馬拉松場(chǎng)地器械用纖維復(fù)合材料膠接接頭的性能研究*

張雪琴，江 帆，張 瓊

（1.西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018；2.延安大學(xué) 西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100）

引言

馬拉松運(yùn)動(dòng)在近年來(lái)快速發(fā)展并得到了廣泛關(guān)注，已成為全世界范圍內(nèi)的一項(xiàng)主流運(yùn)動(dòng)，各項(xiàng)賽事中都有馬拉松運(yùn)動(dòng)的身影，這主要是因?yàn)轳R拉松運(yùn)動(dòng)不僅可以提升人們的各項(xiàng)身體素質(zhì)（如忍耐力、堅(jiān)持力和體力等），還可以塑造形體，已成為深受大家喜愛(ài)的運(yùn)動(dòng)。馬拉松運(yùn)動(dòng)的普及給場(chǎng)地器械用材帶來(lái)了良好發(fā)展機(jī)遇[1]，其中，碳纖維-鋁合金復(fù)合膠接接頭材料由于可以發(fā)揮鋁合金和碳纖維各自的性能優(yōu)勢(shì)（兼具金屬和纖維的優(yōu)點(diǎn)）[2]，具有相較單一材料更好的力學(xué)性能而在各項(xiàng)馬拉松運(yùn)動(dòng)中廣泛應(yīng)用。碳纖維-鋁合金膠接接頭通常采用環(huán)氧膠粘劑進(jìn)行粘接，不僅使用方便，而且毒性小、固化工藝簡(jiǎn)單[3]，然而環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑膠接接頭器械在馬拉松場(chǎng)地服役過(guò)程中，會(huì)受到復(fù)雜環(huán)境（腐蝕性介質(zhì)環(huán)境、暴曬等）影響，在一定程度上會(huì)降低場(chǎng)地器械用膠接接頭的力學(xué)性能，且使用性能會(huì)隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)而退化[4]，造成壽命低于設(shè)計(jì)壽命，究其原因，這主要與馬拉松場(chǎng)地器械中的膠接接頭會(huì)在服役環(huán)境中發(fā)生老化有關(guān)[5～7]，而這方面的研究報(bào)道較少[8]，具體影響因素也不清楚。本文以6061 鋁合金、熱固型碳纖維單向板為基底材料，雙組分環(huán)氧膠粘劑為粘結(jié)材料制備了馬拉松場(chǎng)地器械用纖維復(fù)合材料膠接接頭，分別考察了基底材料和膠粘劑的力學(xué)性能和擴(kuò)散性能，并分析了膠接接頭的老化行為，結(jié)果將有助于場(chǎng)地器械用復(fù)合材料膠接接頭性能的提升及推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料包括3M DP130 型雙組分環(huán)氧膠粘劑、6061 鋁合金（基底材料，接頭寬度25mm）和PA6型熱固型碳纖維單向板（基底材料）。

采用上述基底材料和膠粘劑制備碳纖維復(fù)合材料（CFRP）-6061 鋁合金板單搭接接頭試樣，示意圖1。搭接區(qū)域長(zhǎng)為12.5mm、寬度25mm，膠粘劑層厚度可分為0.2mm、0.4mm 和0.6mm。在制備單搭接接頭試樣前，分別對(duì)碳纖維復(fù)合板和鋁合金板進(jìn)行打磨和清洗，膠層厚度用在膠粘劑中摻入玻璃珠來(lái)控制膠層厚度，然后置于烘箱中進(jìn)行98℃/0.5h 的高溫固化處理[9]，結(jié)束后取出空冷至室溫。

根據(jù)ASTM E8/E8M-13a 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)6061 鋁合金板進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，設(shè)備為Instron-8550 液壓伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為2mm/min，結(jié)果為3 根試樣平均值；根據(jù)GB/T 232-2010 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋁合金板進(jìn)行室溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果取3 組試樣平均值；根據(jù)GB/T 3362-2017 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳纖維復(fù)合板進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，設(shè)備為Instron-8550 液壓伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為1mm/min，結(jié)果為3 根試樣平均值；根據(jù)GB/T 3356-2014 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋁合金板進(jìn)行室溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果取3 組試樣平均值；采用測(cè)重法測(cè)試膠粘劑的吸濕量，溶液為10%NaCl 溶液，溫度為25℃和50℃，并用Levenberg-Marquardt 算法計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)[10]；膠接接頭試樣在UTM 5105 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為1mm/min，結(jié)果為6 組試樣平均值，分別測(cè)試?yán)匣昂竽z接接頭的力學(xué)性能；采用華為P40手機(jī)拍攝膠接接頭的破壞形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 為碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和6061 鋁合金板基底材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn)，6061 鋁合金板的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量和彎曲模量分別為335.63MPa、15.34MPa、13.02GPa 和286.56MPa，CFRP 板的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量和彎曲模量都明顯相較6061 鋁合金板更大，分別約為后者的1.82 倍、2.94 倍、6.01 倍和1.83 倍。

表2 為膠接接頭用膠粘劑在鹽水中的擴(kuò)散特征?？梢?jiàn)，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，鹽水中膠粘劑的擴(kuò)散系數(shù)和飽和吸濕量分別為6×10-8mm2/s 和2.47%；當(dāng)溫度為50℃時(shí)，鹽水中膠粘劑的擴(kuò)散系數(shù)和飽和吸濕量分別為75.2×10-8mm2/s 和3.76%?？梢?jiàn)，溫度越高，則膠接接頭用膠粘劑在鹽水中的擴(kuò)散稀釋和飽和吸濕量都更大。

表3 為碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和6061 鋁合金板膠接接頭老化后的拉伸性能，溫度為25℃。對(duì)于未經(jīng)過(guò)老化的試樣，當(dāng)膠層厚度分別為0.2mm、0.4mm 和0.6mm 時(shí)，膠接接頭試樣的極限荷載分別為6.32 kN、5.63kN 和5.04kN；當(dāng)老化時(shí)間為55d時(shí)，膠層厚度為0.2mm、0.4mm 和0.6mm 時(shí)，膠接接頭試樣的極限荷載分別為5.58 kN、4.88kN 和4.70kN。隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)至110d 和165d，相同膠層厚度下，老化時(shí)間越長(zhǎng)則膠接接頭試樣的極限荷載越小。

圖1 為不同膠層厚度的膠接接頭試樣的極限荷載隨著老化時(shí)間的變化曲線。對(duì)比分析可知，當(dāng)膠層厚度分別為0.2mm、0.4mm 和0.6mm 時(shí)，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和6061 鋁合金板膠接接頭的極限荷載都呈現(xiàn)逐漸減小的特征，且在相同的老化時(shí)間下，膠層厚度越大則膠接接頭試樣的極限荷載越小。

圖2 為不同膠層厚度的膠接接頭試樣的極限荷載隨老化時(shí)間的三維分布圖。可見(jiàn)，隨著膠層厚度增加或者老化時(shí)間延長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和6061 鋁合金板膠接接頭的極限荷載有逐漸減小趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?，隨著老化時(shí)間從55d 增加至165d，膠接接頭的膠層中會(huì)發(fā)生水分?jǐn)U散和水解作用，相應(yīng)地會(huì)造成膠粘劑發(fā)生一定程度的膨脹和塑化[11]，膠接接頭的膠粘力相應(yīng)減??；膠層厚度越大，則老化過(guò)程中受到鹽水侵蝕的膠粘劑更多，膠粘劑與基底材料之間的吸濕和水分解現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重[12]，黏附力降低更加明顯。此外，在制備膠接接頭過(guò)程中，如果膠層厚度越大則越容易在膠層中產(chǎn)生氣泡和裂紋等缺陷，在受外力作用時(shí)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而成為裂紋萌生源[13]，造成極限荷載降低。

表4 為不同膠層厚度的膠接接頭試樣的極限荷載退化率。當(dāng)膠層厚度為0.2mm 時(shí)，隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)，膠接接頭試樣的極限荷載退化率逐漸增大；當(dāng)膠層厚度增加至0.4mm 和0.6mm 時(shí)，膠接接頭試樣的極限荷載退化率也呈現(xiàn)隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大的特征。此外，在相同老化時(shí)間下，隨著膠層厚度增大，膠接接頭試樣的極限荷載退化率逐漸減小。

表5 為不同老化時(shí)間和膠層厚度下膠接接頭試樣的破壞形式。對(duì)于未老化的膠接接頭試樣，膠層厚度為0.2mm、0.4mm 和0.6mm 時(shí)的破壞形式相同，都表現(xiàn)為內(nèi)聚破壞形態(tài)[14]。當(dāng)老化時(shí)間為55d時(shí)，膠層厚度為0.2mm 的膠接接頭的破壞形式為內(nèi)聚破壞+混合破壞[15]，膠層厚度為0.4mm 的膠接接頭的破壞形式為混合破壞，膠層厚度為0.6mm 的膠接接頭的破壞形式為混合破壞。當(dāng)老化時(shí)間為110d時(shí)，膠層厚度為0.2mm 的膠接接頭的破壞形式為內(nèi)聚破壞+混合破壞，膠層厚度為0.4mm 的膠接接頭的破壞形式為混合破壞，膠層厚度為0.6mm 的膠接接頭的破壞形式為混合破壞。當(dāng)老化時(shí)間為165d時(shí)，膠層厚度為0.2mm 的膠接接頭的破壞形式為混合破壞，膠層厚度為0.4mm 的膠接接頭的破壞形式為混合破壞，膠層厚度為0.6mm 的膠接接頭的破壞形式為混合破壞。對(duì)比分析可知，當(dāng)膠層厚度為0.4mm 和0.6mm 時(shí)，老化時(shí)間為55～165d 的膠接接頭試樣的破壞形式都為混合破壞，而膠層厚度為0.2mm 時(shí)，膠接接頭的破壞形式從內(nèi)聚破壞+混合破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌掀茐哪Ｊ健?/p>

3 結(jié)論

（1）CFRP 板的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量和彎曲模量都明顯相較6061 鋁合金板更大，分別約為后者的1.82 倍、2.94 倍、6.01 倍和1.83 倍。溫度越高，則膠接接頭用膠粘劑在鹽水中的擴(kuò)散稀釋和飽和吸濕量都更大。

（2）當(dāng)膠層厚度分別為0.2mm、0.4mm 和0.6mm時(shí)，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和6061 鋁合金板膠接接頭的極限荷載都呈現(xiàn)逐漸減小特征，且在相同的老化時(shí)間下，膠層厚度越大則膠接接頭試樣的極限荷載越小。在相同老化時(shí)間下，隨著膠層厚度增大，膠接接頭試樣的極限荷載退化率逐漸減小。

（3）當(dāng)膠層厚度為0.4mm 和0.6mm 時(shí)，老化時(shí)間為55～165d 的膠接接頭試樣的破壞形式都為混合破壞，而膠層厚度為0.2mm 時(shí)，膠接接頭的破壞形式從內(nèi)聚破壞+混合破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌掀茐哪Ｊ健?/p>