胶接修复对碳纤维复合材料层合板挠度的影响

张晨颖 杨 涛1， 杜 宇 侯思宇

（1 天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387）

（2 天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

文 摘 为了研究胶接修复对碳纤维复合材料层合板弯曲挠度的影响，试验设置了阶梯搭接和斜面搭接两种搭接方式，通过三点弯曲实验和数字图像相关技术（DIC）来研究胶接接头的弯曲变形情况。结果表明，在相同搭接长度下，阶梯搭接试件的失效载荷和弯曲强度均低于斜面搭接试件；试件的弯曲挠度与强度和搭接长度有关，搭接长度越长，弯曲强度越高，而弯曲挠度越小。由此表明，搭接长度越长，胶接层合板的强度越高，但不利于层合板的柔性变形。

0 引言

碳纤维复合材料质量轻、强度高的特点，使其广泛应用于航空航天等领域，然而这种大型结构在生产制造以及使用的过程中容易产生缺陷和损伤。因此，胶接修复以轻质、高效的特点，成为航空航天设计制造的关键技术，在极大程度上减少了材料的浪费。由于接头处材料和结构的不连续性，胶接接头恰恰成为整个构件中最薄弱的位置，进而影响构件整体性能。目前针对胶接接头的研究多集中于强度，包括拉伸强度、弯曲强度以及冲击强度等，如孙中雷等［1］对复合材料胶接接头的拉伸强度进行有限元仿真，罗书舟等［2］对单搭接接头的低速冲击进行了数值模拟。

增强胶接接头强度主要包括改变胶接接头表面特性、改善胶黏剂的性质以及优化搭接结构三方面。对于复合材料板之间的粘结过程，基板表面特性对粘结部件的粘结性能的影响较大，所以对胶接面进行合适的表面处理以增强材料的粘接性能。如TAKEDA 等［3］用火焰表面处理方法对CFRP 单搭接试件胶接接头进行处理；QUAN 等［4］采用高功率紫外光对碳纤维复合材料进行快速表面处理；刘良威［5］和LEDESMA等［6］研究了激光表面处理对碳纤维复合材料胶接性能的影响；YANG 等［7］研究了打磨方向和表面粗糙度对胶接接头强度的影响。通过这些表面处理，提高了接头强度和抗剪能力，进而提高了胶接接头的断裂韧性。

胶接接头的强度不仅与接头的表面特性有关，还与胶黏剂的性质有关。加入纳米颗粒可以填充胶黏剂中的气泡，使粘接更充分。KHASHABA 等［8］在环氧树脂中引入多壁碳纳米管以改善斜面式胶接接头的性能；原文慧等［9］在胶黏剂中加入碳纳米管（CNTs），有效提升了胶合板的拉剪强度；DORIGATO等［10］在胶黏剂中加入Al2O3纳米颗粒，提高了单搭接接头的抗剪强度和疲劳寿命。

不同的搭接结构对层合板强度的影响很大，常见的胶接结构有阶梯式搭接、斜面式搭接和单搭接等。曹双辉等［11］研究了多级阶梯式胶接结构的疲劳损伤和寿命；余芬等［12］对阶梯型胶接修补进行有限元模拟；WU等［13］通过有限元模拟阶梯搭接和斜面搭接在室温和湿热条件下的损伤容限；邹田春等［14］研究了异种材料间搭接长度对胶接接头性能的影响；DURMUS 等［15］研究了不同步长的单搭接接头、一步搭接接头和三步搭接接头在拉伸载荷作用下的力学性能；ZHANG 等［16］研究温度和搭接长度对搭接接头压剪性能的影响，得到胶接层剪切应力随接头搭接长度的变化规律；郭霞等［17］研究了搭接长度对复合材料单搭接胶接接头的影响，当搭接长度大于20 mm时，应力值变化减小，同时具有一定的承载能力，极限载荷均值随搭接长度提升。

在飞机飞行过程中，机翼受气动载荷的作用产生较大弯曲变形，从而对外翼的正常工作造成影响，所以在保证胶接强度的同时，还要考虑对弯曲挠度的影响。目前，对于搭接接头强度的研究较多，而关于胶接修复后层合板弯曲变形的研究较少，本文通过三点弯曲实验和DIC 高频拍摄，研究阶梯搭接和斜面搭接两种接头类型在不同载荷下的弯曲挠度，得到不同接头类型和搭接长度对挠度的影响，并进一步分析胶接接头的应变情况。

1 实验设计

1.1 试件制备

试件采用T300 碳纤维增强树脂基预浸料制备，材料的密度为1.76 g/cm3，碳纤维直径为7 μm。层合板采用［0°/90°］4S的铺层方式，采用热压罐方式固化成型，成型后层合板的厚度为2 mm。按照三点弯标准试件尺寸采用水射流切割试件，保证最终粘接好的试件尺寸为90 mm×25 mm×2 mm，将裁剪好的试件加工成阶梯状和斜面状结构。

为获得较好的胶接强度，用细砂纸打磨表面并用清水冲洗1～2 min，在丙酮中浸泡10 min 进行脱脂处理，最后用蒸馏水清洗，烘干待用。

实验采用Araldite 2015 的双组分韧性环氧树脂胶黏剂，在室温环境下按1∶1的体积比例充分混合进行粘接。胶黏剂的初始固化时间为4 h，24 h 后达到最佳胶接强度。胶接后用游标卡尺测量胶接处厚度和原试件厚度，使厚度之差保持在0.1 mm 内，最大程度恢复层合板的外形。阶梯式和斜面式胶接层合板的胶接接头示意图如图1所示。

图1 阶梯式胶接和斜面式胶接接头模型示意图Fig.1 Schematic diagram of stepped and bevelled glue joint models

在保证搭接长度小于跨距且具有一定承载能力的前提下，实验采用S=20、30、40、50 mm 4 种搭接长度。为保证斜面搭接长度与阶梯搭接长度一致，各搭接长度对应的修补斜度为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，实验设置完好试件与胶接试件做对照。试件共分为9组，每组4个试件，参数如表1所示。

表1 试件编号与参数Tab.1 Specimen number and parameters

1.2 试验条件及测试方法

试件采用简支梁三点弯曲的方法测试弯曲强度，根据国际测试标准ASTM D 790M，试件的尺寸取90 mm×25 mm×2 mm，跨厚比取32∶1。采用日本岛津的AGS-X-50kND 型万能试验机进行匀速加载，加载速度为2 mm/min，跨距为64 mm，实验装置见图2。

图2 三点弯试验装置图Fig.2 Three point bending test device diagram

试件的弯曲挠度采用数字图像相关检测与分析系统（Digital Image Correction，简称DIC）对胶接件搭接区域应变场进行采集与分析。试件的侧面喷涂白色底漆，并制作黑色散斑，白色与黑色面积比约为1∶1；图像采集频率为1 帧/s，试验设备如图3所示。

图3 层合板弯曲试验与应变采集设备Fig.3 Bending test and strain acquisition equipment for laminated plates

2 试验结果与分析

2.1 弯曲试验结果分析

图4为不同搭接长度的阶梯式搭接和斜面式搭接三点弯曲载荷时的典型载荷-位移曲线，可以看出随着搭接长度的增加，两种胶接接头的弯曲失效载荷均呈增长趋势；对比可见阶梯搭接的弯曲失效载荷均小于完好试件，斜面搭接的弯曲失效载荷较大，且斜面搭接的弯曲失效载荷整体均大于阶梯搭接，在搭接40、50 mm时，失效载荷大于完好试件。

图4 不同搭接长度下的典型载荷-位移曲线Fig.4 Typical load displacement curves under different lap lengths

试件的三点弯曲强度计算公式为：

式中，σy为弯曲强度；pmax为最大弯曲载荷；l为跨距；b为试件宽度；t为试件厚度。

表2为完好试件、阶梯搭接和斜面搭接试件的失效载荷、弯曲强度值及修补效率。其中，完好试件的弯曲强度为1 017.01 MPa。在两种搭接方式下，试件的弯曲强度均随搭接长度的增大而增大，阶梯搭接试件的整体弯曲强度较低，在搭接50 mm 时的弯曲强度最高，为369.65 MPa；斜面搭接试件的弯曲强度增长趋势明显，在斜面搭接长度分别为40、50 mm时，弯曲强度分别为1 031.93、1 327.64 MPa，均高于完好试件。因此，斜面搭接的修补效率要高于阶梯搭接，斜面搭接长度为40、50 mm 时，其修补效率达到101.47%和130.54%，二者承载弯曲载荷的能力超过完好试件。

表2 不同搭接长度下试件的失效载荷、弯曲强度及修补效率Tab.2 Failure load，bending strength and repair efficiency of specimens with different lap lengths

2.2 弯曲挠度结果分析

胶接接头的力学性能分为两个阶段，第一阶段为弹性变形阶段，第二阶段为断裂失效阶段，本文的弯曲挠度均在弹性变形阶段进行测量分析。图5为不同阶梯搭接长度在载荷为30、50、70、90 N 下与完好试件的挠度趋势对比。可以看出，在载荷较小为30 N 时，搭接长度为20 mm 时的挠度更接近于完好试件，随着载荷增加，由于搭接长度为20 mm 的强度太小，导致搭接接头发生破坏，挠度迅速变大。当载荷为90 N 时，搭接长度为40 mm 的挠度更接近于完好试件，搭接长度为50 mm 的弯曲挠度始终小于完好试件。表3为阶梯搭接试件和完好试件在同一载荷下的最大挠度值。

图5 不同长度的阶梯搭接试件在同一载荷下的挠度曲线Fig.5 Deflection curve of different length stepped lap specimens under the same load

表3 阶梯搭接试件与完好试件在同一载荷下的最大挠度值Tab.3 Maximum deflection value of step lap test piece and intact test piece under the same load

图6为不同斜面搭接长度的试件在载荷为100、200、300、400 N 下与完好试件的挠度趋势对比。从图6（a）中可以看出，当载荷为100 N 时，斜面搭接试件的挠度均小于完好试件，故当载荷低于100 N 时，斜面搭接试件的挠度必然小于完好试件，因此斜面搭接试件的挠度仅在100～400 N 内进行分析。可以看出，挠度随着搭接长度的增大而减小；斜面搭接长度为30、40、50 mm 的试件在100～400 N 的载荷下，挠度始终小于完好试件，说明搭接长度对于试件的弯曲挠度影响较大，不利于试件的柔性弯曲；而搭接长度为20 mm 的试件，由于其强度较小，强度对挠度的影响大于搭接长度的影响，当载荷不断增加时，其挠度比完好试件大。表4为斜面搭接试件和完好试件在同一载荷下的最大挠度值。

表4 斜面搭接试件与完好试件在同一载荷下的最大挠度值Tab.4 Maximum deflection values of inclined lap joint specimen and intact specimen under the same load

图6 不同长度的斜面搭接试件在同一载荷下的挠度曲线Fig.6 Deflection curves of different lengths of inclined lap specimens under the same load

通过观察同一载荷下不同搭接长度的挠度曲线，可见搭接长度越长越不利于碳纤维层合板的弯曲挠度；对比两种不同搭接形式随载荷增加的挠度变化趋势可以看出强度对挠度的影响，强度越低，层合板的弯曲挠度越大。所以在保证强度的同时，尽量选取较短的搭接长度，以保证层合板的柔性弯曲。

2.3 DIC分析

在施加压力的过程中，胶接接头处受到剪切应力和剥离应力的影响，在胶接接头区域内的应变较为复杂，本文仅对斜面搭接试件的侧表面进行应变分析。图7为4 种搭接长度的斜面搭接试件在400 N时的x方向应变云图，可以看出在局部压力的作用下，胶接区域的应变值从上到下呈由负到正的变化趋势。层合板的上表面被压缩，应变值为负，尤其在上表面的接头A 处产生最大负应变；层合板的下表面被拉伸，应变值为正，在下表面接头B 处有最大正应变。当搭接长度增大时，层合板的应变值的变化范围随之减小，接头处的应变不再集中分布，原因是搭接长度越长，增大了胶接面积，胶接接头处的承载能力提高，避免了应力集中，接头的剪切应力减小。

图7 4种斜面搭接长度在400 N下的x方向应变云图Fig.7 x-Direction strain nephogram of four kinds of inclined plane lap length at 400 N

图8为4 种长度的斜面搭接试件在400 N 时的y方向应变云图，可以看出y方向的整体应变并不明显，应变主要集中在C处，由于搭接长度为20、30 mm的试件的接头处恰与C 处应变位置重合，接头处更容易受到剥离应力的影响。

图8 4种斜面搭接长度在400 N下的y方向应变云图Fig.8 y-Direction strain nephogram of four kinds of inclined plane lap length at 400 N

3 结论

（1）对4种不同搭接长度的阶梯搭接和斜面搭接试件进行弯曲试验，阶梯搭接试件最大弯曲强度为369.65 MPa，斜面搭接试件最大弯曲强度为1 327.64 MPa，实验结果表明随着搭接长度的增加，两种形式下的搭接试件的最大弯曲强度均明显增大，且斜面搭接试件的最大弯曲强度明显大于阶梯搭接试件，当斜面搭接长度为40 和50 mm 时，最大弯曲强度大于完好试件，弯曲效率为101.47%和130.54%。

（2）通过对比四种搭接长度的阶梯搭接和斜面搭接在同一载荷下的挠度曲线，阶梯搭接长度为20 mm 的试件在30 N 的较小载荷下的弯曲挠度更接近于完好试件，搭接长度为50 mm 的试件的弯曲挠度始终小于完好试件；斜面搭接长度为20 mm 的试件在100 和200 N 的载荷下，挠度与完好试件相似，当载荷继续增大时，挠度也随之增大，并超过完好试件，而搭接长度为30、40和50 mm 的试件的弯曲挠度在100～400 N 的载荷下始终小于完好试件，实验结果表明，搭接长度越长，挠度越小，越不利于层合板的柔性弯曲。

（3）当搭接长度较短时，层合板在x方向和y方向应变值均集中于胶接接头处，随着搭接长度的增大，接头处的应变不再集中分布，且应变值的变化范围逐渐减小。实验结果表明，搭接长度越长，改善了应力集中现象，但应变值的变化范围减小，不利于胶接接头的柔性弯曲。