余海燕 章代昕 楚遵康

摘要：

為了研究碳纖維復合材料（CFRP）膠接接頭對汽車涂裝過程中的高溫高濕環(huán)境的適應(yīng)性，對單搭接CFRP膠接接頭進行了烘烤和加速吸濕實驗，對經(jīng)歷不同濕熱環(huán)境的膠接接頭進行了剪切拉伸和正向拉伸試驗，對連接強度改變及接頭的失效模式演變進行了討論，對環(huán)氧樹脂與聚氨酯兩種膠粘劑連接的接頭對烘烤的適應(yīng)性進行了比較，并研究了在搭接區(qū)域邊緣增加膠瘤對提高連接強度的效果。研究結(jié)果表明：單搭接CFRP膠接接頭的剪切拉伸強度遠高于正向拉伸強度。烘烤處理后CFRP層合板及CFRP膠接接頭的強度不但沒有下降，反而有所提高。DP420環(huán)氧樹脂膠比DP6330聚氨酯膠具有更好的耐烘烤性。吸濕后，CFRP膠接接頭的強度、剛度以及最大斷裂位移出現(xiàn)了減小。接頭的失效模式從膠層內(nèi)聚失效逐漸演變?yōu)榕cCFRP層合板的層間失效。在搭接區(qū)域邊緣增加膠瘤能有效提高CFRP膠接接頭的剪切拉伸強度。

關(guān)鍵詞：碳纖維復合材料；膠接接頭；烘烤；濕熱；連接強度

中圖分類號：TB332;TG49

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.05.015

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Property Evolution of CFRP Laminate Adhesive Joints under

Hygrothermal Environments

YU Haiyan? ZHANG Daixin? CHU Zunkang

School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai，201804

Abstract： In order to study the adaptability of CFRP adhesive joints to the high temperature and high humidity environments in the automobile painting processes， the experiments of baking and accelerated moisture absorption of single lap CFRP adhesive joints were carried out. The shear tensile and normal tensile tests of bonded joints undergoing different environmental tests were performed. The strength changes and failure mode evolution of CFRP adhesive joints were discussed under different environments. The adaptability of the joints bonded by epoxy resin and polyurethane adhesives to baking was compared， and the effects of adding spew fillet at the edge of the lap area on improving the joint strength were studied. The results show that the shear tensile strength of single lap CFRP adhesive joints is much higher than the normal tensile strength. After baking treatment， the strength of CFRP laminates and CFRP adhesive joints are increased instead of decreasing. DP420 epoxy resin adhesive has better baking resistance than that of DP6330 polyurethane adhesive. After moisture absorption， the strength， stiffness and maximum fracture displacement of CFRP adhesive joints are decreased. The failure modes of the joints are gradually evolved from the cohesive failure of the adhesive layers to the inter-laminar failure of the CFRP laminate. For single lap CFRP adhesive joints， adding a spew fillet at the edge of the lap area may effectively enhance the tensile shear strength.

Key words： carbon fiber reinforced plastic（CFRP）； adhesive joint; baking; hygrothermal; joining strength

收稿日期：20230926

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2022YFE0208000）

0? 引言

碳纖維復合材料（carbon fiber reinforced plastic， CFRP）因其質(zhì)量小、強度高及設(shè)計自由度靈活，近些年在汽車零部件中的應(yīng)用越來越廣泛。2021年全球CFRP的使用量達到118 000 t，其中8.1%用于汽車中［1］。目前汽車用CFRP材料主要是環(huán)氧樹脂基體碳纖維層合板，無法采用熔化焊接，故CFRP汽車零部件的連接方式主要采用膠接、機械連接以及兩者的混合連接［2］。其中，膠接具有接頭剛度高、連接區(qū)域應(yīng)力分布更加均勻、更好的防腐性和更優(yōu)的耐疲勞性能等優(yōu)點，成為CFRP汽車零部件的最主要連接方式。但是，CFRP膠接接頭中的CFRP層合板樹脂基體和粘接所用的膠水均屬于聚合物，聚合物材料的一個重要特性就是對溫度和濕度的變化敏感。汽車的涂裝工藝過程中，零部件必須要經(jīng)過至少三次、每次20～30 min的160～200 ℃高溫烘烤，且要經(jīng)過電泳以及多次的沖洗，都是高溫高濕的環(huán)境［3］。服役過程中，高溫高濕也是常見的工作環(huán)境，如汽車行使過程中發(fā)動機艙內(nèi)的溫度可達70～90 ℃；我國福建、臺灣等沿海地區(qū)的年平均氣溫可達21℃以上、年平均相對濕度可達77%。溫度和濕度的改變誘發(fā)CFRP層合板及膠層的力學性能發(fā)生改變，給零部件的服役安全性帶來了隱患，因此開展CFRP膠接接頭在高溫高濕環(huán)境下的力學性能演變規(guī)律及其失效機理的研究對提高CFRP汽車零部件的服役安全性及制定合適的涂裝工藝非常重要。

碳纖維層合板膠接接頭在濕熱環(huán)境下的性能演變——余海燕? 章代昕? 楚遵康

中國機械工程 第35卷 第5期 2024年5月

CFRP復合材料吸濕后發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能變化主要有［4］：①樹脂基體的老化。水分子進入樹脂基體后使基體發(fā)生溶脹、增塑；水分子在基體內(nèi)擴散誘發(fā)微裂紋的產(chǎn)生、加速裂紋的擴展、使基體發(fā)生水解會導致斷鏈和解交聯(lián)。②界面的老化。樹脂基體吸濕量遠大于纖維吸濕量，使基體和纖維的體積膨脹不匹配，導致纖維/基體界面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使界面強度下降；水分子在“毛細作用”下沿界面快速滲透擴散，破壞纖維與基體間的鍵合作用，誘發(fā)微裂紋；水在孔隙、微裂紋和界面脫粘等缺陷中的聚集會削弱界面粘接強度。上述因素作用的最終結(jié)果是削弱CFRP層合板的強度，使層間強度大幅度降低［5］。

對于CFRP膠接接頭，濕與熱不僅會影響CFRP層合板的力學性能，還對膠層的性能以及膠層與層合板粘接界面的狀態(tài)產(chǎn)生影響，導致接頭強度和失效模式發(fā)生改變，因此，高溫高濕對CFRP膠接接頭的影響更加復雜。ZHENG等［6］研究了CFRP/Al膠接接頭在60 ℃/100%RH（相對濕度）濕熱環(huán)境下的失效機理，發(fā)現(xiàn)母材與膠層的界面強度在濕熱環(huán)境中發(fā)生了顯著的下降，由此誘發(fā)了接頭強度的退化。MU等［7］發(fā)現(xiàn)CFRP/Al膠接接頭在20～80 ℃環(huán)境下的靜態(tài)拉伸強度隨著溫度的升高而有不同程度的下降，尤其是在玻璃化溫度附近時下降最為顯著。秦國鋒等［8］研究了23 ℃/100%RH環(huán)境下CFRP/Al膠接接頭在吸濕30天后膠粘劑強度下降了53.7%，CFRP吸濕后表面黏附性下降，易引起粘接界面失效。AROUCHE等［9］研究了CFRP/鋼膠接接頭在室溫海水環(huán)境中浸泡后接頭的強度，發(fā)現(xiàn)海水環(huán)境加劇了粘接界面的老化。MACHADO等［10］發(fā)現(xiàn)50 ℃/100%RH濕熱環(huán)境下CFRP/CFRP膠接接頭的準靜態(tài)剪切拉伸強度和沖擊強度顯著下降，但是CFRP與5754鋁合金的膠接接頭的靜態(tài)拉伸強度與沖擊強度均未明顯下降，認為CFRP/CFRP膠接接頭中CFRP層合板吸濕產(chǎn)生塑化是接頭強度下降的主要原因，而CFRP/Al膠接接頭性能決定于5754鋁合金板的塑性力學性能，CFRP層合板的吸濕對接頭強度無影響。BRITO等［11］研究了CFRP/CFRP膠接接頭在80 ℃/90%RH濕熱環(huán)境下的性能退化。KORTA等［12］研究了CFRP與CFRP、高強度鋼、鋁合金等7種材料組成的膠接接頭在-40 ℃→80 ℃→180 ℃循環(huán)加熱環(huán)境下的性能演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CFRP與其他幾種異質(zhì)材料組成的膠接接頭的強度在循環(huán)濕熱環(huán)境下均發(fā)生了退化，但是CFRP/CFRP膠接接頭卻例外地沒有出現(xiàn)退化，認為出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因有兩方面，一是高溫會使CFRP層合板樹脂基體發(fā)生固化從而提高強度，另一方面濕熱循環(huán)中溫度對接頭性能的影響比濕度產(chǎn)生的影響更為顯著。胡平等［3］通過模擬車身涂裝工藝中環(huán)境溫度和相對濕度的變化，研究了鋼/鋁、鋼/碳纖維膠接接頭的剪切強度變化。黃志超等［13］通過實驗研究了鉚接接頭與膠鉚混合接頭的老化性能，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)膠提高了接頭的抗老化性。

上述研究主要針對實驗室模擬的濕熱環(huán)境，單次加熱溫度在80 ℃以內(nèi)，低于常見CFRP材料的玻璃化溫度，多數(shù)還低于膠粘劑的玻璃化溫度。而汽車涂裝過程中的溫度可達到200 ℃左右，這個溫度不僅高于膠粘劑的玻璃化溫度，也高于CFRP材料的玻璃化溫度。玻璃化溫度是聚合物材料力學性能轉(zhuǎn)變的一個關(guān)鍵參數(shù)，CFRP膠接接頭中的層合板與膠粘劑在高于自身玻璃化溫度的環(huán)境下服役，其性能與在低于玻璃化溫度的環(huán)境中會有較大的差異。目前對汽車涂裝工藝過程中在多次烘烤的高溫高濕環(huán)境下進行CFRP膠接接頭的性能演變規(guī)律方面的研究報道還相對較少。

為此，本文以單搭接CFRP膠接接頭為對象，參考汽車涂裝實驗規(guī)范進行了烘烤實驗和加速吸濕實驗，對膠接接頭的剪切拉伸強度和正向拉伸強度的演變規(guī)律及載荷位移曲線的規(guī)律進行了深入分析，通過斷裂面的微觀形貌對膠接接頭失效模式的演變進行了討論，對環(huán)氧樹脂與聚氨酯兩種膠粘劑連接的接頭對烘烤的適應(yīng)性進行了比較，并研究了在搭接區(qū)域邊緣增加膠瘤對提高連接強度的效果，以期為CFRP汽車零部件的連接設(shè)計提供參考。

1? 實驗

1.1? 材料

本文所使用的CFRP層合板的碳纖維原絲為臺灣省臺麗公司生產(chǎn)的T300 3K碳纖維絲，基體采用改性熱固性環(huán)氧樹脂，固化溫度為140 ℃，樹脂所占體積分數(shù)為30%。CFRP層合板采用模壓工藝生產(chǎn)。碳纖維層合板由13個鋪層組成，包括表層的0°/90°正交斜紋編織布和內(nèi)部11層的單向預浸布，內(nèi)部鋪層結(jié)構(gòu)為［0/+45/-45/90/

0/

90/0/90/-45/+45/0］，CFRP層合板的厚度為2 mm。表1所示為碳纖維單向帶的基本力學性能，其中E1、E2分別為纖維方向和基體方向（與纖維方向垂直）的彈性模量，σ1、σ2分別為纖維方向和基體方向的抗拉強度，G12為面內(nèi)剪切模量，ν為主泊松比。為分析膠水類型對烘烤的適應(yīng)性，在烘烤實驗中膠接接頭選用了環(huán)氧樹脂膠DP420和聚氨酯膠DP6330兩種膠水，均為3M公司生產(chǎn)。兩種膠粘劑的基本性能參數(shù)如表2所示。

1.2? 剪切拉伸

依據(jù)國家標準GB/T 33334—2016［14］制作單搭接CFRP膠接剪切拉伸試樣。如圖1所示，單搭接膠接試樣由兩片完全相同的CFRP層合板粘接而成，搭接區(qū)域尺寸為36 mm×36 mm。膠層厚度為0.2 mm，通過嵌入直徑為0.2 mm的鋼絲來控制膠層厚度。膠接中首先對試樣表面進行打磨，然后采用丙酮清洗。采用定量膠槍涂膠，涂膠后將接頭固定避免兩料片發(fā)生相對運動，

在室溫中放置72 h以確保其充分固化。

單搭接試樣由于兩片母材在板厚方向存在一個厚度差，易引起載荷偏心及二次彎曲現(xiàn)象。為此，在試樣兩側(cè)加上鋁合金金剛砂布摩擦式墊片，使墊片厚度與兩側(cè)母材一致。

單向拉伸試驗在MTS E45型萬能試驗機上進行。橫梁加載速度為1 mm/min。采用西安新拓三維有限公司生產(chǎn)的DIC系統(tǒng)測量試樣的變形和應(yīng)變。應(yīng)變測量精度為0.005%，位移測量精度為0.01 pixel，圖像采集頻率設(shè)置為5 Hz。

1.3? 十字形搭接正向拉伸

在工程實際中，接頭還需要承擔垂直于母材平面方向的載荷（即正向拉伸），如圖2所示。試樣的制作流程可參考金屬點焊接頭的實驗標準ISO14272［15］，由兩片矩形的料片垂直交叉連接而成，相交角度為90SymbolpB@。試樣的寬度為40 mm、長度為120 mm。每塊母材兩端有兩個孔，試樣通過這兩個孔與夾具相連。為了減少母材的彎曲，兩孔的間距應(yīng)盡可能小，同時考慮孔間強度，將孔間距設(shè)為2倍的板寬度（即80 mm）。涂膠區(qū)域為兩片母材搭接重疊區(qū)域。

1.4? 烘烤實驗

高溫烘烤是多材料混合車身涂裝過程中的一種常見環(huán)境，為研究CFRP膠接接頭對烘烤環(huán)境的適應(yīng)性，參考乘用車涂裝工藝的涂三層烘三次的工藝體系，所制定的烘烤加熱方案如下：首先從室溫加載到180 ℃并保溫30 min，然后強制風冷至室溫；第二次從室溫加熱至165 ℃并保溫20 min，強制風冷至室溫；第三次從室溫加熱到150 ℃并保溫20 min，自然風冷至室溫。經(jīng)過烘烤加熱的試樣在室溫下放置24 h后進行單向拉伸試驗。試樣尺寸與圖1中相同。每次單向拉伸試驗準備7個重復試樣，然后去掉最大值與最小值，取余下5個試樣的平均值計算該接頭的性能指標。烘烤實驗箱采用電阻加熱的DHG 101-3環(huán)境實驗箱，實驗箱最高工作溫度可達300 ℃，溫度控制精度為± 0.5 ℃。

1.5? 吸濕實驗

由于尚未有汽車用復合材料的吸濕標準，本文參考航空標準HB 7401—2021［16］設(shè)計CFRP層合板的吸濕實驗。采用25 mm×200 mm的矩形試樣，試樣長度方向與纖維長度方向一致。加速吸濕實驗在一個恒溫環(huán)境箱中進行，實驗前先對試樣進行干燥，并記錄此時的質(zhì)量作為初始干態(tài)質(zhì)量。然后將試樣置于盛有蒸餾水的恒溫環(huán)境箱中，本文采用的是深圳力通科技有限公司生產(chǎn)的HX-HH420實驗箱，其溫度最高可達100 ℃，精度為0.1 ℃。定期對試樣進行稱重，若連續(xù)三個測量周期的質(zhì)量變化小于0.02%，則表明此時試樣達到吸水飽和狀態(tài)，并停止吸濕實驗。為防止試樣水分蒸發(fā)，將吸濕飽和的試樣用濕布包裹。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 膠接強度

圖3a、圖3b所示分別為CFRP/CFRP單搭接和十字形搭接膠接接頭在剪切拉伸和正向拉伸過程中所承受的最大載荷。由圖3a可見，單搭接膠接接頭的剪切拉伸最大載荷平均值為18.9 kN，該值除以承載面積36 mm×36 mm，可得剪切拉伸強度為14.6 MPa。由圖3b可見，接頭的正向拉伸最大載荷平均值為2.4 kN，平均正拉強度為1.5 MPa，遠低于剪切拉伸強度，

這也是膠接接頭的弱勢。由此可知，對于重要承載件，CFRP的連接多采用膠接與鉚接、膠接與螺栓連接的復合連接。

2.2? 烘烤與吸濕對CFRP層合板力學性能的影響

圖4所示為吸濕飽和后與烘烤處理后CFRP層合板的斷裂伸長率、彈性模量、抗拉強度的變化。由圖4可得：與未處理時相比，吸濕后CFRP層合板的斷裂伸長率下降約8%，抗拉強度下降約16%，彈性模量下降約10%。這是因為環(huán)氧樹脂內(nèi)部的極性官能團會與水分子發(fā)生水解反應(yīng)，同時樹脂中的部分可溶性雜質(zhì)會溶于水中，導致樹脂與纖維的交界處出現(xiàn)孔洞，宏觀上則表現(xiàn)為抗拉強度、彈性模量的減小，以及基體韌性的降低［17］。與未處理時相比，烘烤后CFRP層合板的斷裂延伸率、抗拉強度略有提高，彈性模量基本不變，這是由于烘烤誘發(fā)了樹脂基體的二次固化，使得層合板的強度和韌性得到了提高。

2.3? 烘烤和吸濕對CFRP膠接接頭強度的影響

2.3.1? 烘烤的影響

圖5所示為兩種膠粘劑連接的CFRP膠接接頭烘烤前后的剪切拉伸強度對比，可見環(huán)氧樹脂膠粘接的接頭在烘烤后剪切拉伸強度不但沒有降低反而提高約7%。而聚氨酯膠粘接的接頭在烘烤后剪切拉伸強度降低約22%。烘烤前，兩種膠水粘接的接頭強度為22.58 MPa和21.11 MPa，非常接近，但烘烤后接頭強度差異較大，聚氨酯膠粘接的接頭的剪切拉伸強度僅為環(huán)氧樹脂膠接接頭的剪切拉伸強度的69%。這說明聚氨酯膠對烘烤過程中的高溫比較敏感。

為了進一步分析環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠與聚氨酯結(jié)構(gòu)膠對烘烤處理的敏感性，分別選擇兩個代表試樣，對其剪切拉伸載荷位移曲線特征進行分析。圖6a為環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠DP420粘接的CFRP膠接接頭烘烤前后的剪切拉伸載荷位移曲線，可見在承載初期的彈性階段，烘烤后接頭剛度稍有降低，而且隨著加載的進行剛度下降趨勢逐漸顯著。但是烘烤后，接頭的剪切拉伸強度增大且韌性也得到明顯提高，斷裂伸長率提高約70%。這是由于烘烤過程中的短時高溫使膠粘劑發(fā)生了二次固化，消除了首次固化時存在的缺陷，平衡了因固化不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力［18］。烘烤后的曲線還出現(xiàn)了塑性變形段，這是由于烘烤不僅使膠層發(fā)生二次固化，也會使CFRP層合板中的環(huán)氧樹脂基體發(fā)生二次固化，從而使基體表現(xiàn)出一定程度上的韌性，因此提高了接頭整體的塑性變形能力。圖6b為聚氨酯結(jié)構(gòu)膠DP6330粘接的CFRP膠接接頭在烘烤前后的剪切拉伸載荷位移曲線，可見烘烤后的接頭等效拉伸剛度低于烘烤前的剛度，且隨著載荷的增大，烘烤后的接頭等效拉伸剛度退化加劇，退化趨勢顯著高于圖6a中的趨勢。經(jīng)過烘烤，最終斷裂伸長率約提高50%，但是接頭剪切拉伸強度卻沒有提高，反而下降了21.6%，這說明烘烤過程中聚氨酯結(jié)構(gòu)膠的強度發(fā)生了退化，經(jīng)過烘烤，兩種膠粘劑連接的接頭均表現(xiàn)出了接頭等效剛度下降的現(xiàn)象，主要原因同樣是烘烤使得CFRP層合板發(fā)生了二次固化，使接頭整體的韌性得到了提高。而且接頭中CFRP層合板的體積遠大于膠層的體積，CFRP層合板二次固化的效果更加顯著，這是主要因素，因此圖6b中即使烘烤后強度下降但等效剛度仍然下降。綜上所述，烘烤使環(huán)氧樹脂膠連接的接頭強度有所增大，延伸率顯著提高，等效剛度下降，而聚氨酯膠連接的接頭強度下降，延伸率顯著提高，等效剛度下降。這在結(jié)構(gòu)膠選擇時需要加以考慮。

2.3.2? 吸濕的影響

將未吸濕、吸濕6天、吸濕12天、吸濕18天后CFRP膠接接頭的剪切拉伸載荷位移曲線進行對比，如圖7a所示，可見隨著吸濕時間的增加，曲線斜率和最高點逐漸下降，這說明接頭的強度和剛度均發(fā)生了不同程度的退化。未吸濕時CFRP膠接接頭的剪切拉伸最大載荷為18.9 kN，在吸濕后6天、12天、18天分別下降至17.97 kN、16.25 kN、13.25 kN，相對于未吸濕接頭的剪切拉伸最大載荷，分別減小了4.92%、14.02%和29.89%，可見強度下降速度隨吸濕時間的增加而增大。并且在最后6天內(nèi)因吸濕而導致的接頭剪切拉伸強度下降幅度超過前12天的剪切拉伸強度下降幅度之和，如圖7b所示。

吸濕后接頭剛度下降的主要原因是CFRP層合板本身的彈性模量在降低，如圖 4所示。雖然膠層也會因吸濕而發(fā)生剛度下降，但是由于膠層厚度較小，

從體積和幾何尺寸上膠層在整個接頭中所占比例均較小，因此其吸濕量很小，其剛度的下降對接頭強度的退化的貢獻率很小。從斷裂時位移來看，CFRP膠接接頭在未吸濕、吸濕6天、吸濕12天和吸濕18天后斷裂位移分別為0.267 mm、0.25 mm、0.229 mm、0.218 mm，與未吸濕時的接頭相比，吸濕6天、12天和18天后接頭斷裂位移分別減小了6.36%、14.23%、18.35%，該值遠大于CFRP層合板吸濕后的斷裂位移下降比例1.4%。決定CFRP膠接接頭的力學性能主要有三個主要因素：層合板的性能、膠層的性能、膠層與層合板界面的強度。由于膠層在幾何尺寸和質(zhì)量上均占比很小，其吸濕量很小，其強度和韌性的下降對接頭強度的退化的貢獻率很小，因此，膠層與層合板界面強度的下降是CFRP膠接接頭強度和韌性退化的一個主要因素。CFRP層合板與膠層界面強度下降的宏觀表現(xiàn)為接頭失效模式的改變。

2.4? 失效機理

2.4.1? 初始狀態(tài)接頭的失效

圖8所示為初始狀態(tài)CFRP膠接接頭在剪切拉伸中的斷裂面形貌，上下圖所示為同一接頭的兩片母材上的搭接區(qū)域形貌。其中1號、2號、5號接頭失效后膠層分別處于兩片母材上，且斷裂表面比較不規(guī)則，這說明其主要失效模式為膠層在剪切拉伸過程中發(fā)生了剪切失效，即膠層內(nèi)聚失效。3號接頭斷裂界面上可看到有大塊膠層位于其中一塊母材上，而與其接觸的另一塊母材粘接面平整光滑看不出膠層的殘留，這是典型的界面失效特征。4號接頭斷裂面上可看到明顯的母材鋪層斷裂，這說明發(fā)生了母材剝離失效。

膠接接頭在剪切拉伸變形中的失效形式有膠層失效、界面失效、母材內(nèi)聚失效，其中膠層內(nèi)聚失效為主要失效模式。接頭以何種模式失效主要取決于膠層內(nèi)聚強度、母材自身強度、粘接界面強度三者之間的相對強弱。圖8中的主要失效模式為膠層內(nèi)聚失效，說明本文所研究試樣中的膠層內(nèi)聚強度低于CFRP層合板自身強度。

圖9所示為十字形搭接的CFRP膠接接頭承受正向拉伸載荷時的斷裂形貌。其中1號接頭、3號接頭、4號接頭、5號接頭的斷裂面上可看到大塊的膠層，且與之配合的另一塊母材粘接面上沒有膠層，這說明發(fā)生了界面失效。2號接頭具有典型的膠層失效特征，靠近邊緣區(qū)域

有小部分的界面失效。由此可知，十字形搭接CFRP膠接接頭在承受正向拉伸載荷時的主要失效模式為界面失效。對于復合材料膠接接頭，其粘接界面強度遠低于膠層的內(nèi)聚強度以及層合板自身的強度，因此CFRP膠接接頭的正向拉伸強度遠低于剪切拉伸強度，這與圖 3a和圖3b中的數(shù)據(jù)規(guī)律相同。

2.4.2? 烘烤后的失效

圖10a和圖10b所示分別為烘烤后的兩種CFRP膠接接頭在剪切拉伸過程中的斷裂面形貌。與圖8相比，烘烤前CFRP膠接接頭的主要失效模式是膠層內(nèi)聚失效，烘烤后則以母材失效為主要失效模式，斷裂面上出現(xiàn)了母材鋪層的剝離。這是由于環(huán)氧樹脂膠在烘烤過程中發(fā)生了二次固化，固化后膠層內(nèi)聚強度得到提高。同時由圖4可知，烘烤過程中CFRP層合板自身強度也略有增大，這說明烘烤過程中環(huán)氧樹脂膠粘劑DP420的強度增大幅度顯著高于CFRP母材自身強度的增大幅度，使得烘烤后接頭中CFRP層合板自身強度低于膠層內(nèi)聚強度，失效模式由烘烤前的膠層內(nèi)聚失效變?yōu)楹婵竞蟮哪覆氖?。由圖10b可看到膠層同時出現(xiàn)在兩斷裂面上，因此烘烤后主要是膠層的內(nèi)聚失效。這也證明了聚氨酯膠粘劑連接的CFRP接頭膠接強度下降的原因在于，烘烤使聚氨酯膠粘劑的內(nèi)聚強度發(fā)生了退化，而CFRP層合板自身的強度在烘烤中還略有增大，導致烘烤后接頭中膠層的內(nèi)聚強度仍然低于CFRP母材自身強度，從而表現(xiàn)為膠層內(nèi)聚失效。由此可知，對于需要經(jīng)過電泳烘烤工藝的CFRP零件，可以選擇環(huán)氧樹脂類膠水進行粘接，而聚氨酯膠粘劑由于其烘烤后性能衰減過大而應(yīng)慎重采用。

2.4.3? 吸濕后的失效

圖11所示為經(jīng)過不同時間吸濕后的CFRP膠接接頭在剪切拉伸中的失效形貌。吸濕6天與12天的CFRP膠接接頭在斷裂面同時有膠層存在，這說明主要失效模式仍為膠層內(nèi)聚失效，伴有少量母材剝離失效。而吸濕18天后膠接接頭的斷裂面上出現(xiàn)了大量45°方向的CFRP鋪層斷裂，這說明失效模式為母材失效。經(jīng)過18天的吸濕，CFRP膠接接頭在承擔剪切拉伸載荷時，其失效模式由膠層內(nèi)聚失效轉(zhuǎn)變?yōu)槟覆氖А?/p>

2.5? 膠瘤對CFRP膠接強度的影響

單搭接CFRP膠接接頭在承受剪切拉伸載荷時，膠層邊緣處（即圖12a所示的A1、A2點處）易發(fā)生應(yīng)力集中。此處之所以產(chǎn)生應(yīng)力集中主要有兩個方面原因，一是因為膠層和母材結(jié)構(gòu)發(fā)生了幾何突變，二是單搭接接頭在承受剪切拉伸載荷時，接頭區(qū)域除了承受拉伸載荷外，還會受到由于載荷偏心而引起的二次彎曲。本文實驗中在試樣兩端加上了墊片以減少偏心載荷影響，為了提高墊片相對于CFRP母材的貼合性，所用墊片比母材CFRP層合板偏軟。這樣單搭接試樣還是不可避免地會產(chǎn)生二次彎曲現(xiàn)象。為了減少此處應(yīng)力集中、提高單搭接CFRP膠接接頭的強度，在母材搭接區(qū)域兩側(cè)邊緣增加了圖12b所示的膠瘤，膠瘤形狀類似一個直角等腰三角形，其直邊長度等于CFRP層合板厚度（2 mm）與膠層厚度（0.2 mm）之和（即2.2 mm）。試樣制作過程中通過定量膠槍和刮片來控制膠瘤的形狀和尺寸。

圖13所示為有無膠瘤的單搭接CFRP膠接接頭的剪切拉伸最大載荷對比，有膠瘤的接頭最大載荷平均值為20.84 kN，比無膠瘤試樣的剪切拉伸最大載荷高出10.3%。圖14為有無膠瘤的CFRP膠接接頭的剪切拉伸載荷位移曲線，

其中位移測量段的標距為60 mm，由圖可見兩接頭在承載初期的彈性階段曲線斜率基本一致，主要不同點在于有膠瘤的試樣進入塑性階段時的載荷更大，試樣斷裂前所容許的最大位移也更大，且最大位移增大了46%，這是因為膠瘤的存在有效延緩了膠層的初始裂紋發(fā)生。

圖15a、圖15b所示分別為DIC系統(tǒng)測量的有無膠瘤的膠接接頭在19.2 kN拉伸載荷下垂直于試樣平面方向的位移（即接頭搭接區(qū)域平面的法向位移），可見有無膠瘤的接頭最大法向位移分別為0.812 mm和0.828 mm，有膠瘤試樣的面法向位移更小，這說明膠瘤的存在可減小單搭接接頭的二次彎曲程度。

3? 結(jié)論

對單搭接碳纖維復合材料（CFRP）膠接接頭進行了常溫、烘烤和加速吸濕實驗，分析了接頭在上述環(huán)境下的剪切拉伸強度、正向拉伸強度及其失效模式，比較了兩種類型膠粘劑連接的CFRP接頭對烘烤的適應(yīng)性，并研究了膠瘤對提高CFRP膠接強度的作用，得出如下主要結(jié)論：

（1）單搭接CFRP膠接接頭的剪切拉伸強度遠高于正向拉伸強度。

（2）烘烤處理后CFRP層合板及CFRP膠接接頭的強度不但沒有下降，反而有所提高，這是因為烘烤使得CFRP層合板及膠接接頭中的環(huán)氧樹脂發(fā)生了二次固化。DP420環(huán)氧樹脂膠水比DP6330聚氨酯膠水具有更好的耐烘烤性。

（3）吸濕后，CFRP層合板的彈性模量、延伸率和抗拉強度均發(fā)生了下降。CFRP膠接接頭吸濕后強度、剛度以及最大斷裂位移也發(fā)生了下降。接頭的失效模式從膠層內(nèi)聚失效逐漸演變?yōu)镃FRP層合板母材失效。

參考文獻：

［1］? 林剛， CINTE21.構(gòu)建“硬科技”優(yōu)勢——2021全球碳纖維復合材料市場報告［J］. 紡織科學研究， 2022（5）：46-66.

LIN Gang， CINTE21. Building the Advantages of “Hard Technology”—2021 Global Carbon Fiber Composite Market Report［J］. Textile Science Research， 2022（5）：46-66.

［2］? SORRENTINO L， PARODO G， TURCHETTA S. CFRP Laser Texturing to Increase the Adhesive Bonding：Morphological Analysis of Treated Surfaces［J］. Journal of Adhesion， 2021， 97（14）：1322-1335.

［3］? 胡平，韓嘯，李偉東，等.考慮汽車車身涂裝工藝影響的非平衡膠接接頭強度［J］.機械工程學報， 2012， 48（20）：93-102.

HU Ping， HAN Xiao， LI Weidong， et al. Influence of Automobile Body Coating Process on the Strength of Unbalanced Adhesive Joints［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2012， 48（20）：93-102.

［4］? ATTUKUR N R， GIN B C， NARASIMALU S. An Empirical Model to Predict the Strength Degradation of the Hygrothermal Aged CFRP Material［J］. Composite Structures， 2020， 236：15.

［5］? TSERPES K， TZATZADAKIS V， KATSIROPOULOS C. Effect of Hygrothermal Ageing on the Interlaminar Shear Strength of Carbon Fiber-reinforced Rosin-based Epoxy Bio-composites［J］. Composite Structures， 2019， 226：579-589.

［6］? ZHENG Gang， HE Zongkai， WANG Kai， et al. On Failure Mechanisms in CFRP/Al Adhesive Joints after Hygrothermal Aging Degradation Following by Mechanical Tests［J］. Thin-Walled Structures， 2021， 158：107184.

［7］? MU Wenlong， XU Qianhui， NA Jingxin， et al. Influence of Temperature and Humidity on the Fatigue Behaviour of Adhesively Bonded CFRP/ Aluminium Alloy Joints［J］. Journal of Adhesion， 2022，98（10）：1358-1376.

［8］? 秦國鋒，糜沛紋，那景新. 膠粘劑和CFRP吸濕對復合材料粘接接頭失效的影響［J］.交通運輸工程學報. 2021， 21（5）：149-160.

QIN Guofeng， MI Peiwen， NA Jingxin. Effect of Moisture Absorption of Adhesive and CFRP on the Filure of Composite Material Adhesive Joints［J］. Journal of Traffic and Transportation Engineering. 2021， 21（5）：149-160.

［9］? AROUCHE M M， BUDHE S， ALVES L A， et al. Effect of Moisture on the Adhesion of CFRP-to-steel Bonded Joints Using Peel Test［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2018， 40：10.

［10］? MACHADO J M， MARQUES E S， BARBOSA A Q， et al. Influence of Hygrothermal Aging on the Quasi-static and Impact Behavior of Single Lap Joints Using CFRP and Aluminum Substrates［J］. Mechanics of Advanced Materials and Structures， 2021，28（13）：1377-1388.

［11］? BRITO C B G， SALES R C M， DONADON M V. Effects of Temperature and Moisture on the Fracture Behaviour of Composite Adhesive Joints［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives， 2020， 100：102607.

［12］? KORTA J， MLYNIEC A， UHL T. Experimental and Numerical Study on the Effect of Humidity-temperature Cycling on Structural Multi-material Adhesive Joints［J］. Composites， Part B：Engineering， 2015， 79：621-630.

［13］? 黃志超， 胡兆驍， 劉帥紅，等. SPFC440鋼/5052鋁自沖鉚接頭與膠鉚復合接頭腐蝕性能對比［J］. 中國機械工程， 2022， 33（11）：1345-1352.

HUANG Zhichao， HU Zhaoxiao， LIU Shuai-hong， et al. Comparison of Corrosion Properties of SPFC440 Steel /5052 Aluminum Self-piercing Riveting Joints and Adhesive Bond-riveted Hybrid Joints［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（11）：1345-1352.

［14］? 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 33334—2016 膠粘劑單搭接拉伸剪切強度試驗方法（復合材料對復合材料）［S］. 北京：中國標準出版社， 2016.

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the Peoples Republic of China， Standardization Administration of the Peoples Republic of China. GB/T 33334—2016 Test Method for Strength Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading of Single-lap-joint Laminated Assemblies （Composite and Composite）［S］. Beijing：Standards Press of China， 2016.

［15］? International Organization for Standardization. ISO 14272：2016 Resistance Welding-destructive Testing of Welds-specimen Dimensions and Procedure for Cross Tension Testing of Resistance Spot and Embossed Projection Welds［S］. Geneva：ISO Copyright Office， 2016.

［16］? 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. HB 7401—2021 航空用聚合物基復合材料吸濕試驗方法［S］.北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部， 2021.

Ministry of Industry and Information Techonology of the Peoples Republic of China. HB 7401—2021 Tset Method for Moisture Absorption of Aviation Polymer Matrix Composite［S］. Beijing：Ministry of Industry and Information Techonology of the Peoples Republic of China， 2021.

［17］? 馮振宇，解江，遲琪琳，等.濕熱環(huán)境對復合材料單向板拉伸性能的影響［J］.高分子材料科學與工程， 2018， 34（11）：37-43.

FENG Zhenyu， XIE Jiang， CHI Qilin， et al. Influence of Hygrothermal Environment on Tensile Property of Unidirectional Composite Laminates［J］. Polymeric Materials Science and Engineering， 2018， 34 （11）：37-43.

［18］? GARG A， CHALAK H D. A Review on Analysis of Laminated Composite and Sandwich Structures under Hygrothermal Conditions［J］. Thin-Walled Structures， 2019， 142：205-226.

（編輯? 胡佳慧）

作者簡介：

余海燕，女，1976年生，教授、博士研究生導師。研究方向為汽車輕量化。發(fā)表論文100余篇。E-mail：yuhaiyan@#edu.cn。