邱森寶 ，何利蓉 ，張少鋒，張博，王春輝

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510610；3.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實驗室，廣東 廣州 510610）

0 引言

復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)以其承載能力強(qiáng)、抗疲勞性能優(yōu)異和可重復(fù)拆卸等優(yōu)勢，在機(jī)體結(jié)構(gòu)如機(jī)翼、平尾和垂尾等部位有廣泛的應(yīng)用，逐漸地由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。飛機(jī)在壽命期內(nèi)可能會遇到各種嚴(yán)酷氣候環(huán)境如高原環(huán)境、寒冷環(huán)境、沙漠環(huán)境和熱帶海洋大氣環(huán)境等，尤其是在熱帶海洋大氣環(huán)境中服役的飛機(jī)，由于高溫、高濕、高鹽霧沉降率和強(qiáng)太陽輻射等環(huán)境因素的綜合影響，對機(jī)體結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提出了更高的要求。目前，針對復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性，國內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究工作，研究以實驗室環(huán)境試驗為主[1-3]，自然環(huán)境試驗主要以材料級產(chǎn)品為主[4-8]，連接件自然環(huán)境試驗工作開展得較少。為了研究螺栓連接復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱帶海洋大氣環(huán)境適應(yīng)性能力，選用鋁合金螺接復(fù)合材料連接件為試驗對象，開展戶外大氣自然環(huán)境試驗工作，分析其環(huán)境影響效應(yīng)。該工作可進(jìn)一步地豐富復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)在熱帶海洋大氣環(huán)境下的環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)，為復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的耐海洋環(huán)境特性設(shè)計提供了參考。

1 試驗部分

1.1 試驗樣件

本研究選取鋁合金螺栓連接復(fù)合材料連接件為研究對象，試樣照片如圖1 所示。復(fù)合材料層合板原材料為碳纖維雙馬樹脂預(yù)浸料（T700/5428），經(jīng)固化后形成復(fù)合材料層合板，單層厚度為0.12 mm，試板共鋪設(shè)24 層，鋪層順序為[+45/0/-45/90] 3 s；緊固件材料及表面處理情況為：LY8 鋁合金螺栓，無色陽極化；7075 鋁合金螺母，黃色陽極化。

圖1 試驗用單釘鋁合金螺栓連接件

1.2 試驗方法

1.2.1 戶外大氣自然環(huán)境試驗

為了快速地評價復(fù)合材料連接件的海洋環(huán)境適應(yīng)性能力，選取具備“高溫、高濕、高鹽霧沉降率和強(qiáng)太陽輻射”的熱帶海洋大氣環(huán)境特征的西沙試驗站開展自然環(huán)境試驗工作。為了模擬直接暴露于大氣環(huán)境的復(fù)合材料螺接件在熱帶海洋大氣環(huán)境下的環(huán)境效應(yīng)，采用戶外大氣自然環(huán)境試驗開展試驗工作，試驗依據(jù)GJB 8893.2-2017 開展。復(fù)合材料連接件外場自然暴露試驗投試情況如圖2 所示。

圖2 單釘鋁合金螺栓連接件戶外大氣自然環(huán)境試驗

1.2.2 宏微觀形貌及成分表征

形貌觀察主要分為宏觀和微觀形貌觀察，其中，宏觀形貌觀察主要利用照相機(jī)完成，微觀形貌觀察采用電子掃描顯微鏡，成分分析主要通過掃描電鏡中的能譜儀分析。

1.2.3 擠壓試驗

復(fù)合材料螺栓連接件試驗參考HB 7070-94 《纖維增強(qiáng)塑料層合板擠壓強(qiáng)度試驗方法》 進(jìn)行，萬能力學(xué)試驗機(jī)型號為MTS 810-100 kN，加載速度為2 mm/min，為了保護(hù)復(fù)合材料，在試樣加持端表面粘貼加強(qiáng)片，加強(qiáng)片可以實現(xiàn)載荷傳遞。

2 試驗結(jié)果

2.1 外觀觀察

復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的腐蝕薄弱環(huán)節(jié)一般集中在連接區(qū)域，觀察鋁合金螺接件螺栓周邊區(qū)域在不同暴露時間下的宏觀形貌如圖3 所示。從圖3中可以看出，螺栓在戶外暴露3 個月后，螺栓與復(fù)合材料層合板接觸區(qū)域發(fā)生了輕微腐蝕；隨著暴露時間的延長，接觸區(qū)域的腐蝕逐漸地加重，試驗至24 個月時，接觸區(qū)域有大量的白色絮狀腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生。

圖3 復(fù)合材料連接件螺栓在戶外暴露不同時間下的腐蝕形貌

復(fù)合材料連接件螺母部分隨戶外暴露時間的延長其腐蝕形貌變化情況如圖4 所示，從圖4中可以看出，戶外暴露9 個月后，螺母表面已發(fā)生明顯的變色，由初始的金黃色變?yōu)殂y白色，同時在螺母與復(fù)合材料接觸區(qū)域，發(fā)生明顯的腐蝕。隨著試驗時間的延長，螺母表面腐蝕進(jìn)一步地加重，試驗至24 個月時，螺母表面發(fā)生完全腐蝕。

圖4 復(fù)合材料連接件螺母在戶外暴露不同時間下的腐蝕形貌

對連接件復(fù)合材料層合板表面的老化形貌進(jìn)行觀察，不同暴露時間下的老化形貌如圖5 所示，從圖5中可以看出，復(fù)合材料層合板經(jīng)戶外暴露后，首先是表面變色，隨著暴露時間的延長，復(fù)合材料變色逐漸地加重。試驗至24 個月時，除了樣品表面發(fā)生變色外，部分纖維從基體中剝離，表面出現(xiàn)大量裸露的纖維。

圖5 連接件復(fù)合材料層板表面在戶外暴露不同時間下的老化形貌

2.2 腐蝕/老化行為表征

為了進(jìn)一步地表征戶外暴露24 個月的螺母的表面腐蝕情況，對螺母表面進(jìn)行SEM 觀察和EDS分析，分析結(jié)果如圖6 所示。螺母SEM 觀察區(qū)域如圖6a 所示，從圖6a中可以看出，螺母表面腐蝕嚴(yán)重；進(jìn)一步對其放大至圖6b，從圖6b中可以看出，螺母表面不平整，有層狀剝落現(xiàn)象產(chǎn)生。對剝落區(qū)域進(jìn)行EDS 分析，分析結(jié)果如圖6c 所示。從圖6c中可以看出，腐蝕區(qū)域主要的元素包括Al、O、Mg、C、Na、Cl 等，從各個元素所占的質(zhì)量百分比情況可見，C、O、Al 3 種元素占比較大，其他元素含量較低，其中Na 和Cl 元素占比較低。

圖6 單釘鋁合金螺栓連接件螺母腐蝕區(qū)域SEM 和EDS 分析結(jié)果

2.3 力學(xué)試驗結(jié)果

從以上分析結(jié)果中可知，戶外大氣自然環(huán)境試驗對復(fù)合材料連接件的表面形貌影響較大，如緊固件腐蝕嚴(yán)重、復(fù)合材料層板表面老化等，上述變化對復(fù)合材料連接件的承載能力的影響作用需要進(jìn)一步地研究分析。為了分析研究這一變化對復(fù)合材料連接件的影響作用，對戶外大氣自然環(huán)境試驗前后的連接件的擠壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，位移-載荷曲線如圖7 所示。從圖7中可以看出，試驗前后連接件的位移-載荷曲線變化趨勢基本一致，其承載極限無明顯的變化。

圖7 單釘鋁合金螺栓連接件自然暴露前后擠壓位移-載荷曲線

對擠壓試驗后的樣件的斷口進(jìn)行分析，其宏觀斷口如圖8 所示。從圖8a 和8b 的對比中可以看出，自然暴露試驗前后，連接件的斷裂方式一致，均為螺栓的剪切破壞引起的，釘孔尺寸無明顯的變化，表明復(fù)合材料層板的抗擠壓強(qiáng)度高。另外，從圖8b中可以看出，螺母與復(fù)合材料層合板接觸面的表面陽極氧化層顏色與初始狀態(tài)基本一致，接觸面未發(fā)生明顯的腐蝕。

圖8 單釘鋁合金螺栓連接件自然暴露前后擠壓試驗后的斷裂形貌

3 分析及討論

3.1 鋁合金緊固件的腐蝕

復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)由鋁合金螺栓和復(fù)合材料層合板組成，由于鋁合金緊固件和復(fù)合材料層板存在較大的電位差，同時暴露場內(nèi)的濕度較大，并且空氣中Cl-含量較高，存在腐蝕介質(zhì)，因此可以形成電偶腐蝕條件，其中碳纖維層合板為陰極，鋁合金緊固件為陽極。在腐蝕介質(zhì)的影響下，碳纖維表面溶解氧發(fā)生還原過程[9]，反應(yīng)式為：O+H2O+4e→4OH-；鋁合金發(fā)生腐蝕，表面失去電子發(fā)生溶解反應(yīng)，形成氧化物或氫氧化物，其反應(yīng)式可以表示為：Al→Al3++3e。因此，鋁合金緊固件表面EDS分析結(jié)果顯示，表面形成大量的鋁氧產(chǎn)物。

3.2 纖維剝落問題

復(fù)合材料在戶外暴露過程中，受陽光、溫度和濕度等環(huán)境因素的綜合作用，暴露場位于北緯16°52′，距離赤道較近，其太陽輻射能量高，光照中的紅外部分對復(fù)合材料表面起溫升效應(yīng)，導(dǎo)致材料表面溫度升高，在陽光直射條件下，當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時，復(fù)合材料表面的溫度可以達(dá)到85 ℃，該溫度可加速復(fù)合材料表面基體的熱氧老化過程；陽光中的紫外線對基體樹脂的影響較大，光照可使復(fù)合材料中的基體發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致基體樹脂高分子鏈段發(fā)生斷裂，小分子鏈段流失導(dǎo)致復(fù)合材料表面基體包覆纖維的能力明顯地降低，導(dǎo)致纖維發(fā)生剝離現(xiàn)象。同時暴露場內(nèi)，白天由于太陽輻射的存在，樣品表面處于干燥狀態(tài)，晚間由于暴露場內(nèi)的濕氣較大，樣品不斷地處于干濕交替的過程中，樹脂吸濕膨脹，脫濕收縮，復(fù)合材料界面在干濕交替的過程中，其界面應(yīng)力不斷地發(fā)生變化，當(dāng)其低于界面結(jié)合強(qiáng)度時，纖維即發(fā)生脫粘。

3.3 力學(xué)性能分析

復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和失效主要受到復(fù)合材料內(nèi)部損傷累積、緊固件強(qiáng)度和載荷的影響，有7 種失效模式，包括層合板的拉伸、剪切、擠壓、拉劈、拉脫破壞、緊固件的剪切和彎曲破壞[10-11]。連接結(jié)構(gòu)發(fā)生何種失效模式，主要取決于緊固件螺栓的剪切強(qiáng)度與層合板的各種強(qiáng)度之間的比較，當(dāng)螺栓剪切強(qiáng)度低于復(fù)合材料層板的強(qiáng)度時，結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞；當(dāng)緊固件剪切強(qiáng)度高于復(fù)合材料層板的強(qiáng)度時，發(fā)生復(fù)合材料層合板破壞。本試驗中復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)在熱帶海洋大氣自然環(huán)境暴露前后，承載能力無明顯的變化，其失效模式均為緊固件的剪切破壞。表明復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的緊固件表面發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，層合板表面發(fā)生纖維剝落，但是這種損傷主要為表面損傷，螺栓和層合板內(nèi)部并為產(chǎn)生損傷，因此對其力學(xué)性能影響較小。

4 結(jié)束語

為了評價鋁合金螺接復(fù)合材料連接件的海洋環(huán)境適應(yīng)性水平，選取典型的鋁合金螺接復(fù)合材料連接件開展熱帶海洋戶外大氣自然環(huán)境試驗，收集其環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)并分析其成因。結(jié)論如下：

1）具有高溫、高濕和高鹽霧沉降率和強(qiáng)太陽輻射的熱帶海洋大氣環(huán)境可快速地評價鋁合金螺接復(fù)合材料連接件的腐蝕薄弱環(huán)節(jié)，戶外暴露3 個月后，螺栓表面即出現(xiàn)輕微腐蝕；

2）鋁合金螺接復(fù)合材料連接件經(jīng)戶外暴露2年后，鋁合金緊固件發(fā)射嚴(yán)重的腐蝕，復(fù)合材料層合板表面光澤發(fā)生明顯的變化，并伴有大量的纖維剝落現(xiàn)象；

3）自然環(huán)境試驗前后，復(fù)合材料連接件的力學(xué)性能變化不明顯，其破壞模式均為鋁合金螺栓的剪切破壞。