復合材料膠接強度探究范文

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本文研究的墊板對拉伸剪切強度的影響的試樣制作過程是：（1）用玻璃鋼專用制機切割底材和墊板，加工時注意加載方向和纖維方向一致；（2）用酒精清洗并烘干結構結構膠粘接底材和墊板的粗糙面（真空輔助成型過程與脫模布接觸面）；（3）標記粘接區域；（4）配制結構膠黏劑；（5）涂覆膠黏劑并粘接；（6）后固化處理。加墊板試樣按圖1粘接，未加墊板試樣即不需要粘接墊板。研究表面處理對拉伸剪切強度影響時，試樣制作第2步不同，用砂紙打磨底材和墊板的光滑面（真空輔助成型和模具接觸表面），然后用酒精清洗并烘干。使用電子萬能試驗機（三思UTM5105型）進行試驗，通過位移控制加載，加載速率為5mm/min。每個條件下測試7個試樣。使用光學顯微鏡觀察斷口形貌。拉伸剪切強度τ由下式進行計算：τ=Fm（/B×L）（1）其中：τ為拉伸剪切強度；Fm為失效時最大載荷；B和L分別為結構膠黏劑粘接區域寬度和長度。

測試方法對剪切強度的影響

圖2為加墊板和未加墊板單搭接試樣拉伸剪切試驗結果圖。從圖中可以看出，加墊板試樣的拉伸剪切強度大于未加墊板試樣的拉伸剪切強度。這主要是由于拉伸試驗機的兩個夾具是在一條直線上，對于未加墊板試樣因其幾何形狀偏心導致在拉伸過程中受到一彎矩的作用，導致剝離應力（即沿膠層厚度方向的拉伸應力）增大，因此在剝離應力耦合作用下，未加墊板試樣的拉伸剪切強度較低。加墊板的試樣形成了幾何反對稱結構，消除了附加彎矩的作用，大大降低了搭接中的剝離應力，因此提高了拉伸剪切強度。

膠層厚度對剪切強度的影響

圖3為膠層厚度對三種體系結構膠黏劑拉伸強度的影響。從圖中可以看出，結構膠拉伸剪切強度隨著結構膠黏劑厚度而減小。Volkersen[8]發現當在使用適當尺寸和相同被粘物條件下，對搭接接頭膠層內應力集中系數可以用下式來表示：△GL2/Etd。式中，△為應力集中系數；G為結構膠黏劑剪切模量；L為接頭搭接長度；E為被粘接物彈性模量；t為被粘接物厚度；d為結構膠黏劑厚度。從式中可以看出，增加結構膠黏劑厚度可降低應力集中程度。應力集中程度減小，粘接強度應該比較大，但是試驗結果卻相反，這主要是由粘接缺陷引起的，當結構膠黏劑厚度較大時，粘接時不易控制，導致結構膠層內的氣泡等缺陷較多，據報道膠層內部缺陷隨結構膠黏劑厚度增大呈指數關系迅速增加[9]，在受到外應力作用下，缺陷周圍存在局部應力集中，因此在較小的外應力的作用下缺陷周圍率先失效，隨著外應力的逐漸增大失效連成一片導致試樣最終失效。此外，結構膠黏劑越厚由溫度變化而引起接頭內應力也越大，結構膠黏劑在固化時產生的收縮應力也越大，內應力的存在也造成膠接接頭強度的損失。而當膠層較薄時膠層內部缺陷較少，內應力小，收縮應力小，因此粘接強度高。

底材表面處理對剪切強度的影響

圖4為底材表面處理和拉伸剪切強度的關系圖。從圖中可以看出，未打磨試樣的拉伸剪切強度高，經打磨表面有裸露纖維的試樣強度較低，約為未打磨試樣拉伸剪切強度的三分之一。

圖5為不同結構膠黏劑厚度拉伸剪切試樣試驗失效后的宏觀斷口圖。從圖中可以看出試樣為剪切破壞模式。結構膠黏劑厚度為0.5mm試樣的破壞模式是以內聚破壞為主的混合破壞，還包括一部分界面破壞，而且在顯微鏡下界面破壞處可觀察到膠黏劑的殘跡。其他0.5mm試樣均為此破壞模式，沒有發現完全內聚破壞，這和以前研究結果相似，以前研究結果表明完全為膠黏劑膠層內聚破壞也不多[10]。而1mm和3mm試樣，破壞均為界面破壞，而且界面比較干凈，沒有膠黏劑的殘跡。此外，從圖5中可以看到1mm和3mm試樣中存在粘接缺陷。因此膠層厚度為0.5mm時，拉伸剪切強度值較高。因此在實際應用中應選用較薄的膠層厚度，以避免完全界面破壞，獲得較好的膠接強度。圖6為底材表面處理前后拉伸剪切試樣試驗失效后的宏觀斷口圖。從圖中可以看出表面處理后試樣斷口上有纖維絲存在。這主要是由于結構膠黏劑黏度較大，不能滲透纖維引起的。因此表面處理后試樣的拉伸剪切強度值很小。這個結果說明由于制造過程引起的超差需要打磨試樣或者修補過程中打磨試樣使部分纖維裸露，這時就不能直接清洗后涂覆結構膠黏劑，而是要先浸漬樹脂或者表面手糊一層布再涂覆結構膠黏劑。

加墊板能防止試驗過程中由于加載偏心引起剝離應力，測試結果較大。結構膠黏劑的厚度對拉伸剪切強度影響明顯，隨著厚度的增大而減小；斷口形貌表明，結構膠黏劑厚度較小時以內聚/界面混合破壞為主，隨著厚度的增加破壞模式轉變為界面破壞。表面處理對結構膠黏劑拉伸剪切強度影響十分明顯，經打磨表面裸露出纖維試樣的試樣拉伸剪切強度很低。這主要是由于結構膠黏劑黏度較大不能滲透纖維引起的。（本文作者：嚴科飛、萬家軍、任偉華、李婕、魏玉通單位：中國航天科工集團第六研究院、內蒙古金崗重工有限公司）