马拉松场地器械用纤维复合材料胶接接头的性能研究*

张雪琴，江 帆，张 琼

（1.西安交通大学 城市学院，陕西 西安 710018；2.延安大学 西安创新学院，陕西 西安 710100）

引言

马拉松运动在近年来快速发展并得到了广泛关注，已成为全世界范围内的一项主流运动，各项赛事中都有马拉松运动的身影，这主要是因为马拉松运动不仅可以提升人们的各项身体素质（如忍耐力、坚持力和体力等），还可以塑造形体，已成为深受大家喜爱的运动。马拉松运动的普及给场地器械用材带来了良好发展机遇[1]，其中，碳纤维-铝合金复合胶接接头材料由于可以发挥铝合金和碳纤维各自的性能优势（兼具金属和纤维的优点）[2]，具有相较单一材料更好的力学性能而在各项马拉松运动中广泛应用。碳纤维-铝合金胶接接头通常采用环氧胶粘剂进行粘接，不仅使用方便，而且毒性小、固化工艺简单[3]，然而环氧树脂胶粘剂胶接接头器械在马拉松场地服役过程中，会受到复杂环境（腐蚀性介质环境、暴晒等）影响，在一定程度上会降低场地器械用胶接接头的力学性能，且使用性能会随着服役时间延长而退化[4]，造成寿命低于设计寿命，究其原因，这主要与马拉松场地器械中的胶接接头会在服役环境中发生老化有关[5～7]，而这方面的研究报道较少[8]，具体影响因素也不清楚。本文以6061 铝合金、热固型碳纤维单向板为基底材料，双组分环氧胶粘剂为粘结材料制备了马拉松场地器械用纤维复合材料胶接接头，分别考察了基底材料和胶粘剂的力学性能和扩散性能，并分析了胶接接头的老化行为，结果将有助于场地器械用复合材料胶接接头性能的提升及推广应用。

1 试验材料与方法

试验材料包括3M DP130 型双组分环氧胶粘剂、6061 铝合金（基底材料，接头宽度25mm）和PA6型热固型碳纤维单向板（基底材料）。

采用上述基底材料和胶粘剂制备碳纤维复合材料（CFRP）-6061 铝合金板单搭接接头试样，示意图1。搭接区域长为12.5mm、宽度25mm，胶粘剂层厚度可分为0.2mm、0.4mm 和0.6mm。在制备单搭接接头试样前，分别对碳纤维复合板和铝合金板进行打磨和清洗，胶层厚度用在胶粘剂中掺入玻璃珠来控制胶层厚度，然后置于烘箱中进行98℃/0.5h 的高温固化处理[9]，结束后取出空冷至室温。

根据ASTM E8/E8M-13a 标准对6061 铝合金板进行室温拉伸性能测试，设备为Instron-8550 液压伺服万能材料试验机，拉伸速率为2mm/min，结果为3 根试样平均值；根据GB/T 232-2010 标准对铝合金板进行室温三点弯曲试验，结果取3 组试样平均值；根据GB/T 3362-2017 标准对碳纤维复合板进行室温拉伸性能测试，设备为Instron-8550 液压伺服万能材料试验机，拉伸速率为1mm/min，结果为3 根试样平均值；根据GB/T 3356-2014 标准对铝合金板进行室温三点弯曲试验，结果取3 组试样平均值；采用测重法测试胶粘剂的吸湿量，溶液为10%NaCl 溶液，温度为25℃和50℃，并用Levenberg-Marquardt 算法计算扩散系数[10]；胶接接头试样在UTM 5105 型万能试验机上进行拉伸实验，拉伸速率为1mm/min，结果为6 组试样平均值，分别测试老化前后胶接接头的力学性能；采用华为P40手机拍摄胶接接头的破坏形貌。

2 试验结果与分析

表1 为碳纤维复合材料（CFRP）和6061 铝合金板基底材料的力学性能测试结果。可见，6061 铝合金板的拉伸强度、屈服强度、弹性模量和弯曲模量分别为335.63MPa、15.34MPa、13.02GPa 和286.56MPa，CFRP 板的拉伸强度、屈服强度、弹性模量和弯曲模量都明显相较6061 铝合金板更大，分别约为后者的1.82 倍、2.94 倍、6.01 倍和1.83 倍。

表2 为胶接接头用胶粘剂在盐水中的扩散特征。可见，当温度为25℃时，盐水中胶粘剂的扩散系数和饱和吸湿量分别为6×10-8mm2/s 和2.47%；当温度为50℃时，盐水中胶粘剂的扩散系数和饱和吸湿量分别为75.2×10-8mm2/s 和3.76%。可见，温度越高，则胶接接头用胶粘剂在盐水中的扩散稀释和饱和吸湿量都更大。

表3 为碳纤维复合材料（CFRP）和6061 铝合金板胶接接头老化后的拉伸性能，温度为25℃。对于未经过老化的试样，当胶层厚度分别为0.2mm、0.4mm 和0.6mm 时，胶接接头试样的极限荷载分别为6.32 kN、5.63kN 和5.04kN；当老化时间为55d时，胶层厚度为0.2mm、0.4mm 和0.6mm 时，胶接接头试样的极限荷载分别为5.58 kN、4.88kN 和4.70kN。随着老化时间延长至110d 和165d，相同胶层厚度下，老化时间越长则胶接接头试样的极限荷载越小。

图1 为不同胶层厚度的胶接接头试样的极限荷载随着老化时间的变化曲线。对比分析可知，当胶层厚度分别为0.2mm、0.4mm 和0.6mm 时，碳纤维复合材料（CFRP）和6061 铝合金板胶接接头的极限荷载都呈现逐渐减小的特征，且在相同的老化时间下，胶层厚度越大则胶接接头试样的极限荷载越小。

图2 为不同胶层厚度的胶接接头试样的极限荷载随老化时间的三维分布图。可见，随着胶层厚度增加或者老化时间延长，碳纤维复合材料（CFRP）和6061 铝合金板胶接接头的极限荷载有逐渐减小趋势。这主要是因为，随着老化时间从55d 增加至165d，胶接接头的胶层中会发生水分扩散和水解作用，相应地会造成胶粘剂发生一定程度的膨胀和塑化[11]，胶接接头的胶粘力相应减小；胶层厚度越大，则老化过程中受到盐水侵蚀的胶粘剂更多，胶粘剂与基底材料之间的吸湿和水分解现象愈发严重[12]，黏附力降低更加明显。此外，在制备胶接接头过程中，如果胶层厚度越大则越容易在胶层中产生气泡和裂纹等缺陷，在受外力作用时产生局部应力集中而成为裂纹萌生源[13]，造成极限荷载降低。

表4 为不同胶层厚度的胶接接头试样的极限荷载退化率。当胶层厚度为0.2mm 时，随着老化时间延长，胶接接头试样的极限荷载退化率逐渐增大；当胶层厚度增加至0.4mm 和0.6mm 时，胶接接头试样的极限荷载退化率也呈现随着老化时间延长而逐渐增大的特征。此外，在相同老化时间下，随着胶层厚度增大，胶接接头试样的极限荷载退化率逐渐减小。

表5 为不同老化时间和胶层厚度下胶接接头试样的破坏形式。对于未老化的胶接接头试样，胶层厚度为0.2mm、0.4mm 和0.6mm 时的破坏形式相同，都表现为内聚破坏形态[14]。当老化时间为55d时，胶层厚度为0.2mm 的胶接接头的破坏形式为内聚破坏+混合破坏[15]，胶层厚度为0.4mm 的胶接接头的破坏形式为混合破坏，胶层厚度为0.6mm 的胶接接头的破坏形式为混合破坏。当老化时间为110d时，胶层厚度为0.2mm 的胶接接头的破坏形式为内聚破坏+混合破坏，胶层厚度为0.4mm 的胶接接头的破坏形式为混合破坏，胶层厚度为0.6mm 的胶接接头的破坏形式为混合破坏。当老化时间为165d时，胶层厚度为0.2mm 的胶接接头的破坏形式为混合破坏，胶层厚度为0.4mm 的胶接接头的破坏形式为混合破坏，胶层厚度为0.6mm 的胶接接头的破坏形式为混合破坏。对比分析可知，当胶层厚度为0.4mm 和0.6mm 时，老化时间为55～165d 的胶接接头试样的破坏形式都为混合破坏，而胶层厚度为0.2mm 时，胶接接头的破坏形式从内聚破坏+混合破坏转变为混合破坏模式。

3 结论

（1）CFRP 板的拉伸强度、屈服强度、弹性模量和弯曲模量都明显相较6061 铝合金板更大，分别约为后者的1.82 倍、2.94 倍、6.01 倍和1.83 倍。温度越高，则胶接接头用胶粘剂在盐水中的扩散稀释和饱和吸湿量都更大。

（2）当胶层厚度分别为0.2mm、0.4mm 和0.6mm时，碳纤维复合材料（CFRP）和6061 铝合金板胶接接头的极限荷载都呈现逐渐减小特征，且在相同的老化时间下，胶层厚度越大则胶接接头试样的极限荷载越小。在相同老化时间下，随着胶层厚度增大，胶接接头试样的极限荷载退化率逐渐减小。

（3）当胶层厚度为0.4mm 和0.6mm 时，老化时间为55～165d 的胶接接头试样的破坏形式都为混合破坏，而胶层厚度为0.2mm 时，胶接接头的破坏形式从内聚破坏+混合破坏转变为混合破坏模式。