碳纖維增強鋁基復合結構抗彎強度研究

丁廣志，王斌華

（1.長安大學工程機械學院，陜西 西安710064；

2.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

金屬結構部件在長期使用過程中，由于材料、工藝、施工條件等因素的影響，會使設備局部出現裂紋或強度不足等問題。傳統的焊接、貼板等加固方法會使金屬基體產生一系列缺陷，比如：焊接會使基體產生一定變形，并在結構內部產生殘余應力；貼板則需要在原結構上增鉆螺栓孔，會降低原承載面的結構強度[1]。隨著工程技術發展的需要，碳纖維增強技術應運而生，碳纖維具有比強度、比剛度高，絕緣、耐腐蝕等優點[2，3]，可在不破壞原結構的基礎上對設備進行加固。其加固金屬結構形式如圖1所示，結構載荷通過粘接層施加于碳纖維加固層上，從而達到加固的目的。目前碳纖維加固多用于RC梁、鋼梁等結構中，試驗及理論兩方面的研究表明[4，5]，使用碳纖維加固技術不僅可以提高設備對極限載荷的承載能力，還可以提高設備穩定性承載力。預應力技術的應用可以在傳統加固技術的基礎上充分發揮碳纖維的性能，進一步提高加固效果[6]。目前在碳纖維加固研究中，很少涉及碳纖維層數對粘接效果的影響，上海大學胡亮[7]研究了碳纖維布加固鋼吊車梁的疲勞性能，試驗結果表明，粘貼一層碳纖維布就可以使疲勞壽命提高52.94%～85.56%，然而文中沒有探討多層碳纖維對結構的加固效果。一般認為碳纖維層越厚結構抗彎強度越高，但是過多的碳纖維層數不僅會增加樹脂層的數量，同時會增加結構的重量，其加固效果可能會受到限制。與鋼結構相比，鋁材比強度、比剛度高，被廣泛用于汽車、航空等領域，但是重量對其結構的影響比鋼結構更加敏感，而目前研究中較少涉及對鋁梁加固的研究。為明確碳纖維層數對鋁基結構加固效果的影響，本文利用三點彎曲試驗對多層碳纖維加固性能進行研究。

圖1 碳纖維增強鋁基結構示意圖

1 試驗研究

試驗金屬基選用6061鋁合金，截面尺寸為（20×3）mm2，長度為160 mm.樹脂選用南通星辰生產的鳳凰牌E51-618型環氧樹脂，固化劑為5034A，樹脂和固化劑按質量比4∶1的比例混合使用，該樹脂粘度較低，具有較強的滲透性，可充分浸潤纖維及金屬表面。碳纖維增強層選用3K平紋碳纖維布，材料參數見表1.鋁合金及碳纖維布在粘接前均使用丙酮進行超聲波清洗30 min，然后在0.6 MPa壓力下在模具內復合成碳纖維復合材料，常溫下固化24 h，每組4個試樣，試樣參數見表2.根據GBT 232-2010，采用三點彎試驗對試樣強度進行研究，支撐跨度為120 mm，具體支撐方式見圖2.使用濟南天辰試驗設備有限公司生產的萬能拉壓試驗機進行試驗，該設備最大試驗力為100 kN，試驗加載速率為1 mm/min（圖3）。

表1 材料參數

表2 試樣參數

圖2 試樣支撐方式示意圖

圖3 三點彎曲試驗

2 試驗結果及分析

通過位移加載模式，可以得出不同試樣的位移-載荷曲線，當試樣發生破壞時，停止加載。試驗數據由試驗機配套軟件直接導出，未加固鋁合金試樣載荷-位移曲線見圖4，碳纖維加固試樣載荷-位移曲線見圖5，圖中可以看出，各碳纖維試樣試驗曲線形狀大體相似，試驗在加載過程中，變形可以分為三個階段：彈性變形、塑性變形、失效剝離，分別對應圖5中的線性區、非線性區和失效點。所有試驗失效形式均為碳纖維/鋁界面發生剝離破壞，在失效點處，碳纖維層與鋁基表面發生大范圍瞬間剝離，使其承載力急劇下降。

圖4 純鋁合金載荷-位移曲線

圖5 碳纖維復合材料載荷-位移曲線

從圖6中可以得出，試樣的極限承載能力隨著碳纖維層數的增加而增加，且隨碳纖維厚度的增加成線性增長。由于試樣重量會隨著碳纖維厚度的增加而增加，為評估重量的增加對結構強度提升的貢獻，使用單位重量強度提升比來計算增加單位重量所引起的強度增幅，計算結果見表2，由數據可知，隨著試樣重量的增加，單位重量所貢獻的強度大致相同，例如，相應于兩層碳纖維加固，碳纖維層重量每增加1 g，其抗彎強度提升42%.通過線性擬合可得出試樣厚度增幅與極限載荷增幅之間的數量關系：y=5.6484x+0.3043，式中，x為試樣厚度增幅，y為相應的極限載荷增幅。在針對此類鋁梁的實際加固工程中，可根據需要提升的強度來選擇對應的碳纖維粘接層數和厚度，避免造成材料的浪費[7-8]。

圖6 極限載荷隨碳纖維厚度增加變化規律

3 結論

本文通過三點彎曲試驗研究了不同厚度的碳纖維的加固效果，分析了重量對結構加固的影響，得出了以下結論：

（1）復合材料的極限承載力隨著纖維層厚度的增加呈線性增長；

（2）不同厚度的碳纖維復合材料，其單位重量增加所帶來的強度增幅大致相同；

（3）得出了復合材料碳纖維厚度增加比例與極限承載力提升比例之間的數量關系，為工程應用提供數據參考。

參考文獻：

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