阶梯式胶接连接复合材料连接效率评价*

杜 宇，杨 涛，牛雪娟，刘诗琪

(1.天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 300387；2.天津工业大学 机械工程学院，天津 300387)

0 引言

复合材料具有比强度、比刚度高、疲劳性能好和耐腐蚀等优异性能，已成为航空航天结构中的基本材料[1-3]。大部分结构中需要多个部件进行接头连接，而胶接具有应力分布均匀、耐腐蚀性能好和工艺简便的优点，已成为航天工艺中不可缺少的一种连接工艺技术[4]。胶接分为单搭接、双搭接、斜面形搭接和阶梯形搭接等连接方式。斜面形和阶梯形连接可降低结合面的剥离应力的产生，胶接结合面较好，并具有很好的工艺特性，通过调整接头的工艺结构参数，获得较高的胶接连接效率。

对于斜接式和阶梯式胶接接头的力学性能，国内外学者进行了理论和实验研究。在早期，Hart-Smith[5]采用基于连续介质损伤行为的力学分析方法，建立了斜面形和阶梯形胶接接头的数学模型，对接头内部应力分布进行了数值模拟。Renton 等[6]运用高阶理论模型分析了阶梯式胶接接头，胶层的最大剪应力出现在距离胶接端部一定距离的位置，其分析结果比传统分析方法更加贴近实际。Yang等[7]采用层合板理论，对层合板搭接接头的层间应力分布进行了数值分析。Charalambides等[8]运用实验方法分析了温度等外部条件下对斜切式胶接接头静力及疲劳性能的影响。Kim等[9]制备了炭纤维层合板阶梯形胶接接头，并进行了拉伸和疲劳实验，分析了搭接长度、搭接个数和阶梯斜角对拉伸和疲劳强度的影响。

近年来，Ichikawa等[10]通过对拉伸载荷作用下的阶梯形胶接接头建立三维有限元模型，分析了胶层内的应力分布与胶层模量、胶层厚度以及阶梯数量的影响。Beylergil等[11]通过试验和数值分析，研究了玻璃纤维层合板阶梯形胶接接头在有无外加补片情况下的屈曲和压缩破坏，验证了外加补片可提高承载能力的作用，其试验结果与数值分析结果一致，屈曲载荷随着阶梯搭接长度的增加而缓慢增长。Salih Akpinar[12]研究了不同阶梯数量的铝合金阶梯形胶接接头和两种不同的胶粘剂对其拉伸强度和破坏模式的影响，并运用有限元的分析方法，模拟了沿界面长度及宽度方面的剪应力和剥离应力的分布情况。乔玉等[13]运用有限元的方法建立了双阶梯形胶接接头的三维有限元模型，进行了拉伸渐进损伤分析，讨论了搭接长度、外加补片的搭接长度及厚度对其拉伸强度的影响。阶梯式和斜接式胶接连接复合材料的连接效率主要影响因素有铺层角度、挖补斜度、搭接长度和胶粘剂等。课题组前期已经进行了斜接式胶接连接复合材料的力学性能研究[14]，而本文主要以阶梯式胶接连接复合材料层合板为研究对象，重点讨论铺层角度和搭接长度对胶接后试件拉伸强度和弯曲强度的影响，对胶接试件的连接效率进行评价。

1 试验

1.1 试件制备

试件采用SK化工(青岛)有限公司的TR50单向炭纤维预浸料制备，密度为1.77 g/cm3。层合板为16层铺设，单层厚度为0.012 5 cm。层合板采用模具热压成型的方法，在全自动热压、冷却成型机上进行，具体操作是温度设定为100 ℃加热1.5 h和135 ℃加热3 h，压力为0.5 MPa。粘接面用#400砂纸打磨，再用丙酮清洗干净，Araldite@2015胶粘剂粘接，在0.3 MPa的压力下，常温固化24 h。阶梯式胶接连接复合材料层合板的结构示意图如图1所示。

对于阶梯形胶接连接复合材料层合板，炭纤维层合板采用[0/90]4S和[±45]4S铺层顺序，考虑四种搭接长度，分别为20、30、40、50 mm。详细的试件编号见表1，每种类型试件均有4个测试试件。

1.2 试验条件及测试方法

拉伸试件的尺寸(长×宽×厚)为250 mm×25 mm×2 mm (ASTM D 3039)，试件两端粘贴50 mm×25 mm×2 mm的铝制加强片。

弯曲试验跨厚比选用32∶1，故弯曲试件的尺寸(长×宽×厚)为100 mm×12.5 mm×2 mm (ASTM D 790M)。

图1 试件结构图

试件编号铺层试验搭接长度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拉伸拉伸连续铺层试件BX-P-20[0/90]4S弯曲20BX-P-30[0/90]4S弯曲30BX-P-40[0/90]4S弯曲40BX-P-50[0/90]4S弯曲50BY-P-20[±45]4S弯曲20BY-P-30[±45]4S弯曲30BY-P-40[±45]4S弯曲40BY-P-50[±45]4S弯曲50BXBY[0/90]4S[±45]4S弯曲弯曲连续铺层试件

拉伸和弯曲实验均在日本岛津的AG-50KNE型万能试验机上进行。采用位移单向控制，实验在室温准静态拉伸载荷下进行，加载速率2 mm/min。胶接试件的连接效率定义为胶接试件强度与连续铺层试件强度的比值。

2 试验结果与讨论论

2.1 拉伸试验

图2为[0/90]4S和[±45]4S铺层试件，四种搭接长度以及连续铺层试件拉伸载荷-位移曲线。从图2可看出，随着搭接长度的增加，试件的最大拉伸载荷也随之增加。与连续铺层试件相比，不同搭接长度的胶接试件的初始刚度并未发生明显变化，近似相等。两种铺层角度的试件，超过弹性变形阶段达到最大载荷值后，试件无法再进入塑性变形阶段，就立即失效。

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

(b)[±45]4S lay-up

表2为[0/90]4S和[±45]4S铺层试件，四种搭接长度及连续铺层试件的拉伸极限载荷和强度值。拉伸强度随着搭接长度的增加而增大，与连续铺层试件强度相差较大。两种铺层角度的试件，随着搭接长度的增加，剪切应力逐渐减小，拉伸强度的增长率也逐渐减小。两种铺层试件的拉伸强度最大连接效率分别为23.5%和37.2%，搭接长度超过40 mm后，连接效率并未出现显著的增加。而斜接式胶接最大连接效率为70.6%和71.4%[14]，斜接式胶接试件传递载荷的纤维层数多于阶梯式。因此，阶梯式胶接试件拉伸强度连接效率明显低于斜接式胶接试件连接效率。

表2 不同铺层角度和搭接长度试件拉伸试验结果

图3和图4分别为[0/90]4S和[±45]4S铺层试件，四种搭接长度的试件拉伸实验破坏形貌。可见，[0/90]4S铺层试件，各个搭接长度的试件主要表现为分层失效。[±45]4S铺层试件，当搭接长度为20 mm时，胶层间剥离应力和剪切应力相对较大，主要表现为胶层失效和分层失效。随着搭接长度的增加，剥离应力和剪切应力同时存在，但剥离应力相对于剪切应力是减小的，胶接区域出现大面积纤维撕裂，且撕裂方向为±45°方向，破坏形貌主要表现为分层失效和纤维撕裂现象。

(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 弯曲试验

图5为[0/90]4S和[±45]4S铺层试件，四种搭接长度以及连续铺层试件弯曲载荷-位移曲线。可见，随着搭接长度的增加，试件的最大弯曲载荷也随之增加。对于[0/90]4S铺层试件，当搭接长度大于20 mm后，胶接试件与连续铺层试件的初始刚度近似相等；对于[±45]4S铺层试件，四种搭接长度的胶接试件与连续铺层试件的初始刚度并未发生明显变化。

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

(a)[±45]4S lay-up

表3为[0/90]4S和[±45]4S铺层试件，四种搭接长度及连续铺层试件的弯曲强度值。两种铺层角度的试件，弯曲强度随着搭接长度的增加而增大；当搭接长度大于40 mm后，弯曲强度发生了显著增大。两种铺层试件的弯曲强度最大连接效率分别为34.7%和106.0%。对于[0/90]4S铺层试件，弯曲强度连接效率未超过100%；对于[±45]4S铺层试件，当搭接长度为50 mm时，弯曲强度连接效率超过100%，即胶接试件的弯曲性能优于连续铺层试件的弯曲性能。斜接式胶接连接复合材料上述两种铺层角度的试件最大连接效率分别为82.1%和119.6%[14]，斜接式胶接试件的层间强度高于阶梯式。因此，阶梯式胶接试件弯曲强度连接效率仍低于斜接式胶接试件连接效率。

图6和图7分别为[0/90]4S和[±45]4S铺层试件，四种搭接长度的试件弯曲实验破坏形貌。当搭接长度为20、30 mm时，两种铺层角度的试件在胶接处断开，在胶接面处发生胶层失效和纤维撕裂现象。当搭接长度为40、50 mm时，由于胶接面积增大，达到最大强度后，完全进入塑性变形区，试件不会从胶接处完全断开，胶接部分发生明显的分层现象。搭接长度越长，胶层越不容易断开。

表3 不同铺层角度和搭接长度试件弯曲试验结果

(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 结论

(1)通过对阶梯式胶接连接复合材料试件进行拉伸和弯曲试验证明，对于[0/90]4S铺层试件，最大拉伸强度连接效率为23.5%，最大弯曲强度连接效率为34.7%。对于[±45]4S铺层试件，最大拉伸强度连接效率为37.2%，最大弯曲强度连接效率为106.0%，当搭接长度超过50 mm时，胶接试件弯曲强度超过连续铺层试件弯曲强度。

(2)通过对不同铺层角度和搭接长度的胶接试件的拉伸和弯曲破坏形貌上看，拉伸试件的失效形式主要为分层失效和纤维撕裂。当搭接长度较小时，弯曲试件容易在胶接处断开，并出现胶层失效和纤维撕裂，随着搭接长度的增加，弯曲试件不会从胶接处完全断开，胶接部分发生明显的分层现象。

(3)搭接长度对试件的刚度影响较小，强度影响较大，随着搭接长度的增加，连接效率逐渐增大。[±45]4S铺层试件连接效率优于[0/90]4S铺层试件连接效率。斜接式胶接连接效率高于阶梯式胶接连接效率。

(4)由于复合材料构件实际铺层结构多为0、90、±45组合铺层，课题组后期还需对斜接式和阶梯式胶接连接组合铺层试件的连接效率进行评价。