應力σ和應變ε。

式中F為載荷（N），b、h分別為試件試驗段的寬度和厚度（mm），Δl為變形位移量（mm），l為引伸計的標稱長度（mm），為25 mm。

對于碳纖維復合材料斜面膠接件，根據(jù)試驗過程中記錄得到載荷位移數(shù)據(jù)，繪制載荷-位移曲線，取最大拉伸載荷計算結構強度。假設膠層中的剪切應力和剝離正應力均勻分布，通過式⑵計算斜接結構的名義剪切強度。

式中Fult為最大載荷（N），θ為斜面角度，b和t分別為搭接寬度和試件搭接區(qū)厚度（mm）。

圖6 試件和引伸計安裝示意圖

2 結果與分析

2.1 膠膜試驗結果與分析

膠膜在4 種環(huán)境條件下的拉伸應力-應變曲線如圖7所示。膠膜的拉伸力學性能如表1所示，可見膠黏劑吸濕之后，其拉伸模量下降約23.6%，強度下降約27.0%，后階段曲線的非線性較為明顯；干態(tài)試樣在高溫環(huán)境下的拉伸模量下降約69.4%，強度下降約66.9%；吸濕后試樣在高溫環(huán)境下的拉伸模量和強度下降更為顯著。對比發(fā)現(xiàn)，膠膜在高溫環(huán)境下的塑性較為明顯，其斷裂延伸率也相比常溫下大很多。

2.2 復合材料斜面膠接件試驗結果與分析

4組試驗的拉伸載荷-位移曲線見圖8，為了便于對比，每組試驗取了一條曲線。對比RTD和 RTW兩組，發(fā)現(xiàn)曲線初始斜率一致，而吸濕導致提前破壞。而高溫干態(tài)環(huán)境下，由于高溫導致膠層模量下降，塑性特征更加明顯，因而斜接件的載荷位移曲線也表現(xiàn)出明顯的塑性。對于高溫濕態(tài)組，載荷位移曲線的斜率下降很明顯，很早就進入塑性過程。

各組的試驗結果匯總如表2所示，各組試驗的離散系數(shù)都＜15%，說明試驗的可靠性。對比RTD和RTW組，發(fā)現(xiàn)斜接結構吸濕之后破壞載荷下降約12.6%，名義剪切強度也由19.38 MPa下降至16.40 MPa；對比RTD和ETD組，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境下斜接結構的承載能力下降約31.2%，名義剪切強度下降約36.4%；對比RTD和ETW組，發(fā)現(xiàn)斜接結構吸濕后在高溫環(huán)境下承載能力下降約77.0%，名義剪切強度下降約78.1%，可見濕熱環(huán)境同時作用對結構強度影響最為嚴重。

圖7 膠膜拉伸應力應變曲線

表1 濕熱環(huán)境下膠膜拉伸力學性能

圖8 復合材料斜面膠接件的拉伸載荷位移曲線

表2 復合材料斜面膠接件拉伸試驗結果

圖9 膠接結構破壞形貌

2.3 復合材料斜面膠接件破壞分析

對于膠接結構，其破壞模式主要分為膠層內聚力破壞、膠接界面破壞和被膠接件破壞3 種。膠層破壞時，破壞后的兩面都有膠殘留；而膠接界面破壞時，一面有明顯的膠黏劑，一面沒有膠，較為光滑。試驗出現(xiàn)膠層和膠接界面兩種破壞模式，其破壞后的斷口如圖9所示。對于RTD組，其破壞模式主要是膠層本身的剪切破壞和膠接端部的膠接界面破壞；RTW組也發(fā)生上述兩種破壞，而對比RTD其界面破壞更多，說明吸濕對于膠接界面具有較明顯的衰減作用；對于ETD組，高溫環(huán)境下膠層本身性能下降較為明顯，所以主要是發(fā)生膠層剪切破壞；對于ETW組，其破壞表面較為光滑，破壞模式主要是界面破壞，發(fā)生少量的膠層破壞。綜上，可以發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境對復合材料斜面膠接件破壞模式的影響主要表現(xiàn)為3 點，①吸濕造成膠接界面強度的降低，促使界面破壞更易發(fā)生；②高溫主要影響膠層材料的性能，所以更易發(fā)生膠層破壞；③吸濕和高溫相互作用下，膠接界面性能衰減更加嚴重。

3 結論

通過試驗研究了膠膜和碳纖維復合材料斜面膠接件在拉伸載荷下的力學性能，對比了在室溫干態(tài)（RTD）、室溫濕態(tài)（RTW）、高溫干態(tài)（ETD）和高溫濕態(tài)（ETW）4 種環(huán)境下膠膜和斜接件的拉伸強度和破壞模式。然后，對4 種環(huán)境下斜接件的破壞模式進行了對比分析。得到的結論主要有以下幾點：

⑴ SY14-M膠膜的模量和強度吸濕后分別下降23.6%和27.0%，高溫下分別下降69.4%和66.9%，吸濕后在高溫下分別下降85.0%和89.0%。而且在高溫下表現(xiàn)出明顯的塑性特征。

⑵ 相比于RTD組，RTW、ETD和ETW組復合材料斜面膠接件的名義剪切強度分別下降了12.6%、36.4%和78.1%，可見在高溫和吸濕同時作用時對復合材料斜面膠接件性能衰減和發(fā)生破壞最嚴重。

⑶ 高溫時膠層模量下降，塑性特征明顯，斜接結構的破壞行為也表現(xiàn)出明顯的塑性。高溫和吸濕共同作用時，結構剛度下降，很早就進入塑性過程。

⑷ 復合材料斜面膠接件的破壞模式主要為膠層和膠接界面破壞。吸濕后膠接界面性能下降導致膠接界面破壞增加；高溫環(huán)境下，膠層性能下降致使膠層破壞增加；而高溫和吸濕共同作用下，破壞主要為膠接界面破壞。

綜上可知，濕熱環(huán)境對膠接結構性能的影響不可忽視。實際應用中應選用耐濕熱的膠黏劑，并采取相應的防潮措施。

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Tensile performance of adhesively bonded carbon/epoxy composite scarf joints subject to hygrothermal environment

LIU Shu-feng1, ZHANG Qian1,2, CHENG Xiao-quan1, LI Wei-dong3, BAO Jian-wen3
( 1. School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191 China; 2. School of Civil engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009 China; 3. AVIC composite corporation LTD, Beijing 100095 China )

Experiments were carried out to test the tensile properties of adhesive film and adhesively bonded carbon/epoxy composite scarf joints using this adhesive film under different environment conditions. Comparisons were then made to study the hygrothermal effects on their mechanical properties. Changes of damage modes induced by hygrothermal environments were analyzed. Results showed degradations of the modulus and strength of adhesive were 23.6% and 27.0%, respectively, after water absorption; 69.4% and 66.9%, respectively, under elevated temperature; 85.0% and 89.0%, respectively, under combination of water absorption and elevated temperature. The nominal shear strength of carbon/epoxy composite scarf joints decreased 12.6%, 36.4% and 78.1%, for room temperature/wet, elevated temperature/dry and elevated temperature/wet condition respectively. Simultaneously, both adhesive and interfacial failures happened under room temperature/dry condition. After water absorption, the strength of interface between adhesive and laminate was degraded and more interfacial fracture generated. Adhesive properties decreased a lot under elevated temperature, so adhesive failure dominated. While subject to combination of elevated temperature and wet condition, interfacial fracture dominated.

carbon composite; adhesively bonded scarf joint; mechanical properties; hygrothermal properties; damage modes

V250.2; V258

A

1007-9815（2016）01-0034-06

定稿日期:2016-02-25

國家自然科學基金（11472024）

劉淑峰（1989-），男，江西吉安人，博士研究生，主要研究方向為復合材料結構設計和損傷容限分析，(電子信箱)Liufeng_9760@126.com；通訊作者：程小全，男，教授，博導，(電子信箱)xiaoquan_cheng@buaa.edu.cn。