CFRP/钢复合结构的II型断裂性能研究

胡夏普，王斌华

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安710064）

0 引言

碳纤维增强复合材料具有比强度、比模量高，耐疲劳和耐腐蚀等优良的物理和化学性能[1]，已广泛用于众多领域。碳纤维增强复合材料加固钢结构可以实现载荷大面积传递，相对于金属结构的传统加固方法，例如焊接、铆接或螺栓连接等，不会产生焊接残余应力、增重严重和应力集中等新问题。因此，碳纤维复合材料用于加固钢结构具有显著特点和优势。近年来，有大量人员对碳纤维加固技术进行了深入研究，包括增强机理、失效模式和影响参数等方面，为碳纤维复合材料用于实际工程提供了指导。已有的研究表明对CFRP/金属复合结构的金属表面进行处理可增强粘接层强度[2-4]，加入短纤维可进一步增强复合结构粘接层的强度[5]。本文基于短纤维的桥联增韧机理，采用钢板表面刻槽处理，在刻槽钢板和CFRP布之间的树脂粘接层中加入kevlar短纤维和多壁碳纳米管（MWCNT），kevlar短纤维的自由端可以随机嵌入到金属表面的槽中和CFRP布表面缝隙中，使CFRP/树脂粘接层界面、金属基质/树脂粘接层界面和树脂粘接层三者的强度协调增强；多壁碳纳米管可以改性环氧树脂粘接剂，并且可以进入到槽底部进一步增强CFRP/树脂粘接层的强度，通过两种短纤维的共同作用来提高CFRP/钢复合结构的粘接层强度。

1 试验研究

本试验选用的钢基为Q235普通碳素结构钢（A3），截面尺寸为（25 × 3）mm2，长度为 150 mm，碳纤维布采用天力信牌碳纤维布，其材料性能如表1所示。树脂选用凤凰牌环氧树脂型号为WSR618（E-51），固化剂为T-31，树脂和固化剂按照质量比4∶1混合使用。粘接前制作好长度为6 mm密度为30 g/m2的kevlar薄膜，钢板用丙酮超声波清洗30 min，并使用微型铣床在钢板表面铣出间距2 mm深度为0.3 mm的槽。用质量分数为3%的丙酮树脂溶液预浸钢板和kevlar薄膜，并在钢板表面刷涂1%的CNT溶液，待丙酮挥发后完成粘接，其结构示意图如图1所示，然后在0.6 MPa压力下固化24 h，固化完成后用锯床将试件切割成设计参数[6-7]（表2）。根据GBT 232-2010，采用三点弯试验（见图2）对试样强度进行研究，支撑跨度为 100 mm，具体支撑方式见图3。使用万能拉压试验机进行试验，该设备最大试验力为100 kN，加载速度为1 mm/min。

表1 碳纤维布力学性能

表2 E N F试样设计参数

图1 E N F试件结构示意图

图2 三点弯曲试验

图3 E N F试件支撑加载简图

2 试验结果与分析

本试验分别制备了刻槽/kevlar和刻槽/kevlar/CNT两种界面的ENF试件各4个，其载荷-位移曲线如图4和图5所示。从载荷-位移曲线可以看出两组粘接界面ENF试样载荷-位移曲线斜率基本保持一致说明ENF试样的刚度基本相等，既是试样抵抗弹性变形的能力基本相同。平均极限载荷和断裂能如图6和图7所示，平均失效破坏参数如表3所示，刻槽/kevlar/CNT界面平均极限载荷相比刻槽/kevlar界面提升了13.5%，断裂能提升了16%。刻槽/Kevlar/CNT界面粘接效果更好归功于两个原因：（1）由于CNT尺寸较小，在刻槽钢板表面刷涂CNT溶液可以使CNT进入钢槽底部，进入钢槽底部的CNT一端可以伸入钢槽表面凹陷处，另一端嵌入树脂粘接层中从而增加钢板和树脂层的粘接强度；（2）在剪切载荷下CNT可以使裂纹发生偏转增加断裂面积从而增加断裂能。

表3 失效破坏参数平均值

图4 刻槽+kevlar界面载荷-位移曲

图5 刻槽+kevlar+C N T界面载荷-位移曲线

图6 平均极限载荷

图7平均断裂能

图8 为ENF试件失效后断裂面图，从图中可以看出ENF试件失效后树脂大部分附着在CFRP表面，钢槽内也存在被剪断的树脂。CFRP面存在大量被掀翻的树脂，可以清晰地看到kevlar短纤维的桥联作用。

图8 断裂面形貌特征

3 结论

本文通过三点弯曲试验研究了刻槽/kevlar和刻槽/kevlar/CNT两种CFRP/钢复合结构的层间剪切断裂性能，实验结果表明刻槽/kevlar/CNT试样相对于刻槽/kevlar试样厚度基本不变，极限载荷提高了13.5%，断裂能提高了16%。kevlar短纤维的桥联增强作用可有效协调增强了粘结层、粘结层/CFRP界面和粘结层/刻槽钢界面的断裂性能，实现了CFRP/钢复合结构极值载荷和断裂能的有效提升。CNT可以进入钢槽底部增加钢板和树脂层的粘接强度，在剪切载荷下CNT可使裂纹发生偏转增加断裂能。