轨道交通用CFRP结构损伤湿法修复工艺研究

曾 宇,顾春雷,户迎灿,郑 凯,靳 凯

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266000; 2.中国海洋大学,山东 青岛 266000)

轨道交通的高速发展催生了车辆的轻量化,轨道交通车辆的轻量化是促进轨道交通节能减排的有效手段,也是实现轨道交通高质量发展的重要途径。碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)具有质轻、高强、可靠性高、耐腐蚀能力强、耐疲劳性好等优点,且隔声降噪性能优异[1]。作为轨道车辆的主要承载结构,车体结构的轻量化是轨道交通车辆减重的关键环节,在车体结构上应用CFRP能够大幅降低车辆自重,提升车辆性能。然而,由于频繁受到冲击、磨损的影响,车体结构受损伤的情况时常发生且无法避免,因而开发高效省时的轨道交通用CFRP结构损伤修复工艺技术显得尤为重要。

复合材料修复方法可分为胶接修复和湿法修复[2]。胶接修复是利用胶黏剂将复合材料补片与损伤待修复部位进行连接,以达到修复的目的。该方法优点是修复过程简单、易操作、设计性强、增重小、时间短、成本低,缺点是修复补片易从损伤部位剥离,修复效果一般。湿法修复是将预配的树脂与复合材料与损伤待修复部位进行黏接,采用共固化的手段对损伤部位进行修复。该方法的优点是所用复合材料与损伤部位的界面结合力较强、修复效果较好,缺点是操作难度大、对施工人员的技术及经验要求较高。

R.TERAZAWA等[3]通过对湿法修复的黏接界面进行分子动力学模拟,发现界面处有机硅分子的渗入会导致界面结合力的强度显著降低。M.ALI等[4]通过拉伸和弯曲试验、模态分析和数值建模对湿法修复后的损伤界面进行形态分析,发现修复效率在很大程度上取决于补片与损伤修复区域之间的黏接强度。杨青等[5]研究不同固化压力、树脂浸润时间等工艺参数对湿法修复碳纤维层合板强度的影响规律,发现固化压力对修复效果影响较大,压力过小会导致树脂无法完全浸,压力太大则会导致纤维织物过密,树脂无法浸润就被挤出。王英男等[6]采用湿法修复-模压成型工艺制备CFRP层合板,发现了浸润时间对湿法修复工艺的影响规律,在浸润时间为4 min时,CFRP层合板成型质量最好,界面缺陷较少,力学强度较高。洪明等[7]通过损伤模拟仿真发现,采用胶接修复,在织补密度达到一定程度后损伤部位的动刚度不再提高,而采用湿法修复可同时增加拉伸和剪切刚度,损伤部位的动刚度理论上可完全恢复。

作者以T700-12K短切碳纤维、碳纤维平纹布为修复纤维,以环氧树脂与固化剂为修复树脂体系,对CFRP层合板(厚度4 mm)缺陷样进行湿法修复,着重探讨不同修复用纤维及其含量对湿法修复CFRP层合板缺陷样的修复效果,以期得到较佳的CFRP结构损伤湿法修复工艺。

1 实验

1.1 原料

CFRP试件:厚度4 mm,铺贴角度[0°/90°]ns,长、宽均为150 mm,中车四方车辆股份有限公司提供;T700-12K短切碳纤维:拉伸强度4 900 GPa,拉伸模量230 GPa,纤维直径7 μm,日本东丽株式会社产;3K碳纤维平纹布:织物结构为碳纤维双向布,克重为200 g/m2,纤维直径7 μm,厚度0.3 mm,百丰碳纤维科技(常州)有限公司产;GT-920A环氧树脂:黄色透明黏稠体,25 ℃下黏度为700～1 500 mPa·s,密度为1.10～1.30 g/cm3,惠柏新材料科技(上海)股份有限公司产;GT-920B固化剂:无色透明液体,25 ℃下黏度为12～20 mPa·s,密度为0.90～1.00 g/cm3,惠柏新材料科技(上海)股份有限公司产。

1.2 主要设备及仪器

缺陷打磨机器人:由FANUC/M20iD机器人、磨削高速主轴电机、金刚石磨头组成,自制;BriskHeat ACR MiniPRO热补仪:深圳市银飞电子科技有限公司制;C52.105微机控制电子试验机:新三思(上海)企业发展有限公司制;压缩模具:自制;三轴移动工业相机:堡盟电子(上海)有限公司制。

1.3 CFRP结构损伤湿法修复方案

(1)根据实际缺陷尺寸,首先判断是否需要缺陷去损,若缺陷仅存在于表面,则不需要去损操作;若缺陷较深则需要进行去损,以损伤区域的最大直线跨度尺寸为边或直径制作矩形或圆形盲孔[8-9]。通常选用圆形盲孔,若材料尺寸特殊则选择矩形盲孔。以圆形盲孔为例,确认尺寸后将工业机器人路径程序编写好,将损伤区域全部去除,缺陷试样如图1所示。

图1 缺陷试样示意

(2)CFRP层合板湿法修复工艺:将T700-12K短切碳纤维进行短切,短切长度分别为3 mm与6 mm;分别采用短切碳纤维、碳纤维平纹布与树脂混合,湿法修复CFRP层合板缺陷试样,不同纤维及其含量与树脂混合湿法修复所得试样见表1。完好试样、缺陷试样分别标记为1#、2#。

表1 不同湿法修复条件所得试样

短切碳纤维湿法修复:先将不同长度(3 mm或6 mm)短切碳纤维与树脂混合,短切碳纤维质量分数分别为1%、3%、5%,快速搅拌均匀,保证两者的充分浸润;随后按照树脂与固化剂的比例要求加入固化剂并再次搅拌均匀;最后,将调配好的短切碳纤维/树脂均匀涂在缺陷处,并适当高出缺陷处的平面[10],得到修复试样。

碳纤维平纹布湿法修复:裁剪对应缺陷大小的碳纤维布,按环氧树脂:纤维布质量比1.4:1.0计算环氧树脂用量,并与固化剂配置修复树脂体系[11];用玻璃棒将配置好的修复树脂均匀的涂覆到碳纤维布上,并进行反复按压,使树脂完全浸渍到碳纤维布的缝隙当中,接着在浸渍树脂的碳纤维布上铺贴一层隔离膜,封装真空袋并抽真空,以使树脂更进一步地浸渍到碳纤维布上,同时也有利于将湿铺层内的空气排出[12-13];根据缺陷大小裁剪湿铺层并贴在缺陷处,通过热固化得到修复试样。

1.4 分析与测试

表观形貌:采用三轴移动工业相机进行表面形貌的采集,将修复好的试样放置到工业相机的拍摄中心,调整相机的焦距进行拍摄。

压缩应力-位移曲线:采用新三思C52.105微机控制电子试验机进行测试。将修复好的试样放置到压缩模具中进行固定,将模具放置到拉伸试验机的中心位置进行压缩测试。在试验压缩破坏时停止压缩,得到压缩破坏前压缩应力及此时的位移的曲线图。

压缩性能:表征复合材料修复后性能恢复的重要指标,相较于弯曲与拉伸,更能反映修复性能恢复程度。采用C52.105微机控制电子试验机,根据ASTM D7137/D7137M—17对复合材料修复件进行压缩性能测试[14]。按式(1)、(2)分别计算修复试样的最大压缩强度(M)、压缩强度恢复率(RM),按式(3)、(4)分别计算修复试样的最大压缩刚度(K)、压缩刚度恢复率(RK)。

M=F/S

(1)

(2)

K=F/δ

(3)

(4)

式中:F为最大压缩应力,S为压缩方向截面积,δ为压缩形变,Ms为完好试样的最大压缩强度,Ks为完好试样的最大压缩刚度。

2 结果与讨论

2.1 表观形貌

从图2可以看出,采用短切碳纤维湿法修复缺陷得到的3#试样损伤部位产生凹陷,而采用碳纤维平纹布湿法修复缺陷得到的9#试样保持着完好的平整度。这是因为短切碳纤维与环氧树脂之间的界面结合力较弱,在固化过程中由于重力的原因出现下沉而产生凹陷;而碳纤维平纹布为一个整体,受到重力下沉的影响较小,所以固化后的平面较为整齐[15]。

图2 短切碳纤维与碳纤维布湿法修复后的试样示意

2.2 压缩应力-位移曲线

对图3分析可知:湿法修复各试样的压缩应力-位移曲线均表现出与完好试样(1#)相同的趋势,不同的是湿法修复试样的极限载荷与极限位移比1#试样均小一些,说明湿法修复试样的力学性能接近于完好试样,但还是有所缺陷,这是因为修复部位无法与缺陷周围的碳纤维融合成一个整体;缺陷试样(2#)的压缩应力-位移曲线并未表现出1#试样的趋势,而是在载荷随着位移增加到一定值后,随着位移增加而降低,并没有出现悬崖式的降低;6 mm短切碳纤维湿法修复试样与碳纤维平纹布湿法修复试样的压缩应力均高于3 mm短切碳纤维湿法修复试样,说明短切碳纤维的长度越小,短切碳纤维与树脂之间的界面结合力越弱,修复的效果也就越差。从修复固化后产生的塌陷也可看出短切碳纤维越短会导致修复效果越差[16]。

图3 不同纤维湿法修复试样的压缩应力-位移曲线

2.3 压缩强度

由表2可以看出:缺陷试样(2#)的M较低(88.00 MPa),RM只有33%,说明缺陷对整体强度影响较大;采用3 mm短切碳纤维湿法修复,不同纤维含量所得修复试样(3#、4#、5#)的M及RM均略有提高,RM为40%～50%,修复效果不佳,这是因为3 mm短切碳纤维较短,较为分散,发生交联缠绕较少或者不会发生,导致界面结合力较弱,且承压结构主要为树脂,修复试样的RM也就相应较小;6 mm 短切碳纤维湿法修复试样(6#、7#)的M和RM均高于3 mm短切碳纤维湿法修复试样,这是因为短切碳纤维较长,与树脂混合后会产生更多的交联缠绕,界面结合力越强,湿法修复试样的强度也就越高;采用6 mm短切碳纤维湿法修复时,随着短切纤维含量的增加,修复试样的RM呈现先上升后下降的趋势,纤维质量分数为3%(7#试样)的修复试样的RM最高,达93%,接近完好试样,这是因为短切碳纤维含量过高会使短切碳纤维过于致密,树脂无法完全浸润,RM相应降低,短切碳纤维含量过低会使修复结构碳纤维支撑强度较弱,修复试样的RM也较低;碳纤维平纹布湿法修复试样(9#)的RM为76%,略低于7#试样,这是因为碳纤维平纹布是一个整体,修复固化过程中不会产生塌陷,导致与损伤部位的结合不够紧密,强度稍低。

表2 不同纤维湿法修复试样的M与RM

2.4 压缩刚度

压缩刚度是反应试样抵抗变形能力的数值,在工程中有着较大的参考价值[17]。由表3可以看出:缺陷试样(2#)的RK仅8%,说明缺陷试样抵抗外力下的变形能力出现了较大下降;采用3 mm 短切碳纤维湿法修复,不同纤维含量所得试样(3#、4#、5#)的RK在62%左右波动,说明3 mm 短切纤维含量对修复试样的RK影响不大;相比3 mm短切碳纤维,6 mm短切碳纤维湿法修复试样(6#、7#)的RK均有所提高,这是由于短切碳纤维越短,修复部位的短切碳纤维分布越分散,导致结构呈现脆性,修复试样的RK就越低;但6 mm短切碳纤维质量分数为5%时湿法修复试样(8#)的RK出现急剧下降,这可能由于树脂含量较低导致纤维与修复板材连接出现问题导致RK下降;相比之下,碳纤维平纹布湿法修复试样(9#)的RK最高,达91%,这是因为碳纤维平纹布湿法修复固化过程中,碳纤维布是一个整体结构,碳纤维的高韧性能被完整保留了下来,对修复试样的抵抗变形能力有着较大贡献,所以RK较高。因此,综合考虑修复试样的RM和RK,采用碳纤维平纹布进行湿法修复为较佳选择。

表3 不同纤维湿法修复试样的K与RK

3 结论

a.3 mm短切碳纤维湿法修复试样的RM普遍较低;6 mm短切碳纤维湿法修复试样的RM显著上升,但纤维含量过高时RM下降,纤维质量分数为3%时修复试样的RM最高,达93%;碳纤维平纹布湿法修复试样的RM为76%,略低于采用6 mm、质量分数3%短切碳纤维所得试样。

b.采用3 mm短切碳纤维湿法修复,不同纤维含量所得试样的RK在62%左右波动;采用6 mm、质量分数1%与3%短切碳纤维湿法修复所得试样的RK均有所提高,为77%～79%,但短切碳纤维质量分数为5%时所得试样的RK急剧下降至51%;采用碳纤维平纹布湿法修复,所得试样的RK最高,达91%。

c.在轨道交通用CFRP结构损伤湿法修复过程中,综合考虑修复试样的RM和RK,采用碳纤维平纹布进行湿法修复为较佳修复工艺。