高低温老化对碳纤维增强复合材料层间力学性能的影响

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)层间力学性能在温度环境中的老化失效行为,设计了CFRP层间拉伸、层间剪切和弯曲实验,选取高温(80℃)、低温(-40℃)和高低温循环(-40℃～80℃)3种老化环境,分别进行0(未老化)、5、10、15、20、25、30天的老化实验,采用傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)和差示扫描量热法(DSC),对CFRP老化前、后的化学成分变化和玻璃态转换温度(Tg)进行测试分析,并测试分析了CFRP层间失效强度随老化时间的变化规律,通过宏观断面和微观分析揭示层间性能的老化作用机理。结果表明:在高温和高低温循环老化作用下,通过FTIR发现CFRP官能团的变化趋势和程度大致相同,并且通过DSC发现CFRP老化后发生了化学键的断裂。高温和高低温循环老化后CFRP层间力学性能总体上发生了一定程度的退化,且衰减幅度比较接近,发现CFRP撕裂主要是纤维/基体界面开裂引起的,纤维发生断裂并且纤维表面比较光滑,说明老化使纤维丝与基体的界面结合力显著下降。但是,低温老化对CFRP层间性能的影响不明显。     

基于FTIR分析的CFRP-铝合金粘接接头剩余强度预测

对CFRP-铝合金粘接接头在湿热环境下的老化行为及机理进行了研究.将接头在80℃/95％相对湿度环境下老化不同周期,然后进行准静态拉伸、剪切测试.分析总结接头剩余强度及失效形式变化规律,并结合胶粘剂红外光谱分析,揭示老化机理.结果表明:湿热老化造成接头强度显著下降,变化规律近似服从指数函数;老化前、后接头断面均以内聚失效为主.随着老化周期的增加,胶粘剂-基材界面出现损伤并不断加剧.由于胶粘剂的增塑,老化后接头失效断面变得相对粗糙;胶粘剂在湿热环境下主要发生水解反应,出现断链现象,同时在老化初期胶粘剂发生后固化.胶粘剂退化是造成接接头强度下降的主要原因.建立了粘接接头剩余强度快速预测方法,采用该方法可以通过测试胶粘剂化学特性,实现老化后接头的剩余强度预测.     

基于子模型法的动车侧窗粘接强度快速评价方法

根据动车结构的特点,基于有限元子模型法的基本原理,提出一种动车侧窗粘接强度的快速评价方法。车体结构采用尺寸相对较大单元建立整体有限元模型,侧窗结构采用尺寸较小单元建立有限元子模型,基于三角形面积插值法提取侧窗子模型的位移边界条件,对侧窗子模型进行强度分析获得胶粘剂的应力;通过单搭接接头和对接接头的轴向拉伸试验测试,建立二次应力准则作为失效准则,对侧窗胶粘剂的粘接强度进行快速评价,整个过程通过编写FORTRAN程序自动完成;最后将快速评价方法和传统的整体细化评价方法进行对比。结果表明,快速评价方法获得的胶粘剂安全系数略低于传统评价方法,但是计算时间是传统评价方法的约1/17,这说明快速评价方法在保证可靠性的前提下,大幅度提高计算效率,为动车侧窗粘接结构的优化设计奠定了基础。     

服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂复合材料粘接接头准静态失效的影响

为了研究服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料粘接接头准静态失效的影响，本文加工了铝合金-CFRP复合材料粘接接头。考虑车辆实际运行工况下的服役温度，选取低温(?40℃)、常温(20℃)和高温(80℃)三种环境温度，结合设计的Arcan夹具对铝合金-CFRP复合材料粘接接头分别进行1 mm/min和100 mm/min的准静态试验，得到不同温度下铝合金-CFRP复合材料对接接头(BJs)、45°嵌接接头(45°SJs)和剪切接头(TSJs)的准静态失效强度，并结合失效断面对接头失效形式进行分析，建立了失效准则方程和三维响应曲面。结果表明:不同加载速率下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头失效强度在高温环境下均呈明显的下降趋势，在低温环境下均呈一定程度的上升趋势。高温下的失效模式为胶层的内聚失效，低温下的失效模式中纤维撕裂的比例上升。相对于1 mm/min加载速率下的准静态失效强度，各温度和应力状态下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头在100 mm/min加载速率下的准静态失效强度明显提高。      

CFRP/铝合金粘接接头在低温环境中的老化机理研究

采用胶粘剂哑铃试件,结合SEM(扫描电镜)分析,研究了胶粘剂、CFRP和CFRP/铝合金粘接接头在长期低温(-40℃)作用下的老化失效机理。研究结果表明:低温老化对胶粘剂的力学性能和CFRP表面粘接性能影响不大,但是热应力会降低胶粘剂和CFRP纤维/基体界面力学性能;CFRP/铝合金剪切接头失效强度的下降主要是由胶粘剂的性能下降引起,对接接头失效强度的下降主要是由胶粘剂和CFRP性能共同下降引起,随着老化时间的增加,CFRP的影响减小。因此,在复合材料粘接结构老化研究时需要考虑胶粘剂、复合材料的老化以及受力形式的影响。     

高温环境下碳纤维增强树脂复合材料的层间力学性能老化行为与失效预测

为了研究碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层间力学性能在高温环境中的老化失效行为,设计了CFRP复合材料层间拉伸和层间剪切实验,在高温(80℃)环境中进行0(未老化)、 120 h、 240 h、 360 h、 480 h、 600 h和720 h的老化测试,分析CFRP层间失效强度和失效形式随老化时间的变化规律,得到随高温老化的二次应力准则响应面。建立CFRP复合材料层间力学性能预测模型,得到不同老化衰减系数下的退化模型,并通过CFRP复合材料层间仿真模型进行了验证。结果表明:随着高温老化时间的增加,层间拉伸和层间剪切强度总体上都发生了一定程度的退化,层间拉伸时更容易发生碳纤维丝剥离,层间剪切发生局部的树脂剥离,纤维之间的分层更加明显,高温老化使树脂与纤维丝的界面结合力显著下降。通过CFRP复合材料层间力学性能随高温老化的二次应力准则,计算不同老化时间后的内聚力模型参数,预测CFRP复合材料在高温老化条件下的层间强度,发现仿真与实验误差小于10%,说明了CFRP复合材料层间失效预测模型的准确性。     

高温老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响

为了揭示碳纤维增强复合材料(CFRP)/铝合金粘接接头在高温环境中的老化失效规律,加工了处于剪应力、拉应力和拉剪组合应力状态的粘接接头,在高温(80℃)环境中分别进行了10、20、30、40、50天的老化测试,分析了失效强度、失效模式的变化规律,建立了失效准则响应面。结果表明:随着拉应力比例的增加,失效强度下降更明显,下降趋势由二次多项式向线性转变,失效模式由内聚失效转变为内聚、纤维撕裂和界面失效的混合失效模式,这主要是由CFRP老化引起的;失效准则响应面平均误差为3.0%,能够对不同应力状态下的接头进行失效预测。因此,在粘接结构中降低拉应力比例能够提高承载能力,同时在失效预测时需要考虑不同应力状态的影响。     

服役低温老化对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头力学性能的影响及失效预测

为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂(BFRP)复合材料粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,加工了铝合金-BFRP复合材料粘接接头。结合汽车服役中的温度区间,选取?10℃和?40℃的低温老化环境,对接头进行0、10、20、30天的老化。对老化后的粘接接头进行准静态拉伸试验和剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度。结合DSC和FTIR分析低温老化对BFRP复合材料的影响,并对粘接接头的失效断面进行宏观分析和SEM分析。结果表明:在低温老化环境中,胶粘剂与BFRP复合材料的化学性质受低温老化作用影响不大,BFRP中的官能团与玻璃化转变温度(T_g)没有发生明显的变化,接头的失效强度和失效模式主要受胶粘剂与粘接基材的热应力影响。对于拉伸接头,随着低温老化时间的增加,BFRP复合材料纤维与树脂基体间的结合力降低,铝合金-BFRP复合材料接头的失效断面中纤维撕裂的比例逐渐减少,拉伸接头失效强度逐渐下降。老化后剪切接头仍为内聚失效,BFRP复合材料的低温老化对铝合金-BFRP复合材料剪切接头的失效强度几乎没有影响,剪切接头失效强度的下降主要是胶粘剂与粘接基材热膨胀系数不一致引起的热应力的影响。采用二次应力准则公式对?10℃和?40℃低温环境下,拉应力、剪应力值随老化时间的变化规律进行了拟合,在此失效准则的基础上,根据响应面原理,建立接头失效强度随老化时间变化的三维曲面,为粘接技术在车身结构中的工程应用提供参考。      

铝合金-BFRP粘接接头的服役高温老化力学性能及失效预测EI北大核心CSCD

选取50℃和80℃的高温老化环境,结合设计的测试夹具测得高温老化0,10,20,30天后铝合金-BFRP(玄武岩纤维增强树脂基复合材料)粘接接头在1 mm/min加载速率下的准静态抗拉强度与剪切强度,并对接头的失效断面进行宏观分析。结果表明:80℃高温老化后,胶黏剂发生后固化反应,力学性能增强,BFRP发生化学键断裂,玻璃化转变温度(T g)降低;老化30天后,接头的抗拉强度下降,剪切强度上升;30天后拉伸接头失效断面出现分层,剪切接头出现胶层内聚与纤维撕裂的混合失效;50℃高温老化后,胶黏剂的力学性能略微上升,拉伸接头的失效强度变化不大,失效模式以纤维撕裂和分层为主;剪切接头的失效强度略微上升,失效模式以胶层内聚为主。根据二次应力准则对抗拉强度和剪切强度进行曲线拟合;根据响应面原理,建立失效准则随老化时间的响应面方程,用以对铝合金-BFRP粘接结构胶层的裂纹产生和扩展进行预测。     

高温老化对玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金单搭接接头失效的影响

为了研究持续高温环境对车用新材料粘接结构力学性能的影响,加工了铝合金-铝合金（Al-Al）和玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金（BFRP-Al）单搭接接头,在高温（80℃）环境下进行了0天（未老化）、5天、10天、15天的老化实验,并对胶粘剂和BFRP复合材料进行了DSC和FTIR测试,分析高温老化后胶粘剂、BFRP复合材料的玻璃化转变温度（T_g）和化学成分变化,通过准静态拉伸测试获得老化后接头的失效载荷,并对其失效模式进行分析。研究结果表明:高温环境下,胶粘剂会发生后固化及氧化反应,BFRP复合材料发生热分解及氧化反应;Al-Al接头的失效载荷随老化周期的增加而不断增大,老化前后的失效模式均为内聚失效,其性能变化主要由胶粘剂决定;BFRP-Al接头的失效载荷先增加后减小,不同老化周期的接头均发生内聚和撕裂的混合失效,其性能变化由胶粘剂和BFRP复合材料共同作用决定,且随着老化周期的增加,BFRP复合材料撕裂面积不断增大,BFRP-Al接头的失效模式越来越倾向于玄武岩纤维/树脂界面的破坏,BFRP复合材料老化对接头失效载荷的影响越来越显著。