軌道交通用CFRP結構損傷濕法修復工藝研究

曾 宇,顧春雷,戶迎燦,鄭 凱,靳 凱

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266000; 2.中國海洋大學,山東 青島 266000)

軌道交通的高速發展催生了車輛的輕量化,軌道交通車輛的輕量化是促進軌道交通節能減排的有效手段,也是實現軌道交通高質量發展的重要途徑。碳纖維增強環氧樹脂基復合材料(CFRP)具有質輕、高強、可靠性高、耐腐蝕能力強、耐疲勞性好等優點,且隔聲降噪性能優異[1]。作為軌道車輛的主要承載結構,車體結構的輕量化是軌道交通車輛減重的關鍵環節,在車體結構上應用CFRP能夠大幅降低車輛自重,提升車輛性能。然而,由于頻繁受到沖擊、磨損的影響,車體結構受損傷的情況時常發生且無法避免,因而開發高效省時的軌道交通用CFRP結構損傷修復工藝技術顯得尤為重要。

復合材料修復方法可分為膠接修復和濕法修復[2]。膠接修復是利用膠黏劑將復合材料補片與損傷待修復部位進行連接,以達到修復的目的。該方法優點是修復過程簡單、易操作、設計性強、增重小、時間短、成本低,缺點是修復補片易從損傷部位剝離,修復效果一般。濕法修復是將預配的樹脂與復合材料與損傷待修復部位進行黏接,采用共固化的手段對損傷部位進行修復。該方法的優點是所用復合材料與損傷部位的界面結合力較強、修復效果較好,缺點是操作難度大、對施工人員的技術及經驗要求較高。

R.TERAZAWA等[3]通過對濕法修復的黏接界面進行分子動力學模擬,發現界面處有機硅分子的滲入會導致界面結合力的強度顯著降低。M.ALI等[4]通過拉伸和彎曲試驗、模態分析和數值建模對濕法修復后的損傷界面進行形態分析,發現修復效率在很大程度上取決于補片與損傷修復區域之間的黏接強度。楊青等[5]研究不同固化壓力、樹脂浸潤時間等工藝參數對濕法修復碳纖維層合板強度的影響規律,發現固化壓力對修復效果影響較大,壓力過小會導致樹脂無法完全浸,壓力太大則會導致纖維織物過密,樹脂無法浸潤就被擠出。王英男等[6]采用濕法修復-模壓成型工藝制備CFRP層合板,發現了浸潤時間對濕法修復工藝的影響規律,在浸潤時間為4 min時,CFRP層合板成型質量最好,界面缺陷較少,力學強度較高。洪明等[7]通過損傷模擬仿真發現,采用膠接修復,在織補密度達到一定程度后損傷部位的動剛度不再提高,而采用濕法修復可同時增加拉伸和剪切剛度,損傷部位的動剛度理論上可完全恢復。

作者以T700-12K短切碳纖維、碳纖維平紋布為修復纖維,以環氧樹脂與固化劑為修復樹脂體系,對CFRP層合板(厚度4 mm)缺陷樣進行濕法修復,著重探討不同修復用纖維及其含量對濕法修復CFRP層合板缺陷樣的修復效果,以期得到較佳的CFRP結構損傷濕法修復工藝。

1 實驗

1.1 原料

CFRP試件:厚度4 mm,鋪貼角度[0°/90°]ns,長、寬均為150 mm,中車四方車輛股份有限公司提供;T700-12K短切碳纖維:拉伸強度4 900 GPa,拉伸模量230 GPa,纖維直徑7 μm,日本東麗株式會社產;3K碳纖維平紋布:織物結構為碳纖維雙向布,克重為200 g/m2,纖維直徑7 μm,厚度0.3 mm,百豐碳纖維科技(常州)有限公司產;GT-920A環氧樹脂:黃色透明黏稠體,25 ℃下黏度為700～1 500 mPa·s,密度為1.10～1.30 g/cm3,惠柏新材料科技(上海)股份有限公司產;GT-920B固化劑:無色透明液體,25 ℃下黏度為12～20 mPa·s,密度為0.90～1.00 g/cm3,惠柏新材料科技(上海)股份有限公司產。

1.2 主要設備及儀器

缺陷打磨機器人:由FANUC/M20iD機器人、磨削高速主軸電機、金剛石磨頭組成,自制;BriskHeat ACR MiniPRO熱補儀:深圳市銀飛電子科技有限公司制;C52.105微機控制電子試驗機:新三思(上海)企業發展有限公司制;壓縮模具:自制;三軸移動工業相機:堡盟電子(上海)有限公司制。

1.3 CFRP結構損傷濕法修復方案

(1)根據實際缺陷尺寸,首先判斷是否需要缺陷去損,若缺陷僅存在于表面,則不需要去損操作;若缺陷較深則需要進行去損,以損傷區域的最大直線跨度尺寸為邊或直徑制作矩形或圓形盲孔[8-9]。通常選用圓形盲孔,若材料尺寸特殊則選擇矩形盲孔。以圓形盲孔為例,確認尺寸后將工業機器人路徑程序編寫好,將損傷區域全部去除,缺陷試樣如圖1所示。

圖1 缺陷試樣示意

(2)CFRP層合板濕法修復工藝:將T700-12K短切碳纖維進行短切,短切長度分別為3 mm與6 mm;分別采用短切碳纖維、碳纖維平紋布與樹脂混合,濕法修復CFRP層合板缺陷試樣,不同纖維及其含量與樹脂混合濕法修復所得試樣見表1。完好試樣、缺陷試樣分別標記為1#、2#。

表1 不同濕法修復條件所得試樣

短切碳纖維濕法修復:先將不同長度(3 mm或6 mm)短切碳纖維與樹脂混合,短切碳纖維質量分數分別為1%、3%、5%,快速攪拌均勻,保證兩者的充分浸潤;隨后按照樹脂與固化劑的比例要求加入固化劑并再次攪拌均勻;最后,將調配好的短切碳纖維/樹脂均勻涂在缺陷處,并適當高出缺陷處的平面[10],得到修復試樣。

碳纖維平紋布濕法修復:裁剪對應缺陷大小的碳纖維布,按環氧樹脂:纖維布質量比1.4:1.0計算環氧樹脂用量,并與固化劑配置修復樹脂體系[11];用玻璃棒將配置好的修復樹脂均勻的涂覆到碳纖維布上,并進行反復按壓,使樹脂完全浸漬到碳纖維布的縫隙當中,接著在浸漬樹脂的碳纖維布上鋪貼一層隔離膜,封裝真空袋并抽真空,以使樹脂更進一步地浸漬到碳纖維布上,同時也有利于將濕鋪層內的空氣排出[12-13];根據缺陷大小裁剪濕鋪層并貼在缺陷處,通過熱固化得到修復試樣。

1.4 分析與測試

表觀形貌:采用三軸移動工業相機進行表面形貌的采集,將修復好的試樣放置到工業相機的拍攝中心,調整相機的焦距進行拍攝。

壓縮應力-位移曲線:采用新三思C52.105微機控制電子試驗機進行測試。將修復好的試樣放置到壓縮模具中進行固定,將模具放置到拉伸試驗機的中心位置進行壓縮測試。在試驗壓縮破壞時停止壓縮,得到壓縮破壞前壓縮應力及此時的位移的曲線圖。

壓縮性能:表征復合材料修復后性能恢復的重要指標,相較于彎曲與拉伸,更能反映修復性能恢復程度。采用C52.105微機控制電子試驗機,根據ASTM D7137/D7137M—17對復合材料修復件進行壓縮性能測試[14]。按式(1)、(2)分別計算修復試樣的最大壓縮強度(M)、壓縮強度恢復率(RM),按式(3)、(4)分別計算修復試樣的最大壓縮剛度(K)、壓縮剛度恢復率(RK)。

M=F/S

(1)

(2)

K=F/δ

(3)

(4)

式中:F為最大壓縮應力,S為壓縮方向截面積,δ為壓縮形變,Ms為完好試樣的最大壓縮強度,Ks為完好試樣的最大壓縮剛度。

2 結果與討論

2.1 表觀形貌

從圖2可以看出,采用短切碳纖維濕法修復缺陷得到的3#試樣損傷部位產生凹陷,而采用碳纖維平紋布濕法修復缺陷得到的9#試樣保持著完好的平整度。這是因為短切碳纖維與環氧樹脂之間的界面結合力較弱,在固化過程中由于重力的原因出現下沉而產生凹陷;而碳纖維平紋布為一個整體,受到重力下沉的影響較小,所以固化后的平面較為整齊[15]。

圖2 短切碳纖維與碳纖維布濕法修復后的試樣示意

2.2 壓縮應力-位移曲線

對圖3分析可知:濕法修復各試樣的壓縮應力-位移曲線均表現出與完好試樣(1#)相同的趨勢,不同的是濕法修復試樣的極限載荷與極限位移比1#試樣均小一些,說明濕法修復試樣的力學性能接近于完好試樣,但還是有所缺陷,這是因為修復部位無法與缺陷周圍的碳纖維融合成一個整體;缺陷試樣(2#)的壓縮應力-位移曲線并未表現出1#試樣的趨勢,而是在載荷隨著位移增加到一定值后,隨著位移增加而降低,并沒有出現懸崖式的降低;6 mm短切碳纖維濕法修復試樣與碳纖維平紋布濕法修復試樣的壓縮應力均高于3 mm短切碳纖維濕法修復試樣,說明短切碳纖維的長度越小,短切碳纖維與樹脂之間的界面結合力越弱,修復的效果也就越差。從修復固化后產生的塌陷也可看出短切碳纖維越短會導致修復效果越差[16]。

圖3 不同纖維濕法修復試樣的壓縮應力-位移曲線

2.3 壓縮強度

由表2可以看出:缺陷試樣(2#)的M較低(88.00 MPa),RM只有33%,說明缺陷對整體強度影響較大;采用3 mm短切碳纖維濕法修復,不同纖維含量所得修復試樣(3#、4#、5#)的M及RM均略有提高,RM為40%～50%,修復效果不佳,這是因為3 mm短切碳纖維較短,較為分散,發生交聯纏繞較少或者不會發生,導致界面結合力較弱,且承壓結構主要為樹脂,修復試樣的RM也就相應較小;6 mm 短切碳纖維濕法修復試樣(6#、7#)的M和RM均高于3 mm短切碳纖維濕法修復試樣,這是因為短切碳纖維較長,與樹脂混合后會產生更多的交聯纏繞,界面結合力越強,濕法修復試樣的強度也就越高;采用6 mm短切碳纖維濕法修復時,隨著短切纖維含量的增加,修復試樣的RM呈現先上升后下降的趨勢,纖維質量分數為3%(7#試樣)的修復試樣的RM最高,達93%,接近完好試樣,這是因為短切碳纖維含量過高會使短切碳纖維過于致密,樹脂無法完全浸潤,RM相應降低,短切碳纖維含量過低會使修復結構碳纖維支撐強度較弱,修復試樣的RM也較低;碳纖維平紋布濕法修復試樣(9#)的RM為76%,略低于7#試樣,這是因為碳纖維平紋布是一個整體,修復固化過程中不會產生塌陷,導致與損傷部位的結合不夠緊密,強度稍低。

表2 不同纖維濕法修復試樣的M與RM

2.4 壓縮剛度

壓縮剛度是反應試樣抵抗變形能力的數值,在工程中有著較大的參考價值[17]。由表3可以看出:缺陷試樣(2#)的RK僅8%,說明缺陷試樣抵抗外力下的變形能力出現了較大下降;采用3 mm 短切碳纖維濕法修復,不同纖維含量所得試樣(3#、4#、5#)的RK在62%左右波動,說明3 mm 短切纖維含量對修復試樣的RK影響不大;相比3 mm短切碳纖維,6 mm短切碳纖維濕法修復試樣(6#、7#)的RK均有所提高,這是由于短切碳纖維越短,修復部位的短切碳纖維分布越分散,導致結構呈現脆性,修復試樣的RK就越低;但6 mm短切碳纖維質量分數為5%時濕法修復試樣(8#)的RK出現急劇下降,這可能由于樹脂含量較低導致纖維與修復板材連接出現問題導致RK下降;相比之下,碳纖維平紋布濕法修復試樣(9#)的RK最高,達91%,這是因為碳纖維平紋布濕法修復固化過程中,碳纖維布是一個整體結構,碳纖維的高韌性能被完整保留了下來,對修復試樣的抵抗變形能力有著較大貢獻,所以RK較高。因此,綜合考慮修復試樣的RM和RK,采用碳纖維平紋布進行濕法修復為較佳選擇。

表3 不同纖維濕法修復試樣的K與RK

3 結論

a.3 mm短切碳纖維濕法修復試樣的RM普遍較低;6 mm短切碳纖維濕法修復試樣的RM顯著上升,但纖維含量過高時RM下降,纖維質量分數為3%時修復試樣的RM最高,達93%;碳纖維平紋布濕法修復試樣的RM為76%,略低于采用6 mm、質量分數3%短切碳纖維所得試樣。

b.采用3 mm短切碳纖維濕法修復,不同纖維含量所得試樣的RK在62%左右波動;采用6 mm、質量分數1%與3%短切碳纖維濕法修復所得試樣的RK均有所提高,為77%～79%,但短切碳纖維質量分數為5%時所得試樣的RK急劇下降至51%;采用碳纖維平紋布濕法修復,所得試樣的RK最高,達91%。

c.在軌道交通用CFRP結構損傷濕法修復過程中,綜合考慮修復試樣的RM和RK,采用碳纖維平紋布進行濕法修復為較佳修復工藝。