复合材料连接件热带海洋大气环境影响效应研究★

邱森宝 ，何利蓉 ，张少锋，张博，王春辉

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 510610；3.广东省工业机器人可靠性工程实验室，广东 广州 510610）

0 引言

复合材料螺栓连接结构以其承载能力强、抗疲劳性能优异和可重复拆卸等优势，在机体结构如机翼、平尾和垂尾等部位有广泛的应用，逐渐地由次承力结构向主承力结构转变。飞机在寿命期内可能会遇到各种严酷气候环境如高原环境、寒冷环境、沙漠环境和热带海洋大气环境等，尤其是在热带海洋大气环境中服役的飞机，由于高温、高湿、高盐雾沉降率和强太阳辐射等环境因素的综合影响，对机体结构的环境适应性设计提出了更高的要求。目前，针对复合材料连接结构的环境适应性，国内学者开展了大量的研究工作，研究以实验室环境试验为主[1-3]，自然环境试验主要以材料级产品为主[4-8]，连接件自然环境试验工作开展得较少。为了研究螺栓连接复合材料结构的热带海洋大气环境适应性能力，选用铝合金螺接复合材料连接件为试验对象，开展户外大气自然环境试验工作，分析其环境影响效应。该工作可进一步地丰富复合材料连接结构在热带海洋大气环境下的环境效应数据，为复合材料连接结构的耐海洋环境特性设计提供了参考。

1 试验部分

1.1 试验样件

本研究选取铝合金螺栓连接复合材料连接件为研究对象，试样照片如图1 所示。复合材料层合板原材料为碳纤维双马树脂预浸料（T700/5428），经固化后形成复合材料层合板，单层厚度为0.12 mm，试板共铺设24 层，铺层顺序为[+45/0/-45/90] 3 s；紧固件材料及表面处理情况为：LY8 铝合金螺栓，无色阳极化；7075 铝合金螺母，黄色阳极化。

图1 试验用单钉铝合金螺栓连接件

1.2 试验方法

1.2.1 户外大气自然环境试验

为了快速地评价复合材料连接件的海洋环境适应性能力，选取具备“高温、高湿、高盐雾沉降率和强太阳辐射”的热带海洋大气环境特征的西沙试验站开展自然环境试验工作。为了模拟直接暴露于大气环境的复合材料螺接件在热带海洋大气环境下的环境效应，采用户外大气自然环境试验开展试验工作，试验依据GJB 8893.2-2017 开展。复合材料连接件外场自然暴露试验投试情况如图2 所示。

图2 单钉铝合金螺栓连接件户外大气自然环境试验

1.2.2 宏微观形貌及成分表征

形貌观察主要分为宏观和微观形貌观察，其中，宏观形貌观察主要利用照相机完成，微观形貌观察采用电子扫描显微镜，成分分析主要通过扫描电镜中的能谱仪分析。

1.2.3 挤压试验

复合材料螺栓连接件试验参考HB 7070-94 《纤维增强塑料层合板挤压强度试验方法》 进行，万能力学试验机型号为MTS 810-100 kN，加载速度为2 mm/min，为了保护复合材料，在试样加持端表面粘贴加强片，加强片可以实现载荷传递。

2 试验结果

2.1 外观观察

复合材料连接结构的腐蚀薄弱环节一般集中在连接区域，观察铝合金螺接件螺栓周边区域在不同暴露时间下的宏观形貌如图3 所示。从图3中可以看出，螺栓在户外暴露3 个月后，螺栓与复合材料层合板接触区域发生了轻微腐蚀；随着暴露时间的延长，接触区域的腐蚀逐渐地加重，试验至24 个月时，接触区域有大量的白色絮状腐蚀产物产生。

图3 复合材料连接件螺栓在户外暴露不同时间下的腐蚀形貌

复合材料连接件螺母部分随户外暴露时间的延长其腐蚀形貌变化情况如图4 所示，从图4中可以看出，户外暴露9 个月后，螺母表面已发生明显的变色，由初始的金黄色变为银白色，同时在螺母与复合材料接触区域，发生明显的腐蚀。随着试验时间的延长，螺母表面腐蚀进一步地加重，试验至24 个月时，螺母表面发生完全腐蚀。

图4 复合材料连接件螺母在户外暴露不同时间下的腐蚀形貌

对连接件复合材料层合板表面的老化形貌进行观察，不同暴露时间下的老化形貌如图5 所示，从图5中可以看出，复合材料层合板经户外暴露后，首先是表面变色，随着暴露时间的延长，复合材料变色逐渐地加重。试验至24 个月时，除了样品表面发生变色外，部分纤维从基体中剥离，表面出现大量裸露的纤维。

图5 连接件复合材料层板表面在户外暴露不同时间下的老化形貌

2.2 腐蚀/老化行为表征

为了进一步地表征户外暴露24 个月的螺母的表面腐蚀情况，对螺母表面进行SEM 观察和EDS分析，分析结果如图6 所示。螺母SEM 观察区域如图6a 所示，从图6a中可以看出，螺母表面腐蚀严重；进一步对其放大至图6b，从图6b中可以看出，螺母表面不平整，有层状剥落现象产生。对剥落区域进行EDS 分析，分析结果如图6c 所示。从图6c中可以看出，腐蚀区域主要的元素包括Al、O、Mg、C、Na、Cl 等，从各个元素所占的质量百分比情况可见，C、O、Al 3 种元素占比较大，其他元素含量较低，其中Na 和Cl 元素占比较低。

图6 单钉铝合金螺栓连接件螺母腐蚀区域SEM 和EDS 分析结果

2.3 力学试验结果

从以上分析结果中可知，户外大气自然环境试验对复合材料连接件的表面形貌影响较大，如紧固件腐蚀严重、复合材料层板表面老化等，上述变化对复合材料连接件的承载能力的影响作用需要进一步地研究分析。为了分析研究这一变化对复合材料连接件的影响作用，对户外大气自然环境试验前后的连接件的挤压强度进行测试，位移-载荷曲线如图7 所示。从图7中可以看出，试验前后连接件的位移-载荷曲线变化趋势基本一致，其承载极限无明显的变化。

图7 单钉铝合金螺栓连接件自然暴露前后挤压位移-载荷曲线

对挤压试验后的样件的断口进行分析，其宏观断口如图8 所示。从图8a 和8b 的对比中可以看出，自然暴露试验前后，连接件的断裂方式一致，均为螺栓的剪切破坏引起的，钉孔尺寸无明显的变化，表明复合材料层板的抗挤压强度高。另外，从图8b中可以看出，螺母与复合材料层合板接触面的表面阳极氧化层颜色与初始状态基本一致，接触面未发生明显的腐蚀。

图8 单钉铝合金螺栓连接件自然暴露前后挤压试验后的断裂形貌

3 分析及讨论

3.1 铝合金紧固件的腐蚀

复合材料连接结构由铝合金螺栓和复合材料层合板组成，由于铝合金紧固件和复合材料层板存在较大的电位差，同时暴露场内的湿度较大，并且空气中Cl-含量较高，存在腐蚀介质，因此可以形成电偶腐蚀条件，其中碳纤维层合板为阴极，铝合金紧固件为阳极。在腐蚀介质的影响下，碳纤维表面溶解氧发生还原过程[9]，反应式为：O+H2O+4e→4OH-；铝合金发生腐蚀，表面失去电子发生溶解反应，形成氧化物或氢氧化物，其反应式可以表示为：Al→Al3++3e。因此，铝合金紧固件表面EDS分析结果显示，表面形成大量的铝氧产物。

3.2 纤维剥落问题

复合材料在户外暴露过程中，受阳光、温度和湿度等环境因素的综合作用，暴露场位于北纬16°52′，距离赤道较近，其太阳辐射能量高，光照中的红外部分对复合材料表面起温升效应，导致材料表面温度升高，在阳光直射条件下，当环境温度为35 ℃时，复合材料表面的温度可以达到85 ℃，该温度可加速复合材料表面基体的热氧老化过程；阳光中的紫外线对基体树脂的影响较大，光照可使复合材料中的基体发生光化学反应，导致基体树脂高分子链段发生断裂，小分子链段流失导致复合材料表面基体包覆纤维的能力明显地降低，导致纤维发生剥离现象。同时暴露场内，白天由于太阳辐射的存在，样品表面处于干燥状态，晚间由于暴露场内的湿气较大，样品不断地处于干湿交替的过程中，树脂吸湿膨胀，脱湿收缩，复合材料界面在干湿交替的过程中，其界面应力不断地发生变化，当其低于界面结合强度时，纤维即发生脱粘。

3.3 力学性能分析

复合材料连接结构的强度和失效主要受到复合材料内部损伤累积、紧固件强度和载荷的影响，有7 种失效模式，包括层合板的拉伸、剪切、挤压、拉劈、拉脱破坏、紧固件的剪切和弯曲破坏[10-11]。连接结构发生何种失效模式，主要取决于紧固件螺栓的剪切强度与层合板的各种强度之间的比较，当螺栓剪切强度低于复合材料层板的强度时，结构发生剪切破坏；当紧固件剪切强度高于复合材料层板的强度时，发生复合材料层合板破坏。本试验中复合材料连接结构在热带海洋大气自然环境暴露前后，承载能力无明显的变化，其失效模式均为紧固件的剪切破坏。表明复合材料连接结构的紧固件表面发生严重的腐蚀，层合板表面发生纤维剥落，但是这种损伤主要为表面损伤，螺栓和层合板内部并为产生损伤，因此对其力学性能影响较小。

4 结束语

为了评价铝合金螺接复合材料连接件的海洋环境适应性水平，选取典型的铝合金螺接复合材料连接件开展热带海洋户外大气自然环境试验，收集其环境效应数据并分析其成因。结论如下：

1）具有高温、高湿和高盐雾沉降率和强太阳辐射的热带海洋大气环境可快速地评价铝合金螺接复合材料连接件的腐蚀薄弱环节，户外暴露3 个月后，螺栓表面即出现轻微腐蚀；

2）铝合金螺接复合材料连接件经户外暴露2年后，铝合金紧固件发射严重的腐蚀，复合材料层合板表面光泽发生明显的变化，并伴有大量的纤维剥落现象；

3）自然环境试验前后，复合材料连接件的力学性能变化不明显，其破坏模式均为铝合金螺栓的剪切破坏。