（航空工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所,西安 710065）

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞、抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，以及優(yōu)越的整體固化成形工藝性，適合大型構(gòu)件與復(fù)雜型面構(gòu)件制造，因而在航空領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)低成本、高性能的有效途徑，如航空結(jié)構(gòu)中常用的多墻結(jié)構(gòu)、多肋結(jié)構(gòu)[2]。膠接是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)的主要方法，而對(duì)膠接性能影響最大的是溫度和濕度，特別是在高溫濕態(tài)環(huán)境下，膠接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能明顯下降。

復(fù)合材料整體化結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)結(jié)構(gòu)膠耐高溫性、韌性及與樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的匹配性等方面提出了更高的要求[3]。J299 膠膜是一種新型雙馬膠膜，由黑龍江石油化工研究院研制，具有較好的韌性、強(qiáng)度、耐熱性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)J299 膠膜的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究：陳麗敏等[4]通過(guò)對(duì)采用雙馬膠膜J299 和環(huán)氧膠膜J116B 制取的整體化結(jié)構(gòu)試件的拉脫和側(cè)彎試驗(yàn)等，證明了J299 膠膜的力學(xué)性能優(yōu)于J116B；孫文博等[5]通過(guò)試驗(yàn)研究得出J299 膠膜復(fù)合材料T型接頭的極限拉伸位移和極限拉伸載荷相比于J116B 膠膜有了較大的提高。但他們對(duì)J299 膠膜膠接結(jié)構(gòu)的研究都是在常溫干態(tài)下進(jìn)行的，并沒(méi)有涉及溫濕度變化對(duì)膠接結(jié)構(gòu)的影響。本文擬對(duì)采用J299 膠膜的單搭膠接接頭在不同環(huán)境下的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比膠接接頭在不同環(huán)境下所能承擔(dān)的載荷，為J299 膠膜膠接結(jié)構(gòu)性能的研究提供參考。

1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件及尺寸如圖1所示（單位為mm）。子層1的材料為T700/5429 或ZT7H/5429，由T700/5429 制成的試驗(yàn)件稱為T700 試驗(yàn)件，由ZT7H/5429 制成的試驗(yàn)件稱為ZT7H 試驗(yàn)件。它們的鋪層為：[45/0/–45/90/–45/45/0/–45/90/45]S，單層厚度0.125mm，共20 層。加強(qiáng)片厚度為2.5mm。膠接區(qū)長(zhǎng)度為15mm，采用J299 膠膜進(jìn)行膠接。T700 試驗(yàn)件和ZT7H 試驗(yàn)件各18 件，見(jiàn)表1。

表1中試驗(yàn)件編號(hào)第2 部分表示試驗(yàn)環(huán)境：

（1）CTD（Cold Temperature Dry）——低溫干態(tài)：溫度–55℃，吸濕量=制造狀態(tài)。

（2）RTD（Room Temperature Dry）——試驗(yàn)前在室內(nèi)大氣環(huán)境（（23±2）℃，50%±10% RH）中至少放置24h 制造狀態(tài)的試樣。

（3）ETW（Elevated Temperature Wet）——高溫濕態(tài)：135℃，相對(duì)濕度85%，吸濕量達(dá)到飽和。引入方法如下：吸濕過(guò)程按照ASTM D 5229——2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。先將試樣放在溫度70℃、相對(duì)濕度85%的穩(wěn)態(tài)環(huán)境中放置到吸濕平衡，再將試樣在135℃、85%的高溫濕態(tài)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)方法

待試驗(yàn)件達(dá)到試驗(yàn)狀態(tài)后進(jìn)行試驗(yàn)，安裝時(shí)直接將試驗(yàn)件夾持于試驗(yàn)機(jī)夾頭中，調(diào)整試驗(yàn)件的位置，保證施加的載荷通過(guò)試驗(yàn)件的幾何中心。對(duì)于CTD和ETW 試驗(yàn)，需要設(shè)定環(huán)境箱的溫度，夾持好試驗(yàn)件后關(guān)閉環(huán)境箱，當(dāng)達(dá)到需要溫度后，保溫3min 后再開(kāi)始試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)件列表Table1 Test piece list

圖1 試驗(yàn)件尺寸Fig.1 Specimen size

3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)件拉伸剪切強(qiáng)度按照GB/T 7124—2008 計(jì)算：

式中，τ為膠黏劑拉脫剪切強(qiáng)度（MPa）；P為最大載荷（N）；L為膠黏長(zhǎng)度平均值（mm）；b為膠粘寬度平均值（mm）。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

從圖2可以看出，對(duì)于同類試驗(yàn)件來(lái)說(shuō)，接頭在CTD 下的剪切強(qiáng)度略高于RTD，而在ETW 下的剪切強(qiáng)度則低于RTD。對(duì)于相同環(huán)境下的不同試驗(yàn)件來(lái)說(shuō)，T700 試驗(yàn)件的剪切強(qiáng)度小于ZT7H 試驗(yàn)件。由此看來(lái)，復(fù)合材料的種類和不同的環(huán)境對(duì)膠接接頭的剪切強(qiáng)度有較大的影響。事實(shí)上，復(fù)合材料膠接的性能會(huì)因復(fù)合材料的種類、膠黏劑的種類、表面處理技術(shù)等的不同而有較大差異[6]。本文僅從環(huán)境和復(fù)合材料的種類兩個(gè)方面來(lái)分析它們對(duì)接頭的影響。

5 破壞模式分析

圖2 不同環(huán)境下T700/ZT7H試驗(yàn)件剪切強(qiáng)度Fig.2 Shear strength of T700/ZT7H specimens under different environments

膠接結(jié)構(gòu)界面有3 種破壞模式，分別是界面破壞、內(nèi)聚破壞、混合破壞。其中，內(nèi)聚破壞又可分為膠黏劑與被粘材料的內(nèi)聚破壞，膠黏劑的內(nèi)聚破壞指的是膠黏劑本身產(chǎn)生破壞，被粘物的內(nèi)聚破壞指的是被粘物本身產(chǎn)生破壞；界面破壞則指的是膠黏劑與被粘物在膠接界面處分開(kāi)而產(chǎn)生的破壞；混合破壞也叫交替破壞，包括一部分內(nèi)聚破壞和一部分界面破壞，即破壞通過(guò)膠黏劑在兩界面處交替進(jìn)行[7]。在工程應(yīng)用中，要求復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的破壞模式以復(fù)合材料層壓板的內(nèi)聚破壞為主，在這種情況下，結(jié)構(gòu)承受的剪切載荷最大。而若膠接結(jié)構(gòu)以界面破壞為主時(shí)，其膠結(jié)強(qiáng)度相對(duì)于其他破壞模式明顯較低，這是不允許的。造成這種情況有以下幾種原因，膠黏劑與被粘接物不匹配、被粘接物表面處理不合格、膠膜太薄或者太厚等。從圖3、圖4可以看出，RTD 試驗(yàn)件和CTD 試驗(yàn)件失效破壞發(fā)生在層壓板表面，層壓板表面纖維基體被拔出，這種破壞模式以被粘物的內(nèi)聚破壞為主；ETW 試驗(yàn)件失效破壞一部分發(fā)生在層壓板表面，另一部分發(fā)生在膠層與層壓板之間，失效后此部分膠層幾乎全部只附著在其中一塊層壓板上。ETW 試驗(yàn)件的破壞模式以內(nèi)聚破壞+界面破壞為主。

6 環(huán)境對(duì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)性能的影響

ETW 環(huán)境對(duì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)的影響包括對(duì)膠黏劑的影響、對(duì)被粘接復(fù)合材料層壓板的影響以及膠膜與層壓板之間界面的影響。對(duì)于J299 膠膜來(lái)說(shuō)，濕熱會(huì)使其發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而降低其黏結(jié)性能。T700 和ZT7H 試驗(yàn)件在高溫濕態(tài)環(huán)境下，其纖維和樹(shù)脂之間因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生的脫粘和開(kāi)裂會(huì)使層合板的力學(xué)性能下降。膠膜與層壓板之間界面在濕熱環(huán)境下，性能衰減更為嚴(yán)重，這是因?yàn)榇罅克肿友刂H水性的被粘物表面滲透到整個(gè)膠接界面后，取代了膠粘劑分子原先在層合板表面上的物理吸附，從而引起膠結(jié)強(qiáng)度大幅度下降[7]。

低溫環(huán)境下，T700 和ZT7H 試驗(yàn)件樹(shù)脂體積收縮，纖維體積幾乎不變，樹(shù)脂的收縮導(dǎo)致對(duì)界面壓力的增加，從而使界面剪切強(qiáng)度增加[8]，最終CTD 試驗(yàn)件剪切強(qiáng)度略大于RTD 試驗(yàn)件。

圖3 T700試驗(yàn)件不同環(huán)境下的破壞模式Fig.3 Failure mode of T700 specimens under different environments

圖4 ZT7H試驗(yàn)件不同環(huán)境下的破壞模式Fig.4 Failure mode of ZT7H specimens under different environments

7 復(fù)合材料種類對(duì)膠接結(jié)構(gòu)性能的影響

不同種類復(fù)合材料對(duì)膠接結(jié)構(gòu)性能的影響主要包括兩個(gè)方面，一是復(fù)合材料基體樹(shù)脂與膠黏劑主體樹(shù)脂的相容性直接影響膠接的界面結(jié)構(gòu)和性能[9]；二是復(fù)合材料中碳纖維與樹(shù)脂界面結(jié)合的強(qiáng)弱對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能有著重大的影響[10–11]，界面結(jié)合較弱則膠接結(jié)構(gòu)易發(fā)生強(qiáng)度較低的內(nèi)聚破壞。

本文試驗(yàn)件均為雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料，與J299 膠膜粘接在一起后具有良好的相容性，并且具有良好的耐高溫性，從而使膠膜與層合板之間膠接界面具有較強(qiáng)的力學(xué)性能。

碳纖維T700 和ZT7H 對(duì)與5429 樹(shù)脂的界面結(jié)合性能與自身形貌有很大關(guān)系。T700 碳纖維表面光滑，無(wú)表面沉積物和明顯的溝槽，而ZT7H 表面有深淺不一的溝槽存在，這有利于纖維與樹(shù)脂間的機(jī)械嚙合作用，可以提高復(fù)合材料界面黏結(jié)性能[12]。所以，ZT7H 試驗(yàn)件比T700 試驗(yàn)件有更好的界面剪切性能，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

8 結(jié)論

對(duì)比T700 和ZT7H 膠接接頭在3 種不同環(huán)境下拉伸力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論如下：

（1）復(fù)合材料膠接接頭的剪切性能不僅和膠膜的性能有關(guān)，還與復(fù)合材料的種類和外部環(huán)境有關(guān)；

（2）J299 膠膜與5429 樹(shù)脂具有良好的相容性；

（3）T700 和ZT7H 膠接接頭在ETW 環(huán)境下的剪切強(qiáng)度均值約為RTD 環(huán)境的78%和79%，在CTD 環(huán)境下的剪切強(qiáng)度均值略為RTD 環(huán)境的1.11 倍和1.04 倍；

（4）在RTD、CTD 和ETW 的環(huán)境下， ZT7H 試樣膠接接頭剪切強(qiáng)度分別是T700 試樣膠接接頭強(qiáng)度的1.32 倍、1.23 倍和1.34 倍。