慕文龍，那景新，秦國鋒，譚 偉，高 原，申 浩

（1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.吉林大學電子顯微鏡中心，長春 130012；3.廣西師范大學職業(yè)技術(shù)師范學院，桂林 541004）

前言

輕量化技術(shù)是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的有效措施之一。汽車輕量化途徑主要包括新材料應用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和新工藝，其中又以新材料應用最為有效［1］。碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有高比強度、高比模量、耐腐蝕和抗疲勞性能良好等優(yōu)點，能夠在保證整車性能的同時實現(xiàn)輕量化，在汽車產(chǎn)業(yè)中的應用日益廣泛［2］。傳統(tǒng)的連接技術(shù)如鉚接、焊接等往往存在應力集中和材料損傷等問題，不能完全滿足CFRP連接的需要，這嚴重制約了CFRP的進一步應用。粘接作為一種新型的結(jié)構(gòu)連接技術(shù)，具有密封性好、應力分布均勻、抗疲勞和耐腐蝕等優(yōu)點，能夠在不破壞零件結(jié)構(gòu)的同時保證一定粘接強度，實現(xiàn)異種材料連接，在CFRP連接中起到越來越重要的作用［3］。

汽車在實際服役過程中，往往須經(jīng)受嚴寒和暴曬等惡劣條件，環(huán)境溫度范圍一般為－40～80℃。在持續(xù)極限溫度作用下，膠粘劑屬性會發(fā)生改變，從而影響粘接結(jié)構(gòu)性能，同時由于膠粘劑和基材熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應力效應可能會導致結(jié)構(gòu)損傷［4］。對于CFRP，碳纖維和樹脂基底同樣存在較大的熱膨脹系數(shù)差異，且樹脂基底在溫度載荷下也會發(fā)生老化，造成粘接結(jié)構(gòu)力學性能下降［5－6］。因此針對極限溫度下的粘接接頭耐久性進行研究，獲得性能變化規(guī)律和內(nèi)在機理，并在此基礎上提出有效的失效預測方法具有十分重要的意義。

針對環(huán)境溫度作用下的粘接接頭耐久性能，國內(nèi)外學者展開了相關(guān)研究。韓嘯等［7］基于響應面法研究了經(jīng)歷不同極限溫度環(huán)境后，采用不同屬性膠粘劑制作的鋼-鋁單搭接膠接接頭的強度退化現(xiàn)象。在此基礎上進一步對循環(huán)溫度場作用下的接頭剩余強度進行了試驗測試和仿真預測［8］。Zhang等［9］選用電鍍鋼、鋁合金為粘接基材，研究了同種、異種材料單搭接接頭在80℃持續(xù)作用下的耐久性能，發(fā)現(xiàn)在高溫老化作用下接頭強度均出現(xiàn)下降，且異種材料粘接接頭耐久性由相對較弱的膠粘劑-基材界面所決定。Wu等［10］對80℃環(huán)境下作用14天后的鋁合金單搭接接頭靜態(tài)、疲勞性能進行測試，結(jié)果表明，高溫老化后接頭準靜態(tài)強度和低周疲勞強度明顯下降而高周疲勞強度幾乎沒有變化。Akderya等［11］采用環(huán)氧樹脂基底復合材料制作單搭接接頭，并在－18和70℃環(huán)境下暴露一周進行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)高低溫持續(xù)作用均造成接頭失效載荷的下降。

現(xiàn)有的粘接接頭高低溫耐久性研究通常針對傳統(tǒng)金屬材料粘接基材，而CFRP與金屬材料之間存在明顯的差異，而且CFRP自身的老化也會對接頭性能產(chǎn)生影響。本文中研究CFRP表面粗糙度對接頭失效載荷的影響，并確定了最佳粘接方案。在此基礎上，對鋁合金-鋁合金／CFRP-鋁合金（AL-AL／CFRP-AL）單搭接接頭進行－40和80℃環(huán)境下0（未老化）、5、10、15、20和 25天的老化試驗，研究失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律，并通過宏觀觀察與掃描電子顯微鏡（SEM）微觀觀察分析接頭失效形式?；陔p線性內(nèi)聚力單元建立接頭仿真模型，并引入溫度退化因子，結(jié)合試驗測試獲得初始失效準則，對持續(xù)極限溫度作用下的接頭失效載荷進行預測。

1 試驗過程

1.1 材料選擇

粘接基材為車體結(jié)構(gòu)中常見的6061鋁合金和CFRP板材。CFRP板材由斜紋、單向預浸料加工而成，其整體厚度為2 mm，鋪層順序為［（0／90）／0／90／0／90／0／90／（0／90）］；選用雙組份環(huán)氧樹脂膠粘劑Araldite?2015（亨斯邁先進材料有限公司），它具有較高的粘接強度并適用于復合材料粘接，廣泛應用于汽車工業(yè)。膠粘劑和CFRP主要材料參數(shù)如表1和表2所示。依據(jù)標準GB／T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》制作鋁合金拉伸試樣，并進行準靜態(tài)拉伸試驗，獲得鋁合金真實應力-應變曲線如圖1所示，鋁合金材料參數(shù)如表3所示。

表1 Araldite?2015材料參數(shù)

表2 CFRP材料參數(shù)

表3 鋁合金材料參數(shù)

圖1鋁合金應力 應變曲線

1.2 接頭制作

參考標準ISO4587—2003設計制作了AL-AL和CFRP-AL單搭接接頭，接頭尺寸示意圖如圖2所示。其中搭接長度和寬度均為25 mm，膠層厚度為0.2 mm。

圖2 單搭接粘接接頭尺寸示意圖（mm）

在試驗環(huán)境（溫度保持在25±3℃，相對濕度保持在50±5%）條件下，完成所有試件的粘接。參考標準GB／T 7124—2008對粘接基材進行表面預處理，其中鋁合金表面采用＃80氧化鋁噴砂處理（空氣壓力0.5 MPa，噴砂時間10 s）?？紤]到噴砂容易造成CFRP損傷，因此使用砂紙對其進行輕微打磨。采用丙酮對噴砂后鋁合金和打磨后CFRP板進行去脂和清潔。待試件干燥后進行施膠，并利用設計的專用夾具完成粘接。粘接夾具如圖3所示，夾具表面粘貼特氟龍膠帶以防止殘留膠粘劑固化后難以清理。膠層厚度由墊片進行控制。粘接完成后接頭在常溫下放置24 h，然后進行2 h的80℃高溫固化，并在試驗環(huán)境中保持24 h。為提高試驗數(shù)據(jù)一致性，在完全固化之前切除粘接區(qū)域附近余膠。

圖3 粘接夾具

1.3 試驗方案

為研究CFRP表面粗糙度對粘接性能的影響，獲得較好的 CFRP-AL粘接效果，分別采用＃80、＃240、＃360、＃600和＃800砂紙對 CFRP表面進行打磨，然后采用OLS3000型激光共聚焦顯微鏡測試表面粗糙度。針對每個測試表面，選取5個位置進行重復測試，獲得平均表面粗糙度Ra。按照接頭制作流程完成試件粘接和固化，通過準靜態(tài)拉伸試驗測試失效載荷，每種粗糙度測試5個試件。

根據(jù)粗糙度測試結(jié)果，選取失效載荷最大的前處理方案制作粘接接頭。將固化好的粘接接頭均勻放置于高低溫濕熱環(huán)境箱（WEISS實驗設備有限公司）中，分別設置環(huán)境溫度為80和－40℃，進行0、5、10、15、20和25天的老化試驗。老化試驗結(jié)束后將試件再置于試驗環(huán)境中，直到恢復常溫，然后進行準靜態(tài)拉伸試驗，每組試驗至少重復3次。

使用WDW3100微機控制電子萬能試驗機（長春科新試驗儀器有限公司）對AL-AL和CFRP-AL單搭接粘接接頭進行準靜態(tài)拉伸，試驗機拉伸速度為1 mm／min。試件夾持端放置2 mm厚的墊片，以消除拉伸試驗過程中彎曲應力的影響。拉伸過程試驗載荷由萬能試驗機記錄?？紤]到試驗過程中拉伸機夾持機構(gòu)的變形對試件位移采集存在一定影響，采用基于三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的非接觸全場應變測量系統(tǒng)測取接頭粘接區(qū)域真實變形。準靜態(tài)拉伸試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 準靜態(tài)拉伸試驗現(xiàn)場

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 CFRP表面粗糙度對失效載荷的影響

CFRP板材表面光滑且有可能附著脫模劑，因此采用砂紙對其表面進行打磨處理，然后再粘接。未經(jīng)表面處理和采用不同目數(shù)砂紙打磨后的CFRP-AL粘接接頭表面粗糙度Ra如表4所示。

表4 CFRP表面粗糙度

由表4可知，未打磨的CFRP表面粗糙度最小，打磨后隨著砂紙目數(shù)的減少，CFRP表面粗糙度逐漸增加。采用不同粗糙度CFRP制作的粘接接頭的失效載荷如圖5所示。由圖可知，未打磨的CFRP，表面十分光滑，不利于膠粘劑粘附，因而粘接失效載荷相對較低（3 597 N），且其破壞斷面呈現(xiàn)明顯的界面失效，如圖6（a）所示，未能實現(xiàn)有效粘接；而打磨后的接頭，即使用＃800砂紙打磨，其表面粗糙度也驟然得到顯著提升而得以和膠粘劑有效粘附，不再產(chǎn)生界面失效，而斷面的失效則呈現(xiàn)為膠粘劑內(nèi)聚破壞，打磨后失效斷面如圖6（b）所示。

圖5 不同粗糙度CFRP-AL接頭失效載荷

圖6 未打磨和＃80砂紙打磨接頭失效斷面

對于CFRP打磨后的粘接接頭，隨著表面粗糙度的增加，其失效載荷逐漸下降，即在測試范圍內(nèi)（0.79－1.38μm），CFRP表面越粗糙，接頭承載能力越低。當采用＃800砂紙打磨時，獲得最大失效載荷，為9 198.5 N。采用＃600砂紙時，失效載荷相比最大值減少了2.71%，下降幅度相對較小。而采用＃360砂紙時接頭失效載荷出現(xiàn)明顯下降，為7.83%，采用＃240和＃80砂紙打磨時接頭失效載荷分別下降了10.62%和12.16%，下降速度有所減緩。隨著粗糙度的增加，膠粘劑不能有效地浸潤粘接表面，容易造成粘接膠層不連續(xù)，從而降低接頭承載能力［12］。

基于SEM對打磨后CFRP表面進行微觀觀察，如圖7所示。＃80砂紙打磨后CFRP表面存在明顯的劃痕，造成較為嚴重的局部纖維斷裂，如圖7（a）中矩形虛線框所示，＃240和＃360砂紙打磨后也出現(xiàn)了一定程度的纖維損傷，而使用＃600和＃800砂紙打磨后CFRP表面相對平整，沒有較大的劃痕，其中＃600砂紙打磨后觀察到輕微纖維損傷，而＃800砂紙打磨表面基本上沒有纖維受損。對采用＃80砂紙打磨后的CFRP-AL接頭失效斷面宏觀觀察可以發(fā)現(xiàn)，雖然失效形式為內(nèi)聚破壞，但斷面上存在局部纖維撕裂，如圖6（b）中矩形虛線框所示，即采用粗糙砂紙打磨容易損傷纖維，破壞CFRP表面完整性，導致接頭失效載荷下降［13］。由于以上原因，本文中高低溫耐久性試驗CFRP均采用＃800砂紙打磨。

圖7 打磨后CFRP表面典型SEM形貌

2.2 持續(xù)高溫下接頭耐久性分析

對高溫老化后接頭失效載荷進行統(tǒng)計分析，獲得接頭耐久性規(guī)律，如圖8所示。在80℃環(huán)境持續(xù)作用下，CFRP-AL和AL-AL粘接接頭平均失效載荷發(fā)生了較為明顯的改變。隨著老化周期的增加，CFRP-AL接頭失效載荷總體呈現(xiàn)上升趨勢，相比于初始失效載荷，5、10、15和20天高溫老化后CFRPAL接頭失效載荷分別上升了6.11%、10.61%、14.24%和15.62%，上升速度逐漸變慢，而在25天時出現(xiàn)了輕微下降（相比20天下降0.98%）。在高溫老化環(huán)境下，AL-AL粘接接頭失效載荷持續(xù)上升，相比初始載荷，5、10、15、20和25天后上升幅度分別為4.64%、7.69%、10.31%、12.73%和13.74%，初始老化5天時上升速度最快，之后逐漸減慢。

為進一步揭示接頭失效機理，對高溫老化前后AL-AL／CFRP-AL接頭失效斷面進行分析。老化前后AL-AL粘接接頭斷面沒有發(fā)生明顯變化，均表現(xiàn)為內(nèi)聚失效。考慮到本文中選取的膠粘劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg為67℃［14］，在80℃條件下處于高彈態(tài)，緩解了由于膠粘劑和基材熱膨脹系數(shù)不同所導致的熱應力作用，因此老化后AL-AL接頭性能變化由膠粘劑性質(zhì)決定。在持續(xù)高溫條件下，膠粘劑發(fā)生后固化，使粘接接頭承載能力提升，而隨著老化周期的增加，膠粘劑逐漸接近完全固化，反應速度降低，接頭失效載荷增加速度相應減緩［15］。

圖8 高溫下粘接接頭失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律

圖9 高溫老化CFRP-AL接頭失效表面典型宏觀形貌

對于CFRP-AL接頭，其典型失效斷面如圖9所示。未老化和老化5天后CFRP-AL接頭發(fā)生內(nèi)聚失效，而10天后出現(xiàn)CFRP局部纖維撕裂（如圖9中矩形框所示），且隨著老化時間的增加，撕裂面積有所增大。對圖6中A區(qū)域和圖9中B區(qū)域進行SEM微觀觀察，結(jié)果如圖10所示。由圖可見，在高溫環(huán)境下，由于纖維與樹脂基體熱膨脹系數(shù)的差異而導致的熱應力會引起CFRP老化。與未老化CFRP相比，高溫老化25天后碳纖維更加光滑，附著的樹脂基體明顯減少，纖維 基體界面出現(xiàn)損傷［16］。因此，CFRP-AL粘接接頭高溫耐久性受到膠粘劑后固化與CFRP老化的共同影響。

圖10 高溫老化CFRP-AL接頭失效表面典型SEM形貌

根據(jù)接頭失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律，分別選取二次多項式和指數(shù)函數(shù)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，并選取擬合優(yōu)度R2相對較高的作為理想函數(shù)。擬合曲線和擬合優(yōu)度R2如圖8所示。

2.3 持續(xù)低溫下接頭耐久性分析

在低溫環(huán)境下，CFRP-AL和AL-AL粘接接頭耐久性呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，如圖11所示。由圖可見，低溫老化對AL-AL接頭影響不明顯，接頭失效載荷幾乎沒有發(fā)生改變（變化幅度不超過4%）。而CFRP-AL粘接接頭失效載荷則隨老化周期的延長而持續(xù)降低，相比于未老化接頭失效載荷，5、10、15、20和25天后分別下降5.47%、6.30%、8.26%、8.87%和9.57%，但下降幅度逐漸減小。

分別采用指數(shù)函數(shù)和二次多項式對失效載荷數(shù)據(jù)進行擬合，并對比擬合精度。AL-AL接頭更符合二次多項式而CFRP-AL接頭更符合指數(shù)函數(shù)，擬合曲線和擬合優(yōu)度R2如圖11所示。

圖11 低溫下粘接接頭失效載荷隨老化周期的變化規(guī)律

與高溫老化類似，低溫老化后AL-AL接頭失效形式未發(fā)生改變，仍表現(xiàn)為內(nèi)聚破壞。在低溫環(huán)境下，膠粘劑后固化反應不明顯。同時對于同種材料粘接，由于膠粘劑和粘接基材熱膨脹系數(shù)不同所導致的熱應力對接頭性能影響有限［17］，因此AL-AL接頭失效載荷也未發(fā)生明顯改變，相比于初始載荷，25天后下降3.58%。

CFRP-AL接頭在低溫老化后失效形式?jīng)]有發(fā)生改變，仍為內(nèi)聚失效，而接頭承載能力持續(xù)下降。在長期低溫作用下CFRP也會發(fā)生老化，但考慮到并未發(fā)生纖維撕裂，失效形式主要為內(nèi)聚破壞，說明由基體、膠粘劑熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的熱應力造成的粘接劑性能下降影響更加顯著。因此低溫環(huán)境下CFRP-AL接頭性能退化主要由粘接接頭熱應力引起的粘接膠層退化導致。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法

為模擬粘接接頭在極限溫度環(huán)境下發(fā)生老化后的失效過程，實現(xiàn)接頭失效載荷預測，采用ABAQUS?軟件建立CFRP-AL粘接接頭三維有限元模型，進行數(shù)值模擬分析。

所建立的接頭模型如圖12所示，其中膠層采用內(nèi)聚單元（COH3D8），CFRP采用連續(xù)殼單元（SC8R），鋁合金采用3D應力單元（C3D8R）。各部分建模所采用的單元均為六面體網(wǎng)格。對粘接區(qū)域局部網(wǎng)格進行了細化，如圖12中放大圖所示。在分析過程中考慮了幾何非線性，接頭的左側(cè)截面采用固定約束，右側(cè)截面施加水平位移，并約束其他方向的自由度。

圖12 CFRP-AL單搭接接頭有限元模型

本文中膠層內(nèi)聚力模型基于雙線性牽引力 位移法則，包含的關(guān)鍵參數(shù)有初始剛度、臨界牽引力和斷裂能［18］。在進行有限元仿真時，須提供合適的初始失效準則。選取初始失效準則為二次應力準則，其廣泛應用于粘接結(jié)構(gòu)的失效預測［19］，即

式中：tn、ts、tt分別為材料法向和兩個切向應力分別代表法向和切向臨界牽引力。

為獲得更加準確的臨界牽引力參數(shù)值，采用文獻［20］中的方法測試CFRP-AL粘接接頭拉伸和剪切失效強度（對應法向、剪切臨界牽引力），結(jié)果如表5所示。

表5 膠層內(nèi)聚力模型參數(shù)

破壞擴展階段采用能量法則控制，即

式中：Gn、Gs、Gt分別表示由法向和兩個切向牽引力做功所釋放的能量；表示對應方向的斷裂能。

為預測極限溫度老化后CFRP-AL單搭接接頭失效行為，分別定義高溫、低溫退化因子D80和D－40，其計算公式為

式中：SD為不同老化周期后的接頭平均失效載荷；SF為未老化接頭平均失效載荷。

將圖8和圖11中接頭失效載荷擬合公式代入式（3），獲得任意周期后的高、低溫退化因子函數(shù)為

假設持續(xù)極限溫度作用后膠粘劑內(nèi)聚力模型各參數(shù)隨退化因子等幅度變化［8，18］。通過將原始參數(shù)與退化因子相乘，獲得退化后參數(shù)，并重新進行數(shù)值模擬，實現(xiàn)極限溫度老化后的接頭失效預測。

3.2 仿真結(jié)果分析

未老化CFRP-AL單搭接接頭失效過程如圖13所示，圖中采用ABAQUS軟件中所提供的內(nèi)聚力單元剛度退化標量（scalar stiffness degradation variable，SDEG）來表示材料的失效程度。SDEG為0時表示膠層沒有失效，發(fā)生初始失效后SDEG逐漸增大，等于1時膠層完全失效。由圖可知，膠層首先在鋁合金端部發(fā)生失效，然后由兩端向膠層內(nèi)部擴展，直至完全斷裂。

圖13 CFRP-AL單搭接接頭失效過程仿真結(jié)果

膠層完全失效后，提取仿真失效載荷和粘接區(qū)域鋁合金端部X和Z向變形，并與試驗測試結(jié)果進行對比，結(jié)果如表6所示。試驗與仿真X向位移誤差相對較大，但模型具有一定有效性。

表6 試驗與仿真結(jié)果對比

高低溫環(huán)境下不同老化時間后的試驗和仿真失效載荷如圖14所示。仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相比最大誤差為6.9%，這表明本文中采用的數(shù)值預測模型具有一定精度，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)極限溫度作用下的接頭失效預測。

4 結(jié)論

（1）采用砂紙打磨CFRP粘接表面能夠有效提高CFRP-AL單搭接接頭失效載荷。針對所試驗砂紙型號，隨著砂紙目數(shù)的增加，CFRP表面粗糙度減小，纖維損傷減少，粘接失效載荷逐漸增大。

圖14 CFRP-AL接頭試驗與仿真失效載荷對比

（2）在持續(xù)高溫環(huán)境下，隨著老化時間的增加，接頭失效載荷基本上呈上升趨勢，其中AL-AL接頭性能變化由膠粘劑后固化導致，而CFRP-AL接頭高溫耐久性能受到膠粘劑后固化和CFRP老化的共同影響。老化前后AL-AL接頭均為內(nèi)聚失效，未老化和老化5天后CFRP-AL接頭表現(xiàn)為內(nèi)聚失效，老化10天后出現(xiàn)局部纖維撕裂，且隨著老化時間的增加，撕裂面積有所增大。兩種接頭失效載荷變化規(guī)律分別符合指數(shù)函數(shù)和二次多項式函數(shù)。

（3）在低溫環(huán)境下，AL-AL接頭失效載荷與失效形式均未發(fā)生變化。而在熱應力作用下，膠層性能退化，CFRP-AL接頭失效載荷隨著老化周期的增加逐漸下降，不同老化周期后均為內(nèi)聚失效。ALAL／CFRP-AL接頭失效載荷變化規(guī)律分別符合二次多項式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)。

（4）基于內(nèi)聚力模型建立CFRP-AL單搭接接頭有限元仿真模型，并通過拉伸、剪切試驗測取初始失效準則參數(shù)。引入環(huán)境退化因子，對持續(xù)極限溫度作用下的接頭失效行為進行模擬。通過與試驗結(jié)果進行對比，證明數(shù)值模型能夠有效預測高低溫老化后的CFRP-AL單搭接接頭失效載荷。