采用電阻加熱工藝的復合材料二次膠接接頭的拉伸剪切性能

摘要：通過試驗研究了5種嵌入物對熱固性復合材料二次膠接接頭拉伸剪切性能的影響。試驗結果顯示：金屬網嵌入物須進行表面處理才能提高膠接質量；電阻加熱工藝制備的接頭拉剪強度優于熱壓罐工藝；嵌入物可提高接頭的拉伸剪切性能，碳纖維預浸料嵌入物的接頭拉伸剪切性能最好；鎳網嵌入物致密度高，對應的膠接質量優于銅網嵌入物；接頭搭接區域端部存在嚴重的應力集中；金屬網嵌入物提高了接頭拉伸剛度；嵌入物接頭呈現內聚破壞、黏附破壞、被膠接件纖維撕裂破壞、嵌入物破壞，剝離應力在破壞中起主要作用；斷面破壞模式分布區域越不規則，膠接質量越差。

關鍵詞：電阻加熱；二次膠接；復合材料；拉伸剪切性能

中圖分類號：V258

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.01.016

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Tensile-shear Property of Composite Secondary Bonding Joints with

Resistance Heating Technology

WANG Xuan1*"YAO Kaifei1"YUAN Weiqiang1"WANG Kuikui2"YU Jixuan2"ZHANG Yi3

1.College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin，300300

2.Center of Civil Aircraft Product，Research Institute for Special Structures of Aeronautical

Composites，AVIC，Jinan，250023

3.Tianjin Istar space Technology Co.，Ltd.，Tianjin，300304

Abstract： The impacts of 5 embeddings on tensile-shear properties of the secondary bonding joints were analyzed. The experimental results indicate that to improve the quality of the joints， the embedded metal mesh might undergo surface treatment. Tensile-shear strength of the joints by resistance heating technology is better than that by autoclave technology. The additions of embedded material enhanced the tensile shear properties of the joints， and the joints with prepreg embedding demonstrate the best tensile-shear strength. Nickel mesh embeddings exhibit higher densities， and have better bonding quality than that of copper mesh. End regions of the overlap joint experience severe stress concentration. Metal mesh embeddings enhance joint tensile stiffness. The joints with embeddings exhibit cohesive failure， adhesive failure， fiber tearing fracture of bonded parts and embedding failure， and the peeling stress is a major factor in failure. The more irregular distribution of failure modes is in the failure section， the poorer bonding quality is.

Key words： resistive heating; secondary bonding; composite material; tensile-shear property

0"引言

復合材料二次膠接因其工藝通用、零件定位簡單、易實施、可在結構集成的后期實施等優點［1-3］而在航空航天結構連接中得到廣泛使用。熱壓罐工藝具有罐內溫度和壓力均勻等優點，可保證膠接接頭質量穩定，因此在工程中常作為復合材料二次膠接的實施工藝，但該工藝存在固化周期長、能耗高、加熱效率低，以及構件表面存在難以避免的溫度梯度等問題［4-7］。

電阻加熱工藝是一種能耗低、效率高、操作簡單且膠接面溫度場非常均勻的二次膠接固化方法。該工藝的原理是將材料作為電阻元件嵌入膠黏劑中，利用電阻元件的焦耳熱對周圍膠黏劑進行加熱固化。該工藝已在熱塑性復合材料焊接中得到廣泛應用［8-13］，但在熱固性復合材料二次膠接中的應用研究還不充分。

ASHRAFI等［14］將碳纖維織物作為加熱源嵌入膠接面，實現接頭粘接固化，接頭力學性能與烘箱和熱壓罐固化相近。SMITH等［15］研究了真空袋加壓與機械加壓對電阻加熱膠接接頭性能的影響，發現不同加壓方式對孔隙率和拉伸性能影響不大。上述研究并未充分對比分析不同嵌入材料對接頭力學性能的影響，這限制了電阻加熱工藝在熱固性復合材料二次膠接中的應用。

熱塑性復合材料二次膠接采用銅網和鎳網［10］作為嵌入物加熱材料，因此筆者將5種導電材料（兩種不同規格的銅網、兩種不同規格的鎳網、碳纖維預浸料）作為嵌入物，采用電阻加熱工藝制備碳纖維/環氧樹脂復合材料二次膠接單搭接接頭試驗件，并開展拉剪載荷試驗，研究嵌入物表面處理、嵌入物材料對試驗件拉剪性能的影響。

1"試驗設計

1.1"試驗件材料

本文研究的復合材料二次膠接接頭由膠接件采用真空袋加壓、電熱毯加熱工藝制備。原材料為天津漢碩高新材料有限公司的T700級碳纖維/環氧樹脂單向帶預浸料，牌號為TU/SYT49S-130。鋪層方式為［90°/-45°/+45°/0°］2s，鋪層數目為16，固化后的層合板厚度為2 mm。固化工藝：先以2 ℃/min的升溫速率從室溫升溫至125 ℃并保溫120 min，再以2 ℃/min的降溫速率降至室溫，全程外加真空壓力0.1 MPa。二次膠接采用的膠黏劑為哈爾濱精鑫科技有限公司的X3117中溫固化膠膜（厚度為0.2 mm）。

實驗使用5種導電材料的電阻加熱元件。圖1a所示為銅網幾何尺寸及實物，具有長節距（long way of the diamond，LWD）、短節距（short way of the diamond，SWD）、厚度（base thickness，BT）、金屬線寬度（strand width，SW）及開孔面積（open area，OA）5個幾何特征參數。圖1b所示為鎳網幾何尺寸及實物，具有金屬絲直徑（wire diameter，WD）、網孔寬度（width of opening，WO）及厚度3個幾何特征參數。圖1c為碳纖維預浸料實物圖，預浸料嵌入物與被膠接件原材料一致，纖維方向為拉伸載荷加載方向。上述三種嵌入物的具體規格如表1～表3所示。

1.2"試驗件制備

圖2、圖3分別為電阻加熱工藝溫度控制原理圖與裝置布置圖。為將電流引入嵌入物，用銅板充當電極，再用電線連接嵌入物與電極。將溫度控制器、熱電偶、固態繼電器與直流電源相連，通過熱電偶的溫度反饋進行PID控制。電阻加熱二次膠接采用真空袋加壓，二次膠接過程中被5種材料的加熱方式相同，此處僅以銅網加熱為例來說明即將二次膠接工藝固化溫度曲線分為3個階段：第一階段為升溫階段，以2 ℃/min的升溫速率從室溫升溫至120 ℃；第二階段為保溫階段，在120 ℃保溫2 h；第三階段為降溫階段，以2 ℃/min的降溫速率冷卻至室溫。3個階段均使用真空泵施加0.1 MPa的固化壓力。圖5所示為嵌入銅網電阻加熱的固化工藝曲線，可見PID控制的膠接面處的熱電偶溫度曲線與預設溫度曲線重合度較好，證明筆者搭建的電阻加熱固化平臺能實現膠接面固化溫度的精準控制。

根據標準ASTM D5868-01設計了不同嵌入物電阻加熱固化的單搭接接頭試驗件，試驗件幾何尺寸如圖6所示。為避免在膠接固化過程中出現二次彎曲效應，在試驗件兩端粘接與固化區域尺寸相同的加強片。膠接固化前，對膠接表面進行處理，即采用180目氧化鋁砂紙沿拉伸方向打磨膠接區域，并用酒精去除膠接表面的氧化層與油污，保證膠接面無污染。膠接面表面處理后，分別采用電阻加熱工藝與熱壓罐工藝制備單搭接接頭試驗件，拉伸剪切試驗類別如表4所示，其中，C79-2試驗件主要用來考察嵌入物表面處理對拉剪強度的影響。對C79-2試驗件外的金屬網嵌入物表面進行硅烷化處理。硅烷偶聯劑成份KH550、去離子水、無水乙醇的體積比為1∶3∶6，硅烷偶聯劑的pH值為4。硅烷偶聯劑水解5 h后，先將金屬網浸泡入硅烷水解液3～5 min，再取出吹干即可在金屬網表面獲得一定厚度的硅烷預處理涂層。

1.3"試驗方法

參考標準ASTM D5868-01，在室溫下使用Instron 5982電子萬能材料試驗機測試試驗件的拉剪強度，設置拉伸速率為13mm/min，利用DIC（digital image correlation）系統測量試驗件正面和側面的應變分布，圖7所示為試驗裝置，圖8所示為噴有DIC測量專用散斑的試驗件。

2"結果與分析

2.1"嵌入物表面處理的影響

僅以嵌入銅網電阻加熱制備的二次膠接接頭試驗件來研究表面處理對接頭力學性能的影響。表面硅烷化處理的銅網實驗件C79-1、表面未作任何處理的銅網實驗件C79-2的載荷-位移曲線如圖9所示。

由圖9和表5可知，相比于經過表面處理的試驗件，未經表面處理的試驗件變異系數增大近5倍，平均破壞載荷下降近20%，甚至低于熱壓罐工藝二次膠接試驗件。可見，硅烷偶聯劑表面處理能大大提高膠接接頭的質量穩定性。金屬網嵌入物務必在固化前進行表面處理，否則膠接質量不可控、膠接強度不滿足要求。

2.2"拉剪強度

如表5所示，與熱壓罐工藝制備的試驗件相比，嵌入銅網的C79-1、C70試驗件的平均破壞載荷分別提高5.55%和9.14%；嵌入鎳網的N120、N150試驗件的平均破壞載荷分別提高43.37%與26.71%；嵌入碳纖維預浸料的Pre試驗件平均破壞載荷提高50.05%。可見，相比于熱壓罐工藝，電阻加熱工藝均提高了接頭拉剪強度。

嵌入物使膠接面加熱時的溫度均勻性大大改善，克服了熱壓罐工藝的膠接面溫度梯度問題，膠接質量提高。相較于金屬嵌入物，預浸料與膠黏劑的浸潤性最好，界面性能最好，致密度最高，電阻加熱溫度均勻性最好，因此膠接質量最好。相較于嵌入銅網的接頭，嵌入鎳網的接頭致密度更高，溫度更均勻，膠接質量更好。嵌入銅網的接頭膠接質量隨開孔率增大而減小，這是因為開孔率大時致密度低，導致溫度均勻性更差。嵌入鎳網的接頭膠接質量隨目數增大而減小，這是因為120目和150目鎳網的網孔尺寸接近孔隙大小（一般小于0.1 mm），較大目數的鎳網阻礙樹脂流動，導致揮發性氣體、夾裹在膠膜之間的氣體排出困難，對膠接質量產生不利影響。

由表6可知所有嵌入物均發生不同程度的破壞，這說明嵌入物參與接頭載荷傳遞。與熱壓罐工藝制備的試驗件相比，5種嵌入物試驗件的平均破壞載荷均增大，與表5所示結果一致，可見嵌入物的加入對接頭產生增強作用。

2.3"破壞模式

2.3.1"宏觀破壞模式

嵌入物試驗件搭接面在拉剪載荷作用下的破壞模式分別為膠層內聚破壞、黏附破壞、被膠接件纖維撕裂破壞和嵌入物破壞。表6給出了不同嵌

入物試驗件的斷面形貌，其中，黃色區域表示內聚破壞，藍色區域表示被膠接件纖維撕裂破壞，綠色區域表示黏附破壞。

由表6可知，嵌入物試驗件均有嵌入物殘留在兩側被膠接件上，即嵌入物試驗件均發生了嵌入物破壞。除C79-1試驗件外，其他試驗件都出現被膠接件纖維撕裂破壞。這種破壞模式只能由剝離破壞造成，說明剝離應力在試驗件破壞中起主要作用。C79-1試驗件斷面兩側黏附破壞的分布區域較亂，內聚破壞區域較為集中，這說明該試驗件的破壞由剝離黏附破壞和剪切內聚破壞共同主導。C70試驗件斷面出現被膠接件纖維撕裂破壞，破壞區域多而隨機，且內聚破壞區域較大，端部黏附破壞區域雜亂分布，所以斷面區域剝離應力作用顯著。N120試驗件斷面大部區域呈現內聚破壞，局部呈現被膠接件纖維撕裂破壞。N150試驗件斷面呈現內聚破壞和黏附破壞，但兩種破壞區域混雜分布。Pre試驗件的斷面中，內聚破壞和被膠接件纖維撕裂破壞分布區域較為規整。

由表6可以看出，不同破壞模式區域混雜分布，說明不同位置的黏附強度顯著不同即膠接質量較差。若破壞模式單一且區域分布均勻，則不同位置的黏附強度接近，表明膠接質量較好。因此斷面不同破壞模式分布區域越混雜，膠接質量越差。

2.3.2"斷面微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡觀察嵌入物試驗件斷面典型區域的微觀形貌，由表6可知，嵌入物試驗件在區域①的纖維均未排列整齊，纖維圖像比較模糊，膠黏劑殘留較多且雜亂無序，說明膠層內部發生內聚破壞；在C79-1、C70試驗件的區域②可看到清晰且較規則分布的纖維，膠黏劑殘留較少且零星分布，說明該區域發生黏附破壞；在N120、Pre試驗件的區域②可看到纖維發生不同程度的斷裂，說明該區域發生被膠接件纖維撕裂破壞；在N150試驗件的區域②可看到清晰的鎳網，且膠黏劑殘留很少，說明該區域發生黏附破壞。

2.4"應變分析

2.4.1"正面DIC分析

利用DIC技術在指定的時間間隔內記錄試驗件在加載過程中各個時刻的表面形貌數字圖像，對試驗件的正面應變進行分析，并選取拉剪載荷為破壞載荷75%時的應變云圖進行對比。由圖10可知，在拉剪載荷作用下，由于泊松效應的影響，試驗件在X方向上發生收縮，導致邊緣區域的應變較大，同時搭接區域端部的應變也較大，與圖11中該區域Y方向應變較大的結果相一致，表明該區域存在明顯的應力集中。圖10、圖11的分析結果表明，膠接區域的端部和兩側有較大的應變，而中間區域的應變相對較小，這表明端部和兩側存在顯著的應力集中，中間區域的應力分布相對均勻。如圖10、圖11所示，膠接區域外表面和端部之外的局部應變較大且隨機分布，這可能是試驗件制作過程中產生膠瘤等缺陷所致。

2.4.2"側面DIC分析

對不同破壞載荷下的試驗件應變云圖（圖12）進行分析。由圖12可以看出，施加的載荷越大，偏心拉伸導致的二次彎曲效應越明顯，彎曲變形越顯著；搭接區域端部X方向和Y方向的應變總體上呈現逐漸增大的趨勢，說明端部位置的剝離和剪切應力隨載荷增加而嚴重。對比圖12j、圖12b、圖12d、圖12f、圖12h可以發現，Pre試驗件Y方向的應變明顯大于其他嵌入物試驗件的相應值，這是因為預浸料嵌入物與被膠接件材料一致，兩者剛度相近，變形協調性好，而嵌入金屬網的接頭膠層剛度與被膠接件相差較大，金屬網嵌入物明顯提高了試驗件Y方向的剛度。圖12顯示，膠接區域外表面和端部之外的局部應變較大且隨機分布，這可能是試驗件制作過程中產生的膠瘤等缺陷所致。

3"結論

1）對金屬網進行硅烷表面處理能極大提高膠接接頭的質量穩定性，顯著提高膠接強度和可靠性，降低試件性能的分散性。

2）相比于熱壓罐工藝制備的試驗件，電阻加熱工藝制備的嵌入物試驗件具有更好的拉剪性能，嵌入物的加入對接頭產生增強作用，其中，碳纖維預浸料嵌入物接頭的性能最好，鎳網嵌入物接頭的性能次之，銅網嵌入物接頭的性能最差。

3）受偏心載荷產生的二次彎曲效應的影響，接頭搭接區域端部的應力集中非常顯著；金屬網嵌入物改變了膠層剛度，提高了接頭的整體拉伸剛度。

4）嵌入物接頭出現內聚破壞、黏附破壞、被膠接件纖維撕裂破壞和嵌入物破壞；剝離應力在破壞中起主要作用；斷面破壞模式分布區域越不規則，膠接質量越差。

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（編輯"張"洋）

作者簡介：

王"軒*，男，1982年生，博士研究生。研究方向為復合材料。發表論文25篇。E-mail：xuanwangaero2022@163.com。

本文引用格式：

王軒，姚凱飛，原偉強，等.采用電阻加熱工藝的復合材料二次膠接接頭的拉伸剪切性能［J］. 中國機械工程，2025，36（1）：152-159.

WANG Xuan， YAO Kaifei， "YUAN Weiqiang， et al. Tensile-shear Property of Composite Secondary Bonding Joints with Resistance Heating Technology［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（1）：152-159.

收稿日期：2024-02-15