体育器械用复合材料的界面粘结性能研究

屈 涛

（西北大学 现代学院，陕西 西安710130）

前言

碳纤维增强复合材料由于具有质量轻、强度高和柔软可加工等特性而被广泛应用于体育器械、纺织和化工等领域[1]，且随着体育器械等行业对新材料性能要求的日益提高，应用于体育器械的碳纤维增强复合材料/钢的粘结性能成为衡量其使用性能的重要指标[2]。通常情况下，碳纤维增强复合材料/钢的粘结主要由能将同种或两种或两种以上同质或异质的制件（或材料）连接在一起，固化后具有足够强度的有机或无机的、天然或合成的胶粘剂来完成，而二者的界面粘结性能一直是使用过程中的薄弱环节[3]，尤其是在气候变化或者温度变化条件下，不同类型粘结剂制成的碳纤维增强复合板/钢界面的粘结性能会呈现出不同的差异[4]，而温度交变对碳纤维增强复合板/钢界面的粘结性能的影响方面的报道较少[5～7]。因此，本文选取线性胶粘剂和非线性胶粘剂对碳纤维增强复合板/钢进行了粘结处理，对比分析了两种胶粘剂和温度交变次数对碳纤维增强复合板/钢界面粘结性能的影响，结果将有助于明确温度交变环境下碳纤维增强复合板/钢界面粘结剂的选取及弄清楚其对粘结性能的影响。

1 材料与方法

以拉挤型碳纤维增强体复合板（宽25mm、厚1.5mm，拉伸强度1652MPa、弹性模量172GPa、断后伸长率1.0%）和薄钢板（拉伸强度400MPa、屈服强度270MPa、弹性模量2.1×105MPa、泊松比0.29、断后伸长率39.5%）为原料，以线性T1胶粘剂（弹性模量1.75GPa、拉伸强度39.8MPa、最大应变6.35%、应变能2N/mm）和非线性T2胶粘剂（弹性模量3.15GPa、拉伸强度52.92MPa、最大应变1.93%、应变能0.58N/mm）为结构胶粘剂。

将上述拉挤型碳纤维增强体复合板和薄钢板粘结成拉伸试件和短梁剪切试件。拉伸试件尺寸为25cm×25cm×1.5mm，测试标准为ASTM D3039《聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》，每组准备5个平行试样；短梁剪切试件根据ASTM D2344/D2344M-2016《聚合物基复合材料及其层压材料短梁强度的标准试验方法》进行试样制备[8]，每组准备5个平行试样。试验试件分别采用T1和T2两种胶粘剂进行胶粘，然后置于GT-TH-S-80Z型温度交变箱中进行温度交变处理，具体方案如图1，胶粘对接基体材料为钢板。

图2 拉伸试件形貌与加载装置Fig.2 The tensile specimen morphology and loading device

图2 为拉伸试件形貌与加载装置宏观形貌，试验装置为MTS-810型液压伺服万能拉伸试验机，加载速率为1.5mm/min，温度为室温；在万能拉伸试验机上进行碳纤维增强复合板/钢单面剪切试验，加载速率为0.2mm/min，通过应变采集仪记录应变变化，采集频率为2Hz。

2 结果及讨论

图3 为不同温度交变次数下碳纤维增强复合材料的室温拉伸性能。从应力-应变曲线中可见，温度交变次数为0、150、300和500时的应力应变曲线基本重合，即温度交变次数不会对碳纤维增强复合材料的应力-应变曲线造成明显影响[9]；从拉伸强度-温度交变次数曲线可见，随着温度交变次数从0增加至500时，碳纤维增强复合材料的拉伸强度呈现先减小后增大的特征，但是变化幅度较小；从弹性模量-温度交变次数变化曲线可见，温度交变次数对碳纤维增强复合材料的弹性模量影响较小，温度交变次数为150、300和500时相较于温度交变次数为0时的弹性模量都有少量减小；从最大应变-温度交变次数变化曲线可见，温度交变次数对碳纤维增强复合材料的最大应变影响较小。从不同温度交变次数下碳纤维增强复合材料的拉伸性能测试结果可知，温度交变次数对碳纤维增强复合材料的拉伸性能影响较小，即温度交变处理不会显著恶化碳纤维增强复合材料的拉伸性能。

图3 不同温度交变次数下碳纤维增强复合材料的室温拉伸性能Fig.3 The room temperature tensile properties of the carbon fiber reinforced composite under different temperature alternation times

图4 为碳纤维增强复合材料的短梁剪切强度与温度交变次数的关系曲线。

图4 碳纤维增强复合材料的短梁剪切强度与温度交变次数的关系曲线Fig.4 The relation curve between the short beam shear strength and temperature alternation times of carbon fiber reinforced composite

可见，随着温度交变次数的增加，碳纤维增强复合材料的短梁剪切强度平均值呈现先增加后减小的特征；温度交变次数为150、300和500时的短梁剪切强度平均值相较于温度交变次数为0时的比值分别为1.08、1.02和1，可见，温度交变次数对碳纤维增强复合材料的短梁剪切强度的影响较小，且不同温度交变次数下碳纤维增强复合材料的破坏模式都表现为碳纤维复合材料与钢板界面的层间剪切破坏。

图5 为T1胶粘剂在温度交变下的室温拉伸性能。可见，随着温度交变次数从0增加至500次时，T1胶粘剂的拉伸强度变化幅度在5%以内，表明温度交变次数不会对T1粘结件的拉伸强度产生明显影响。从弹性模量-温度交变次数变化曲线可知，随着温度交变次数从0增加至500次时，T1胶粘剂的弹性模量呈现逐渐减小趋势。

图5 T1胶粘剂在不同温度交变次数下的室温拉伸性能Fig.5 The tensile properties of T1 adhesive at room temperature under different alternating temperature times

图6 T2胶粘剂在不同温度交变次数下的室温拉伸性能Fig.6 The tensile properties of T2 adhesive at room temperature under alternating temperature times

图6 为T2胶粘剂在不同温度交变次数下的室温拉伸性能。可见，随着温度交变次数从0增加至500次时，T2胶粘剂的拉伸强度呈现逐渐降低的趋势。从弹性模量-温度交变次数变化曲线可知，随着温度交变次数从0增加至500次时，T1胶粘剂的弹性模量变化幅度在5%以内，即温度交变次数不会对T2胶粘剂的弹性模量造成明显影响。

结合图5和图6两种胶粘剂在不同温度交变次数下的拉伸性能测试结果可知，线性T1胶粘剂和非线性T2胶粘剂在不同温度交变次数下的拉伸性能变化趋势明显不同。其中，温度交变次数对线性T1胶粘剂的拉伸强度影响较小，而对应的弹性模量会随着温度交变次数增加而逐渐减小（500次时下降了约9%）；温度交变次数增加会降低非线性T2胶粘剂的拉伸强度（500次时降低了约16%），而对应的弹性模量不会随着温度交变次数增加而发生明显变化。

图7 为不同温度交变次数下胶粘剂试件的界面破坏形态。对于不同温度交变次数下的T1胶粘剂试件，温度交变次数对整体试件的极限承载力的影响较小，界面破坏模式也基本相同，都表现为加载端碳纤维增强复合板层间剪切破坏[9～11]，而自由端界面脱粘程度较小的特征，未出现胶粘剂与钢界面脱粘的断裂方式[12]。对于不同温度交变次数下的T2胶粘剂试件，温度交变次数对整体试件的极限承载力有一定影响（500次时约降低9%），界面破坏模式也呈现出不同特征，如温度交变次数为150、300和500次时，粘结位置出现了碳纤维增强复合板的层间剪切破坏，且夹头位置的碳纤维增强复合板也出现了断裂，而其它试件则出现了非粘结区域的碳纤维增强复合板断裂破坏。

图7 不同温度交变次数下胶粘剂试件的界面破坏形态Fig.7 The interface failure mode of adhesive specimen under different temperature alternation times

3 结论

（1）温度交变次数对碳纤维增强复合材料的拉伸性能影响较小，即温度交变处理不会显著恶化碳纤维增强复合材料的拉伸性能。

（2）温度交变次数对碳纤维增强复合材料的短梁剪切强度的影响较小，且不同温度交变次数下碳纤维增强复合材料的破坏模式都主要表现为碳纤维复合材料与钢板界面的层间剪切破坏。

（3）随着温度交变次数从0增加至500次时，温度交变次数不会对T1粘结件的拉伸强度产生明显影响，T1胶粘剂的弹性模量呈现逐渐减小趋势；随着温度交变次数从0增加至500次时，T2胶粘剂的拉伸强度呈现逐渐降低的趋势，温度交变次数不会对T2胶粘剂的弹性模量造成明显影响。