復合材料膠接結構濕態鉚接對界面性能的影響研究

王艷麗，項國輝，陳博毅，鄭 艦

（1.航空工業洪都，江西 南昌，330024；2.空裝駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌，330095）

0 引言

復合材料可實現一定程度上整體化成型,被廣泛應用于航空航天及汽車等多個領域,但復合材料結構仍不可避免地需要與其他部件連接,復合材料連接技術經歷了機械連接、膠接連接和混合連接三個發展階段。其中，機械連接具有連接強度高、便于拆卸維修、抗沖擊性能好及可靠性高等優點，但同時存在鉆孔導致的應力集中、連接件增重及連接效率低等問題[1]。相比于機械連接，膠接連接具有耐疲勞、耐腐蝕、質量輕、絕緣性好、不產生制孔后的應力集中以及容易實現膠接一體化等優點[1,2]。但膠接強度受結構參數及膠接工藝的影響，其中結構參數包括膠層厚度、膠接長度、結構鋪層等，膠接工藝包括膠粘劑選擇、表面處理方式、環境條件及接頭形式等，影響因素較多,導致膠接強度分散性較大[1]。

因機械連接與膠接存在各自的優缺點，為進一步提高結構連接的性能可靠性及穩定性，出現了多種新型連接方式，其中膠/鉚混合連接結合了機械連接的負載優勢與膠接的輕質高強，能傳遞更大載荷且載荷傳遞路徑多[3]，能保證一定的接頭密封性。膠/鉚混合連接相對于單純的膠接連接，可阻止裂紋的擴展，具有較高的抗疲勞強度[1]，相對于單純的機械連接，又可減小制孔處的應力集中，故成為未來復合材料連接結構重要的發展方向。

在膠/鉚混合連接的前提下，為掌握復合材料件與金屬件在膠粘劑不同固化條件下膠接時對其界面性能（剪切強度）的影響，規劃并開展了相應試驗。 結果表明，相對于膠粘劑完全固化后進行制孔鉚接，膠粘劑未完全固化鉚接即濕鉚時，可顯著提高剪切強度，同時縮短制造周期，降低制造成本，為之后相似領域復合材料件與金屬件的連接方式提供一定的參考依據。

1 試驗材料及方案

試驗復合材料件為平板件，預浸料材料型號為UC125/9A16；鋪層角度為[0/0/0/45/-45/0/0/0/45/-45/0/0/90]S，共計26 層，厚度3.12mm；平板上標識0°鋪層方向。 鋁合金試板為平板件，材料為2A12-CZ。 復合材料試板和鋁合金試板的膠接使用室溫固化厚膠層高韌性結構膠粘劑J-135，膠粘劑固化厚度0.2mm。鋁合金試板與復合材料試板膠接前要求表面混酸陽極化處理；復合材料試板與金屬試板搭接長度為50mm；2 個鋼鉚釘HB6319 直徑φ4mm，連接邊距12.5mm，鉚釘間距25mm。剪切強度試驗前需實測并記錄膠接區的長度、寬度和膠層厚度范圍。

試樣制備示意圖見圖1，試樣選用材料及尺寸見表1。

表1 試樣制備材料

圖1 剪切強度試驗件膠接示意圖

試驗環境為室溫干態，溫度23±2℃，相對濕度50%±10%RH。以不大于4mm/min 的速度穩定加載進行剪切試驗。 剪切強度試驗件加載示意圖如圖2。

圖2 剪切試驗加載示意圖

試樣制備分濕鉚、基本固化鉚接和完全固化鉚接三種狀態，考慮到實際工藝方案存在膠粘劑固化狀態的時效性，濕鉚設置一組1.5h 后濕鉚試驗，為鉚接預留操作時間。每種狀態的試樣編號和數量等信息見表2。

表2 試樣制備狀態

1） 濕鉚狀態指按圖1 制2-φ4.1mm 鉚釘孔，再按圖1 和相關要求進行膠接， 然后鉚接，7 天后做剪切強度試驗。

2） 基本固化鉚接狀態指按圖1 和相關要求進行膠接，再在膠接處施接觸壓力進行固定以保證膠層厚度均勻并保持3 天，然后制孔鉚接，7 天后做剪切強度試驗。

3） 完全固化鉚接狀態指按圖1 和相關要求進行膠接，再在膠接處施接觸壓力進行固定以保證膠層厚度均勻并保持7 天，然后制孔鉚接，7 天后做剪切強度試驗。實際剪切試驗過程如圖3 所示。

圖3 實際剪切試驗過程圖

2 試驗結果及分析

處理分析記錄試驗數據，經計算得到各試樣等效剪切強度，見表3，試樣剪切試驗破壞模式如圖4所示。

表3 試樣等效剪切強度

圖4 試樣破壞模式圖

由所有試樣剪切試驗后的形貌分析可知，膠接層一定發生破壞，故破壞模式主要有以下兩種：

1） 膠接層受剪切破壞，鉚釘受剪切彎曲變形；

2） 膠接層受剪切破壞，復材板與鉚釘連接處應力集中發生擠壓破壞。且由編號可知，當破壞模式為鉚釘完全變形時，剪切強度為同小組試樣最低值，為使剪切強度盡可能大，破壞模式應傾向于使復合材料件受鉚釘擠壓破壞。

處理數據得到不同狀態試樣界面性能對比數據見表4。

表4 不同狀態試樣界面性能對比

由表4 可知，對比完全固化鉚接方案，基本固化鉚接方案試樣的平均等效剪切強度提高11.80%，最小等效剪切強度提高17.27%，原因可能是膠粘劑完全固化時再進行鉚接會破壞膠接面的連續性，而未完全固化時進行鉚接，因膠粘劑的粘彈性，具有一定的抗膠接面損傷能力，故剪切強度較完全固化后鉚接有所提升。膠接后立即進行鉚接，因膠粘劑流動性較好，膠粘劑滲透進制孔鉚接面的膠接面積更大，故剪切強度提升50%左右，但因膠粘劑無法定型，存在操作不便等問題。 考慮膠粘劑時效性，在膠接后1.5h 進行鉚接，此時膠粘劑有一定固化度，粘性增大，操作上較立即濕鉚更加方便，但鉚接時易造成膠接面存在氣泡等間隙，破壞膠接面的連續性，故剪切強度較完全固化后鉚接增幅不明顯。綜上所述，基本完全固化鉚接和制孔膠接后1.5h 內鉚接較完全固化后鉚接剪切強度更高，可根據實際工藝操作進行選擇。

3 結語

根據室溫膠接不同固化狀態緊固件安裝界面性能試驗所得數據，對比了完全固化鉚接、基本固化鉚接和濕法鉚接三種方案試樣的等效剪切強度。分析結果表明，基本固化鉚接和濕法鉚接這兩種工藝方案試樣界面剪切性能均優于完全固化鉚接方案。后續結構裝配工藝方案可根據實際施工便利性選擇基本固化鉚接或濕法鉚接提升界面剪切性能，從而替代完全固化鉚接。