复合材料粘接结构弱粘接件的制备方法

第13卷第3期2013年1月1671—1815（2013）03-0677-05
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol.13No.3Jan．2013 2013Sci.Tech.Engrg.
一般科学技术
复合材料粘接结构弱粘接试件的制备方法
艾春安
刘
瑜
李
剑
（第二炮兵工程大学，西安710025）
摘要针对复合材料粘接结构强度弱化检测方法研究中的弱粘接试件制备问题，通过改变胶层的固化温度来制备试件。

首先制备了铝—铝粘接试件，剪切强度拉伸实验表明：其剪切强度随固化温度的降低而减小。

在相同胶粘剂、固化温度条件下，制作了复合材料—橡胶粘接试件，剥离强度拉伸实验表明：其剥离强度随固化温度的降低而降低。

研究表明，铝—铝粘接试件的剪切强度随温度变化规律可作为复合材料粘接试件制备工艺的参考指导，通过改变固化温度可以实现对复合材料粘接结构弱粘接试件的制备。

关键词
复合材料
弱粘接
固化温度中图法分类号
TB33；
文献标志码
A
2012年9月18日收到
第一作者简介：艾春安，男。

博士。

E-
mail ：sca01@sina．com 。

粘接结构因其结构简单、性能优越在工业生产中广泛使用。

但粘接结构在生产和使用的过程中易出现气孔、分层、脱粘以及强度弱化等缺陷，会导致结构强度和刚度显著降低
［1，2］。

这些缺陷对粘接结构的
可靠性造成严重影响，甚至会引起重大安全事件［3］。

为了提高粘接结构的性能，大量复合材料被使用到其结构中。

由于复合材料的复杂结构，使得对其的检测明显困难。

为了确保其粘接结构的可靠性，对界面粘接质量的检测就显得非常必要
［4］。

要研究某型缺陷的检测方法，就需要制备相对应的试件作为检测对象，
从而验证检测方法的正确性。

对模拟孔洞、分层、脱粘等缺陷的试件制作相对比较容易
［5］
，但对于复合材料粘接结构弱粘接试
件的制备难度较大，因此有必要研究其制作方法，为弱粘接缺陷检测方法提供实验试件。

现提出改变胶层固化温度的方法来实现对弱粘接试件的制备，并通过拉伸实验结果来验证此方法的有效性。

1铝-铝粘接试件的制备及剪切强度的测定
为了验证通过控制固化温度来改变粘接强度
这一工艺方法的有效性，在三种不同的固化温度条件下制备了铝—铝粘接结构的标准拉伸试件。

其具体尺寸请参照国家标准《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》（GB /T 7124—2008）。

其结构示意图如图1所示。

图1粘接试样结构示意图
试样分三组制作，每组制作5个。

根据某型胶粘剂的粘接性能在135ħ附近达到最佳，低于85ħ胶粘剂无法起粘的特点，选择了三个固化温度点从低到高依次是90ħ、110ħ、135ħ，分别对应第1组、第2组、第3组。

三个组除了固化温度外，其它工艺参数保持一致。

对上述试样进行拉伸实验，各组试样的位移－拉力曲线如图2所示。

根据图2中各试样的破坏载荷（即拉力峰值），利用式（1）求出各试样的剪切强度，
图2各组试样剪切强度拉伸曲线
σ=F
S
（1）
式（1）中：σ为剪切强度（MPa）；F为破坏载荷（N）；S为剪切面积（mm2）。

通过计算每组试样剪切强度的平均值，作为该组粘接试件的拉伸剪切强度，计算数值如表1所示。

试样固化温度与平均剪切强度的关系曲线如图3所示。

表1各组试样的平均剪切强度
试样编号第1组第2组第3组平均剪切强度/MPa13.61416.
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图3试样固化温度与平均剪切强度关系
从图3中可以看出，固体温度为90ħ时，平均剪切强度最低，固化温度为135ħ时，平均剪切强度最高。

总体上看，随着固化温度的升高，平均剪切强度有升高的趋势。

若以135ħ时的剪切强度为标准，则90ħ和110ħ时对应的剪切强度分别为标准强度的82%、和85%。

实验结果表明：利用改变固化温度来控制粘接强度的工艺方法是有效的。

2复合材料粘接试样的制备及剥离强度的测定
采用相同的胶粘剂在同样固化温度条件下，制备了三组复合材料粘接试样。

复合材料粘接试样的结构为：上层材料为正交玻璃纤维复合材料，下层材料为丁腈橡胶，中间胶粘剂同上。

其中留出一块宽度为60mm的区域不涂胶，目的是为了便于后续剥离强度实验。

试样分为三组，每组5个试样。

各组次试样除了固化温度外，其它工艺参数保持一致。

复合材料粘接试样示意图及实物照片如图4所示。

为了测定各组复合材料粘接试样的实际粘接强度，从各组试样中选取其中的一块，按图5中点划线方向，从其上面裁取五块宽度为25mm的长条作为复合材料粘接粘接强度测试样本。

其实物照片如图6所示。

实验参照国家标准《胶粘剂180ʎ剥离强度实验方法———挠性材料对刚性材料》（GB/T2790—1995）执行［6］。

各组试样在拉伸过程中的位移－拉力曲线如图
876科学技术与工程13卷
图4
复合材料粘接试样
图5
粘接试样裁剪示意图
图6测定剥离强度的样本照片
7所示。

根据图7中各试样的拉伸实验结果，以（50 135）mm 位移范围内拉力的算术平均值做为试样的剥离力。

表中剥离强度的计算方法如式（2）。

σ180ʎ=
F
B
（2）
式（2）中：σ180ʎ为剥离强度（kN /m ）；F 为剥离力（N ）；B 为试样宽度（mm ）。

计算每组试样剥离强度的算术平均值，作为该组试样的平均剥离强度，计算结果如表2。

各组试样的剥离强度和平均剥离强度如图8所示。

图7
各组试样剥离强度拉伸曲线
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763期艾春安，等：复合材料粘接结构弱粘接试件的制备方法
图8复合材料粘接试样剥离强度
表2各组试样的平均剥离强度
试样编号第1组第2组第3组平均剥离强度/（kN·m－1）0.6 1.1 4.8
从图8可以看出，随着固化温度的升高，从第1组试样到第3组试样，其平均剥离强度随固化温度的减小而降低。

由于复合材料粘接试样与铝—铝粘接试样所用胶粘剂一致，固化温度也一致，因此铝—铝拉伸实验测得的剪切强度可作为复合材料粘接试样剪切强度的参考值。

综合上述实验结果与铝—铝试件拉伸实验结果，复合材料粘接试样的实际粘接强度如表3所示。

通过其剪切强度和剥离强度数值可得：其粘接强度随固化温度的降低而减小。

若以第3组试样（固化温度为135ħ）的粘接强度作为标准强度，则第2组试样（固化温度为110ħ）和第1组试样（固化温度为90ħ）的粘接强度依次降低，因此第2组试样和第1组试样即为弱粘接试件。

表3复合材料粘接试样的粘接强度
试样编组固化温
度/ħ
剥离强度/（kN·m－1）
数值百分比/%
剪切强度/MPa
数值百分比/%
第1组900.61213.682第2组110 1.1231485第3组135 4.810016.51003结论
采用改变胶层固化温度，制作了三组在不同固化温度下固化的铝—铝粘接结构。

通过对各组试件的剪切强度拉伸实验，对每组中各个试件的剪切强度取平均值作为其剪切强度，实验结果表明：粘接试件的剪切强度随固化温度的降低而减小。

在同样的固化温度条件下，使用相同的胶粘剂制作了三组复合材料和橡胶的粘接试件，通过对各组试件的剥离强度拉伸实验，实验结果表明：粘接试件的剥离强度随固化温度的降低而降低。

由于复合材料粘接试样与铝—铝粘接试样所用胶粘剂和固化温度条件相同，因此铝—铝拉伸实验测得的剪切强度可作为复合材料粘接试样剪切强度的参考值。

因此，复合材料粘接试件的剪切强度和剥离强度都随温度的降低而减小，即其粘接强度随温度的降低而减小。

相对135ħ固化条件下试件的粘接强度，110ħ、90ħ固化的试件即为弱粘接试件。

因此采用改变胶层固化温度的方法可以实现对复合材料粘接结构弱粘接试件的制备。

参考文献
1Adams R D，Drinkwater B W.Nondestructive testing of adhesively-bonded joints.NDT＆E International，1997；30（2）：93—98
2Cawley P.Ultrasonic measurements for quantitative NDE of adhesive joints potential and challenges.IEEE Ultrasonics Symposium，1992；
10：767—772
3李芳.固体火箭发动机包覆层状态识别的研究.硕士学位论文，北京航空航天大学，2001
4李明轩.粘接质量超声检测研究.应用声学，2002；21（1）：7—12
5刘瑜.固体火箭发动机结构粘接质量的声—超声检测.硕士学位论文，第二炮兵工程大学，2009
6李子东，李广宇，刘志军，等.实用胶粘技术.北京：国防工业出版社，2007
086科学技术与工程13卷
The Preparation Method of Specimens with Weak Bonded for Composite Adhesive Structure
AI Chun-an ，LIU Yu ，LI Jian
（The Second Artillery Engineering University ，Xi ’an 710025，P．R．China ）
［Abstract ］According to the problem of the preparation of specimens with weak bonded for the study of the
method to test the strength weakening in composite adhesive structure ，specimens have been prepared by changing curing temperature of adhesive layer.First ，The adhesive specimens of aluminium-aluminium are prepared ，the tensile experiments of shear strength indicate that the shear strength of specimens is depressed by the decline of cu-ring temperature.The adhesive specimens of composite-rubber have been produced by using the same adhesive in the same condition of curing temperature ，the tensile experiments of peel strength in composite adhesive structure indicate that peel strength is depressed by the decline of curing temperature.The study shows that the change rule between shear strength and curing temperature can be used to guide the preparation technology of composite adhe-sive specimens ，the specimens with weak bonded of composite adhesive structure can be prepared by changing the curing temperature of adhesive layer.［Key words ］composite
weak bonded
curing temperature
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863期艾春安，等：复合材料粘接结构弱粘接试件的制备方法。