G/Epoxy复合材料胶接强度研究

严科飞，万家军，任伟华，李婕，魏玉通

（中国航天科工集团第六研究院，内蒙古金岗重工有限公司，内蒙古呼和浩特 010010）

G/Epoxy复合材料胶接强度研究

严科飞，万家军，任伟华，李婕，魏玉通

（中国航天科工集团第六研究院，内蒙古金岗重工有限公司，内蒙古呼和浩特 010010）

摘要:使用G/Epoxy作为底材研究了垫板、结构胶黏剂厚度和底材表面处理对拉伸剪切强度的影响。使用光学显微镜观察了断口形貌。结果表明加垫板能减小试验过程中由于加载偏心引起剥离应力，测试结果较大；结构胶黏剂的厚度和底材表面处理对拉伸剪切强度影响十分明显，随着厚度的增大而减小，经打磨表面裸露出纤维的试样拉伸剪切强度很低。结构胶黏剂厚度较小时以内聚破坏为主，随着厚度的增加破坏模式转变为粘接破坏。

关键词：结构胶黏剂；拉伸剪切；胶黏剂厚度；表面处理

引言

胶接连接具有高的结构效率并且是减轻结构质量的一种措施，环氧结构胶黏剂具有较高的比强度、使用温度范围大、能够同时胶接各种结构、适用于曲面大面积胶接等特点，因此环氧结构胶黏剂胶接结构被广泛应用于航空航天以及风力叶片等一些复合材料结构件或构件修补中[1～4]，成为三大连接方式之一[5]。在实际应用中，胶接接头由于内应力的存在使得在受到较小的外部应力就发生破坏。因此，最大限度的减小接头的内应力是提高胶接接头抵抗外部应力的能力的有效方法[4]。宋冬利等[4]使用A3钢作为底材研究了毛边、接头形式及测试方法对结构胶黏剂拉伸剪切强度的影响。林美[6]研究了厚度、固化温度、晾置时间和加载速率对低黏度结构胶黏剂拉伸剪切强度的影响。尽管目前已形成了测定结构胶黏剂拉伸剪切性能标准方法，如ASTMD3165-00,GB/T 7124[7]等，但这些方法均是相对于金属材料底材而言，由于复合材料的特性，这些标准都不能直接应用于复合材料结构件连接。因此本文研究了复合材料作为底材时，垫板、胶层厚度、基材表面处理对结构胶黏剂拉伸剪切强度的影响。

1 试验材料及过程

1.1 试验材料

试验用试样如图1所示。结构胶黏剂粘接底材和垫板材料均为真空辅助灌注成型工艺制备的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料（G/Epoxy），增强体为重庆国际EKU-1150-630单向玻璃纤维布单方向铺3层而成，基体树脂为天津上纬2511-A/2511-BS体系环氧树脂。制备的试样厚度为2.58 mm。平均密度为1.80kg/m3，孔隙率约为1%，纤维体积分数约为72%。

试验用三种体系结构胶，分别为：A-Darbond 3510/3610、B-AIRSTONE77E/778H、C-HEXION-MGSO；RL135/134。

图1 拉伸剪切试样示意图Fig.1Schematic diagram of specimen for tensile shear strength test

1.2 试验过程

本文研究的垫板对拉伸剪切强度的影响的试样制作过程是：（1）用玻璃钢专用制机切割底材和垫板，加工时注意加载方向和纤维方向一致；（2）用酒精清洗并烘干结构结构胶粘接底材和垫板的粗糙面（真空辅助成型过程与脱模布接触面）；（3）标记粘接区域；（4）配制结构胶黏剂；（5）涂覆胶黏剂并粘接；（6）后固化处理。加垫板试样按图1粘接，未加垫板试样即不需要粘接垫板。研究表面处理对拉伸剪切强度影响时，试样制作第2步不同，用砂纸打磨底材和垫板的光滑面（真空辅助成型和模具接触表面），然后用酒精清洗并烘干。

使用电子万能试验机（三思UTM5105型）进行试验，通过位移控制加载，加载速率为5mm/min。每个条件下测试7个试样。使用光学显微镜观察断口形貌。

拉伸剪切强度τ由下式进行计算：

（1）

其中：τ为拉伸剪切强度；Fm为失效时最大载荷；B和L分别为结构胶黏剂粘接区域宽度和长度。

2 结果与讨论

2.1 拉伸剪切强度

2.1.1 测试方法对剪切强度的影响

图2为加垫板和未加垫板单搭接试样拉伸剪切试验结果图。从图中可以看出，加垫板试样的拉伸剪切强度大于未加垫板试样的拉伸剪切强度。这主要是由于拉伸试验机的两个夹具是在一条直线上，对于未加垫板试样因其几何形状偏心导致在拉伸过程中受到一弯矩的作用，导致剥离应力（即沿胶层厚度方向的拉伸应力）增大，因此在剥离应力耦合作用下，未加垫板试样的拉伸剪切强度较低。加垫板的试样形成了几何反对称结构，消除了附加弯矩的作用，大大降低了搭接中的剥离应力，因此提高了拉伸剪切强度。

图2 加垫板和未加垫板试样拉伸剪切强度Fig.2The tensile shear strength of specimen with and without underboarding

2.1.2 胶层厚度对剪切强度的影响

图3为胶层厚度对三种体系结构胶黏剂拉伸强度的影响。从图中可以看出，结构胶拉伸剪切强度随着结构胶黏剂厚度而减小。Volkersen[8]发现当在使用适当尺寸和相同被粘物条件下，对搭接接头胶层内应力集中系数可以用下式来表示：△GL2/Etd。式中，△为应力集中系数；G为结构胶黏剂剪切模量；L为接头搭接长度；E为被粘接物弹性模量；t为被粘接物厚度；d为结构胶黏剂厚度。从式中可以看出，增加结构胶黏剂厚度可降低应力集中程度。应力集中程度减小，粘接强度应该比较大，但是试验结果却相反，这主要是由粘接缺陷引起的，当结构胶黏剂厚度较大时，粘接时不易控制，导致结构胶层内的气泡等缺陷较多，据报道胶层内部缺陷随结构胶黏剂厚度增大呈指数关系迅速增加[9]，在受到外应力作用下，缺陷周围存在局部应力集中，因此在较小的外应力的作用下缺陷周围率先失效，随着外应力的逐渐增大失效连成一片导致试样最终失效。此外，结构胶黏剂越厚由温度变化而引起接头内应力也越大，结构胶黏剂在固化时产生的收缩应力也越大，内应力的存在也造成胶接接头强度的损失。而当胶层较薄时胶层内部缺陷较少，内应力小，收缩应力小，因此粘接强度高。

图3 不同结构胶黏剂厚度试样拉伸剪切强度Fig.3The tensile shear strength of specimen with different thickness of structural adhesives

2.1.3 底材表面处理对剪切强度的影响

图4为底材表面处理和拉伸剪切强度的关系图。从图中可以看出，未打磨试样的拉伸剪切强度高，经打磨表面有裸露纤维的试样强度较低，约为未打磨试样拉伸剪切强度的三分之一。

图4 表面处理对结构胶黏剂拉伸剪切强度的影响Fig．4The effect of surface treatment on tensile shear strength of structural adhesive

2.2 断口形貌

图5为不同结构胶黏剂厚度拉伸剪切试样试验失效后的宏观断口图。从图中可以看出试样为剪切破坏模式。结构胶黏剂厚度为0.5mm试样的破坏模式是以内聚破坏为主的混合破坏，还包括一部分界面破坏，而且在显微镜下界面破坏处可观察到胶黏剂的残迹。其他0.5mm试样均为此破坏模式，没有发现完全内聚破坏，这和以前研究结果相似，以前研究结果表明完全为胶黏剂胶层内聚破坏也不多[10]。而1mm和3mm试样，破坏均为界面破坏，而且界面比较干净，没有胶黏剂的残迹。此外，从图5中可以看到1mm和3mm试样中存在粘接缺陷。因此胶层厚度为0.5mm时，拉伸剪切强度值较高。因此在实际应用中应选用较薄的胶层厚度，以避免完全界面破坏，获得较好的胶接强度。

图5 不同结构胶黏剂厚度拉伸剪切试样失效后断口图Fig．5Fracture photograph of specimens with various adhesives thickness after tensile shear strength test

图6为底材表面处理前后拉伸剪切试样试验失效后的宏观断口图。从图中可以看出表面处理后试样断口上有纤维丝存在。这主要是由于结构胶黏剂黏度较大，不能渗透纤维引起的。因此表面处理后试样的拉伸剪切强度值很小。这个结果说明由于制造过程引起的超差需要打磨试样或者修补过程中打磨试样使部分纤维裸露，这时就不能直接清洗后涂覆结构胶黏剂，而是要先浸渍树脂或者表面手糊一层布再涂覆结构胶黏剂。

图6 表面处理前后拉伸剪切试样失效后断口图Fig．6Fracture photograph of the surface treated and untreated specimen after tensile shear strength test

3 结论

（1）加垫板能防止试验过程中由于加载偏心引起剥离应力，测试结果较大。

（2）结构胶黏剂的厚度对拉伸剪切强度影响明显，随着厚度的增大而减小；断口形貌表明，结构胶黏剂厚度较小时以内聚/界面混合破坏为主，随着厚度的增加破坏模式转变为界面破坏。

（3）表面处理对结构胶黏剂拉伸剪切强度影响十分明显，经打磨表面裸露出纤维试样的试样拉伸剪切强度很低。这主要是由于结构胶黏剂黏度较大不能渗透纤维引起的。

参考文献：

［1］陈根座．胶粘剂应用手册胶接设计与胶粘剂［M］．北京:电子工业出版社,1994．

［2］秦伟,节莉,叶铸玉,等．真空热循环对环氧结构胶黏剂拉伸剪切性能的影响［J］．失效分析与预防,2008,3（1）:7～9．

［3］张立国．国内外民机用胶黏剂的应用概况及展望［J］．化学与黏合,2009,31（2）:47～50．

［4］宋冬利,李赫亮,李智超．接头形式对胶接强度的影响［J］．辽宁工程技术大学学报：自然科学版,2008,19（4）:426～429．

［5］张比寅,刘济庆,于晓霞．复合材料结构的力学性能［M］．北京：北京理工大学出版社,1992．

［6］林美．建筑结构胶粘剂拉伸剪切强度测定因素分析［J］．福建建设科技,2011（1）:56～57．

［7］杨晨耘,郑惠英,许宁．GB/T 7124,胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）［S］．北京:中国标准出版社,2008

［8］朱如瑾．第7卷高分子材料工程（下）//中国材料工程大典［M］．北京：化学工业出版社,2006．

［9］韦生文．树脂基复合材料粘接工艺设计［J］．化学与黏合,2005, 27（6）:381～383．

［10］徐修祝,涂善东,徐思浩．胶接接头断裂及相关断裂准则探讨［J］．石油化工设备,2005,34（3）:37～40．

中图分类号：TQ436.2

文献标识码：A

文章编号：1001-0017（2013）03-0040-03

收稿日期：2013-02-23

作者简介：严科飞（1986-），男，陕西户县人，工程师，主要从事复合材料的研究开发工作。

Study on Adhesion Strength of G/Epoxy Composite

YAN Ke-fei,WAN Jia-jun,REN Wei-hua,LI Jie and WEI Yu-tong
（Inner Mongolia JinGang Heavy Industry Co.Ltd.,The Sixth Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation,Hohhot 010010, China）

Abstract：The effects of underboarding,structural adhesives thickness and substrate surface treatment on tensile shear strength were studied with G/Epoxy composite as substrate．The fracture morphologies were observed by optical microscope．The results indicated that the tensile shear strength of the specimen which was using underboarding was larger than that of not using underboarding;it leaded that using underboarding could reduce the peel strength caused by loading deflection．The tensile shear strength was significantly influenced by the adhesives thickness and surface treatment．Thicker adhesives thickness would result a lower strength,it was very low for the specimen whose fibers were bared by polished．The main failure mode for the specimen with thinner adhesive was cohesive failure．And the bonding failure was the main mode when the adhesive thickness increased．

Key words：Adhesives;tensile shear strength;adhesives thickness;surface treatment