胶接结构的I型界面断裂韧性研究进展

郭 霞,倪 虹,张 梅,刘伟丽,高 峡

(1.北京市科学技术研究院分析测试研究所(北京市理化分析测试中心), 北京 100089; 2.有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室, 北京 100089)

1 前 言

纤维增强环氧树脂基体复合材料是一种高比强度高比模量的新型先进材料,广泛应用在航空航天风电领域。胶接技术是这类复合材料的大型结构连接和修理过程中运用最为广泛的一种。受胶接界面性能不稳定的限制,目前,胶接技术无法在主承力结构上应用。胶接界面损伤类型多为脱粘损伤。从细观来说,脱粘是一种裂纹,这种裂纹发生在胶接界面或者胶层内部时,叫做脱粘。在断裂力学理论中,材料复杂应力状态下的裂纹可以分解为三种基本类型,Ⅰ 型(张开型)裂纹、Ⅱ 型(滑开型)和 Ⅲ 型(撕开型)裂纹[1],如图 1所示。对于胶层的界面脱粘也是分为三种类型的,I型拉开型界面脱粘,II型界面滑开型脱粘,III型撕开型界面脱粘。实际应用中的裂纹通常是三种开裂方式的混合形式。其中,模式 I 在实践中分析裂纹最常用的模式,不仅使因为其样品制备和测试成本最低,更重要的是模式I是造成重大灾难性故障的主要原因。

图1 三种典型裂纹类型 (a)张开型; (b)滑移型; (c)撕开型

在对胶层模拟预测的分析过程中,胶层本身的材料特性和胶层与复合材料界面的特性是仿真模拟必须输入的关键参数,其中表征胶层与复合材料界面特性的指标包括胶接界面断裂韧性和界面拉开刚度。

复合材料胶接界面开裂与层间分层有共性也有差异。层间分层发生在两层预浸料之间,裂纹是由初始基体内微裂纹合并及扩展而形成的。受到复合材料本身的铺层顺序、结构刚度、结构对称性[2]、纤维方向[3]等因素的影响,基体在纤维之间相对性能较弱,在整体承载情况下,无法体现其塑性特征,而表现出更多的随机性及线弹性特征[4]。

对于复合材料胶接界面开裂而言,裂纹主要集中在胶层和胶层与复合材料的界面。由于纤维的存在,胶接区域的裂纹无法扩展到复合材料层板内部,因此胶层不仅需要独自承载裂纹,还要作为结构件中的重要承力环节,所以相比树脂基体,胶层的弹塑性特征通常会对结构有显著影响。

目前已发布的层间I型断裂韧性的测试标准主要适用于纤维方向为0°的复合材料,包括GB/T 28891-2012[5],HB 7402-1996[6],ISO 15024∶2001[7],ASTM D5528-13[8]的国际标准、国家标准和行业标准。

胶接结构胶层断裂韧性的测试标准包括没有特别规定被粘物的ISO 25217-2009 胶黏剂-胶接结构的胶层I型断裂韧性测定[9]和ASTM D5041-98(2019) 胶接结构中胶层开裂断裂强度测试方法[10],适用于金属胶接结构的ASTM D3433-99(2020)金属胶接结构中胶层开裂断裂强度测试方法[11]。

目前常见I型断裂试验有紧凑拉伸试验、双悬臂梁、单边切口三点弯曲和楔形劈裂试验。由于胶接结构的结构特殊性,一般选择双悬臂梁(DCB)试件进行胶接结构I型断裂研究。试件构型易加工、理论成熟,数据处理较简单,参考GB/T 28891-2012、ASTMD 5528和ISO 15024规范的相关要求。同时采用数字图像相关(DIC)方法实时采集试件表面散斑图片,用于分析测量断裂过程中裂纹扩展长度。

2 不同加载速率胶接结构断裂韧性

加载速率对于复合材料I型层间断裂韧性有本质上的影响。李玉龙等[12]综述了国内外学者开展的加载速率对复合材料I型层间断裂韧性的影响研究,发现加载速率不同主要会导致断裂机制的变化。随加载速率的增加,材料的断裂形式由韧性断裂转变为脆性断裂,从而导致层间断裂韧性改变。此外,随加载速率的增加,断裂部位也可能发生转变,可能的断裂部位有基体材料的断裂以及基体与纤维界面之间的断裂。由加载速率的大小可以将胶接结构的断裂韧性测试方法分为三大类,速率由快到慢分别是,动态冲击加载,疲劳裂纹扩展和准静态加载方式。

2.1 动态冲击(SEPB)

May[13]对高速 I 型断裂韧性的测试方法进行了综述。高速率加载会构成额外的挑战。在高加载速率下测量复合材料的 I 型断裂韧性主要存在以下三种困难：①保证试件的对称开口;②准确测量裂纹长度;③避免负载信号振荡。因此,尚未有定义用于测量高加载速率下的 I 型断裂韧性的标准测试。Li等[14]研究了加载速率对纳米改性环氧树脂复合材料I型层间断裂韧性的影响,结果表明在动态加载下,其断裂韧性均随着加载速率的增加而增加。Kojima等[15]通过在高应变率剪切试验中观察铝-PMMA的胶接界面裂纹扩展,应用霍普金森杆实验来确定界面处的断裂韧性值。研究发现在裂纹存在的位置位移不连续。使用平行于界面的方向上的位移分布来识别裂纹尖端,采用应力强度因子评估界面的断裂韧性,测出了合适的应力强度因子。

霍普金森杆装置是一种相对复杂的设备,高速状态下给裂纹扩展过程监测带来了较大困扰,除非用于特殊的高速冲击服役情况,否则一般情况推荐采用相对低速的方法来测定断裂韧性。

2.2 疲劳裂纹扩展(FCG)

复合材料内部存在多种界面类型,更容易造成裂纹扩展能量损失,具有更好的抗疲劳特性。金属胶接结构以及金属-复合材料混合胶接结构较多采用疲劳裂纹扩展方法,以实现符合金属被粘物的抗疲劳设计的目标。

Pirondi等[16]对铝合金胶接DCB 试件进行了疲劳裂纹扩展测试,评估R比和加载频率对裂纹扩展响应的影响。结果表明R比的强大影响可以使用裂纹闭合参数对大多数裂纹扩展范围进行合理化。频率的影响远低于R比的影响,考虑到粘合剂的粘弹性行为。Imanaka等[17]对于CFRP/铝非对称接头的研究发现,下被粘物与上被粘物的厚度比是决定裂纹尖端模比和应力分布的重要因素,并受固化过程中产生的残余应力影响。此外,还研究了 DCB 接头厚度比对使用丙烯酸和环氧树脂粘合剂的 DCB 接头疲劳裂纹扩展速率的影响。Zambelis等[18]考虑材料的刚度差异,提出一种新方法用于非对称材料胶接界面在裂纹平面中产生纯模态 I。应变能释放率G被选为控制断裂参数。

Floros等[19]研究了纤维增强复合材料在不同胶黏剂材料粘接后的疲劳 I 型和 II 型裂纹扩展行为,发现与端边切口弯曲(ENF)试件相比,DCB 试件中的裂纹扩展更稳定,所获得的结果可以用作疲劳裂纹扩展模拟模型的输入。Mariana等[20]对比了共固化 (CC)、共粘合 (CB) 和二次粘合 (SB) 三类复合材料接头的I型疲劳诱导裂纹扩展机理。CC接头仅包含纤维和树脂,而另外两种接头包含粘合膜。结果表明CC接头的疲劳断裂韧性最小。

对于复合材料胶接结构的准静态加载方式和疲劳加载方式,尚无法清晰界定采用疲劳还是采用准静态加载方式的优劣情况。在疲劳载荷作用下的裂纹扩展机制与准静态是不同的。准静态过程可以更为清晰地观察裂纹扩展的过程。

2.3 准静态加载

与上面两种速率的测试方法不同,胶接结构的准静态加载方法已经实现标准化[5-11]。

断裂韧性的分析起源于解释玻璃的实际强度远低于理论强度时,以材料内部存在缺陷的观点提出在一定条件下,微小缺陷或裂纹将失稳扩展,导致材料或结构的破坏。线弹性理论和弹塑性理论结合相应实验技术可以研究裂纹尖端的应力应变场和裂纹扩展机制。Irwin用弹性力学理论分析了裂纹尖端应力应变场后提出了应力强度因子K的概念。格里菲斯能量理论用临界应变能释放率G表征,即脆性断裂的G准则。KIC与GIC均为材料平面应变断裂韧度。

弹塑性断裂会出现亚临界裂纹扩展,脆性断裂没有明显的临界裂纹扩展过程,开裂与扩展几乎同时发生。弹塑性断裂准则有两种,一种以裂纹开裂为根据,如COD准则,J积分准则;另一种以裂纹失效为根据,如R阻力曲线法,非线性断裂韧度G法。COD准则常应用到焊接结构和压力容器的断裂安全分析上,测量方法简单,设计偏于保守,安全裕度高,裂纹从开裂致失稳还有一定的承载能力。由断裂阻力R曲线法测得的材料断裂韧性J积分参数能够完整的反应材料阻止裂纹扩展的特征。

2.3.1胶接结构的断裂韧性理论分析 研究人员通常采用DCB试件测试来测量临界能量释放率GC,用来表征胶接接头的Mode I(拉伸张开模式)断裂韧性,常用的数据简化方式包括简单梁理论 (SBT)、校正梁理论 (CBT)、实验柔量方法 (ECM) 和基于柔量的梁方法 (CBBM)。这些方法基于线弹性断裂力学 (LEFM),前提是裂纹尖端小规模屈服的假设。当此条件无效或材料不是线弹性时,应使用更通用的J积分方法来表征断裂韧性,即测量JC。JC的值可以使用不依赖于路径的围线积分用于裂纹的分析,因此它不需要测量裂纹长度,这是与 LEFM 方法相比的主要优点之一。

Sarrado等[21]采用基于LEFM的数据约简方法和基于J积分的数据约简方法对实验数据进行了分析,研究了它们对粘接接头分析的适用性。基于LEFM的数据约简方法在很大程度上取决于断裂过程区大小的拉伸韧性结果中存在相关偏差。结论是,LEFM方法不适合表征粘接接头,其应用最多局限于起始值的测量。研究了胶粘剂和胶粘剂厚度对材料断裂韧性和R曲线的影响。结果表明,粘结剂和粘接厚度对粘结断裂韧性有显著影响,并讨论了这种影响的来源。Constante等[22]通过DCB测试估算粘接接头的拉伸临界应变能释放率 (GIC)。使用J积分是因为它能够获得拉伸内聚区模型 (CZM) 定律。kec等[23]研究了LEFM中引入的临界能量释放率Gc与分离功 Ω 之间的差异,即在 CZM 的牵引-分离定律下的面积。这种差异是由每单位试件宽度在裂纹尖端之前耗散的能量相对于裂纹长度的导数给出的。对于稳态裂纹扩展,其中能量在裂纹尖端前进时保持恒定,该导数消失并且Ω=Gc。因此,Ω和Gc之间的差异取决于过程离稳态有多远,而不是损伤区域的大小。即使对于延展性很强的界面,对于承受力矩的DCB试件,Gc=Ω,对于承受力的 DCB,它们的差异非常小。结果还表明,对于非均质材料无法证明J积分的临界值Jc等于非线性能量释放率。

2.3.2裂纹长度识别 断裂力学试验是一种研究材料在含裂纹状态下的破坏机理的试验方法,可以分析破坏与裂纹扩展的内在关系,得到KIC、GIC、JIC等断裂参数与裂纹扩展长度a的关系曲线,从而确定材料的断裂指标并建立合理的断裂准则。为了判断裂纹扩展条件和带裂纹结构的可靠性与安全性提供数据支撑。每一时刻裂纹扩展长度a对于准确计算断裂韧性指标至关重要,但目前没有有效的方法。金属材料断裂韧度的试验方法GB/T 21143-2014[24]、ISO 15024-2001[7]、ASTM D5528-2013[8]中单试件法是采用弹性力学的方法计算弹性柔度或采取其他方法得到裂纹扩展长度a和Δa;多试件法是在完全相同的几个试件中预制不同的初始裂纹长度,分别加载到预先设定好的不同位移,以便获得合适的裂纹扩展量,采用一定倍率的放大镜,用刻度尺测量裂纹扩展长度a,重复相同的试验步骤,直至得到足够的数据点为止。

两种方法前者得到的裂纹长度为等效裂纹长度,不是裂纹扩展长度的实测值;后者是通过放大镜辅助,更接近真实裂纹长度,但是需要多个样本测试,工作量较大。为了获取更为微小的裂纹,ASTM D5528[8]中采用移动显微镜,增强了微小裂纹的可视性,但是这种方法测量范围有限,镜头需要一直调整,只能目视观测。

裂纹长度的测量对传统断裂韧性的研究非常重要。裂纹长度测量方法除了光学测量法,还有电测法和声学测量法,但是这两种方法的操作难度相对更大,不易实施。

(1) 放大设备目视裂纹尖端

裂纹长度的测量对传统断裂韧性的研究非常重要。ISO 25217-2009 胶黏剂-胶接结构的胶层I型断裂韧性测定[9],ASTM D5041-98(2019) 胶接结构中胶层开裂断裂强度测试方法[10],ASTM D3433-99(2020)金属胶接结构中胶层开裂断裂强度测试方法[11],采用移动显微镜测量裂纹长度,为了增强微小裂纹的可视性,常常在预测的裂纹扩展路径上喷涂白漆以增强对比。这种方法测量范围有限,镜头需要随裂纹扩展进行调整,并需要手动采集。

(2) 数字散斑图像相关法

数字散斑图像相关法(digital image correlation,简称DIC法),是一种新的全场变形(应变和位移)测量方法,通过分析变形前后试件表面散斑变化得到位移场和应变场,适用于静态和动态[15],宏观和微观,常规和恶劣环境下的测量。该方法已被应用于力学领域的变形测量中,具有全场性、非接触、高精度、自动化、抗干扰性强和易操作等特点,弥补了其他变形测量技术的不足。因此,通过单试件法断裂试验,结合DIC分析技术,不仅可以节约试验材料,记录胶接结构开裂全过程,准确判定裂尖位置,还可以得到试件真实的裂纹扩展长度a与外荷载P的实时对应关系,对研究复合材料胶接结构I界面型断裂的断裂特性具有重要意义。

目前已有学者将DIC技术应用在断裂韧性测试过程中,其中大部分将该方法应用于准静态加载方式。Sun等[25]用DIC方法测量裂纹尖端分离、梁旋转和裂纹长度,得到了能量释放率G和J积分,并与LEFM方法的有效性进行了对比分析,同时测定了粘接剂的牵引力-分离定律,研究了脆性或增韧的环氧树脂胶粘剂和韧性聚氨酯胶粘剂结合后的准静态I型断裂行为。Saleh等[26]使用DIC方法进行原位裂纹尖端监测,研究了粘合铝 (Al) 和碳纤维增强聚合物 (CFRP)胶接接头中不同粘合剂对I 型断裂韧性 (GIC) 的影响。Zhang等[27]将DIC和AE技术结合在一起用于断裂韧性JIC测量,使用DIC 技术获取试件表面的变形信息,根据严格的定义计算J积分,AE技术用于监测内部损伤和裂纹萌生时刻同步捕获。Moazzami等[28]拉伸试验期间,使用DIC方法和有限元方法 (FEM) 计算粘合剂层的水平和垂直位移场,使用基于威廉姆斯级数展开和从 DIC 方法获得的位移场的超确定性方法,测量了所有试件的模式 I 和模式 II 应力强度因子。为了验证开发的超确定性代码,使用 FEM 模拟了所有粘合不同的 DCB 接头。然后,将直接从 FEM 获得的模式 I 和模式 II 应力强度因子 与通过 FEOD 方法计算的模式 I 和模式 II SIF 的结果进行比较,该方法基于使用 FEM 获得的位移场。

(3) 电测法

Wan等[29]对编织玻璃纤维增强环氧树脂 (WGF/环氧树脂) 复合层压板中 I 型层间裂纹传播行为进行原位监测。当裂纹扩展时,可以通过线电阻的变化确定裂纹尖端的位置。结果表明,I型裂纹扩展长度可以通过相对电阻进行预测。产生的误差对于结构安全监测来说是可以接受的,但这种精度对于得到可靠的断裂韧度而言是不够的,需要更加精确的方法得到裂纹尖端的长度。

(4) 声学测量法(AE)

Zhang等[27]提出了单边缺口试件裂纹萌生声学判据,通过DIC观察确定裂纹萌生时间,并将DIC和AE技术相结合,来测量聚乙烯管材的断裂韧性JIC。DIC技术用于获得试件表面的变形,根据严格的定义计算J积分,AE技术用于监测内部损伤和裂纹萌生时刻同步捕获。

(5) 等效裂纹长度法

(6) 数值模拟

胶接结构界面特性常用两种数值模拟方法,虚拟裂纹闭合技术VCCT和粘聚区模型CZM。虚拟裂纹闭合技术VCCT[31]需要预置裂纹,对于模拟裂纹萌生有局限,因此实际应用中,CZM应用较为广泛。

内聚力模型包含了材料线性增强阶段和软化阶段,该模型中裂纹扩展不仅需要克服材料的断裂阻力,而且需要抵抗内聚力模型产生的应力,更加适用于胶接结构界面特性的模拟分析。

Constante等[22]使用J积分获得CZM定律,发现脆性粘合剂的CZM 定律接近于三角形形状,两种韧性粘合剂的CZM 定律最接近于梯形形状。Belnoue等[32]提出了一种新的粘接失效有限元模拟方法,界面失效和胶层失效分开处理。界面失效采用CZM模型,胶层失效考虑弹塑性特征,采用DRUCKER-PRAGER屈服准则判断塑性失效。Valoroso等[33]基于使用测量的载荷-挠度曲线和裂纹长度作为数据集的单个试验测试建立了一个逆过程,开发了一种逆向程序,用于计算分析金属胶接结构的内聚区模型类别的材料参数。Sarrado[34]提出了一种新的内聚单元公式,用于对有限厚度粘合剂的初始弹性响应、软化和失效进行建模。通过将内聚区模型公式的刚度与模量解耦,新公式可确保在拉开和剪切加载模式以及混合模式加载条件下正确耗散断裂能量,并具有弹性和断裂材料特性的任意组合。kec等[23]研究了LEFM中引入的临界能量释放率Gc与分离功 Ω 之间的差异,即在 CZM 的牵引-分离定律下的面积。不测量裂纹长度的情况下实验确定断裂阻力,并发现稳态断裂阻力值是关键指标。Silva等[35]评估了不同的 CZM 定律以预测胶粘围巾接头的强度,其中I型和II型纯模式定律通过直接方法估计。Adarraga等[30]提出等效长度裂纹法对结合DGM 方法对粘合剂和被粘物厚度的影响进行了双线性、梯形和指数CZM定律数值分析,得出当大位移可忽略不计且使用薄粘合剂时,DGM 方法在胶粘接头的能量释放率分析中提供了更好的结果的结论。Moazzami等[28]为了验证超确定性方法,对制造的 DCB 粘合接头进行了数值模拟,并使用超确定性方法结合 FEM 位移场计算了模式 I 和模式 II SIF。然后,将使用有限元超确定性 (FEOD) 获得的模式 I 和模式 II SIF 与直接从 FE 分析获得的 SIF 进行比较。Jia等[36]从实验结果中获得的纳米复合材料的 I 型断裂特性用作 FEA 中的内聚区模型参数,该预测与实验结果非常吻合。

数值模拟中采用粘聚区模型CZM与DCB试件I型拉开试验中测的数据可以形成一种互相验证,相辅相成作用,结果表明CZM在模拟胶接结构I型界面特性是有效的。

3 影响因素研究

3.1 被粘物材料

3.1.1金属被粘物 胶接技术最早在金属结构中开始尝试使用。Meng等[37]通过对铝制胶接接头加入由楔形敲击方法制成的足够尖锐的裂缝对DCB断裂测量方法进行了改进,模拟实际情况中产生的尖锐的胶接裂缝。Valoroso等[33]分析了金属胶接结构的I型界面断裂韧性对应的CZM模型参数,驱动原理是基于使用测量的载荷-挠度曲线和裂纹长度作为数据集的单个实验测试建立一个逆过程。Cabello 等[38]提出了一种基于弹性地基梁理论的胶粘DCB试件通用分析模型研究不同类型胶黏剂粘接金属的胶接结构的I型开裂行为。Kanar等[39]以AA2024-T3铝合金作为被粘物不同类型的胶黏剂进行粘接,并研究了添加纳米结构对接头的断裂能的影响。破坏模式为胶层破坏和界面破坏混合出现的形式。Gheibi等[40]研究了 AL6061-T6 被粘物胶接结构的 I 型开裂行为,采用CBBM实验数据简化程序,获得的试验结果与CZM结果吻合良好。

金属胶接接头的主要失效类型包括胶层失效和界面失效,金属胶接结构的界面相对来说更为薄弱。由于胶黏剂与金属的刚度严重不匹配,金属更适合采用机械连接或者机械-胶接混合模式。

3.1.2金属-复合材料非对称被粘物 由于某些工程需求,不可避免会有金属和复合材料的连接形式。Loutas等[41]对金属-复合材料胶接接头的 I 型断裂韧性进行了研究,评估/比较了四种不同的钛和 CFRP 粘合剂连接技术;使用热固性或热塑性 CFRP 进行带胶黏剂和不带胶黏剂的共粘接和二次粘接。由于接头的不对称性以及残余热应力的存在,复合材料本身相对薄弱,在 DCB 测试期间会在复合材料层压板内部形成分层。只有二次粘接试件,在测试过程中没有出现分层。Imanaka等[17]为了比较CFRP/铝非对称接头用热固化型粘合剂的疲劳裂纹扩展行为,通过疲劳测试,研究了 DCB 接头厚度比对疲劳裂纹扩展速率的影响。Moazzami等[28]为了研究不对称的金属-复合材料胶粘接头产生纯I型界面开裂行为,提出了基于弯曲刚度和纵向应变分布的设计方法,开展全场位移场分析,并计算出应力强度因子。Constante等[23]研究了环氧胶粘接铝板的界面性能,并开发了一种用于评估裂纹尖端开口和被粘物旋转的光学测量方法,使用J积分是因为它能够获得CZM定律。所提出的 CZM 定律最接近于脆性粘合剂的三角形形状和两种韧性粘合剂的梯形形状。Kuppusamy 等[46]提出了一种新的设计标准,解决钢-复合材料非对称胶接结构无法获取纯I型断裂韧性的难题,通过在基于粘合线-纵向应变的标准下匹配两个被粘物的纵向应变分布,在胶粘双材料 DCB 接头中获得纯 I 型断裂。Shah等[43]研究环氧胶粘接铝合金接头的开裂行为,并研究了胶层厚度对断裂能量释放率的影响,发现在一定的范围内随厚度的增加,断裂能量释放出现增大的趋势,可以减少研究胶层厚度对增韧环氧树脂粘合剂系统断裂能的影响所需的测试时间和精力。

金属-复合材料非对称型被粘物的主要困难是无法获取纯I型界面开裂状态,通过严格的刚度和结构设计才能获得高效的界面,但是胶层与复合材料属于明显薄弱环节,需要开展界面、胶层及复合材料的失效分析。

3.1.3复合材料被粘物 复合材料结构在机械连接形式中存在多种问题,但也具有胶接技术重量轻,连接件数目少,不引入新的孔损伤,抗疲劳性能好且能获得气动光滑面等突出优点,因此一直是复合材料连接结构设计中的优选方案。Markatos等[44]研究了HexPly M21 基体和 T700 纤维(低密度碳纤维)制造的碳纤维增强复合材料,采用FM300 环氧树脂胶粘剂粘接,对比了不同被粘物表面状态对断裂韧性的影响。Sarrado等[21]研究了碳纤维增强环氧树脂采用FM-300环氧薄膜胶粘剂胶接的界面断裂韧性,发现厚胶比薄胶的断裂韧性高,但是薄的被粘复合材料的断裂韧性偏高。粘接较薄的试件具有较小的FPZ,裂纹尖端的塑性变形也较高,因此可以获得较好的胶接断裂韧性。García-guzmn l等[45]研究3D打印增材制造尼龙-玻璃纤维增强复合材料的不同形状胶接面的界面性能,发现生产具有图案梯形界面的粘合接头可以带来更坚韧和更有前景的性能。Srivastava等[46]研究了改性环氧树脂和纯环氧树脂粘合剂对编织碳纤维复合材料接头的断裂韧性和剪切强度的影响。Floros等[19]研究了纤维增强复合材料在不同胶黏剂材料粘接后的疲劳I型和II型裂纹扩展行为。

复合材料由于具有与胶黏剂相同材料体系的树脂基体,因此复合材料与胶层固化成型后,能够或能更好的刚度分配,其界面的失效也成为一种更值得关注的复杂材料区域,需要开展细观的机理分析以指导I型界面断裂韧性的评估。

3.2 胶黏剂材料

Cabello等[38]提出了一种基于弹性地基梁理论的胶粘DCB试件通用分析模型,研究了不同类型胶黏剂粘接金属的胶接结构的I型开裂行为,结果表明使用柔性粘合剂时,最大应力出现在粘合剂层内部,而使用刚性粘合剂时,它们仅出现在裂纹前沿。Kanar等[39]以DP460增韧型胶粘剂和DP125柔性胶粘剂为胶粘剂生产胶接DCB接头;AA2024-T3铝合金作为被粘物,1 wt% 石墨烯-COOH、碳纳米管-COOH 和富勒烯 C60 改性胶黏剂,发现通过添加纳米结构获得的纳米复合粘合剂增加了接头的断裂能。Jia等[36]对石墨烯纳米片增强的环氧建筑胶粘剂胶接钢结构的界面 I 型断裂抗力分析发现,与纯环氧树脂粘合剂相比,石墨烯含量仅为 0.25 wt% 的纳米复合材料的 I 型断裂韧性竟提高了 5 倍。当石墨烯含量继续增加时,粘合剂的I型断裂韧性随石墨烯在粘合剂中的聚集而降低。Srivastava等[46]研究了石墨烯填充环氧树脂,炭黑填充环氧树脂,纯环氧树脂粘合剂对编织碳纤维复合材料接头的断裂韧性和剪切强度的影响,结果表明改性后的接头性能更好。Mariana Gonzlez Ramírez等[20]研究了不同工艺条件的复合材料胶接接头I型界面在疲劳循环加载作用下的断裂行为,包括CC、CB和SB,发现CB 和 SB 接头的阈值比 CC 接头高约 2.5 倍,在疲劳分层生长开始方面表现出更好的性能。Saleh等[26]研究了基于改性单宁酸的缩水甘油醚和缩水甘油磷酸的合成生态环氧胶黏剂,用于粘接铝和碳纤维增强聚合物,结果表明,当使用缩水甘油磷酸时,胶接接头的断裂韧性得到改善。

胶粘剂的材料属性对于无论是金属胶接结构,金属-复合材料非对称胶接结构还是复合材料胶接结构,都至关重要。不仅需要选择合适材料性能的胶,还需要选择与被粘物界面特性匹配的胶。

3.3 胶层厚度

Sarrado[21]研究了碳纤维增强环氧树脂采用FM-300环氧薄膜胶粘剂胶接的界面断裂韧性,发现厚胶比薄胶的断裂韧性高,原因可能是在较厚的胶粘剂中可以形成较大的塑性区域。Shah等[47]研究的对象是真实风力涡轮机叶片的材料,由聚酯树脂基质中 0.286 mm厚的 45°双轴玻璃纤维垫,并使用不同厚度的 NORPOL 聚乙烯酯粘合剂进行粘接。使用柔度校准进行校正后,较厚的粘合剂显示出较高的 SERR 值。这部分是由于粘合剂的刚度非常低,在出现可见裂缝之前会变形。因此,较高的变形可以“隐藏”裂纹,使裂纹在高变形处不可见,但粘合剂已经塑性变形到足以无法抵抗裂纹扩展。韩啸等[48]基于柔度的梁方法获取I 型断裂韧性,研究胶层厚度的影响发现,厚度增加I 型断裂韧性先增大后减小,失效模式则由界面失效转变为混合失效。Gheibi等[40]考虑到定义厚度是接头工程设计中的重要参数之一,需要研究厚度对脆性粘合剂 CZM 参数的影响。选择五种不同的粘合剂厚度(0.2、0.4、0.6、0.8 和 1 mm),比较发现具有 0.4 mm 厚粘合剂层的试件比其他试件性能更好。

在一定范围内,胶层厚度的增加可以有效的增大I型界面断裂韧性,但是超出该范围则有可能会导致断裂韧性的减小。相对较厚的胶粘剂中可以形成较大的塑性区域,但是胶黏剂本身刚度较小,如果厚度继续增大,会影响整个结构的承载能力。

4 表面处理方式

被粘物表面状态对胶接质量影响情况不同。Markatos等[44]发现制造和使用中胶接质量降低对航空应用中出现的复合材料接合接头机械性能的影响较大。研究模拟了五种不同的代表性场景：粘合剂固化不良、脱模剂污染、吸湿、液压油污染和热降解,这些场景可能会影响粘合修复和使用寿命。结果表明,脱模剂和热降解对粘合接头的断裂韧性有很大影响,水分和油对接头的断裂韧性影响相对小一点,而固化不良对粘合质量有灾难性的影响。Kuppusamy等[42]研究了层压板表面污染对粘合特性的影响,在没有剥离层的情况下模塑的受污染层压接头会出现曲折的裂纹扩展和非线性断裂韧性值,粘合剂粘合层很容易剥离,粘合剂-层压板界面处的断口表面干净平整,在层压成型过程中使用剥离层控制了表面污染,证明裂纹的均匀传播和粘合接头处的断裂韧性值增加。

胶接面增加图案,增大胶接实际接触面积。García-guzmán等[45]研究在长纤维复合材料中使用增材制造方式打造梯形图案界面的DCB试件的机械性能,发现生产具有图案梯形界面的粘合接头可以带来更坚韧和更有前景的性能。Sun 等[49]分析了由图案几何形状对粘合接头断裂行为的影响。使用 ALM 生产技术对具有结构化界面图案的 DCB 试件中粘合接头的抗裂性进行了实验和理论分析,图2中所示的 A/λ比率越高,相对于非梯形的表观断裂阻力Gcx和实际断裂阻力Gcs就越大。

图2 平板胶接界面和梯形胶接界面示意图[49]

对胶接质量有影响的被粘物表面状态有各类其他溶剂污染,热作用,固化不良,吸湿等情况,分析表明该固化不良是一种严重的脱粘诱因。表面增加图案可以增加胶接实际接触面积,提高连接效率。

5 结 论

加载速率对于复合材料I型层间断裂韧性有本质上的影响。随加载速率的增加,材料的断裂形式会由韧性断裂到脆性断裂进行转变,从而导致层间断裂韧性改变。加载速率的大小可以将胶接结构的断裂韧性测试方法分为三大类,速率由快到慢分别是,动态冲击加载,疲劳裂纹扩展,准静态加载方式。霍普金森杆装置是一种相对复杂的设备,高速状态下给裂纹扩展过程监测带来了较大困扰,除非用于特殊的高速冲击服役情况,一般情况推荐采用相对低速的方法测定断裂韧性。在疲劳载荷作用下的裂纹扩展机制与准静态是不同的。准静态过程可以更为清晰观察裂纹扩展的过程。与上面两种速率的测试方法不同,胶接结构的准静态加载方法已经实现标准化。

通过断裂力学试验可以研究材料破坏与裂纹扩展的内在条件,得到应力强度因子KIC、平面应变能释放率GIC、J积分JIC等断裂参数。其中至关重要的是裂纹扩展长度a的关系曲线。一种方法得到的裂纹长度为等效裂纹长度,不是试件真实的裂纹扩展长度;另一种方法通过放大镜读数,更接近真实裂纹长度,但为了得到足够的有效数据点,增强微小裂纹的可视性,常常在预测的裂纹扩展路径上喷涂白漆以增强对比,这种方法测量范围有限,镜头需要随裂纹扩展进行调整,并需要手动采集。为了更为准确的进行裂纹长度测量,还有常见的其他方法包括DIC法、电测法和声学测量法。其中DIC测试能够获取全场变形,对于断裂韧性评估和开裂机理分析的研究有重要意义。数值模拟中采用粘聚区模型CZM与DCB试件I型拉开试验中测的数据可以形成一种互相验证,相辅相成作用,结果表明CZM在模拟胶接结构I型界面特性是有效的。未来需要结合裂纹开裂过程实时采集的数据,对CZM模型进行修正,获取更为有效的数值模拟模型。

本文对三种类型被粘物的I型界面断裂韧性研究进行了综述,发现金属胶接接头的主要失效类型包括胶层失效和界面失效,金属胶接结构的界面相对来说更为薄弱。金属-复合材料非对称型被粘物的主要困难是无法获取纯I型界面开裂状态,因此需要开展刚度和结构设计,但是胶层与复合材料是明显薄弱环节,需要开展界面、胶层以及复合材料的失效分析。复合材料由于具有与胶黏剂相同材料体系的树脂基体,因此复合材料与胶层固化成型后,能够或能更好的刚度分配,其界面的失效也成为一种更值得关注的复杂材料区域,需要开展细观的机理分析以指导I型界面断裂韧性的评估。

本文对胶黏剂的材料属性、胶黏剂的厚度进行调研,发现胶粘剂的材料属性对于无论是金属胶接结构,金属-复合材料非对称胶接结构还是复合材料胶接结构,都是至关重要的,不仅需要选择合适材料性能的胶,还需要选择与被粘物界面特性匹配的胶。在一定范围内,胶层厚度的增加可以有效的增大I型界面断裂韧性,但是超出该范围则有可能会导致断裂韧性的减小,相对较厚的胶粘剂中可以形成较大的塑性区域,但是胶黏剂本身刚度较小,如果厚度继续增大,会影响整个结构的承载能力。

被粘物和胶黏剂之间的界面特性至关重要,粘接表面的处理方式也是会对结构性能造成显著影响。胶接质量有影响的被粘物表面状态有各类其他溶剂污染,热作用,固化不良,吸湿等情况,分析表明该固化不良是一种严重的脱粘诱因。表面增加图案例如梯形图案可以增加胶接实际接触面积,提高连接效率。