CFRP-钢界面粘结性能试验与数值模拟

碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与钢板的界面粘结性能为CFRP加固钢结构的关键问题之一。开展了17个CFRP板-钢板单搭接试件的拉伸剪切试验,研究了不同环氧粘结剂与CFRP材料的CFRP-钢界面力学行为和破坏模式;分析了粘结剂类型和CFRP材料对界面粘结滑移本构和界面剪切性能的影响,讨论了其承载力计算方法。结果表明：采用不同的粘结剂或CFRP材料,界面破坏形式和抗剪承载力均差异较大。采用Sika 330、Lica粘结剂的试件为CFRP板或钢板与胶层的界面破坏,采用Araldite粘结剂的试件为CFRP板浅表层离,采用Sika 30粘结剂的试件为胶层内聚破坏,采用SF（Sika S512/80）碳板的试件为CFRP板深层层离;Araldite试件的抗剪承载力为其他试件的1.7~2.9倍。Sika 330、Araldite及Lica试件粘结滑移曲线无明显下降段,属脆性破坏,而Sika 30与SF试件存在缓坡下降段,失效前有一定征兆;SF试件的粘结滑移本构可简化为三折线模型,其余试件则可简化为双线性模型。SF试件抗剪承载力需用Xia-a模型表征,其余试件则可用Xia-b模型表征。基于粘聚力模型对界面力学行为进行了数值模拟,结果表明,粘聚力模型可以较好地模拟界面的非线性力学行为,剥离应力对本单搭接试件的界面粘结强度影响很小。     

海洋大气环境对CFRP-钢界面粘结性能的影响

为研究长期海洋大气环境作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢界面粘结性能的影响,设计并制作了36个CFRP-钢板双搭接试件,采用盐雾沉降量1～2 mL/80 (cm2·h)的盐雾箱来模拟海洋大气环境。对试件进行了疲劳加载后的静力拉伸试验,分析了环境作用时间(30、180、360天)、长期持续荷载和硅烷表面处理方式对CFRP-钢界面破坏模式和承载力的影响。研究结果表明：随着海洋大气环境作用时间增加,CFRP-钢双面搭接节点由胶层内破坏伴随CFRP层离破坏逐渐向钢-胶界面粘结失效转变。暴露360天后极限承载力最大下降了15.72%。硅烷表面处理对CFRP-钢界面耐久性提升作用较小。持续荷载导致短期环境作用下(30天)极限承载力下降了18.39%,但对长期环境作用影响很小,高应力预加疲劳导致CFRP-钢界面极限承载力最大下降了26.6%。采用Hart-Smith模型对CFRP-钢界面极限承载力进行计算,发现长期环境作用后的承载力预测值和试验值误差超过了30%。在考虑破坏模式变化对界面极限承载力的影响下进行了修正,将误差减小到最大为14.04%。     

胶膜连接碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接接头室温条件的力学性能试验

针对碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料板-钢搭接接头连接的糊状胶黏剂粘层厚一致性控制较难、铅垂向成形可能不易等问题,将糊状胶黏剂换成胶膜,制作了胶膜连接的五种粘结长度共15个CFRP板-钢双搭接接头试件,并对该胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头进行了室温条件下的破环模式、有效粘结长度、传力规律、粘结-滑移本构、承载力等的试验研究。结果表明:所用胶膜的连接强度略高于CFRP板层间强度（即碳纤维与树脂基体的黏聚强度）;室温下,所用胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头有效粘结长度约为80 mm;加载初期,剪应力最大值位于接头钢板端;继续加载,其位置向接头CFRP板端移动;加载末期,其位置位于距接头钢板端20 mm （粘结长度不超过80 mm时）或者50 mm （粘结长度不小于120 mm时）处;胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头界面粘结-滑移模型为近似梯形,不同于胶黏剂连接的CFRP板-钢搭接接头的近似三角形,胶膜连接接头的延性大为提升;所用胶膜连接接头界面峰值剪应力、断裂能、界面刚度等代表值（可视为准平均值）分别为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.2~3.0倍、1.6~5.7倍和5.4~7.5倍;在粘结长度不小于有效粘结长度条件下,所用胶膜连接接头的抗拉承载力代表值为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.25~2.39倍;胶膜连接接头的抗拉承载力、最大位移的变异系数与糊状胶黏剂连接接头相差不大。      

高温下双搭接钢-CFRP板胶粘界面力学性能试验

高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验。探索了接头试件的破坏模式、荷载-位移关系、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布和粘结-滑移关系等。结果表明:当温度低于55℃时,试件的破坏模式与胶粘剂种类相关性更大,当温度高于70℃时,不同胶粘剂的破坏模式具有相似性,且均出现了CFRP板撕裂。温度对不同胶粘试件的承载力影响存在差异,HJY-4105高韧性环氧树脂结构胶粘剂(HJY胶)试件的承载力随温度的升高而增大,LICA-100A/B 环氧树脂结构胶粘剂(LICA胶)试件的温度稳定性较差,Sikadur-30 CN双组份环氧结构加固碳板胶(SIKA30胶)试件在55℃时承载力最高。随着温度升高,胶粘层的剪切强度、界面剪应力峰值和剪切刚度下降,胶粘剂的延性增加,峰值剪应力不影响试件的抗拉强度。温度对粘结-滑移关系的影响显著,HJY胶随着温度的升高,粘结-滑移本构的延性增加,破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。研究表明:合理的耐高温胶应用于钢结构加固,能适应自然高温环境的不利影响。      

CFRP全覆盖胶粘加固含中心裂纹钢板的静力性能

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板时,往往只将CFRP粘贴于钢板的局部,容易遭受由于试件偏心和搭接边缘应力集中所产生的剥离应力的影响,而粘贴方式采用全覆盖时能大幅度减小剥离应力。开展了30个CFRP全覆盖胶粘加固带缺陷钢板的轴向拉伸试验,并设置了单向防剥离夹具,研究了胶粘剂类型、缺陷长度和碳纤维板厚度对加固效果及破坏模式的影响。结果表明：CFRP板加固效果显著,试件的抗拉强度明显提高;不同胶粘剂对试件的破坏模式影响较大,由HJY胶制作的试件主要为被粘物的破坏,而SIKA30胶及WSB胶均出现了胶粘剂/钢脱粘的现象;而随着缺陷长度的增加,破坏模式有明显的变化,由CFRP板破坏变为CFRP板、钢板破坏或胶粘剂/钢脱粘,而试件的抗拉强度受胶粘剂类型影响较小,受缺陷的大小影响较大,当缺陷增大时,试件的抗拉强度明显降低;基于内聚力模型对静力力学试验进行了数值模拟;通过有限元分析得知,胶粘剂的破坏是先由缺陷附近破坏,再扩展至两端;而增加CFRP板的厚度能显著提高试件的抗拉强度。     

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

锈蚀对钢板表面特性及CFRP板-锈蚀钢板界面黏结性能的影响

为研究锈蚀对钢板表面特性及碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-锈蚀钢板界面黏结性能的影响,开展了6批次锈蚀钢板表面特性测试及22个CFRP板-锈蚀钢板双搭接试件的拉伸试验,揭示了锈蚀对钢板表面形貌与粗糙度、表观接触角与表面自由能以及CFRP板-钢板黏结界面破坏模式、有效黏结长度、极限荷载的影响.研究结果表明:随着腐蚀...     

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...     

拉伸载荷下碳纤维复合材料T型接头脱粘特性与FBG监测分析

研究了拉伸载荷下碳纤维复合材料(CFRP)T型接头的界面脱粘与裂纹扩展过程。对拉伸载荷下T型接头破坏过程进行数值模拟;在模拟敏感区域布置光纤布拉格光栅(FBG),实时监测界面脱粘的产生及扩展应变特征;使用高速摄像机,捕捉脱粘及裂纹扩展的图像数据。结果表明:T型接头的三角填料区首先出现损伤,裂纹向两个方向扩展。水平方向:向L型层与一型层之间的胶层扩展;竖直方向:向两个L型层之间的胶层扩展。裂纹扩展最终引起结构失效。光纤布拉格光栅中心波长的变化能够在非视觉条件下记录损伤的出现、积累与扩展,可正确预警结构内部损伤的产生,还原裂纹扩展路径。     

CFRP加固钢板的粘结界面剥离破坏

II型界面破坏是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板常见的破坏方式之一。为揭示CFRP加固钢板粘结界面破坏的力学机制,开展了单剪试验和双剪试验分别研究了CFRP-钢板界面力学性能及破坏过程,并采用数字图像相关技术(DIC)对CFRP的轴向应变分布进行监测。对比两个试验的破坏模式发现,双剪试件的粘结界面主要发生II型破坏,界面破坏的主要力学原因是剪应力;而存在偏心加载的单剪试件,粘结界面上的剪应力和偏心加载引起的弯矩共同作用,使粘结界面发生I/II型混合模式失效。在II型破坏模式下,不同粘结长度的极限荷载及粘结滑移值随着粘结长度的增大而增大,但当粘结长度超过有效粘结长度后,极限荷载及极限滑移值基本保持不变。而在所讨论的偏心加载引起的界面I/II型混合破坏模式下,不同粘结长度的极限荷载基本不变。基于试验数据得到的双线性粘结-滑移关系建立了有限元模型,对CFRP加固钢板的II型界面粘结破坏行为进行分析,数值模拟结果与试验结果吻合较好。      

纳米SiO2质量分数对胶粘碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接界面黏结性能的影响

胶黏剂力学性能对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构的界面黏结性能影响显著。基于研制的胶黏剂配比,分析了不同纳米SiO₂质量分数对胶黏剂常温固化后基本力学性能及微观结构的影响,制作了31个CFRP板-钢板双搭接试件,对其进行了常温固化后的承载能力、有效黏结长度、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究,得出了纳米SiO₂质量分数对CFRP板-钢板搭接试件界面黏结性能的影响规律,并与常用商品胶黏剂进行了比较。研究结果表明:随纳米SiO₂质量分数的增加,胶黏剂应力-应变关系由线性转变为非线性,应变能、断裂伸长率及剪切强度分别最高提升了292.10%、202.88%和133.12%。微观结构分析表明纳米SiO₂的添加使断面粗糙度显著增加,形成了密集的塑性空穴,产生了更多的微裂纹,使胶黏剂的韧性大幅度提高。当纳米SiO₂质量分数从0增至1wt%,搭接试件破坏模式由界面破坏逐渐变为CFRP板层离破坏。掺入纳米SiO₂能显著增加搭接试件的极限承载力(提升256.96%)及界面有效黏结长度(提升3倍),提高CFRP表面的应变及界面剪应力峰值。纳米SiO₂质量分数为0与0.5wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为双线性三角形模型,纳米SiO₂质量分数为1wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性梯形模型,黏结界面韧性大幅提升。CFRP-钢界面承载能力受胶黏剂拉伸强度与断裂伸长率的双重影响,非线性高强度(即具有较高应变能)胶黏剂对应的CFRP-钢搭接接头具有更好的界面性能。      

低温等离子体表面改性对CFRP胶接性能的影响

采用低温等离子体处理技术对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)表面进行处理,以氩气(Ar)、N₂和O₂作为等离子体激发气体,通过接触角测量仪、AFM、SEM和XPS等测试分析手段,对CFRP表面的润湿性、粗糙度、微观形貌和化学组分进行表征,并结合拉伸剪切试验测试和失效形貌分析,研究了等离子体气体类型、放电功率P和处理时间t对CFRP表面理化特性和胶接性能的影响。结果表明：Ar、N₂和O₂等离子体处理可以显著改善CFRP胶接性能,当P=800 W,t=20 s时,与未处理相比,CFRP胶接强度分别提高了138%、172%和253%。表面测试分析可知,Ar等离子体处理后,CFRP胶接强度的增加主要是通过提高表面清洁度和增大界面粘接表面积,试样失效模式由界面失效转变为内聚失效为主的混合失效模式。与Ar相比,N₂等离子体处理后,CFRP表面生成了较多-NH₂极性基团,表面活性增加,进一步提高了CFRP和胶粘剂之间界面的结合力。与以上两种气体相比,O₂     

搭接长度对CFRP单搭接胶接接头拉伸性能及破坏特征的影响

采用碳纤维增强复合材料(CFRP)基板制备不同搭接长度的单搭接胶接接头,并利用数字图像相关方法(DIC)、万能电子试验机等测试手段,对胶接接头失效载荷、断裂过程和应变场变化等进行表征,研究搭接长度对单搭接接头拉伸性能、断裂过程、应变分布以及破坏特征的影响.结果表明:随搭接长度增加,接头平均剪切强度先明显降低,后趋于稳定.拉伸过程中由偏心载荷所引起的接头次弯曲效应愈加显著,搭接区域端部变形程度逐渐增大,接头初始破坏位置由搭接区域端部中的一端向两端转变.接头正面和侧面端部的应变集中区域由非对称分布向对称分布过渡.接头受剥离力逐渐增大,层间主要失效形式由剪切向剥离破坏转变,接头破坏模式经历了由界面和轻微纤维撕裂到混合失效再到层间分层的过程.     

钢板夹泡沫铝组合板抗弯性能研究

试验设计了6块钢板夹泡沫铝组合板,其中无侧板组合板与有侧板组合板各为3块,侧板材料与面板相同,泡沫铝芯层厚度分别为40 mm、60 mm和90 mm。对组合板进行抗弯试验,绘制了组合板跨中荷载-位移（P-δ）曲线,记录了组合板变形失效过程。基于Gibson模型最大承载力公式建立了无侧板组合板的失效模式图。推导了有侧板组合板最大承载力计算公式,建立了失效模式图。结果表明:泡沫铝芯层厚度越大,组合板承载力越高,加载刚度越大。建立的失效模式图可以较好预测组合板的失效模式。与无侧板组合板相比,仅增加侧板,可以显著提高组合板的承载能力和加载刚度,有效限制泡沫铝开裂后裂缝的进一步开展。通常无侧板组合板每种失效模式仅独立对应失效模式图中一块区域,而有侧板组合板失效模式图被划分为四块区域,且表皮屈服失效模式独立对应两块区域。     

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。      

冲击作用下斜接修补CFRP层间分层和胶层的损伤机制及参数分析

首先,针对斜接修补CFRP抗冲击性能差的问题,分别使用基于接触的内聚力模型（SCZM）和基于单元的内聚力模型（ECZM）描述层间分层和斜接胶层破坏,研究CFRP层板的冲击响应和两种失效的演化规律。然后,分析了冲击能量、斜接角度和预拉伸作用对两种失效的影响。结果表明：层间分层起始时间早于胶层破坏,与冲击能量无关;分层和胶层破坏面积随冲击能量增加而增大,胶层破坏面积增加的更明显;斜接角度主要影响胶层破坏,对分层面积几乎无影响;预拉伸作用对两种失效均具有负面作用。最后,进一步讨论分层对胶层破坏的影响,通过与只考虑胶层破坏的情况进行对比,发现层间分层使胶层破坏的面积降低,延缓了胶层的最终失效。     

炭纤维/环氧复合材料单面修补中心裂纹铝合金板的静态和疲劳特性

利用真空袋压工艺, 采用单向炭纤维复合材料补片对中心裂纹铝合金板进行了单面胶接修补。测试了复合材料修补板的静态拉伸强度及修补板在拉拉疲劳过程中的裂纹扩展、界面脱粘和剩余拉伸强度等疲劳性能。结果表明, 复合材料补片胶接修补能有效地提高裂纹板的破坏强度和刚度, 降低裂纹板的疲劳裂纹扩展速率, 提高其疲劳寿命。裂纹板经单向炭纤维/ 环氧复合材料补片修补后, 其破坏强度从311. 48 MPa 提高到364. 74 MPa ,疲劳寿命从32217 次提高到77546 次。疲劳导致修补结构的粘接界面脱粘, 脱粘区域近似椭圆形; 脱粘面积随疲劳周次的增加而增加, 且增加的幅度与疲劳周次相关。      

炭纤维强化板及其加固混凝土梁的力学性能

为探寻涂胶对炭纤维布力学性能的影响 , 深入了解其加固混凝土结构的力学行为 , 对制备的炭纤维强化板(CFRP)及其加固混凝土梁 , 分别进行了轴向拉伸和预制裂缝四点弯曲加载实验。对比有胶与无胶纤维布拉伸实验 , 表明环氧树脂不仅粘接纤维布 , 对纤维布有保护作用 , 而且能够显著提高其拉伸强度。通过对加固混凝土梁的 FRP外贴应变片的加载过程进行电测跟踪测试 , 得到了材料结构损伤破坏过程曲线。由力学模型和曲线点拟合的最小二乘法 , 对 CFRP板所受轴力及混凝土的界面剪应力分布进行分析 , 得到轴力及剪应力分布。在载荷的变化过程中 , FRP与混凝土的界面逐渐脱粘 , 使得 FRP的应力集中程度降低 , 有时会出现应变回弹现象。      

干法/湿法挖补修理层合板力学性能的对比研究

挖补修理是一种常用的受损复合材料结构修复方法,主要可分为干法(预固化补片)修理和湿法(湿铺贴)修理。通过开展静力拉伸实验,研究了不同损伤尺寸的预固化补片挖补修理和湿铺贴挖补修理层合板的极限强度、破坏模式以及补片脱粘情况,实验结果表明采用预固化补片修理的结构其强度恢复率更高,补片提前脱粘概率更低,修理效果更好。在力学实验的基础上,通过有限元计算准确预测了挖补修理层合板的极限强度、应力应变分布和损伤演化过程,计算结果表明预固化补片修理结构的胶层应力分布更加均匀,应力水平和应力集中程度更低,出现界面失效和胶层内聚失效的载荷也更高。     

拉伸速率对钢板胶接接头力学性能的影响

本文对两种钢板单搭胶接接头在不同的拉伸速率下(准静态、10m/s、20m/s)实验研究了不同拉伸速率对两种钢板接头力学性能的影响。结果表明钢板胶接接头在高速拉伸(10m/s、20m/s)时的强度相对于准静态(13mm/min)有明显提高,并且随着拉伸速率的增加而增大。这是由于在高速拉伸时接头及胶层高速形变,应变率大大增大,胶层粘性因素所产生的应力大大增加,使得接头强度提升。失效模式也随着发生改变,呈现出脆性断裂模式。被粘物材料性能的不同也会对接头强度产生影响,且这种影响随着拉伸速率的增加逐渐减小。