湿热对复合材料粘接修理裂纹铝合金板疲劳性能的影响

戴京涛，苏洪波，谭晓明，汪余博，赵培仲

（海军航空大学青岛校区 航空机械工程与指挥系，山东 青岛 266041）

复合材料粘接修理金属结构损伤比传统的机械修理方法具有独特的优势，可以避免钻孔、减少应力集中、较少结构增重等[1-3]，可以获得更好的疲劳和耐腐蚀性能。复合材料粘接修理是通过胶层树脂将复合材料补片和金属损伤结构连接起来，分担结构载荷，恢复其承载能力[4]。因此，胶层的失效将会直接导致粘接修理的失效。然而，粘接修理结构通常对于湿热环境比较敏感。一方面，湿热环境会造成胶层及粘接界面性能的下降；另一方面，湿热环境还会导致复合材料补片本身的性能下降，因而影响到粘接修理结构的性能[5-7]。研究表明，在湿热条件下，复合材料的力学性能会有明显下降。冯青等[8]研究发现，吸湿率是影响层间剪切强度的决定性因素，复合材料性能的退化主要是基体吸水塑化和湿应力导致的。闫伟等[9]建立了湿-热-力偶合条件下复合材料宏观性能的定量表达式，分析了湿热对复合材料拉伸压缩性能的影响。王跃然等[10]研究发现，复合材料粘接修理铝合金裂纹板结构，在湿热老化后，不考虑后固化的影响，结构静拉伸强度会快速下降。湿热诱发的复合材料补片性能下降、胶层以及界面性能下降，不仅影响静强度，而且会导致裂纹尖端应力强度因子的提高，进而导致疲劳性能的下降[11-13]。粘接结构的破坏一般包括粘接件（复合材料补片或铝合金板）本体的破坏、胶层内聚破坏以及粘接界面的破坏[14]。粘接界面的破坏将会影响载荷从损伤结构向复合材料补片传递的效率，严重影响粘接修理的效果。事实表明，界面破坏很多情况下是由于粘接之前的表面处理质量不高所导致的[15-17]。特别是在湿热环境下，如果表面处理质量不高，界面更容易出现脱粘等损伤，诱发应力集中，脱粘区域不断扩展，最终引发粘接结构的失效[18]。偶联剂的使用对于获得高质量的表面处理质量十分关键，它可以分别和复合材料补片与铝合金表面之间形成化学键，提高粘接性能[19]。因此，文中在研究湿热对复合材料粘接修理结构疲劳性能影响的同时，重点考虑了不同偶联剂的使用对疲劳寿命和裂纹扩展的影响。

1 实验

1.1 试样制备

裂纹损伤试样的制备，将铝合金板裁剪成为200 mm×50 mm×1.5 mm的矩形板，并在试样中央预制长为10 mm的穿透裂纹，如图1所示。

图1 中心裂纹铝合金板Fig.1 AL alloy plate with its center cracked

损伤试样的表面处理。用乙酸乙酯溶剂清洗粘接区域，并干燥；采用干燥的碳化硅对粘接区域进行喷砂处理；清除表面砂粒。清洁干燥后，涂布偶联剂。偶联剂分别采用KH550和AC130两种。涂布偶联剂后，在60 ℃的烘箱中放置30 min左右。

粘接修理试样的制备。粘接修理材料为玻璃纤维布和Hysol EA9394环氧树脂。根据设计的补片尺寸，裁剪相应的玻璃纤维布。调配环氧树脂。采用湿铺法逐层铺设，粘接修理预制的损伤铝合金试样。铺层宽度50 mm保持不变，长度从110 mm依次递减10 mm，铺设6层，如图2所示。之后，采用复合材料热补仪完成试样的固化，以3 ℃/min的升温速率将固化温度升至80 ℃，保持1 h。固化后，补片的厚度为0.8 mm。将未经修理的裂纹损伤试样标记为 UP-1等系列试样，修理后直接进行疲劳实验的试样标记为P-1等系列试样，修理后用于湿热处理的修理试样标记为HP-1等系列试样。

图2 复合材料粘接修理试样Fig.2 Schematic of the adhesively bonded composite repair structure: a) lamination; b) repaired sample

1.2 湿热处理

参照 GJB 3383—1998，对粘接修理试样进行湿热处理。在高低温环境试验箱中进行定值实验。设置环境温度为55 ℃，相对湿度为98%。保持72 h后取出，室温放置24 h。

1.3 疲劳性能测试

采用TST-DL4205疲劳试验机，测试试样的疲劳性能。试验选择正弦波，频率为10 Hz。采用试验力值控制方式，峰值为7 kN，谷值为0.7 kN。

2 结果与讨论

2.1 湿热处理对疲劳性能的影响

经过湿热处理后，粘接修理试样的疲劳性能都明显下降，见表1。但是，和未修理的试样相比较，疲劳性能仍然有较大幅度提高。在湿热环境条件下，水分子容易进入胶层和复合材料补片的基体树脂中，扩散到分子之间，削弱分子间相互作用力，使树脂体积膨胀。体积膨胀产生内应力，会导致薄弱部位产生损伤，降低树脂的力学性能。在复合材料补片中，和树脂基体相比，纤维吸水性很低，基体树脂的膨胀，将会使树脂和纤维的界面处由于膨胀的不匹配产生内应力。由此可能诱发界面处产生细微裂纹损伤，降低纤维和树脂之间的粘接强度，影响补片的力学性能。类似地，在胶层和铝合金的界面也会存在由于体积膨胀不匹配，引起的界面粘接性能下降。对于界面处的偶联剂层，也会因为水分子的进入，导致性能下降。此外，在湿热环境中，纤维中还会有部分成分被水溶解掉，降低纤维本身的力学性能。这些因素共同作用，导致湿热对复合材料粘接修理结构产生不利的影响。

表1 试样的疲劳试验结果Tab.1 Fatigue test data

要改善复合材料粘接修理结构的耐湿热性能，一方面，要选择性能优异的复合材料补片基体树脂和胶层树脂；另一方面，则要做好粘接表面处理。同时，还要严格工艺过程控制，避免气泡和其他杂质的混入，保证粘接质量，减少湿气的侵入。从图3中可以看出，在裂纹扩展的初期，湿热前后的差别并不大。这可能是因为胶层和补片由于水分子的塑化作用，阻尼增加，在疲劳试验的初期，可以耗散部分机械能。但是，胶层或补片很快出现细微损伤。并不断扩展，裂纹扩展随之快速增大，超过未湿热处理的试样。湿热处理前后裂纹扩展速率随裂纹长度的变化如图4所示。总体上看，不论是采取哪种偶联剂，湿热处理之后的裂纹扩展速率要大于湿热处理之前。从破坏模式上看，湿热处理之前，试样疲劳断裂基本上是补片和试样一起断裂。湿热后，则主要出现的是界面失效，补片和铝板脱离，如图5所示。

图3 湿热处理前后复合材料粘接修理结构的疲劳性能Fig.3 Fatigue properties of adhesively bonded composite repair structures before and after hygrothermal treatment

图4 湿热处理前后复合材料粘接修理结构的裂纹扩展Fig.4 Crack growth of adhesively bonded composite repair structures before and after hygrothermal treatment

图5 湿热前后试样破坏模式Fig.5 Failure modes of samples (a) before and (b) after hygrothermal treatment

2.2 偶联剂对裂纹扩展的影响

粘接修理之前的表面处理是关系到结构耐性的非常关键的因素之一。偶联剂的使用可以有效地提高表面处理质量。使用不同的偶联剂，也会对结构的耐久性产生影响。从表1中可以看出，使用AC130可以获得更好的结构耐久性。裂纹长度随疲劳次数的变化如图6所示，显然同样疲劳次数时，使用 KH550的试样，裂纹长度更长。采用 KH550处理的表面，更容易受到湿热的影响，导致界面处性能下降，载荷传递过程应力集中突出，更容易诱发胶层和复合材料补片发生破坏，导致粘接结构总体性能下降更严重。

图6 偶联剂对复合材料粘接修理结构疲劳性能的影响Fig.6 Effect of couple agent on the fatigue properties of adhesively bonded composite repair structures

从图6可以看出，采用AC130偶联剂的试样，裂纹开始进入稳态扩展所对应的疲劳循环次数比采用 KH550偶联剂的试样明显高很多。但是，曲线随循环次数变化的趋势却基本相同。和 KH550类似，AC130也是分别与胶层和铝合金表面形成化学键，起到改善粘接性能的作用。但是，AC130形成的有机/无机杂化凝胶交联网络更为致密，具有更好的力学性能。因此，使用 AC130的试样，可以获得更好的界面性能，抵抗湿热的不利影响，阻碍金属表面氧化层和水分子的水合作用。然而，界面一旦出现破坏后，不论是采用KH550还是AC130，水分子侵入界面导致载荷传递效率降低，粘接修理结构的疲劳性能下降，裂纹扩展速率受此影响的程度比较接近。

利用方程（1）对数据进行拟合，得到p和q的值[20]，结果见图7和表2。

图7 裂纹扩展速率线性拟合Fig.7 Crack growth rate equation linear fit: a) patched; b)unpatched

从表2中可以发现，未修理试样的直线斜率最大，和其裂纹扩展速率最大相对应。从前面的分析中可知，使用 KH550偶联剂的试样的裂纹扩展速率随裂纹长度的变化比使用 AC130的要大，因此，其拟合后的直线斜率也较大。

表2 湿热后裂纹扩展速率方程参数Tab.2 Coefficients of crack growth rate equation after hygrothermal treatment

3 结论

复合材料粘接修理金属结构经过湿热处理后，其疲劳性能明显下降，但是，仍然比未修理的试样要好。偶联剂的使用对于表面处理质量的影响十分关键，粘接修理结构的疲劳性能也因此受到影响。文中试验表明，不论是否湿热处理，采用 AC130可以获得更好的结构疲劳性能。湿热处理后，采用 AC130的试样疲劳性能下降较少，说明其耐久性更好。采用KH550的试样，裂纹扩展速率比 AC130的大，导致其疲劳寿命较低。采用方程对试验数据进行拟合后，可以得到裂纹长度和裂纹扩展速率之间的关系，进而可以对结构的疲劳寿命进行预测。拟合后，直线的斜率基本上反映了裂纹扩展速率。