温湿老化对车用CFRP_铝合金粘接接头静态失效的影响

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本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式
标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：
日期：2018 年12月4日
摘要
汽车工业面临能源危机与环境污染两大挑战，通过CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）、铝合金、高强度钢等各种轻质材料的应用实现轻量化，是有效的解决途径之一，但是这必然带来异种材料的连接问题。

传统的机械连接（如螺栓连接、铆接等）往往会破坏材料的结构，特别是对于CFRP复合材料，纤维的断裂会极大地降低其承载能力，引起早期失效。

粘接结构不仅能够保证结构的完整性，应力分布均匀，还能对复杂结构进行连接。

CFRP/铝合金粘接结构中的胶粘剂和CFRP树脂基体都属于高分子材料，在不同服役温度下具有不同的力学性能，并且在温度、湿度的长期作用下还会发生老化（温湿老化），降低其力学性能，因此，服役温度和温湿老化是影响胶粘剂和CFRP性能的两个主要因素，并且胶粘剂和CFRP 性能变化都会影响CFRP/铝合金粘接结构的连接强度。

本文基于国家自然科学基金项目“面向新材料车身的粘接结构老化寿命预测方法研究（51775230）”，考虑了胶粘剂和CFRP性能变化对CFRP/铝合金粘接接头的影响，研究服役温度对CFRP/铝合金粘接接头静态失效的影响，以及单一温度、湿度、载荷老化及其耦合作用下，CFRP/铝合金粘接接头的老化机理和性能变化规律，建立了基于初始失效准则的失效预测方法和基于子模型法的粘接强度快速评价方法。

具体内容分为以下六个方面：
第一：在汽车的服役温度区间（-40 ~80°C）内选择了7个服役温度，对胶粘剂哑铃试件和不同应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头进行静态失效测试，通过DSC （Differential Scanning Calorimeter，差示扫描量热法）分析获得了胶粘剂和CFRP 的玻璃化转变温度（T g），结合CFRP/铝合金粘接接头的失效强度和失效模式，分析了CFRP/铝合金粘接接头在不同温度下的失效机理，获得了胶粘剂和CFRP对不同温度下CFRP/铝合金粘接接头失效的影响规律。

第二：选择了三种典型的温度环境（高温、低温、高低温循环），研究温度老化对胶粘剂、CFRP和不同应力状态下CFRP/铝合金粘接接头性能的影响，通过化学分析FTIR（Fourier Transform infrared spectroscopy，傅里叶变换红外光谱仪）和DSC 研究了温度老化对胶粘剂和CFRP的物质成分和T g的影响，采用机械测试对老化前后胶粘剂哑铃试件和CFRP的力学性能进行了测试，分析了胶粘剂和CFRP在温度
I
老化环境中的性能变化对CFRP/铝合金粘接接头静态失效的影响机理和规律。

第三：选择了三种典型的温湿老化环境（常温浸泡、高温高湿、湿热循环），研究单一湿度和温湿耦合老化环境对胶粘剂、CFRP和不同应力状态下CFRP/铝合金粘接接头性能的影响，通过化学分析（FTIR、DSC）和准静态失效测试，研究了胶粘剂和CFRP在温湿环境中的老化机理，结合CFRP/铝合金粘接接头的失效强度和失效模式，获得了胶粘剂和CFRP性能变化对粘接接头老化的影响规律。

第四：考虑静态载荷对不同温湿环境中粘接接头老化的加速作用，研究静态载荷与七种典型温湿老化环境（常温、高温、低温、常温浸泡、高温高湿、湿热循环）耦合作用，对CFRP/铝合金粘接接头静态失效的影响，通过SEM（Scanning Electron Microscope，扫描电镜）分析了老化前后胶粘剂、CFRP基体和基体/纤维界面的微观变化规律，采用直观分析和方差分析相结合的方法，研究了不同温湿环境、老化时间、静态载荷及三者之间的耦合作用对CFRP/铝合金粘接接头失效强度的影响程度和规律。

第五：以服役温度区间内不同应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效载荷预测为例，建立基于初始失效准则的失效预测方法。

首先根据CFRP/铝合金粘接接头失效载荷，建立服役温度区间的二次应力失效准则响应面，作为内聚力单元的初始
T计算不同温度下内聚力单元的仿真分析参数，失效准则；然后定义温度影响因子
em
从而预测不同温度下的失效载荷；分析了不同应力状态下胶层的应力分布规律和失效过程，并通过实验测试验证了本仿真分析方法的有效性。

第六：基于子模型法的基本原理，提出了三角形面积插值和四边形RS映射插值的子模型边界位移计算方法，验证了两种边界位移插值方法的有效性，并分析了两种插值方法的插值精度以及边界效应影响规律。

基于三角形面积插值方法，结合二次应力准则，提出了高速动车侧窗粘接结构的强度快速评价方法，与传统的分析方法进行对比，验证了快速分析方法的可靠性和高效性，整个过程通过FORTRAN 程序实现。

关键词：
粘接，CFRP，温湿老化，载荷老化，内聚力模型，子模型法
II
ABSTRACT
The two major challenges of automotive industry are energy crisis and environmental contamination. One of the effective solutions is to use all kinds of lightweight materials, such as CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics), aluminum alloy and high-strength steel, to achieve lightweight. The application of multi-materials can reduce weight and save costs, but it also brings up the question of connection of dissimilar materials. The traditional joints (such as bolts and rivets) always destroy the integrity of the structures, resulting in the reduce of load capacity and early failure, especially for the CFRP composites. While adhesive joints can not only ensure the structural integrity and uniform stress distribution, but also connect the complex structures. The adhesive and resin matrix of CFRP in adhesively bonded CFRP/ aluminum alloy joints are polymer materials, which are sensitive to different service temperatures. Besides, they may degrade when subjected to long-term temperature and humidity, leading to the decrease of mechanical properties. Therefore, service temperature and degradation are the two major factors that affect the performance of adhesive and CFRP, the combined action of which determines the performance of adhesively bonded CFRP/ aluminum alloy joints.
Based on the project ‘Research on the Prediction Method for Aging Life of Adhesive Structures Oriented to Advanced Material Automotive Body (NO. 51775230)’ supported by the NSFC(Natural Science Foundation of China), this paper considered the effect of adhesive and CFRP on the static failure of adhesively bonded CFRP/ aluminum alloy joints, and studied the effect of service temperature and degradation caused by temperature, humidity and load on the ageing mechanism and rule of adhesively bonded CFRP/ aluminum alloy joints. Then a failure prediction method based on the initial failure criterion in cohesive zone model (CZM) and a rapid evaluation method of adhesive strength based on submodel technology were proposed. The details of this paper are divided into six parts as follows:
(1) Seven service temperatures between -40°C and 80°C were selected to test the static failure of bulk specimens of adhesive and adhesively bonded CFRP/ aluminum
III
alloy joints under different stress states. Glass transition temperature (T g) of adhesive and CFRP from DSC (Differential Scanning Calorimeter) analysis, failure strength and failure modes of adhesive joints were used to analyze the failure mechanism of adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints at different temperatures. The effect of adhesive and CFRP on the adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints were also obtained.
(2) Three representative temperature environments (high temperature, low temperature, temperature cycling between high and low ) were selected to study the effect of temperature degradation on the adhesive, CFRP and adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints. FTIR (Fourier Transform infrared spectroscopy) and DSC were used to analyze the variations of composition and T g. Mechanical performances of bulk specimens of adhesive and CFRP were also tested before and after temperature degradation. The influence mechanism and rules of adhesive and CFRP on the failure strength and failure modes of adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints subjected to different temperature environments were obtained.
(3) Three representative temperature and humidity environments (immersed in water at room temperature, high temperature and high humidity, hygrothermal cycling) were selected to investigate the single effect of humidity, and coupling effect of temperature and humidity on the adhesive, CFRP and dhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints. The degradation mechanism of adhesive and CFRP were studied by chemical analysis (FTIR and DSC) and mechanical tests. The influence rules of adhesive and CFRP on the failure strength and failure modes of adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints subjected to different temperature and humidity environments were analyzed.
(4) To investigate the effect of static load on the accelerated degradation of adhesive joints subjected to different environments, the coupling effect of static load and seven environments(room temperature, high temperature, low temperature, temperature cycling between high and low, immersed in water at room temperature, high temperature and high humidity, hygrothermal cycling) on the failure strength and failure modes of adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints were studied. SEM (Scanning Electron Microscope) were also used to observe the microstructure changes of adhesive, resin matrix and
IV
fiber/matrix interface of CFRP. Direct analysis and analysis of variance (ANOV A) were applied to investigate the single and coupling effect of different environments, aging time and static loads on the influence rule and degree of adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints.
(5) Take the failure prediction of adhesively bonded CFRP/aluminum alloy joints under different stress states at different temperatures as an example to show the prediction method of failure based on the the initial failure criterion in CZM. A response surface of quadric stress criteria over the service temperature of automobiles was built according to the failure loads to be used as initial failure criterion of cohesive zone element.
T was defined to calculate the parameters of cohesive Temperature impact factor
em
element at different temperatures, which were introduced into CZM to conduct simulation analysis. The stress distributions and failure processes of adhesive joints under different stress states were analyzed and the validity of the prediction method was also verified by experimental tests.
(6) Border displacement interpolating methods of submodel based on triangle area and RS mapping of quadrangle were proposed and proved by simulation analysis. The interpolation precision and boundary effect of the two interpolating methods were compared and analyzed. On the basis of submodel and quadric stress criteria, a rapid evaluation method of adhesive strength was proposed and applied to the strength evaluation of side-window of high speed EMU(Electric Multiple Units). The reliability and high efficiency of the rapid evaluation method was found by comparing with the traditional method. The entire process of the rapid evaluation method was implemented through FORTRAN programs.
Key words:
Adhesive structure, CFRP, Temperature and humidity aging, Static loads, Cohesive zone model, Submodel
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目录
第1章绪论 (1)
1.1引言： (1)
1.2服役温度对复合材料粘接接头性能的影响 (2)
1.2.1 胶粘剂性能的影响 (3)
1.2.2 复合材料性能的影响 (3)
1.2.3 热应力的影响 (4)
1.3温度、湿度、载荷老化对复合材料粘接接头性能的影响 (5)
1.3.1 温度老化 (6)
1.3.2 湿度老化 (9)
1.3.3 载荷老化 (13)
1.3.4 温-湿-载荷耦合老化 (15)
1.4粘接结构失效预测模型 (17)
1.5论文选题与研究内容 (19)
第2章服役温度对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (23)
2.1引言 (23)
2.2材料选择与试样制作 (24)
2.2.1 材料选择 (24)
2.2.2 哑铃试件设计与制作 (25)
2.2.3 粘接接头设计与制作 (27)
2.3试验测试 (29)
VI
2.3.1 胶粘剂与CFRP的DSC测试 (29)
2.3.2 胶粘剂哑铃试件测试 (30)
2.3.3 CFRP/铝合金粘接接头测试 (32)
2.4测试结果与分析 (33)
2.4.1 胶粘剂与CFRP的DSC测试结果 (33)
2.4.2 胶粘剂哑铃试件测试结果 (34)
2.4.3 CFRP/铝合金粘接接头失效载荷测试结果 (36)
2.4.4 CFRP/铝合金粘接接头失效模式测试结果 (38)
2.4.5 胶粘剂与CFRP对CFRP/铝合金粘接接头的影响分析 (40)
2.5本章小结 (41)
第3章温度老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (43)
3.1引言 (43)
3.2材料选择与试样制作 (44)
3.2.1 材料选择 (44)
3.2.2 哑铃试件、CFRP板和粘接接头设计与制作 (44)
3.3试验测试 (45)
3.3.1 温度老化测试 (45)
3.3.2 胶粘剂与CFRP的FTIR分析 (46)
3.3.3 胶粘剂与CFRP的DSC分析 (46)
3.3.4 胶粘剂哑铃试件测试 (47)
3.3.5 CFRP测试 (47)
VII
3.3.6 CFRP/铝合金粘接接头测试 (47)
3.4温度老化测试结果与分析 (47)
3.4.1 温度老化对胶粘剂性能的影响 (47)
3.4.1.1 温度老化前后胶粘剂的FTIR测试结果 (47)
3.4.1.2 温度老化前后胶粘剂的DSC测试结果 (49)
3.4.1.3 温度老化对胶粘剂哑铃试件力学性能的影响 (50)
3.4.2 温度老化对CFRP性能的影响 (52)
3.4.2.1 温度老化前后CFRP的FTIR测试结果 (52)
3.4.2.2 温度老化前后CFRP的DSC测试结果 (53)
3.4.2.3 高温老化对CFRP表面粘接和层间力学性能的影响 (54)
3.4.2.4 低温老化对CFRP表面粘接和层间力学性能的影响 (57)
3.4.2.5 高低温循环对CFRP表面粘接和层间力学性能的影响 (59)
3.4.3 温度老化对CFRP/铝合金粘接接头的影响 (62)
3.4.3.1 高温老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (62)
3.4.3.2 低温老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (64)
3.4.3.3 高低温循环老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (66)
3.4.4 CFRP/铝合金粘接接头温度老化机理分析 (68)
3.5本章小结 (70)
第4章温-湿耦合老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (71)
4.1引言 (71)
4.2材料选择与试样制作 (72)
VIII
4.3试验测试 (72)
4.3.1 温-湿耦合老化测试 (72)
4.3.2 胶粘剂与CFRP的FTIR和DSC分析 (73)
4.3.3 哑铃试件、CFRP和CFRP/铝合金粘接接头的机械测试 (73)
4.4温湿老化测试结果与分析 (73)
4.4.1 温湿老化对胶粘剂性能的影响 (73)
4.4.1.1 温湿老化前后胶粘剂的FTIR测试结果 (73)
4.4.1.2 温湿老化前后胶粘剂的DSC测试结果 (74)
4.4.1.3 温湿老化对胶粘剂哑铃试件力学性能的影响 (75)
4.4.2 温湿老化对CFRP性能的影响 (77)
4.4.2.1 温湿老化前后CFRP的FTIR测试结果 (77)
4.4.2.2 温湿老化前后CFRP的DSC测试结果 (78)
4.4.2.3 常温浸泡对CFRP表面粘接和层间力学性能的影响 (79)
4.4.2.4 高温高湿对CFRP表面粘接和层间力学性能的影响 (81)
4.4.2.5 湿热循环对CFRP表面粘接和层间力学性能的影响 (83)
4.4.3 温湿老化对CFRP/铝合金粘接接头的影响 (85)
4.4.3.1 常温浸泡对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (85)
4.4.3.2 高温高湿对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (87)
4.4.3.3 湿热循环对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (89)
4.4.4 CFRP/铝合金粘接接头温湿老化机理分析 (92)
4.5本章小结 (93)
IX
第5章温-湿-载荷耦合老化对CFRP/铝合金粘接接头失效的影响 (95)
5.1引言 (95)
5.2材料选择与试样制作 (96)
5.3试验测试 (96)
5.3.1 温-湿-载荷耦合老化测试 (96)
5.3.2 CFRP/铝合金粘接接头的机械测试 (98)
5.4温-湿-载荷耦合老化测试结果与分析 (98)
5.4.1 载荷对常温条件下粘接接头老化的影响 (98)
5.4.2 载荷对高温条件下粘接接头老化的影响 (100)
5.4.3 载荷对低温条件下粘接接头老化的影响 (101)
5.4.4 载荷对高低温循环条件下粘接接头老化的影响 (103)
5.4.5 载荷对常温浸泡条件下粘接接头老化的影响 (105)
5.4.6 载荷对高温高湿条件下粘接接头老化的影响 (107)
5.4.7 载荷对湿热循环条件下粘接接头老化的影响 (108)
5.5温-湿-载荷对粘接接头失效强度的影响程度分析 (110)
5.5.1 不同老化环境的失效断面SEM分析 (110)
5.5.2 直观分析 (112)
5.5.3 方差分析 (114)
5.6本章小结 (117)
第6章基于初始失效准则的粘接接头失效预测方法 (119)
6.1引言 (119)
X
6.2初始失效准则响应面 (120)
6.3仿真分析 (123)
6.3.1 仿真分析模型 (123)
6.3.2 牵引力-位移法则 (124)
6.3.3 仿真分析参数 (126)
6.4仿真结果与分析 (128)
6.4.1 应力状态分析 (128)
6.4.2 失效过程分析 (130)
6.4.3 失效载荷预测分析 (131)
6.5仿真分析方法的验证 (132)
6.5.1 实验测试方案 (132)
6.5.2 验证结果与分析 (132)
6.6本章小结 (133)
第7章基于子模型法的粘接结构强度快速评价方法 (135)
7.1引言 (135)
7.2子模型边界位移插值原理 (136)
7.2.1 三角形面积插值 (136)
7.2.2 四边形RS映射插值 (138)
7.2.3 子模型边界位移插值方法的验证 (139)
7.3基于子模型法的动车侧窗粘接强度快速评价方法 (143)
7.3.1 车体结构整体模型强度分析 (143)
XI
7.3.2 侧窗子模型粘接强度分析 (144)
7.3.3 失效准则 (146)
7.3.4 粘接强度评价 (149)
7.3.5 传统方法与快速方法对比分析 (151)
7.4本章小结 (152)
第8章总结与展望 (153)
8.1全文总结 (153)
8.2主要创新点 (156)
8.3展望 (157)
参考文献 (159)
作者简介及在学期间所取得的科研成果 (181)
致谢 (185)
XII
第1章绪论
第1章绪论
1.1引言
目前，汽车工业面临能源危机与环境污染两大挑战，全球约60%的石油被交通领域消耗，因此汽车保有量的快速上升会导致石油的供应量严重不足，同时大量的汽车尾气排放进一步加剧环境污染[1, 2]。

为了控制大气污染，我国制定了严格的油耗法规，2020以后乘用车的平均油耗要低于5L/百公里，开发新能源汽车技术是汽车能源可持续发展的唯一途径。

国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案指出：动力电气化、结构轻量化、车辆智能化是新能源汽车的三大核心技术，随着技术的深入发展与变革，未来全球汽车产业将会发生产业重组和转型升级[3]。

在结构轻量化方面，主要通过新材料的应用、先进的制造工艺以及优化设计方法来实现，其中各种新材料（高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料、纤维增强复合材料等）的应用是汽车轻量化技术得以突破的关键途径之一[4-8]。

高强度钢，如双相钢、相变诱发塑性钢、冷轧含磷板等，具有较高的屈服强度和韧性，在耐冲击性、疲劳性以及耐久性方面表现优异，广泛应用于汽车车身的前、后内纵梁、防撞梁和底盘结构上[4, 9]。

与钢铁相比，铝合金，如铸铝、锻铝、铝板材及铝型材等，具有密度小、易加工、耐腐蚀等特点，还能回收并循环利用，在车身上的应用以铝板和铝型材为主，在发动机、底盘等零部件上主要是铸铝[10, 11]。

镁合金具有更小的密度，其比强度和比刚度更高，在离合器、变速箱、发动机罩等壳体上有应用，但是镁合金具有各向异性、应变率敏感性、韧性差等缺点，导致其设计、加工技术较为复杂，成本较高[12, 13]。

除了金属之外，工程塑料在汽车上的应用也逐渐由内、外饰件发展到结构功能件[14, 15]。

复合材料，如玻纤增强复合材料、碳纤维增强复合材料等，具有足够的强度、刚度以及多种形式的能量吸收，能够满足汽车车身和底盘等结构的性能需求，随着成本的降低，在汽车上的应用会越来越广泛[2, 16]。

通过单一材料的应用能够降低整车质量，但是往往带来成本的升高，通过多种材料的组合应用，以及优化设计，在合理的结构部位采用合适的材料，不仅能够实现轻量化，节省资源减少污染，还能有效地控制成本[17-19]。

多材料的成功应用，不仅取决于材料的加工工艺，还依赖于可靠的、高效的、低成本的连接技术[20-22]。

目
1
吉林大学博士学位论文
前，由于不同材料之间的材料属性（如熔点、热膨胀系数、电化学性能等）、力学性能（如屈服强度、延展率等）以及载荷的传递方式等存在巨大差异，多材料连接面临着一系列挑战[20]。

传统的机械连接方式，如螺栓连接、铆接，能够提供足够的连接强度，但是会带来质量的增加和密封性差等问题，还会在连接处造成应力集中现象，特别是对于纤维增强复合材料，开孔破坏了纤维的连续性，会进一步诱发早期失效[23-25]。

与传统连接方式相比，粘接能够保证被连接结构的完整性，密封性好，承载面积大，应力分布均匀，还能对复杂结构进行连接，特别适用于薄板以及纤维增强复合材料的连接，能够在保证强度的同时实现轻量化[23, 25, 26]。

综上所述，CFRP和铝合金都具有较高的比强度、比刚度，以及易成型、易加工的优点，在车身和底盘上的应用越来越广泛，是汽车工业最具潜力的材料之一。

粘接技术在CFRP和铝合金连接方面具有诸多优势，受到工业界和学术界的关注[24]。

但是胶粘剂和CFRP基体都是高分子材料，其力学性能受服役温度影响较为明显[27-29]，且在汽车的长期服役过程中，随着温度和湿度的长时间作用，还会引起胶粘剂和CFRP基体的老化现象[30-32]，胶粘剂和CFRP的共同老化作用，决定着CFRP/铝合金粘接接头性能的老化程度。

因此，CFRP/铝合金粘接接头在服役过程中的服役温度和温湿老化是工程应用中需要重点考虑的问题之一，研究不同服役温度和温湿老化对CFRP/铝合金粘接接头力学性能的影响机理和影响规律，对于接头的耐久性预测具有重要意义[33]。

1.2服役温度对复合材料粘接接头性能的影响
粘接接头在服役过程中，环境中温度和湿度都会产生较大影响，由于温度影响的作用时间较短，很快就能达到热平衡，因此在服役环境对粘接接头性能影响的时候主要考虑温度的影响。

吸湿是一个长期的作用过程，同时还主要伴随着老化的影响[34, 35]，本文将服役环境中湿度的影响安排在老化内容里。

粘接接头中的胶粘剂在不同温度下具有不同的力学性能，同时温度变化还会在胶粘剂和基材之间产生热应力，而复合材料粘接接头中的复合材料性能也会受温度影响，因此胶粘剂和复合材料的性能和热应力的共同影响决定了不同服役温度下复合材料粘接接头的失效强度和失效模式。

2
第1章 绪论
3
1.2.1 胶粘剂性能的影响
由于胶粘剂是高分子材料，外界温度发生改变的时候，其胶粘剂的应力-应变性能会发生变化，从而影响粘接接头的承载能力[36, 37]。

由于高分子材料在无定形性区域的分子链间作用力和分子运动是通过玻璃化转变温度（T g ）来反映的，因此，T g 是影响胶粘剂性能随温度变化的一个重要参数[38]。

当温度低于T g 时，胶粘剂就像应变比较小的刚性材料；当温度超过T g 时，胶粘剂就转变成弹性材料[36]。

通常采用胶粘剂哑铃试件来测试胶粘剂的性能，一般来说，随着温度的升高，胶粘剂的失效强度降低[27, 36]。

例如，Banea 等[27] 和Avendaño 等[39]研究了胶粘剂哑铃试件在−40°C （-30°C ）、23°C 和80°C 的应力-应变性能，发现随着温度的升高，胶粘剂的失效强度和杨氏模量逐渐降低，失效应变增加，这是因为在高温下胶粘剂韧性增加引起的，而在低温下胶粘剂则表现得更加脆性。

Banea 等[36]还研究了温度（23、100、125和 150°C ）对结构环氧胶XN1244性能的影响，并对其T g 进行了测试，发现当温度接近其T g （155°C ）时，胶粘剂的失效强度下降了约90%，这是因为胶粘剂由玻璃态向高弹态发生了转变。

Banea 等[40]还采用双悬臂梁（Double Cantilever Beam ，DCB ）研究了胶粘剂在23、100、125和 150°C 下模式I 的断裂韧性IC G ，发现当温度低于
T g 时，温度对断裂韧性IC G 的影响不明显；当温度超过T g 时，断裂韧性IC G 出现了急剧下降。

但是有些胶粘剂的失效强度随着温度的降低而更容易发生失效。

Adams 等[37]在20°C 和-55°C 对一种未改性环氧树脂胶粘剂的应力-应变曲线进行了测试，发现在20°C 时的应力-应变曲线首先是线性增长，然后刚度降低呈非线性增长直到失效，失效强度约为85MPa ，失效应变为6.5%；在-50°C 时的应力-应变曲线的刚度明显增加，从拉伸开始直到失效一直保持线性增长，最大失效载荷约为45MPa ，失效应变为1%，说明降低温度不仅减低了失效强度，还改变了应力-应变曲线的趋势。

1.2.2 复合材料性能的影响
对于高分子基体复合材料，其力学性能会随着温度的改变而发生变化[34, 41]，温度对基体性能的影响与胶粘剂相似。

而且复合材料中的纤维与基体热膨胀系数不一样，温度变化也会引起热应力，对纤维/基体界面的性能产生影响，进而影响复合材
吉林大学博士学位论文
料的拉伸强度、断裂韧性和冲击强度[42-44]。

纤维/基体的界面强度对于复合材料性能有重要影响，若界面强度降低，则复合材料的强度、刚度降低，但是抗开裂能力强；若界面强度高，则复合材料的强度、刚度高，但是更加脆性[45]。

分层复合材料是各向异性材料，若在厚度方向缺少增强作用，在外部载荷的作用下，容易发生基体开裂、分层以及纤维撕裂等失效[46, 47]。

Detassis等[43]采用单纤维段裂试验研究了应力在纤维和基体之间的传递随着温度的变化规律，发现当测试温度接近T g时，界面剪切强度出现了急剧下降。

Cao等[48]测试了C/GFRP（玻璃纤维增强树脂复合材料）和C/BFRP（玄武岩纤维增强树脂复合材料）在16 ~200°C的拉伸强度，发现随着温度的升高拉伸强度降低，超过T g后保持不变，而且温度也改变了FRP的失效模式。

Silva等[47]研究了双马来酰亚胺增强纤维复合材料在-55~200°C范围的力学性能变化，结果表明在测定弯曲模量的时候一定要考虑热膨胀系数的影响，复合材料的模量和强度随着温度增加出现了降低，Hawileh[49]、王世明[34]和欧阳林辉[41]也得出了类似的结论。

Machado等[50, 51]发现随着温度的升高，CFRP模式I和II的断裂能增加，这主要是由CFRP基体的树脂性能引起的。

1.2.3热应力的影响
除了受胶粘剂和复合材料的性能影响外，粘接接头的性能还受胶粘剂和粘接基材热膨胀系数（Coefficients of Thermal Expansion）差异而引起的热应力影响[32, 37, 52]。

材料的热膨胀系数采用应变仪或者双材料曲线梁（Bi-material Curved Beam）方法测定[47, 53]，典型粘接基材和胶粘剂的热膨胀系数如表1.1所示，由此可知，不同材料的热膨胀系数差异较大，可能会产生较大的热膨胀差异，进而引起热应力。

通常来说，热应力对粘接接头的应力分布和承载能力有较大影响，不仅体现在粘接接头的服役过程中，而且从固化温度冷却的时候也会产生收缩热应力，因此在粘接结构的设计中需要考虑如何降低热应力[37, 52]。

Adams等[37]对不同温度下的单搭接接头进行了测试，分析了胶粘剂性能、热膨胀系数差异引起的热应力和固化引起的收缩应力对接头性能的影响，发现固化过程中的收缩应力影响可以忽略。

Humfeld等[54]研究了粘接接头在高低温循环中的行为，发现在高温的时候胶粘剂热应力很快得到释放，而在低温的时候又会产生热应力，随着高低温循环的增加，热应力逐渐增加从而使
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