湿热环境下碳纤维复合材料斜面胶接件拉伸试验研究

刘淑峰，张 骞,2，程小全，李伟东，包建文

（1. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191；2. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥 230009；3.中航复合材料有限责任公司，北京 100095）

湿热环境下碳纤维复合材料斜面胶接件拉伸试验研究

刘淑峰1，张 骞1,2，程小全1，李伟东3，包建文3

（1. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191；2. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥 230009；3.中航复合材料有限责任公司，北京 100095）

测量了胶膜及其复合材料斜面胶接件在湿热环境下的力学性能，对比分析了湿热环境对胶膜及其碳纤维复合材料斜面胶接件力学性能的影响，并分析了湿热对其破坏模式的影响。研究表明，胶膜的模量和强度吸湿后分别下降23.6%和27.0%，高温下分别下降69.4%和66.9%，吸湿后高温下分别下降85.0%和89.0%；其碳纤维复合材料斜面胶接件的名义剪切强度在吸湿后、高温下和吸湿后高温下分别下降了12.6%、36.4%和78.1%。同时，该斜面胶接结构的失效模式在室温干态时胶层和胶接界面破坏都有；吸湿致使胶接界面性能下降而发生更多界面破坏；高温环境下，以胶层破坏为主；湿热同时作用下，以界面破坏为主。

碳纤维复合材料；斜面胶接；力学性能；耐湿热性能；失效模式

0 引言

随着复合材料性能与其工艺手段的不断增强，复合材料的应用越来越广泛，涉及到航空、航天、船舶、车辆等各个领域。复合材料的连接结构是飞机结构中的关键环节，其承载能力直接影响到复合材料结构的完整性和安全性，所以复合材料的连接设计分析变得尤为重要。复合材料结构服役的环境也越来越复杂，湿热效应[1～2]的存在导致结构的力学性能明显下降，尤其是对于湿热环境中复合材料胶接结构力学性能的研究显得更为重要[3]。

1970年代，Hart-Smith等[4～5]采用二维的解析法求解单面搭接、双面搭接和阶梯型搭接接头的极限载荷，得出胶接接头能承受的最大载荷取决于胶层的剪切变形能的结论。Fredrickson等[6]采用B-Spline分析方法计算了复合材料斜搭接结构在拉伸载荷下的应变场，并与云纹干涉方法进行对比，获得较好的一致性。Campilho等[7]建立了复合材料单面搭接结构有限元模型，将胶层材料等效为理想弹塑性材料，并引入内聚力破坏，准确的预测了结构强度和破坏方式。Knighta等[8]采用AF-555M胶膜和T800H/3900层合板制备单面搭接件，测试了试件吸湿后的剪切强度，结果表明结构剪切强度随着吸湿时间的增加而先快速下降，后趋于不变。Li等[9]采用不同铺层顺序的复合材料层合板进行单面搭接件的拉伸剪切试验，发现层合板胶接面为90°时，层合板不发生破坏，只有胶层破坏，而为45°和90°时，层合板发生不同程度地破坏。

Kumar等[10]研究了斜面胶搭接试样件的压缩强度和破坏失效模式与斜面角度的变化关系。Li等[9]对复合材料斜面胶接件的拉伸性能进行了试验研究，结论为当挖补角＜8.13°时，剪切强度与挖补角度成线性关系，当挖补角＞8.13°时其剪切强度近似为常数。Mortensen F等[11]在经典层合板的理论基础上对挖补修理做了理论研究，建立了一个数值分析方法研究胶黏剂的弹性与非弹性性能对胶接接头应力分布的影响。高宇剑[12]对胶层采用扩展Drucker-Prager非线性材料模型，预测了挖补修理层合板的强度，预测结果更加精确，并在此基础上提出了“挖补结构与胶粘剂相匹配”的胶接思想。

A. Zafar等[13]研究了吸湿对碳纤维和环氧树脂之间界面的影响，其研究表明吸湿的树脂发生溶胀直接导致复合材料的力学性能下降，并通过DSC试验发现树脂在吸湿后玻璃化转变温度（Tg）也有所下降。Krzysztof[14]对复合材料的热力学性能做了深入的理论研究，并把纤维的截面形状作为影响变量，分析了其对复合材料层合板的宏观热传导系数的影响，计算得到层合板在热载作用下的热传递和热分布，为研究复合材料受热载时的力学行为奠定了基础。

目前关于复合材料单面、双面和斜面胶搭接的报道较多，但涉及湿热环境下复合材料胶接结构的强度与失效模式分析较少。试验将测量不同湿热环境条件下胶膜的力学性能和复合材料斜面胶接件在拉伸载荷下的强度与破坏模式，并对比分析湿热环境对结构强度与破坏模式的影响。

图1 胶膜拉伸试件尺寸

1 试验

1.1 试验件

试验采用北京航空材料研究院提供的SY-14M胶膜，被胶接层合板选用CCF300/5228A预浸料通过热压罐工艺成型制备，其铺层顺序为[+45/02/-45/90/+45/02/-45/0]s，层合板的名义厚度为2.7 mm，被胶接的两个层合板相同。

试验分别对胶膜材料和复合材料斜面胶接件进行拉伸试验。胶膜的拉伸试件参考文献[15]设计，试件尺寸如图1所示，试件由8 层胶膜铺叠制成，厚度为1 mm。

复合材料斜面胶接件的尺寸参考文献[16]进行设计，如图2所示，其中试验件厚度为2.7 mm，宽度为25 mm，试验件总长度为180 mm，斜接角度为6°，搭接长度为25.8 mm。试件长度方向与0°方向一致。试件加工时，首先将层合板一端进行斜削（机加工），斜面角度为6°，然后采用SY-14M胶膜将斜削后复合材料层合板在斜面处进行胶接，最后将胶接后的复合材料层合板加工为25×180 mm的试验件。如图3～4分别为胶膜和复合材料斜面胶接试验件。

胶膜拉伸试验分为RTD（室温干态）、RTW（室温湿态）、ETD（高温干态）和ETW（高温湿态）4 组，每组5 个试验件，总共20 件。复合材料斜面胶接件拉伸试验也分为以上4 组，每组3件，共12 件。其中，湿态试件是在95 ℃水中浸泡60 h获得，吸湿前后称量试件质量，得到湿态试样的平均吸湿率约为0.947%；高温指测试环境为95 ℃。

图2 复合材料斜面胶接件拉伸试件尺寸

图3 胶膜试验件

图4 复合材料斜面胶接件

图5 试验机和环境箱

1.2 试验过程

从表2中可以看出，量表中3个维度的Cronbach'a系数都大于0.70，总量表的信度系数高于0.80，说明具有良好的信度。

如图5所示，胶膜拉伸试验和复合材料斜面胶接件分别在49和98 kN级的Instron液压伺服试验机配合环境试验箱里进行，试验加载速率分别为0.5和1.25 mm/min。试验过程中载荷通过机器横梁处的载荷传感器获得，变形量（位移）通过Instron引伸计测量，如图6所示。

1.3 试验数据处理

对于胶膜拉伸试验，根据载荷和变形量数据按照式⑴计算应力σ和应变ε。

式中F为载荷（N），b、h分别为试件试验段的宽度和厚度（mm），Δl为变形位移量（mm），l为引伸计的标称长度（mm），为25 mm。

对于碳纤维复合材料斜面胶接件，根据试验过程中记录得到载荷位移数据，绘制载荷-位移曲线，取最大拉伸载荷计算结构强度。假设胶层中的剪切应力和剥离正应力均匀分布，通过式⑵计算斜接结构的名义剪切强度。

式中Fult为最大载荷（N），θ为斜面角度，b和t分别为搭接宽度和试件搭接区厚度（mm）。

图6 试件和引伸计安装示意图

2 结果与分析

2.1 胶膜试验结果与分析

胶膜在4 种环境条件下的拉伸应力-应变曲线如图7所示。胶膜的拉伸力学性能如表1所示，可见胶黏剂吸湿之后，其拉伸模量下降约23.6%，强度下降约27.0%，后阶段曲线的非线性较为明显；干态试样在高温环境下的拉伸模量下降约69.4%，强度下降约66.9%；吸湿后试样在高温环境下的拉伸模量和强度下降更为显著。对比发现，胶膜在高温环境下的塑性较为明显，其断裂延伸率也相比常温下大很多。

2.2 复合材料斜面胶接件试验结果与分析

4组试验的拉伸载荷-位移曲线见图8，为了便于对比，每组试验取了一条曲线。对比RTD和 RTW两组，发现曲线初始斜率一致，而吸湿导致提前破坏。而高温干态环境下，由于高温导致胶层模量下降，塑性特征更加明显，因而斜接件的载荷位移曲线也表现出明显的塑性。对于高温湿态组，载荷位移曲线的斜率下降很明显，很早就进入塑性过程。

各组的试验结果汇总如表2所示，各组试验的离散系数都＜15%，说明试验的可靠性。对比RTD和RTW组，发现斜接结构吸湿之后破坏载荷下降约12.6%，名义剪切强度也由19.38 MPa下降至16.40 MPa；对比RTD和ETD组，发现高温环境下斜接结构的承载能力下降约31.2%，名义剪切强度下降约36.4%；对比RTD和ETW组，发现斜接结构吸湿后在高温环境下承载能力下降约77.0%，名义剪切强度下降约78.1%，可见湿热环境同时作用对结构强度影响最为严重。

图7 胶膜拉伸应力应变曲线

表1 湿热环境下胶膜拉伸力学性能

图8 复合材料斜面胶接件的拉伸载荷位移曲线

表2 复合材料斜面胶接件拉伸试验结果

图9 胶接结构破坏形貌

2.3 复合材料斜面胶接件破坏分析

对于胶接结构，其破坏模式主要分为胶层内聚力破坏、胶接界面破坏和被胶接件破坏3 种。胶层破坏时，破坏后的两面都有胶残留；而胶接界面破坏时，一面有明显的胶黏剂，一面没有胶，较为光滑。试验出现胶层和胶接界面两种破坏模式，其破坏后的断口如图9所示。对于RTD组，其破坏模式主要是胶层本身的剪切破坏和胶接端部的胶接界面破坏；RTW组也发生上述两种破坏，而对比RTD其界面破坏更多，说明吸湿对于胶接界面具有较明显的衰减作用；对于ETD组，高温环境下胶层本身性能下降较为明显，所以主要是发生胶层剪切破坏；对于ETW组，其破坏表面较为光滑，破坏模式主要是界面破坏，发生少量的胶层破坏。综上，可以发现湿热环境对复合材料斜面胶接件破坏模式的影响主要表现为3 点，①吸湿造成胶接界面强度的降低，促使界面破坏更易发生；②高温主要影响胶层材料的性能，所以更易发生胶层破坏；③吸湿和高温相互作用下，胶接界面性能衰减更加严重。

3 结论

通过试验研究了胶膜和碳纤维复合材料斜面胶接件在拉伸载荷下的力学性能，对比了在室温干态（RTD）、室温湿态（RTW）、高温干态（ETD）和高温湿态（ETW）4 种环境下胶膜和斜接件的拉伸强度和破坏模式。然后，对4 种环境下斜接件的破坏模式进行了对比分析。得到的结论主要有以下几点：

⑴ SY14-M胶膜的模量和强度吸湿后分别下降23.6%和27.0%，高温下分别下降69.4%和66.9%，吸湿后在高温下分别下降85.0%和89.0%。而且在高温下表现出明显的塑性特征。

⑵ 相比于RTD组，RTW、ETD和ETW组复合材料斜面胶接件的名义剪切强度分别下降了12.6%、36.4%和78.1%，可见在高温和吸湿同时作用时对复合材料斜面胶接件性能衰减和发生破坏最严重。

⑶ 高温时胶层模量下降，塑性特征明显，斜接结构的破坏行为也表现出明显的塑性。高温和吸湿共同作用时，结构刚度下降，很早就进入塑性过程。

⑷ 复合材料斜面胶接件的破坏模式主要为胶层和胶接界面破坏。吸湿后胶接界面性能下降导致胶接界面破坏增加；高温环境下，胶层性能下降致使胶层破坏增加；而高温和吸湿共同作用下，破坏主要为胶接界面破坏。

综上可知，湿热环境对胶接结构性能的影响不可忽视。实际应用中应选用耐湿热的胶黏剂，并采取相应的防潮措施。

[1]沈真. 复合材料飞机结构耐久性/损伤容限设计指南[M].北京: 航空工业出版社, 1995.

[2]刘淑峰, 程小全, 包建文. 湿热环境对树脂基复合材料性能影响的分析[J]. 高分子材料科学与工程, 2014, 30(9): 183-190.

[3]谢鸣九. 复合材料连接[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2011.

[4]Hart-Smith L J. Adhesive-bonded double-lap joints[R]. NASA CR-112235, 1973.

[5]Hart-Smith L J. Adhesive-bonded single-lap joints[R]. NASA CR-112236, 1973.

[6]B. M. Fredrickson, G. A. Schoeppner, D.H. Mollenhauer, A.N. Palazotto. Application of three-dimensional spline variational analysis for composite repair[J]. Composite Structures, 2008, 83: 119-130.

[7]Campilho R, De Moura M, Domingues J. Using a cohesive damage model to predict the tensile behaviour of CFRP single-strap repairs[J]. International Journal of Solids and Structures, 2008, 45(5): 1 497-1 512.

[8]Knight G A, Hou T H, Belcher M A, et al. Hygrothermal aging of composite single lap shear specimens comprised of AF-555M adhesive and T800H/3900-2 adherends[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2012, 39: 1-7.

[9]Li J, Yan Y, Zhang T, et al. Experimental study of adhesively bonded CFRP joints subjected to tensile loads[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2015, 57: 95-104.

[10]S. B. Kumar, S. Sivashanker, Asim Bag, I. Sridhar. Failure of aerospace composite scarf-joints subjected to uniaxial compression[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 412(1-2): 117-122.

[11]Mortensen F, Thomsen O T. Simplified linear and non-linear analysis of stepped and scarfed adhesive-bonded lap-joints between composite laminates[J]. Composite Structures, 1997, 38(1): 281-294.

[12]高宇剑. 拉伸载荷下挖补修理层合板损伤行为研究[D].北京: 北京航空航天大学, 2011.

[13]A. Zafar, F. Bertocco, J. Schjodt-Thomsen, J.C. Rauhe. Investigation of the long term effects of moisture on carbon fibre and epoxy matrix composites[J]. Composites Science and Technology, 2012, 72: 656-666.

[14]Krzysztof Dems, Elżbieta Radaszewska, Jan Turant. Modeling of Fiber-Reinforced Composite Material Subjected to Thermal Load[J]. Thermal Stresses, 2012, 35(7): 579-595.

[15]Sugiman S, Crocombe A D, Aschroft I A. Experimental and numerical investigation of the static response of environmentally aged adhesively bonded joints[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2013, 40: 224-237.

[16]Kumar S B, Sridhar I, Sivashanker S, et al. Tensile failure of adhesively bonded CFRP composite scarf joints[J]. Materials Science and Engineering:B, 2006, 132(1): 113-120.

Tensile performance of adhesively bonded carbon/epoxy composite scarf joints subject to hygrothermal environment

LIU Shu-feng1, ZHANG Qian1,2, CHENG Xiao-quan1, LI Wei-dong3, BAO Jian-wen3
( 1. School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191 China; 2. School of Civil engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009 China; 3. AVIC composite corporation LTD, Beijing 100095 China )

Experiments were carried out to test the tensile properties of adhesive film and adhesively bonded carbon/epoxy composite scarf joints using this adhesive film under different environment conditions. Comparisons were then made to study the hygrothermal effects on their mechanical properties. Changes of damage modes induced by hygrothermal environments were analyzed. Results showed degradations of the modulus and strength of adhesive were 23.6% and 27.0%, respectively, after water absorption; 69.4% and 66.9%, respectively, under elevated temperature; 85.0% and 89.0%, respectively, under combination of water absorption and elevated temperature. The nominal shear strength of carbon/epoxy composite scarf joints decreased 12.6%, 36.4% and 78.1%, for room temperature/wet, elevated temperature/dry and elevated temperature/wet condition respectively. Simultaneously, both adhesive and interfacial failures happened under room temperature/dry condition. After water absorption, the strength of interface between adhesive and laminate was degraded and more interfacial fracture generated. Adhesive properties decreased a lot under elevated temperature, so adhesive failure dominated. While subject to combination of elevated temperature and wet condition, interfacial fracture dominated.

carbon composite; adhesively bonded scarf joint; mechanical properties; hygrothermal properties; damage modes

V250.2; V258

A

1007-9815（2016）01-0034-06

定稿日期:2016-02-25

国家自然科学基金（11472024）

刘淑峰（1989-），男，江西吉安人，博士研究生，主要研究方向为复合材料结构设计和损伤容限分析，(电子信箱)Liufeng_9760@126.com；通讯作者：程小全，男，教授，博导，(电子信箱)xiaoquan_cheng@buaa.edu.cn。