铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_(4s)、[0/+45/-45/90]2s和[0/90]_(4s)的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_(4s)时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_(4s),[0/+45/-45/90]2s和[0/90]_(4s)铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂。此外,在冲击载荷作用下,层合板中的±45°铺层变形程度较小具有较强的抗剪切能力,能够有效减轻层合板的冲击损伤,提高接头的抗冲击性能;0°铺层变形程度较大且具有较高的抗拉强度,能够一定程度上减轻胶层与铝合金表面脱粘损伤并提高接头拉伸强度。

氧气等离子体处理对CFRP表面特性及胶接界面力学性能的影响

为改善碳纤维增强复合材料(CFRP)胶接界面力学性能,采用低温氧气等离子体处理设备对CFRP进行表面处理。利用接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)对CFRP表面润湿性、表面能、表面形貌、表面化学组分等进行表征,通过双悬臂梁实验(DCB)对CFRP胶接界面力学性能进行研究。结果表明:随氧气等离子体处理时间从0 s增加至30 s,表面水接触角从97°降至29°,CFRP表面润湿性达到最佳,极性分量占比显著增多;随处理时间的增加,CFRP表面粗糙度和最大高低差降低,形成较多谷峰分布的纳米级沟壑,基体表面积增大;同时,表面C—O和C■O等含氧极性官能团含量明显增加,C—C/C—H和Si—C官能团含量减少,表面污染物得到有效清除和转化;与未处理相比,经氧气等离子体处理20 s后,CFRP胶接界面最大剥离载荷和Ⅰ型断裂韧度分别提高了1.01倍(62.73 N)和1.92倍(649.21 J/m 2)。研究发现,氧气等离子体处理可以显著改善CFRP表面物理化学特性,有利于CFRP与胶黏剂更好的黏结,提高胶接界面剥离强度与韧性。

等离子体表面处理对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)胶接性能及表面特性的影响

为改善碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)表面润湿性能及表面活性,提高其胶接强度,采用旋喷式空气等离子体处理设备对CFRP进行表面处理,通过拉伸试验探究等离子体表面处理距离、处理速度对CFRP胶接性能的影响,并利用接触角测量仪、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)等测试技术,探究等离子体处理对CFRP表面润湿性、表面形貌、表面化学组分等表面特性的影响。结果表明:CFRP表面经等离子体处理后,胶接强度逐渐提高,处理距离h为10mm,处理速度v为2mm/s时,接头强度最大。接头破坏模式从界面破坏转变为混合破坏模式。随等离子体处理距离及速度的降低,复合材料表面水接触角降低,表面自由能及极性分量增加,表面润湿性及吸附性能提高。经等离子体处理后,CFRP表面产生微米级沟壑,表面积增加,但当处理距离较近时,部分表面树脂因等离子体热响应产生损伤,不利于胶接性能的进一步提升。复合材料基体与等离子体中活性粒子相互作用后,表面含氧基团增多,并产生C—O/C—O、C=O/O—C=O等较为活泼的含氧基团,有利于复合材料与胶粘剂形成牢固的化学键合。等离子体处理可以显著提高复合材料表面润湿性、表面活性及胶接性能。

CFRP-铝合金板单、双搭接胶接接头刚度退化机理

使用碳纤维增强复合材料(CFRP)和铝合金在常温下制备不同搭接长度的单、双搭接胶接试验件,探究不同搭接长度下接头拉伸破坏特点与失效形貌。首先,利用电子万能试验机、数字图像相关(DIC)技术和扫描电子显微镜(SEM)进行拉伸试验,获得胶接接头载荷-位移曲线、表面应变分布和破坏形貌。其次,依据试验数据,利用仿真软件建立试验件模型,使用3D Hashin和内聚力模型(CZM)模拟复合材料与胶层的损伤,将仿真结果与试验结果对比,验证仿真模型的有效性,获得胶层和前三层树脂层的破坏形貌。最后,分析试验和仿真结果,对比单、双搭接接头应变分布特点与破坏过程,探究不同搭接长度下单、双搭接接头的失效机理。结果表明:单、双搭接接头应变分布差异较大,单搭接接头因受到剪切与剥离载荷的耦合作用而发生损坏,双搭接接头则受到纯剪切破坏。由于单、双搭接接头在拉伸载荷作用下的应变分布不同,两者的裂纹扩展路径有较大差异。

等离子体处理对AA7075铝合金表面特性及胶接性能的影响

目的改善AA7075铝合金的胶接性能及表面特性,提高胶接强度,研究等离子体处理对AA7075铝合金表面特性的影响。方法采用低温空气等离子体处理设备对AA7075铝合金进行表面处理,改变等离子体处理距离及处理速度,通过胶接及拉伸剪切试验对AA7075铝合金胶接强度进行测试,并利用SEM、AFM、接触角测量仪、FTIR、XPS等对铝合金表面的物化特性进行表征和分析,探究等离子体处理对铝合金胶接性能的影响及机理。结果当等离子体处理距离d为5 mm,速度v为2 mm/s时,AA7075铝合金胶接接头强度最大为14.56 MPa,与丙酮处理及未处理相比,分别提高约80%、200%。接头拉伸载荷位移曲线及破坏形貌表明,接头内聚破坏程度增大,胶粘剂呈内聚破坏形态分布在铝合金两侧。随着处理距离从10 mm降低至5 mm,铝合金表面部分污染物可以有效清除,表面最大高度差从221.8 nm降低至121.6 nm,表面微米级粗糙轮廓增加。同时,表面水接触角从46°降低至26°,表面自由能及极性分量增加,铝合金表面润湿性及表面吸附性能提高。表面FTIR、XPS测试表明,等离子体处理可以改变AA7075铝合金表面C1s、O1s、Al2p、N1s、Mg1s等元素含量占比,表面C—C、C—O和O—C=O基团含量减少,OH、Al—O等极性基团增多,铝合金表面活性明显增加。结论等离子体处理可以显著提高AA7075铝合金胶接强度,胶接接头失效模式由单一界面失效转变为胶粘剂内聚失效。等离子体处理通过改善AA7075铝合金表面润湿、黏附性能,增大粘结面积,同时提高表面极性基团及表面活性,使铝合金与胶粘剂胶接界面形成化学键合作用,从而提高其与胶粘剂界面的粘结强度。

铺层方式对CFRP-Al胶接接头疲劳行为的影响

通过Abaqus建立铺层方式为[0/90]_(4s)、[0/45/−45/90]_(2 s)、[45/−45]_(4 s)的碳纤维增强复合材料(CFRP)-铝合金单搭接胶接接头有限元仿真模型,使用循环内聚力模型(CCZM)模拟胶层的损伤演化过程,通过分析接头的刚度退化、裂纹扩展以及应力分布情况,探究铺层方式对CFRP-铝合金胶接接头疲劳行为的影响。将接头的疲劳寿命试验值与仿真值进行对比,验证该模型的有效性。结果表明:从[0/90]_(4s)到[0/45/−45/90]_(2s)再到[45/−45]_(4 s),随着CFRP层合板中±45°铺层所占比例的增加,接头损伤累积阶段占全部疲劳寿命的比例逐渐减小,疲劳裂纹扩展阶段占比逐渐增加。CFRP-铝合金胶接接头应力主要通过纤维由CFRP端向铝合金端传播,且在±45°铺层的交叉处出现的应力集中破坏了裂纹扩展速率沿搭接宽度方向的均匀性,随着±45°铺层所占比例的增加,接头搭接区域沿宽度方向的中部裂纹扩展速率与两侧区域的裂纹扩展速率差逐渐增大,胶层破坏所呈现的弧度增大。

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明:搭接长度由20mm增加至40mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。

CFRP-铝合金单搭接胶接接头疲劳寿命和失效模式

在室温下制备碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-铝合金单搭接胶接试样。利用电子万能试验机和电液伺服疲劳试验机进行准静态拉伸和拉-拉疲劳试验,基于疲劳试验结果和双参数威布尔分布方法,采用多种函数模型对接头应力-寿命(S-N)曲线进行拟合。同时,利用三维数字图像相关技术(3D digital image correlation,3D-DIC)和SEM等设备,获得接头应变分布云图和失效形貌,揭示CFRP-铝合金胶接接头在循环载荷下的破坏机制。结果表明,幂函数对CFRP-铝合金单搭接胶接接头S-N曲线拟合度最高,相关系数R^(2)为0.987,且接头疲劳寿命随着载荷水平的降低逐渐提高,变异系数逐渐增大。载荷水平为25%和35%失效载荷时,CFRP-铝合金单搭接接头破坏模式主要为胶层内聚破坏和铝合金-胶层界面破坏,且随着载荷水平的升高内聚破坏面积逐渐增加,载荷水平达到75%失效载荷时,CFRP-铝合金单搭接接头只发生胶层内聚破坏。在载荷水平为25%失效载荷下,接头由于内部温度上升主要发生韧性断裂,且随载荷水平上升至75%失效载荷时,接头由于受到较大拉应力逐渐向脆性断裂转变。

纤维铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头拉伸性能影响

为了分析异质材料胶接接头内部典型应力分布规律与刚度退化特点,探究不同铺层方式对异质材料单搭接胶接接头内部应力分布状态影响规律,开展试验和仿真相关研究。首先,制备不同铺层方式的CFRP(carbon fiber reinforce plastic)-铝合金单搭接胶接接头试验件,使用拉伸试验机进行拉伸试验,获得基本试验数据。其次,利用连续损伤模型、3D Hashin失效判据和Cohesive Zone Model研究异质材料胶接接头不同部位典型破坏特点。结果表明,随着复合材料板中0°铺层比例增加,胶接接头极限载荷呈现增加趋势,与之相反接头拉伸位移逐渐缩短。接头铺层方式与载荷方向共同影响胶接接头力学性能,当复合材料板内部各个方向纤维铺层较为均匀时,可以有效降低接头应力集中,载荷方向与铺层纤维方向一致时,可有效提高接头连接强度。复合材料板中0°铺层占比对接头的极限载荷和刚度退化(scalar stiffness degradation,SDEG)影响较大,0°占比越小接头承载能力越弱,接头刚度退化越复杂。

铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响

使用热压罐制备[45/-45]_(4s)、[0/90]_(4s)和[0/45/-45/90]_(2s)三种铺层方式的CFRP层合板,然后在室温下与Al胶接制备出单搭接试样。使用电子万能试验机、数字图像相关法(DIC)和扫描电子显微镜(SEM)等手段测量胶接接头的拉伸载荷-位移曲线和应变分布并观察断口形貌。基于试验数据分析不同铺层方式下CFRP-Al单搭接接头的拉伸性能,研究了铺层方式对CFRP-Al单搭接接头胶接性能的影响和铺层方式胶接接头的破坏机制。结果表明,在拉伸过程中[45/-45]_(4s)试样出现塑性变形阶段其拉伸位移最大,而[0/45/-45/90]_(2s)和[0/90]_(4s)试样的拉伸位移较小且发生了脆性断裂。铺层方式从[45/-45]_(4s)到[0/45/-45/90]_(2s)再到[0/90]_(4s),试样的极限载荷和纤维束断裂数量增加、层间剪切力减小、应变集中程度和分层破坏程度降低。