装饰艺术用FRP/钢界面粘结性能研究

2021-09-15杭航

太原学院学报(自然科学版) 2021年3期

杭航

(合肥信息技术职业学院新媒体艺术系,安徽合肥 230601)

0 前言

复合材料雕塑由于具有多种单一材料的共同优点,如质量轻、耐腐蚀性能好等特点而逐步发展成为现阶段装饰用雕塑材料的主流,这主要是因为通常情况下单一材料并不能完全满足使用要求,而通过将两种或两种以上的材料复合在一起组成的复合材料却可以综合不同材料的特点而最大限度满足使用需求[1]。如,纤维增强复合材料(FRP)具有质量轻、比强度和比模量高、电阻率低和热膨胀系数小等特点,与钢质材料相比具有质量轻、耐疲劳强度高、高比强度和高比模量[2],此外,还具有价格低廉、可塑性高等特点,而纤维复合材料与钢质材料复合使用形成的雕塑将极大发挥二者的优势。目前关于FRP/钢粘接方面的报道较少[3],在不同温度作用下FRP/钢界面粘结性能的作用机理也不清楚[4-6]。开展不同温度复合材料雕塑FRP/钢界面粘接性能方面的研究,考察FRP/钢复合材料雕塑在承受外界环境温度和荷载作用下的粘接性能变化规律,结果可为装饰艺术用FRP/钢复合材料的开发与应用提供必要参考。

1 试验部分

1.1 试验原料

装饰艺术雕塑用钢质基材为Q235钢,抗拉强度556.0 MPa、屈服强度395.0 MPa、断后伸长率29.5%;单向纤维布HM-30,厚度0.17 mm、抗拉强度为3 600.0 MPa、弹性模量235.0 GPa;胶粘剂选用双组分环氧树脂胶粘剂(体积混杂比3∶1的A和B胶,抗拉强度24.5 MPa、弹性模量4.5 GPa).

1.2 试验仪器

MTS-810型液压伺服万能拉伸试验机,美国MTS公司;D5300型Nikon数码相机,日本尼康公司。

1.3 试件制备

共设计了3种FRP/钢单面胶胶接接头,包括1层CFRP(碳纤维增强复合塑料)与钢的单面胶接接头(图1a,CF1)、3层CFRP与钢的单面胶接接头(图1b,CF3)和层间混杂FRP/钢单面胶接接头(图1c,HF),其中,粘结区一侧横向缠绕CFRP进行增强,FRP与钢板胶接并对钢板施加拉伸载荷,如箭头所示。FRP/钢胶接接头的尺寸示意图如图2.3种胶接接头的粘结长度都包括20 mm、40 mm、60 mm和80 mm,粘度宽度都为20 mm,CF1-20、CF3-20和HF-20分别表示1层单面胶接接头粘结长度20 mm、3层单面胶接接头粘结长度20 mm和层间混杂单面胶接接头粘结长度20 mm的试件,依此类推。在制作FRP/钢单面胶胶接接头前需要对钢材进行表面打磨和清理干净,并确保在处理后30 min内进行粘结(胶层厚度0.4 mm),室温放置7 d并待胶粘剂完全固化后使用。[7-9]

图1 FRP/钢胶接接头的连接示意图Fig.1 Connection diagram of FRP/steel adhesive joint

图2 FRP/钢胶接接头的尺寸示意图Fig.2 Dimension diagram of FRP/steel adhesive joint

1.4 测试与加载

拉伸性能测试在MTS-810型液压伺服万能拉伸试验机上进行,加载速率为0.5 mm/min,采用连续加载的方式进行,试件破坏后结束试验,得到荷载-位移曲线;FRP/钢单面胶接接头破坏后的宏观形貌采用Nikon数码相机进行拍摄。

2 结果与讨论

2.1 胶接接头的粘结性能

图3为FRP/钢单面胶接接头的拉伸荷载-位移曲线,分别列出了1层单面胶接接头、3层单面胶接接头和层间混杂单面胶接接头的拉伸荷载-位移曲线。CF1、CF3和HF试样在粘结长度为20 mm、40 mm、60 mm和80 mm时的拉伸荷载-位移曲线相似,都表现为初期阶段拉伸荷载迅速增加。随着荷载不断升高,FRP/钢试件中的纤维被拉断而出现曲线波动,并在破坏荷载附近时迅速下降,此时伴随着FRP/钢试件的破坏。但是对比分析可知,不同粘结长度的CF3试样和HF试样的拉伸荷载-位移曲线差别较大,这可能与此时的粘结层数较多、层间混杂造成各向异性有关。

图4为FRP/钢单面胶接接头的破坏荷载-粘结长度与极限位移-粘结长度曲线。对于CF1试样,粘结长度为20 mm、40 mm、60 mm和80 mm时的破坏荷载平均值分别为2.620 kN、2.561 kN、2.902 kN和2.416 kN,对应地极限位移平均值分别为1.265 mm、1.217 mm、1.446 mm和1.399 mm;对于CF3试样,粘结长度为20 mm、40 mm、60 mm和80 mm时的破坏荷载平均值分别为3.444 kN、4.506 kN、4.464 kN和4.875 kN,对应地极限位移平均值分别为1.569 mm、1.832 mm、1.766 mm和1.937 mm;对于HF试样,粘结长度为20 mm、40 mm、60 mm和80 mm时的破坏荷载平均值分别为2.856 kN、4.365 kN、3.693kN和4.371 kN,对应地极限位移平均值分别为1.375 mm、1.923 mm、1.778 mm和2.027 mm.可见,随着粘结长度从20 mm增加至80 mm,CF1试样的破坏荷载平均值和极限位移平均值都呈现先增加后减小趋势,CF3试样的破坏荷载平均值逐渐增大、极限位移平均值呈波浪变化特征,而HF试样的破坏荷载平均值和极限位移平均值在粘结长度为80 mm时取得最大值。此外,对比分析可知,相同粘结长度时,CF3试样的破坏荷载平均值最大,其次为HF试样,而CF1试样的破坏荷载平均值最小。综合而言,CF3试样具有最大的破坏荷载以及较大的极限位移,即具有相对较好的综合力学性能。

图4 FRP/钢单面胶接接头的破坏荷载-粘结长度与极限位移-粘结长度曲线Fig.4 Failure load-bond length and ultimate displacement-bond length curves of FRP/steel single-sided adhesive joint

2.2 胶接接头的破坏形貌

图5为FRP/钢单面胶接接头的破坏形貌。在拉伸试验过程中,当粘结长度在20 mm、40 mm和60 mm时,CF1试样的破坏模式为钢与胶层之间界面破坏、FRP 脱层破坏和胶层内聚破坏,而粘结长度在80 mm时的破坏模式为FRP 脱层破坏和胶层内聚破坏;对于CF3试样,粘结长度为20 mm时的破坏模式为钢与胶层之间界面破坏和胶层内聚破坏,粘结长度为40 mm、60 mm和80 mm时的破坏模式为FRP 脱层破坏和胶层内聚破坏;对于HF试样,粘结长度为20 mm时的破坏模式为钢与胶层之间界面破坏和胶层内聚破坏,粘结长度为40 mm和60 mm时的破坏模式为FRP 脱层破坏和胶层内聚破坏,粘结长度为80 mm时的破坏模式为钢与胶层之间界面破坏、FRP 脱层破坏和胶层内聚破坏[10]。结合图4的FRP/钢单面胶接接头的破坏荷载-粘结长度与极限位移-粘结长度曲线可知,CF1试样的破坏荷载强弱主要与粘结长度有关,较小的粘结长度不利于胶粘剂浸入钢板而使得破坏强度较小;当粘结长度为20 mm时,CF3试样和HF试样的破坏模式相同,都表现为钢与胶层之间界面破坏和胶层内聚破坏,这主要是因为此时纤维增强复合材料的性能没有完全利用所致。而当粘结长度增大时,CF3试样和HF试样都出现了FRP 脱层破坏模式,这主要与粘结长度增加而使得FRP和钢之间的粘结力增大有关。

(a)CF1试样

(c)HF试样图5 (续)Fig.5 (Continue)

2.3 胶接接头的破坏荷载-粘结长度曲线

图6为FRP/钢单面胶接接头的破坏荷载平均值-粘结长度曲线。经过线性拟合后得到的趋势线可知,CF1试样的破坏荷载平均值-粘结长度拟合线趋于水平,表明1层FRP/钢单面胶接接头的有效粘结长度在20 mm以下;CF3试样和HF试样的破坏荷载平均值-粘结长度趋势线较为相似,有效粘结长度约在30 mm.由此可见,3层FRP/钢单面胶接接头和层间混杂单面胶接接头的有效粘结长度都大于1层FRP/钢单面胶接接头。