階梯式膠接連接復合材料連接效率評價*

杜 宇，楊 濤，牛雪娟，劉詩琪

(1.天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387；2.天津工業大學 機械工程學院，天津 300387)

0 引言

復合材料具有比強度、比剛度高、疲勞性能好和耐腐蝕等優異性能，已成為航空航天結構中的基本材料[1-3]。大部分結構中需要多個部件進行接頭連接，而膠接具有應力分布均勻、耐腐蝕性能好和工藝簡便的優點，已成為航天工藝中不可缺少的一種連接工藝技術[4]。膠接分為單搭接、雙搭接、斜面形搭接和階梯形搭接等連接方式。斜面形和階梯形連接可降低結合面的剝離應力的產生，膠接結合面較好，并具有很好的工藝特性，通過調整接頭的工藝結構參數，獲得較高的膠接連接效率。

對于斜接式和階梯式膠接接頭的力學性能，國內外學者進行了理論和實驗研究。在早期，Hart-Smith[5]采用基于連續介質損傷行為的力學分析方法，建立了斜面形和階梯形膠接接頭的數學模型，對接頭內部應力分布進行了數值模擬。Renton 等[6]運用高階理論模型分析了階梯式膠接接頭，膠層的最大剪應力出現在距離膠接端部一定距離的位置，其分析結果比傳統分析方法更加貼近實際。Yang等[7]采用層合板理論，對層合板搭接接頭的層間應力分布進行了數值分析。Charalambides等[8]運用實驗方法分析了溫度等外部條件下對斜切式膠接接頭靜力及疲勞性能的影響。Kim等[9]制備了炭纖維層合板階梯形膠接接頭，并進行了拉伸和疲勞實驗，分析了搭接長度、搭接個數和階梯斜角對拉伸和疲勞強度的影響。

近年來，Ichikawa等[10]通過對拉伸載荷作用下的階梯形膠接接頭建立三維有限元模型，分析了膠層內的應力分布與膠層模量、膠層厚度以及階梯數量的影響。Beylergil等[11]通過試驗和數值分析，研究了玻璃纖維層合板階梯形膠接接頭在有無外加補片情況下的屈曲和壓縮破壞，驗證了外加補片可提高承載能力的作用，其試驗結果與數值分析結果一致，屈曲載荷隨著階梯搭接長度的增加而緩慢增長。Salih Akpinar[12]研究了不同階梯數量的鋁合金階梯形膠接接頭和兩種不同的膠粘劑對其拉伸強度和破壞模式的影響，并運用有限元的分析方法，模擬了沿界面長度及寬度方面的剪應力和剝離應力的分布情況。喬玉等[13]運用有限元的方法建立了雙階梯形膠接接頭的三維有限元模型，進行了拉伸漸進損傷分析，討論了搭接長度、外加補片的搭接長度及厚度對其拉伸強度的影響。階梯式和斜接式膠接連接復合材料的連接效率主要影響因素有鋪層角度、挖補斜度、搭接長度和膠粘劑等。課題組前期已經進行了斜接式膠接連接復合材料的力學性能研究[14]，而本文主要以階梯式膠接連接復合材料層合板為研究對象，重點討論鋪層角度和搭接長度對膠接后試件拉伸強度和彎曲強度的影響，對膠接試件的連接效率進行評價。

1 試驗

1.1 試件制備

試件采用SK化工(青島)有限公司的TR50單向炭纖維預浸料制備，密度為1.77 g/cm3。層合板為16層鋪設，單層厚度為0.012 5 cm。層合板采用模具熱壓成型的方法，在全自動熱壓、冷卻成型機上進行，具體操作是溫度設定為100 ℃加熱1.5 h和135 ℃加熱3 h，壓力為0.5 MPa。粘接面用#400砂紙打磨，再用丙酮清洗干凈，Araldite@2015膠粘劑粘接，在0.3 MPa的壓力下，常溫固化24 h。階梯式膠接連接復合材料層合板的結構示意圖如圖1所示。

對于階梯形膠接連接復合材料層合板，炭纖維層合板采用[0/90]4S和[±45]4S鋪層順序，考慮四種搭接長度，分別為20、30、40、50 mm。詳細的試件編號見表1，每種類型試件均有4個測試試件。

1.2 試驗條件及測試方法

拉伸試件的尺寸(長×寬×厚)為250 mm×25 mm×2 mm (ASTM D 3039)，試件兩端粘貼50 mm×25 mm×2 mm的鋁制加強片。

彎曲試驗跨厚比選用32∶1，故彎曲試件的尺寸(長×寬×厚)為100 mm×12.5 mm×2 mm (ASTM D 790M)。

圖1 試件結構圖

試件編號鋪層試驗搭接長度S/mmTX-P-20[0/90]4S拉伸20TX-P-30[0/90]4S拉伸30TX-P-40[0/90]4S拉伸40TX-P-50[0/90]4S拉伸50TY-P-20[±45]4S拉伸20TY-P-30[±45]4S拉伸30TY-P-40[±45]4S拉伸40TY-P-50[±45]4S拉伸50TXTY[0/90]4S[±45]4S拉伸拉伸連續鋪層試件BX-P-20[0/90]4S彎曲20BX-P-30[0/90]4S彎曲30BX-P-40[0/90]4S彎曲40BX-P-50[0/90]4S彎曲50BY-P-20[±45]4S彎曲20BY-P-30[±45]4S彎曲30BY-P-40[±45]4S彎曲40BY-P-50[±45]4S彎曲50BXBY[0/90]4S[±45]4S彎曲彎曲連續鋪層試件

拉伸和彎曲實驗均在日本島津的AG-50KNE型萬能試驗機上進行。采用位移單向控制，實驗在室溫準靜態拉伸載荷下進行，加載速率2 mm/min。膠接試件的連接效率定義為膠接試件強度與連續鋪層試件強度的比值。

2 試驗結果與討論論

2.1 拉伸試驗

圖2為[0/90]4S和[±45]4S鋪層試件，四種搭接長度以及連續鋪層試件拉伸載荷-位移曲線。從圖2可看出，隨著搭接長度的增加，試件的最大拉伸載荷也隨之增加。與連續鋪層試件相比，不同搭接長度的膠接試件的初始剛度并未發生明顯變化，近似相等。兩種鋪層角度的試件，超過彈性變形階段達到最大載荷值后，試件無法再進入塑性變形階段，就立即失效。

(a)[0/90]4S lay-up

(b)[±45]4S lay-up

表2為[0/90]4S和[±45]4S鋪層試件，四種搭接長度及連續鋪層試件的拉伸極限載荷和強度值。拉伸強度隨著搭接長度的增加而增大，與連續鋪層試件強度相差較大。兩種鋪層角度的試件，隨著搭接長度的增加，剪切應力逐漸減小，拉伸強度的增長率也逐漸減小。兩種鋪層試件的拉伸強度最大連接效率分別為23.5%和37.2%，搭接長度超過40 mm后，連接效率并未出現顯著的增加。而斜接式膠接最大連接效率為70.6%和71.4%[14]，斜接式膠接試件傳遞載荷的纖維層數多于階梯式。因此，階梯式膠接試件拉伸強度連接效率明顯低于斜接式膠接試件連接效率。

表2 不同鋪層角度和搭接長度試件拉伸試驗結果

圖3和圖4分別為[0/90]4S和[±45]4S鋪層試件，四種搭接長度的試件拉伸實驗破壞形貌。可見，[0/90]4S鋪層試件，各個搭接長度的試件主要表現為分層失效。[±45]4S鋪層試件，當搭接長度為20 mm時，膠層間剝離應力和剪切應力相對較大，主要表現為膠層失效和分層失效。隨著搭接長度的增加，剝離應力和剪切應力同時存在，但剝離應力相對于剪切應力是減小的，膠接區域出現大面積纖維撕裂，且撕裂方向為±45°方向，破壞形貌主要表現為分層失效和纖維撕裂現象。

(a)TX-P-20 (b) TX-P-30 (c)TX-P-40 (d) TX-P-50

(a)TX-P-20 (b) TX-P-30 (c)TX-P-40 (d) TX-P-50

2.2 彎曲試驗

圖5為[0/90]4S和[±45]4S鋪層試件，四種搭接長度以及連續鋪層試件彎曲載荷-位移曲線。可見，隨著搭接長度的增加，試件的最大彎曲載荷也隨之增加。對于[0/90]4S鋪層試件，當搭接長度大于20 mm后，膠接試件與連續鋪層試件的初始剛度近似相等；對于[±45]4S鋪層試件，四種搭接長度的膠接試件與連續鋪層試件的初始剛度并未發生明顯變化。

(a)[0/90]4S lay-up

(a)[±45]4S lay-up

表3為[0/90]4S和[±45]4S鋪層試件，四種搭接長度及連續鋪層試件的彎曲強度值。兩種鋪層角度的試件，彎曲強度隨著搭接長度的增加而增大；當搭接長度大于40 mm后，彎曲強度發生了顯著增大。兩種鋪層試件的彎曲強度最大連接效率分別為34.7%和106.0%。對于[0/90]4S鋪層試件，彎曲強度連接效率未超過100%；對于[±45]4S鋪層試件，當搭接長度為50 mm時，彎曲強度連接效率超過100%，即膠接試件的彎曲性能優于連續鋪層試件的彎曲性能。斜接式膠接連接復合材料上述兩種鋪層角度的試件最大連接效率分別為82.1%和119.6%[14]，斜接式膠接試件的層間強度高于階梯式。因此，階梯式膠接試件彎曲強度連接效率仍低于斜接式膠接試件連接效率。

圖6和圖7分別為[0/90]4S和[±45]4S鋪層試件，四種搭接長度的試件彎曲實驗破壞形貌。當搭接長度為20、30 mm時，兩種鋪層角度的試件在膠接處斷開，在膠接面處發生膠層失效和纖維撕裂現象。當搭接長度為40、50 mm時，由于膠接面積增大，達到最大強度后，完全進入塑性變形區，試件不會從膠接處完全斷開，膠接部分發生明顯的分層現象。搭接長度越長，膠層越不容易斷開。

表3 不同鋪層角度和搭接長度試件彎曲試驗結果

(a)BX-P-20

(b)BX-P-30

(c)BX-P-40

(d)BX-P-50

(a)BX-P-20

(b)BX-P-30

(c)BX-P-40

(d)BX-P-50

3 結論

(1)通過對階梯式膠接連接復合材料試件進行拉伸和彎曲試驗證明，對于[0/90]4S鋪層試件，最大拉伸強度連接效率為23.5%，最大彎曲強度連接效率為34.7%。對于[±45]4S鋪層試件，最大拉伸強度連接效率為37.2%，最大彎曲強度連接效率為106.0%，當搭接長度超過50 mm時，膠接試件彎曲強度超過連續鋪層試件彎曲強度。

(2)通過對不同鋪層角度和搭接長度的膠接試件的拉伸和彎曲破壞形貌上看，拉伸試件的失效形式主要為分層失效和纖維撕裂。當搭接長度較小時，彎曲試件容易在膠接處斷開，并出現膠層失效和纖維撕裂，隨著搭接長度的增加，彎曲試件不會從膠接處完全斷開，膠接部分發生明顯的分層現象。

(3)搭接長度對試件的剛度影響較小，強度影響較大，隨著搭接長度的增加，連接效率逐漸增大。[±45]4S鋪層試件連接效率優于[0/90]4S鋪層試件連接效率。斜接式膠接連接效率高于階梯式膠接連接效率。

(4)由于復合材料構件實際鋪層結構多為0、90、±45組合鋪層，課題組后期還需對斜接式和階梯式膠接連接組合鋪層試件的連接效率進行評價。