光固化碳纤维布复合材料粘接修理探究

1实验

1.1原材料

脂环族环氧树脂CycloaliphaticEpoxy(CEP)，双((3，4-环氧环己基)甲基)己二酸酯，江苏泰州泰特尔化工有限公司;阳离子光引发剂二甲苯基碘鎓六氟磷酸盐(820)，姜堰市嘉晟科技有限公司;环氧改性有机硅树脂ES06(ES)，江苏吴江合力树脂有限公司;1000W高压汞灯，上海煜业电光源制造有限公司;过氧化苯甲酰(BPO)，上海国药集团;碳纤维正交平纹布3K，江苏宜兴鼎峰碳纤维织造有限公司;1.5mm厚YL12铝合金板。

1.2试样的制备

损伤金属结构的制备:将1.5mm厚YL12铝合金板裁成35×140mm的矩形板，在中心处预制直径8mm的圆孔作为损伤。光固化树脂基体:将CEP和ES分别按照质量比100∶0、90∶10、80∶20、70∶30:、60∶40得到混合树脂，相应地加入混合树脂质量为3%的820和2%的BPO，便得到了不同组成的光固化树脂基体。光固化修理试样的制备:采用湿铺法粘接修理损伤金属板。粘接修理前对粘接区域进行溶剂清洗以及喷砂处理。复合材料补片的宽度和金属损伤板相同，分别采用不同的长度和铺设层数得到一系列粘接修理试样。完成铺设后，紫外光辐照30min完成固化。修理试样用EPSa-b-c的形式表示，其中a表示混合树脂的组成，b表示补片铺设的层数，c表示补片的长度。例如EPS1-1-60，表示复合材料补片的基体为混合树脂EPS1，碳纤维补片铺设1层，长度为60mm。湿热处理:将修理试样浸入98℃的水中，保持7d，取出烘干后测试拉伸性能。

1.3拉伸测试

采用济南泰思特公司WDW-1型电子万能拉力机在室温下测试试样拉伸性能，在5mm/min的拉伸速率下测试。

2结果与讨论

2.1固化机理

紫外光固化主要是通过紫外光辐照引发光引发剂的分解，产生自由基或阳离子等反应中心，并引发链增长，得到固化产物［13］。由于紫外光的穿透能力有限，限制了固化的厚度。特别是对于含有增强相的树脂基复合材料的固化更是如此。本文在加入阳离子光引发剂的同时，还加入了可以热引发分解的BPO。在紫外光的辐照下，阳离子光引发剂引发环氧树脂的聚合，聚合反应的放热以及光照的热效应诱发BPO分解产生自由基。BPO分解产生的自由基则可以进一步诱发阳离子光引发剂的分解。这样，即使没有紫外光的直接辐照，深层的树脂或光线被遮挡区域的树脂也可以固化。整个试样的固化从表层逐渐向下蔓延，形成自蔓延的特点。

2.2树脂组成的影响

有机硅树脂通常被作为增韧相改性环氧树脂，同时，还具有优良的耐老化性能［14］。为此，我们在树脂体系选择时，引入了环氧改性的有机硅树脂来改善复合材料基体的性能，进而提高复合材料补片的综合性能。图1(a)为不同基体树脂组成粘接修理试样的拉伸曲线，图1(b)为对应的各试样的破坏载荷和有机硅树脂质量百分比的关系，可以看出，随着有机硅树脂ES含量的增加，粘接修理结构拉伸破坏载荷首先有所增加，当有机硅树脂含量超过30%后，载荷开始下降。有机硅树脂的加入提高了复合材料补片基体树脂和胶层树脂的韧性，改善了拉伸加载过程中胶层和复合材料补片的变形协调和载荷分配能力，使得整体粘接修理结构的承载能力得到提升。但是，如果进一步增加有机硅树脂含量，可能导致基体树脂交联程度的下降，对复合材料补片自身强度的影响较大。因为这主要是因为CEP树脂含量的减少会降低自蔓延固化的速率。因此当有机硅树脂的含量在20%～30%之间时，复合材料粘接修理结构具有更好的承载能力。

2.3补片尺寸的影响

补片长度对粘接修理结构破坏载荷的影响随着补片长度的增加，粘接修理结构的拉伸破坏载荷逐渐增大。但是，补片长度从40mm增加到50mm时，拉伸破坏载荷的变化并不大。当补片的长度增加到60mm后，拉伸破坏载荷的增加表现出明显的增大。这和有限元分析的结果相符合［15］，也就是只有补片的尺寸增加到一定的程度后，粘接结构中胶层向补片传递载荷的效率才比较高，而且可以降低补片端部胶层的应力水平。这样粘接修理对于损伤结构的承载能力的恢复更有利。增加复合材料补片碳纤维布的层数，可以提高补片的力学性能，进而提高粘接修理结构的。图3(a)和图3(b)分别为EPS0和EPS2复合材料补片单层修理和3层补片修理的情况。显然，3层补片具有更好的粘接修理效果。对于EPS0-3-60试样，其破坏载荷为21.01kN，EPS2-3-60则为21.25kN，两者相差不大，都接近于完好试样22.34kN的破坏载荷。补片层数的增加虽然可以提高补片的力学性能，但是，粘接修理结构更容易发生剥离破坏［16］。因此，对于应急修理而言，为了争取时间，并不需要更多的补片层数就可以满足抢修的需求。

2.4修理方式的影响

单面和双面粘接修理对破坏载荷的影响双面粘接修理和单面粘接修理相比较，前者可以更好地恢复损伤结构的承载能力。单面粘接修理由于结构的不对称，导致偏心载荷，使得粘接修理结构更容易破坏。对于双面粘接修理而言，则不存在上述问题，而且，双面补片可以更好地分担结构载荷，进一步提高粘接修理的效率。从图4中可以看出，双面粘接修理的试样，不论补片是3层或单层，修理后的破坏载荷都更高，更接近完好试样的拉伸破坏载荷。

2.5湿热老化影响

图5为湿热老化前后粘接修理试样的承载能力对比，可以看出，引入有机硅后，复合材料粘接修理结构的耐湿热老化性能明显改善。经过湿热老化处理后，单纯CEP树脂基复合材料粘接修理结构的拉伸破坏载荷下降很大。但是，对于混合树脂基复合材料粘接修理结构，虽然拉伸破坏载荷有明显下降，但是下降幅度较小。有机硅树脂的加入一是可以改善复合材料补片自身的耐老化性能，二是粘接界面的性能也有所改善，减弱湿热对界面的破坏。

2.6破坏模式

试验中试样的破坏模式主要有两种，一种是补片和损伤试样一起破坏，这种破坏形式主要是单层复合材料补片修理试样。单层复合材料补片强度较低，因此，在分担拉伸载荷时和损伤结构同时发生了破坏。但是，对于3层复合材料补片，其强度足够高，即使分担了较大的载荷，在拉伸试验中也没有发生破坏，其破坏模式主要是损伤结构破坏，在补片和损伤结构之间的胶层发生，损伤结构上还残留有胶层和碳纤维。事实上，补片层数的增加导致其厚度的增加，厚度的增加则容易引发剥离的发生。湿热处理的试样，其破坏模式则主要是损伤结构的破坏和补片与粘接表面的剥离失效。湿热条件下，粘接界面被侵入的水分破坏，导致界面层的性能下降，粘接界面层则是将载荷传递到补片上，使补片分担部分载荷，从而恢复损伤结构承载能力。所以说，界面层起着非常关键的作用。湿热环境导致的粘接修理结构承载能力的下降主要是界面层性能下降所导致的，由于湿热的原因，损伤结构上残留的胶层已经被破坏成许多不连续的海岛状，导致胶层性能的下降。

3结论

(1)同时加入光引发剂820和过氧化苯甲酰(BPO)，在紫外光的辐照下，以脂环族环氧树脂(CEP)及其和有机硅树脂(ES)的共混树脂为基体的碳纤维增强复合材料，可以自蔓延固化机理，实现快速光固化;(2)有机硅树脂的引入不仅可以改善复合材料粘接修理结构的力学性能，而且可以提高其耐湿热老化的性能;(3)增加复合材料补片的长度和补片层数可以有效提高复合材料粘接修理结构的承载能力，同时，双面贴补比单面贴补具有更好的粘接修理效果。

作者：赵培仲 单位：海军航空工程学院青岛校区航空机械工程系