欒建澤， 那景新， 慕文龍， 譚 偉， 陳宏利

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)試驗室，長春 130022)

復(fù)合材料與常規(guī)的金屬材料相比具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛.利用混雜復(fù)合材料制成的汽車具有零件少、運(yùn)行性能高、節(jié)能降噪等優(yōu)勢，為現(xiàn)代電動汽車車身輕量化技術(shù)的研究與車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了更大的發(fā)展空間.玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(BFRP)綜合性能優(yōu)異，且玄武巖纖維的原料成本低，生產(chǎn)能耗低，在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-3].然而，傳統(tǒng)的連接方法會破壞金屬和復(fù)合材料基體，引入應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性降低.粘接作為一種新型的連接技術(shù)，具有應(yīng)力分布均勻、抗疲勞性好、可實現(xiàn)異種材料連接等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域的設(shè)計應(yīng)用中廣受重視.考慮到工程應(yīng)用中不同的應(yīng)變率工況，基于汽車輕量化和碰撞安全的要求，加載速率對相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)的影響也日益受到關(guān)注[4-8].

粘接劑和環(huán)氧樹脂基體作為高分子材料，力學(xué)性能受表面處理、接頭形式、載荷、溫度等的影響較大.由于復(fù)合材料纖維/基體的不均勻性、熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能的差異性，纖維/基體界面在溫度環(huán)境中容易因熱應(yīng)力作用而破壞，從而影響復(fù)合材料的性能.對此，許多學(xué)者開展了實驗室老化試驗來評估環(huán)境溫度對粘接劑和復(fù)合材料老化特性的影響[9-11].Machado等[9]加工了碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(CFRP)和鋁基板的粘接接頭，在-30～80 ℃的測試溫度下對接頭進(jìn)行1 mm/min的準(zhǔn)靜態(tài)測試和3 m/s的沖擊測試.結(jié)果表明，與現(xiàn)代耐碰撞粘接劑結(jié)合使用的粘接接頭在沖擊下具有良好的吸能能力.秦國鋒[11]加工了CFRP-鋁合金粘接接頭，研究了服役溫度、載荷老化等作用下接頭的老化機(jī)理和性能變化規(guī)律，建立了失效預(yù)測方法和粘接強(qiáng)度快速評價方法；張歡等[12]研究了熱氧環(huán)境對環(huán)氧膠粘劑力學(xué)性能退化的影響.結(jié)果表明，環(huán)氧膠材料本體的耐老化性能較好；對于鋁-鋁和玻璃鋼-鋁界面，粘接強(qiáng)度分別依賴于環(huán)氧膠本體和玻璃鋼界面的強(qiáng)度；在110 ℃以下，環(huán)氧膠的界面粘接強(qiáng)度具有較好的穩(wěn)定性.

此外，在不同加載速率下，粘接劑和復(fù)合材料的力學(xué)性能也存在差異.Johar等[13]研究了粘接接頭在5～500 mm/min加載速率下的變形特性和性能.結(jié)果表明，當(dāng)加載速率小于10 mm/min時，粘接接頭的脫膠失效模式較為明顯；大于250 mm/min時，內(nèi)聚失效模式較為明顯.蘇玉芹等[14]研究了不同加載速率對碳纖維復(fù)絲力學(xué)性能測試的影響.結(jié)果表明，在2、5 mm/min 的加載速率下，T300B、T700SC、T800HB碳纖維復(fù)絲的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量測試值與日本東麗公司提供的性能數(shù)據(jù)一致；當(dāng)加載速率大于10 mm/min時，拉伸強(qiáng)度值均偏低，拉伸模量值也受到一定影響.Jia等[15]研究了聚氨酯膠粘劑在不同溫度、加載速率下的典型R曲線，并得到了該膠粘劑I型斷裂韌性、名義應(yīng)變率與溫度的關(guān)系.結(jié)果表明，膠粘劑在-40 ℃與500 mm/min條件下的I型斷裂韌性顯著降低，僅為室溫準(zhǔn)靜態(tài)測試下的15%.

復(fù)合材料-金屬粘接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能受粘接劑與復(fù)合材料的老化特性和加載速率的影響[16-18].多數(shù)學(xué)者僅研究了單一因素對粘接接頭力學(xué)性能的變化規(guī)律.此前，研究團(tuán)隊對不同服役溫度老化后鋁合金-BFRP粘接接頭力學(xué)性能的研究并未考慮加載速率這一影響因素.因此，本文在汽車服役的典型高溫環(huán)境(80 ℃)下，對鋁合金-BFRP粘接接頭進(jìn)行了不同周期(0、5、10、15、20 d)的老化試驗，研究了高溫老化作用下加載速率為1、100 mm/min時準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的研究，并設(shè)計了粘接、測試夾具，測試了鋁合金-BFRP粘接接頭準(zhǔn)靜態(tài)下的切應(yīng)力與拉應(yīng)力.

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的粘接材料為BFRP板材(吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司)與6061鋁合金.BFRP的板材厚度為2 mm，由玄武巖纖維布和復(fù)合成型樹脂基底制備而成，纖維布鋪層方向為[(0/90)/0/90/0/90/(0/90)].復(fù)合成型樹脂為耐高溫低黏度環(huán)氧樹脂，包括ML-5417A(環(huán)氧樹脂膠)與ML-5417B(固化劑)，成分質(zhì)量比為100∶30.粘接劑為雙組分工業(yè)級環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠Araldite?2015(亨斯邁先進(jìn)材料有限公司).各材料的屬性參數(shù)[19]如表1～4所示，其中Ex、Ey為x、y方向的彈性模量，Gxy為剪切模量，ν為泊松比，Et為拉伸模量，Eb為彎曲模量，Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，E為彈性模量，ρ為密度.

表1 BFRP屬性參數(shù)

表2 ML-5417A和ML-5417B屬性參數(shù)

表3 6061鋁合金屬性參數(shù)[19]

表4 Araldite? 2015屬性參數(shù)[19]

1.2 試件制作

采用統(tǒng)一的粘接工藝制作鋁合金-BFRP粘接接頭，接頭幾何尺寸如圖1所示，粘接區(qū)域為 25 mm×25 mm，BFRP板材與鋁合金通過粘接劑粘接，利用直徑為 0.2 mm的玻璃球控制膠層厚度為0.2 mm.BFRP板材的尺寸為(40 mm×40 mm×2 mm)，截面略大于粘接面積.

圖1 接頭幾何尺寸(mm)

粘接基材的表面預(yù)處理流程參考GB/T 7124-2008[20]，制作流程參考相關(guān)文獻(xiàn)[2,11,18,19].試驗環(huán)境保持無塵，環(huán)境溫度為(25±3)℃、相對濕度為(50±5)%.用80目的砂紙打磨處理鋁合金的粘接表面；用丙酮清除鋁合金塊與BFRP板材粘接區(qū)域表面的油脂與灰塵；自然干燥后，用專用1∶1雙組分膠槍施膠，在統(tǒng)一的專用夾具上完成接頭的制作.常溫放置24 h后，取下接頭，放置在80 ℃高溫箱(上海圣科儀器設(shè)備有限公司)內(nèi)固化2 h，接頭制作完成[2].

1.3 測試與表征

首先結(jié)合設(shè)計的測試夾具，使用WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(長春科新試驗儀器有限公司)以1、50、100 mm/min的加載速率測定未老化的鋁合金-BFRP粘接接頭的失效強(qiáng)度.然后在1、100 mm/min的加載速率下，研究低速加載對高溫老化的鋁合金-BFRP粘接接頭失效的影響：將粘接接頭分為5組放在高溫箱(80 ℃)中進(jìn)行持續(xù)時間為0、5、10、15、20 d的高溫老化，對老化后恢復(fù)至常溫的粘接接頭進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸與剪切測試直至接頭破壞.接頭與測試夾具兩端通過十字萬向節(jié)與WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)連接[11]，如圖2所示，利用銷軸在兩個方向提供的轉(zhuǎn)動自由度消除測試過程中的非軸向力，避免對接頭產(chǎn)生影響.測試結(jié)果為不同老化周期下粘接接頭的失效載荷，每組試驗重復(fù)3次，取有效數(shù)據(jù)的平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 加載速率對未老化接頭失效的影響

將粘接接頭的準(zhǔn)靜態(tài)失效載荷進(jìn)行統(tǒng)計，計算對應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)失效強(qiáng)度：

(1)

式中：Fmax為準(zhǔn)靜態(tài)測試接頭失效過程中對應(yīng)的失效載荷；A為接頭的失效面積.

不同加載速率(v)下鋁合金-BFRP粘接接頭的準(zhǔn)靜態(tài)失效強(qiáng)度如圖3所示，失效斷面如圖4所示(左側(cè)為鋁合金，右側(cè)為BFRP).在拉應(yīng)力和切應(yīng)力作用下，接頭失效強(qiáng)度隨加載速率的增大而上升.這是因為環(huán)氧樹脂形變速率的增大使粘性因素產(chǎn)生的應(yīng)力增加；當(dāng)加載速率增大時，長鏈大分子會變得剛硬，膠層和復(fù)合材料的基體樹脂剛度會有所增加，對粘接接頭的強(qiáng)度產(chǎn)生影響[21-23].以1 mm/min加載速率下的失效強(qiáng)度為參照，當(dāng)加載速率增大時，切應(yīng)力作用下接頭失效強(qiáng)度的上升幅度大于拉應(yīng)力作用下的上升幅度.在3種低速加載速率測試中，拉應(yīng)力和切應(yīng)力作用下接頭的失效模式分別為纖維撕裂和膠層內(nèi)聚，接頭的宏觀失效模式?jīng)]有明顯變化.

圖3 不同加載速率下鋁合金-BFRP接頭失效強(qiáng)度

圖4 不同加載速率下鋁合金-BFRP接頭失效斷面

2.2 不同加載速率下高溫老化接頭的失效強(qiáng)度

鋁合金-BFRP粘接接頭的準(zhǔn)靜態(tài)失效強(qiáng)度隨老化時間(t)的變化如圖5所示.

圖5 粘接接頭失效強(qiáng)度隨老化時間的變化

在1、100 mm/min加載速率下，以老化時間為0時(未老化)粘接接頭的失效強(qiáng)度為參考，經(jīng)5、10、15、20 d老化后的接頭受拉應(yīng)力破壞時，失效強(qiáng)度逐漸降低，降低比例分別約為0.07%、2.29%、4.90%、21.80%和1.22%、3.47%、6.50%、15.54%；拉伸接頭失效強(qiáng)度的下降速率隨老化時間的增加而增大.經(jīng)5、10、15、20 d老化之后的接頭受切應(yīng)力破壞時，失效強(qiáng)度先升高后降低，升高比例分別為2.84%、6.92%、0.45%和3.75%、6.61%、1.38%，且20 d后的失效強(qiáng)度低于未老化時的；剪切接頭失效強(qiáng)度的上升速率先增大后減小，減小比例分別約為19.18%和5.73%.可以看出，鋁合金-BFRP粘接接頭在高溫老化環(huán)境中的失效強(qiáng)度由加載速率和老化時間共同影響.此外，受應(yīng)變率效應(yīng)的影響，相同老化時間下的粘接接頭在100 mm/min加載速率下的失效強(qiáng)度均高于1 mm/min加載速率下的.

分別采用二次多項式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)將粘接接頭在拉應(yīng)力和切應(yīng)力作用下的失效強(qiáng)度對老化時間進(jìn)行曲線擬合，如圖6所示.拉應(yīng)力作用下指數(shù)函數(shù)擬合優(yōu)度較高，切應(yīng)力作用下二次多項式函數(shù)擬合優(yōu)度較高.

圖6 不同應(yīng)力作用下失效強(qiáng)度隨老化時間變化的擬合曲線

2.3 不同加載速率下高溫老化接頭的失效模式

影響粘接接頭失效的因素較多，如粘接環(huán)境、表面處理、服役環(huán)境等[7,11,19,21].鋁合金-BFRP粘接接頭準(zhǔn)靜態(tài)測試后的失效斷面如圖7～8所示，通過對比粘接接頭的失效模式，可以分析加載速率對鋁合金-BFRP粘接接頭失效的影響機(jī)理.

圖7 鋁合金-BFRP粘接接頭剪切破壞的典型失效斷面

圖8 鋁合金-BFRP粘接接頭拉伸破壞的典型失效斷面

對于受切應(yīng)力破壞的粘接接頭，未老化接頭的失效模式為膠層的內(nèi)聚失效，膠層均勻地覆蓋在鋁合金和BFRP失效斷面上，說明在切應(yīng)力作用下，粘接劑與BFRP纖維基材之間的結(jié)合力低于BFRP纖維基材與環(huán)氧樹脂基體之間的結(jié)合力.經(jīng)過10 d的高溫老化，接頭的失效模式?jīng)]有明顯變化，說明老化10 d內(nèi)接頭受切應(yīng)力破壞的失效強(qiáng)度主要受粘接劑影響，粘接劑在高溫環(huán)境下發(fā)生后固化反應(yīng)，力學(xué)性能增強(qiáng)，導(dǎo)致接頭的承載能力提高，受切應(yīng)力破壞的失效強(qiáng)度上升；經(jīng)過20 d的高溫老化，接頭的失效斷面由最初的內(nèi)聚失效逐漸過渡到內(nèi)聚失效與界面失效的混合失效模式.隨著老化時間的增加，失效斷面上內(nèi)聚失效的比例逐漸減少，20 d后在1、100 mm/min加載速率下約占失效斷面面積的75%和80%；界面失效的比例逐漸增大，20 d后在1、100 mm/min加載速率下約占失效斷面面積的25%和20%，這是切應(yīng)力作用下失效強(qiáng)度經(jīng)15 d和20 d老化后迅速下降的主要原因.

對于受拉應(yīng)力破壞的接頭，未老化接頭的失效模式為玄武巖纖維基材與樹脂基體的撕裂(纖維撕裂)，說明在拉應(yīng)力作用下，粘接劑與BFRP纖維基材之間的結(jié)合力高于BFRP纖維基材與環(huán)氧樹脂基體之間的結(jié)合力；經(jīng)過20 d的高溫老化，接頭的失效斷面由最初的纖維撕裂逐漸過渡到纖維撕裂、界面失效與膠層內(nèi)聚的混合失效模式.隨著老化時間的增加，失效斷面上纖維撕裂的比例逐漸減少，20 d 后在1、100 mm/min加載速率下約占失效斷面面積的75%和85%；界面失效的比例逐漸增大，20 d后在1、100 mm/min加載速率下約占失效斷面面積的20%和10%，這是拉應(yīng)力作用下失效強(qiáng)度隨老化時間增加而逐漸降低的主要原因.同時內(nèi)聚失效少量產(chǎn)生，20 d后約占失效斷面面積的5%.

2.4 接頭失效的微觀形貌

文獻(xiàn)[19]對比分析了高溫老化前后粘接劑與BFRP的變化，發(fā)現(xiàn)粘接劑在高溫環(huán)境下發(fā)生了后固化反應(yīng)及氧化反應(yīng)，Tg升高，粘接劑力學(xué)性能增強(qiáng)；BFRP在高溫下發(fā)生了熱分解和氧化反應(yīng)，Tg降低.當(dāng)環(huán)境溫度(80 ℃)低于BFRP中環(huán)氧樹脂基體的Tg時,樹脂基體的老化不明顯.利用JSM-IT500A掃描電子顯微鏡(SEM)對未老化及80 ℃老化20 d后的纖維撕裂部分進(jìn)行觀察，如圖9所示.

圖9 纖維撕裂

圖9中，在未老化的纖維撕裂區(qū)域，纖維周圍存在部分樹脂基體，而經(jīng)80 ℃老化20 d后，纖維表面相對光滑，僅存在少量樹脂，說明高溫老化在BFRP纖維基材與樹脂基體間產(chǎn)生了熱應(yīng)力，破壞了BFRP纖維基材與環(huán)氧樹脂基體的界面，導(dǎo)致兩者之間的結(jié)合力降低，更容易發(fā)生基體開裂或纖維撕裂[2].

2.5 不同加載速率下的失效準(zhǔn)則

利用二次應(yīng)力準(zhǔn)則公式擬合在1、100 mm/min加載速率下隨老化時間變化的粘接接頭的拉應(yīng)力(σ)與切應(yīng)力(τ)值，得到不同高溫老化時間下，鋁合金-BFRP粘接結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則[24-25].

(2)

式中：N為拉應(yīng)力的失效強(qiáng)度；S為切應(yīng)力的失效強(qiáng)度.建立以τ和σ為橫縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系，采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，在MATLAB軟件中實施計算過程[2,11,18]，結(jié)果如圖10所示.粘接結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力和切應(yīng)力若均在預(yù)測曲線內(nèi)側(cè)，則表示結(jié)構(gòu)安全；若在預(yù)測曲線上或外側(cè)，則表示結(jié)構(gòu)危險.隨著老化時間的增加，粘接結(jié)構(gòu)的承載變化幅度較大，高溫老化20 d后，失效準(zhǔn)則曲線范圍縮小，說明粘接結(jié)構(gòu)的承載能力降低了[11].

圖10 不同老化時間鋁合金-BFRP粘接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)失效準(zhǔn)則

在上述失效準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，采用二次多項式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，擬合了各參數(shù)隨高溫老化時間的關(guān)系曲線，基于響應(yīng)面原理，通過MATLAB建立失效準(zhǔn)則隨老化時間的響應(yīng)面方程式，進(jìn)一步獲得任意老化時間下的失效準(zhǔn)則：

(3)

(4)

3 結(jié)論

本文研究了低速加載對高溫老化鋁合金-BFRP粘接接頭準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響，制作了鋁合金-BFRP粘接接頭，在1、50、100 mm/min加載速率下測定了未老化接頭的失效強(qiáng)度，在1、100 mm/min加載速率下對0、5、10、15、20 d高溫老化的接頭進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測試.結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計、曲線擬合和SEM測試分析了失效強(qiáng)度與失效模式變化的影響因素，針對不同老化時間建立二次應(yīng)力失效準(zhǔn)則，為工程中涉及高溫環(huán)境下服役的粘接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)失效預(yù)測提供參考.研究結(jié)論如下：

(1)鋁合金-BFRP粘接接頭失效強(qiáng)度由加載速率和老化時間共同影響.低速加載下，接頭在拉應(yīng)力和切應(yīng)力作用下失效強(qiáng)度均隨加載速率的增大而升高，在加載速率范圍內(nèi)，切應(yīng)力作用下接頭失效強(qiáng)度的上升幅度大于拉應(yīng)力作用下的上升幅度.

(2)在3種加載速率下，未老化接頭的宏觀失效模式?jīng)]有明顯變化，拉應(yīng)力作用下接頭的失效模式均為纖維撕裂，切應(yīng)力作用下接頭的失效模式均為膠層內(nèi)聚.

(3)在1、100 mm/min的加載速率下，接頭失效強(qiáng)度隨老化時間的變化趨勢接近；受切應(yīng)力破壞的粘接接頭在老化前期失效強(qiáng)度上升的原因為膠粘劑的后固化；粘接接頭失效強(qiáng)度在老化后期出現(xiàn)下降的原因為界面失效，且隨著老化時間的增加，界面失效比例逐漸增加.