余海燕，邢 萍，吳航宇

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、靈活的設(shè)計(jì)自由度以及優(yōu)異的抗疲勞性能在汽車上得到推廣應(yīng)用［1-3］。車身零部件之間的連接是CFRP汽車零部件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］。常用的金屬車身零部件連接方式有焊接、螺栓連接、鉚接、膠接等。對(duì)CFRP 層合板而言，螺紋連接和鉚接易產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)連接區(qū)域的內(nèi)部損傷［5］。膠接則可很好解決應(yīng)力集中問題［6］，但純膠接接頭對(duì)溫度、濕度和剝離力較敏感［7-8］。因此，膠接與鉚接、螺紋連接的混合連接方式得到推廣。研究表明，和單一連接相比混合接頭的靜強(qiáng)度和抗疲勞性均有所提升［9-10］。

隨著膠鉚混合連接接頭的推廣應(yīng)用［11-13］，其強(qiáng)度及失效行為也成為關(guān)注的熱點(diǎn)。Li等［14］驗(yàn)證了膠鉚混合接頭承載能力高，是汽車輕量化中的最佳接頭方案。陳瀟凱等［15］研究發(fā)現(xiàn)混合接頭的承載能力和能量吸收均高于單一接頭，膠鉚混合接頭初期主要由膠層承擔(dān)載荷，鉚接起加強(qiáng)作用，膠層失效后，鉚接承擔(dān)載荷，直至板材內(nèi)側(cè)鉚接孔發(fā)生拉伸失效。Chen等［9］發(fā)現(xiàn)復(fù)合接頭最終失效形式包括鉚釘剪切失效、CFRP擠壓變形、膠層失效和局部纖維撕裂。

上述這些研究主要是從靜態(tài)工況下開展，然而對(duì)于車身零部件而言，部分連接結(jié)構(gòu)需要長(zhǎng)期承受循環(huán)交變載荷。因此，保證CFRP 零部件接頭的疲勞性能并對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)至關(guān)重要［16-17］。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)膠接、鉚接的單一連接的疲勞性能進(jìn)行研究。慕文龍等［18］研究了CFRP/Al 對(duì)接的膠接接頭在拉-拉載荷作用下的疲勞壽命特性，主要失效形式為界面的局部破壞。Dragos 等［19］認(rèn)為CFRP膠接接頭中的主要失效為碳板黏接面附近的纖維撕裂。對(duì)于鉚接接頭而言，Borba等［20］發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料單搭接鉚接接頭的失效為鉚釘?shù)睦摗?/p>

綜上所述，已有的復(fù)合接頭強(qiáng)度及其失效相關(guān)研究主要集中在接頭的靜態(tài)失效，接頭的疲勞研究也主要是單一接頭，對(duì)膠鉚混合接頭疲勞性能的研究相對(duì)較少。本文以CFRP/CFRP膠接、鉚接、膠鉚混合接頭為對(duì)象，對(duì)這3 類接頭進(jìn)行靜態(tài)拉伸和循環(huán)拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)，分析疲勞壽命及其失效機(jī)制，并研究改善鉚接強(qiáng)度的措施。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及試樣

實(shí)驗(yàn)所用材料為臺(tái)麗公司模壓生產(chǎn)的T300 3KCFRP 層合板，其中碳纖維絲的抗拉強(qiáng)度為2 052MPa，基體為改性3 252s 熱固性環(huán)氧樹脂，基體所占體積分?jǐn)?shù)為30%，固化溫度為140°C。CFRP層合板由外層的正交斜紋編織布和內(nèi)部11層的單向預(yù)浸料組成，內(nèi)部單向預(yù)浸料鋪層順序?yàn)?，鋪層方式如圖 1 所示，層合板總厚2mm。纖維方向和基體方向的彈性模量分別為128 000MPa 和8 900MPa，纖維方向和基體方向的抗拉強(qiáng)度分別為1 920MPa和42MPa，面內(nèi)剪切模量3 200MPa，主泊松比0.28，密度為1 540kg·m-3。

圖1 CFRP層合板的鋪層方式Fig.1 Layout of CFRP plates

膠接所用的黏接劑為3M 公司生產(chǎn)的雙組分環(huán)氧樹脂膠DP420，其固化時(shí)間為20min，名義剪切強(qiáng)度為25MPa，室溫下的黏度45 000CPS。連接的不銹鋼拉鉚鉚釘直徑6.4mm、長(zhǎng)12.5mm，承受的最大剪切力為12 500N，最大抗拉載荷為8 300N。

靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和拉-拉疲勞試驗(yàn)所用的膠鉚接頭試樣相同，如圖 2 所示，由2 塊矩形層合板經(jīng)過先膠接后鉚接而成。考慮單搭接接頭在單向拉伸過程中因?yàn)閮闪掀辉谕黄矫鎯?nèi)而引起的彎矩問題，在裝夾的區(qū)域各粘貼了一塊墊片，墊片厚度與CFRP層合板厚度相同。膠接過程中首先采用丙酮清洗試樣表面，然后采用定量膠槍涂膠，嵌入直徑0.2mm 的鋼絲來實(shí)現(xiàn)對(duì)膠層厚度的控制。涂膠后將接頭固定避免兩料片發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，室溫中固化72h。對(duì)于膠鉚混合接頭，膠接之后立即進(jìn)行鉚接。因?yàn)榇藭r(shí)膠層尚未固化，黏性很小，鉚接過程中引起的料片微小位移還不會(huì)引起膠層的內(nèi)應(yīng)力。否則，固化后的膠層屬于脆性材質(zhì)，任何小位移都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響連接強(qiáng)度。單一的膠接接頭和鉚接接頭試樣形狀與圖 2 相同，只是膠接所用CFRP 層合板中沒有加工鉚釘孔，鉚釘孔采用數(shù)控銑削加工。

圖2 CFRP膠鉚混合接頭的幾何尺寸（單位：mm）Fig.2 Dimensions of CFRP/CFRP rivet-bonding joints (unit: mm)

1.2 單向拉伸和疲勞實(shí)驗(yàn)

CFRP/CFRP 膠接、鉚接和膠鉚混合接頭的單向拉伸試驗(yàn)在MTS E45 萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸載荷由力傳感器測(cè)量，變形和應(yīng)變采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。DIC 系統(tǒng)的圖像采集頻率設(shè)置為5Hz，應(yīng)變測(cè)量精度為0.005%，位移測(cè)量精度為0.01 像素。實(shí)驗(yàn)機(jī)橫梁位移速度設(shè)置為1mm·min-1。實(shí)驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)按照ASTM D 3039［21］進(jìn)行。每種接頭的單向拉伸試驗(yàn)中均進(jìn)行了7個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，除掉最大和最小值。

拉-拉疲勞試驗(yàn)中，根據(jù)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)獲得的接頭最大載荷Pmax設(shè)置了4 個(gè)加載水平，即為Pmax的80%、65%、55%和45%。正弦波加載，應(yīng)力比0.1，加載頻率10Hz。每個(gè)載荷水平進(jìn)行4個(gè)有效試樣的重復(fù)試驗(yàn)。拉-拉疲勞試驗(yàn)在MTS370 實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。單向拉伸與疲勞試驗(yàn)均在25℃左右進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度通過監(jiān)測(cè)控制在50%RH左右。

1.3 SEM觀察

為研究CFRP 膠鉚接頭在拉-拉循環(huán)中的失效行為，采用Quanta FEG 250 型掃描電子顯微鏡對(duì)CFRP 層合板中鉚釘孔區(qū)域的纖維絲與基體的形態(tài)、鋪層間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。采用酒精清洗試樣，并對(duì)其斷面噴金，借助導(dǎo)電膠與金屬夾固定試樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)強(qiáng)度

由圖3 可得該接頭所承受的最大載荷為25.5kN。根據(jù)曲率變化可將曲線分為3 段：第1 段為彈性變形段（AB段），該區(qū)間內(nèi)載荷與位移呈近似線性變化，說明接頭整體發(fā)生彈性變形，包括CFRP層合板和膠層的彈性變形；第2 段為彈塑性變形段（BP段），該區(qū)間內(nèi)載荷與位移呈非線性變化，該部分變形主要是CFRP層合板的彈性變形與膠層塑性變形的疊加；B點(diǎn)之后可看到曲線有顯著的波紋狀，可能是由于黏接區(qū)域的CFRP層合板中與膠層相接觸的鋪層出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，分層可導(dǎo)致黏接區(qū)域?qū)雍习宓挠行С休d面積減小，載荷由此重新分配，單位面積上的載荷增大導(dǎo)致裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，從而誘發(fā)更多的分層失效，由此產(chǎn)生了圖中的波紋曲線。到了P點(diǎn)附近，可能因?yàn)閷雍习逯幸呀?jīng)失效的鋪層較多，CFRP 層合板整體剛度下降。第3 段為膠層斷裂段（PD段），當(dāng)膠層內(nèi)應(yīng)力超過許用值時(shí)膠層發(fā)生了斷裂，載荷急劇下降。由P到D點(diǎn)的位移差僅為0.003 24mm，接近零，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。這說明膠接接頭的破壞呈現(xiàn)了快速斷崖式下降特征，從載荷峰值點(diǎn)到接頭失效幾乎同時(shí)。因此對(duì)重要承載結(jié)構(gòu)而言，雖然膠接強(qiáng)度足夠大，但其破壞屬于脆性斷裂，為保證安全性，膠接需要與鉚接、螺紋連接等連接方式結(jié)合起來使用。

圖3 CFRP膠接接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.3 Force-displacement curve of CFRP bonding joint in uniaxial tension

由圖 4 知，該鉚接接頭的最大載荷為3.59kN，遠(yuǎn)低于膠接接頭強(qiáng)度。根據(jù)變化趨勢(shì)可將該曲線分為4段：第1段，AB段，為CFRP層合板的彈性變形；第2 段，BC段，CFRP 層合板的彈性變形增大，鉚釘開始發(fā)生彈性變形。由于鉚釘?shù)牟馁|(zhì)為不銹鋼，其彈性模量低于本文所測(cè)試的CFRP層合板的彈性模量，所以該段曲線的斜率小于AB段的斜率；第3段，CD段，鉚釘開始塑性變形，也就是鉚釘?shù)募羟凶冃渭哟?，同時(shí)鉚釘孔周開始彈性變形。鉚釘孔周的彈性變形緩解了鉚釘變形引起的應(yīng)力集中，因?yàn)檎w上載荷波動(dòng)而位移持續(xù)增加。變形到D點(diǎn)時(shí)CFRP層合板孔周發(fā)生開裂，從而應(yīng)力有一個(gè)突降，如圖中D點(diǎn)所示；第4段，DE段，該區(qū)間內(nèi)鉚釘孔周發(fā)生開裂變形，鉚釘逐漸被拉伸至傾斜，鉚釘與孔的接觸面積減小，鉚釘逐漸被拉脫，因此主要變形特征是鉚釘孔的大變形和鉚釘?shù)睦摗?/p>

圖4 CFRP鉚接接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.4 Curve of force-displacement of CFRP rivet joint in uniaxial tension

由圖 5 知，該接頭在單向拉伸中所承受的最大載荷為16.6kN，該值小于圖 3 中膠接接頭強(qiáng)度25.5kN，遠(yuǎn)大于圖 4中鉚接接頭強(qiáng)度3.59kN。這說明膠鉚接頭雖然是膠接與鉚接的復(fù)合，但是其強(qiáng)度并不是兩者的疊加，而且強(qiáng)度還低于單一膠接接頭的強(qiáng)度。主要原因有2 個(gè)方面：一是在膠鉚混合連接中工藝順序是先黏接后鉚接，鉚接過程會(huì)引起2塊板產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，從而使部分黏接區(qū)域產(chǎn)生氣孔等缺陷，固化過程中這些缺陷留在膠層中，最終影響接頭強(qiáng)度。二是鉚釘孔的存在減小了黏接面積，根據(jù)鉚釘孔的直徑計(jì)算這部份的影響只會(huì)降低2.5%的強(qiáng)度。因此，使膠鉚混合連接強(qiáng)度低于單一膠接強(qiáng)度的主要因素還是鉚接過程對(duì)膠層產(chǎn)生的影響。

圖5 CFRP膠鉚混合接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.5 Curve of force-displacement of CFRP rivetbonding joint in uniaxial tension

根據(jù)變化特征可將圖 5 中曲線分為3 段：第1段，如圖 5 中AB所示，為CFRP 層合板的彈性變形與膠層的彈性變形。由于膠層所占面積較小，故這部分彈性變形主要是CFRP層合板的彈性變形。第2 段，如BC所示，變形到達(dá)B點(diǎn)膠層開始失效，接頭的承載能力產(chǎn)生突降，2塊層合板開始發(fā)生明顯的相對(duì)位移。同時(shí)，鉚釘開始承載；第3 段，如CD所示，鉚釘開始塑性變形，鉚釘孔沿著拉伸方向變形，使鉚釘孔由圓形逐漸變成橢圓形，因此接頭沿拉伸方向位移增加而載荷降低。當(dāng)鉚釘變形到一定程度，鉚釘會(huì)從鉚釘孔中脫離拔出，也即發(fā)生拉脫失效。

上述每種接頭的5 個(gè)接頭的最大載荷如圖 6 所示，由此可求得膠接接頭、鉚接接頭、膠鉚混合接頭最大載荷平均值分別為21.6kN、3.29kN、15.45kN?？梢?，同樣的母材，膠接接頭強(qiáng)度最高，膠鉚混合接頭次之，鉚接接頭強(qiáng)度最低。其中膠接接頭強(qiáng)度數(shù)據(jù)分散性相對(duì)較大一點(diǎn)，膠鉚混合接頭與鉚接接頭的數(shù)據(jù)分散性較小，其因是膠接工藝對(duì)膠層缺陷、膠層與母材界面狀態(tài)特別敏感，這也是目前CFRP 工程應(yīng)用中的一個(gè)難題。

圖6 CFRP膠接、鉚接和膠鉚混合接頭的單向拉伸強(qiáng)度Fig.6 Mean ultimate force of CFRP bonding,rivet,and rivet-bonding joints in uniaxial tension

2.2 拉-拉疲勞壽命

表1所示為拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)獲得的CFRP膠鉚混合接頭在4個(gè)載荷水平下的疲勞壽命。每個(gè)載荷水平下進(jìn)行了4個(gè)重復(fù)試樣的疲勞實(shí)驗(yàn)，疲勞壽命取4次實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的平均值，也就是中值疲勞壽命。

表1 CFRP膠鉚混合接頭的疲勞壽命Tab.1 Fatigue life of rivet-bonding CFRP joints

圖7 所示為實(shí)驗(yàn)獲得的F-lgN曲線。采用冪指數(shù)函數(shù)（1）對(duì)圖 7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得

圖7 CFRP膠鉚混合接頭的拉-拉疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線Fig.7 Curve of logarithmic of CFRP rivet-bonding joints in tension-tension fatigue tests

式中：F為載荷，kN；N是最大循環(huán)次數(shù)。一般工程上以1×106作為受拉試件的無限循環(huán)壽命，根據(jù)該表達(dá)式，可以預(yù)測(cè)當(dāng)N為1×106時(shí)F為5.78kN，與接頭的最大平均載荷15.45kN相比約為37.1%。也就是說在37.1%的最大靜態(tài)強(qiáng)度的載荷水平下，該膠鉚混合接頭可以達(dá)到無限循環(huán)壽命106次。

2.3 失效模式

圖8 所示為6 個(gè)CFRP 膠鉚混合接頭在靜態(tài)拉伸載荷作用下的失效形貌，A 代表膠層剪切失效，B代表鉚釘孔開裂，C代表母材分層，D代表鉚釘拉脫。圖 8a字母A所標(biāo)記之處可看出被連接2塊母材上均有膠層，這說明膠層發(fā)生了剪切斷裂，而不是膠層與母材的界面失效。同時(shí)可看到鉚釘孔邊緣（字母B所標(biāo)記之處），發(fā)生了明顯的纖維絲斷裂，且鉚釘孔由圓形變?yōu)闄E圓形，圖 8b—8f 也出現(xiàn)了同樣的失效形貌特征。圖 8b、8c和8e中還可看到部分碳纖維鋪層被撕裂，如字母C 所示區(qū)域，這說明連接區(qū)域的CFRP層合板發(fā)生了分層失效。所有試樣所示的鉚釘?shù)妮S線均發(fā)生了傾斜，鉚釘被CFRP 層合板從鉚釘孔中拔出，說明發(fā)生了拉脫失效。

圖9所示為CFRP膠鉚接頭在拉-拉循環(huán)載荷作用下的失效形貌，圖 9a所示膠層中出現(xiàn)了肉眼可見的裂紋，說明膠層發(fā)生了剪切失效。圖 9b中可發(fā)現(xiàn)鉚釘軸線發(fā)生了傾斜，這說明鉚釘?shù)睦撨^程已經(jīng)開始，最終產(chǎn)生拉脫失效。

圖9c所示鉚釘孔周的碳纖維絲發(fā)生了斷裂，說明鉚釘孔也發(fā)生了失效。鉚釘?shù)睦撌c鉚釘孔周的開裂失效其實(shí)是相伴發(fā)生的，因?yàn)殂T釘?shù)睦摫厝话殡S著鉚釘孔的大變形，否則鉚釘無法從孔中脫開。與靜態(tài)拉伸相比，圖 9所示的失效模式與圖 8所示的失效模式基本相同，不同之處主要有兩點(diǎn)，第一是拉-拉循環(huán)加載中CFRP 層合板的分層開裂幾乎沒有出現(xiàn)；第二，鉚釘孔的變形量也沒有靜態(tài)拉伸中那么大，圖 8中可看到鉚釘孔呈橢圓形，而圖 9中鉚釘孔的橢圓形特征并不明顯。為了更好地觀察鉚釘孔區(qū)域的形貌，將接頭沿鉚釘孔對(duì)稱面處切開取出鉚釘，得到如圖 10所示的形貌。可看出鉚釘孔區(qū)域的碳纖維絲發(fā)生了斷裂，而且?guī)缀跏敲總€(gè)鋪層都有碳纖維絲斷裂，尤其是在鉚釘孔鉚出側(cè)邊緣處碳纖維絲斷裂特別顯著。這是由于鉚出側(cè)的鉚釘發(fā)生了鐓粗變形，此處鉚釘與鉚釘孔的接觸壓力較大。另一方面，變形后期鉚釘發(fā)生了傾斜，導(dǎo)致鉚釘對(duì)鉚釘孔的壓力增大，從而加劇此處的纖維絲斷裂。圖11 所示為鉚釘孔周的碳纖維絲形貌?？梢姡泻芏嗵祭w維絲發(fā)生了斷裂，同時(shí)也看到了分層現(xiàn)象。

圖8 CFRP膠鉚接頭的靜態(tài)拉伸斷裂形貌Fig.8 Fracture morphology of CFRP rivet-bonding joints in static tension

圖9 CFRP膠鉚接頭在拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)中的失效模式Fig.9 Failure modes of CFRP rivet-bonding joints in cyclic tension

圖10 CFRP鉚接接頭中鉚釘孔周的形貌Fig.10 Morphology of rivet-hole of CFRP joint

圖11 膠鉚接頭拉拉疲勞中鉚釘孔區(qū)域的形貌Fig.11 Morphology of rivet-hole of CFRP rivetbonding joint in tension-tension fatigue tests

綜合上述分析可得，CFRP 膠鉚接頭在靜態(tài)拉伸中主要失效形式為膠層的剪切失效、鉚釘孔的開裂和層合板的分層，在拉-拉疲勞加載中的主要失效形式為膠層的剪切斷裂和鉚釘孔的開裂。

如圖 12 所示，CFRP 膠鉚接頭的失效過程包括3個(gè)關(guān)鍵過程：第一，如圖 12b所示，沿板平面方向的拉伸力使2個(gè)CFRP層合板產(chǎn)生相對(duì)位移的趨勢(shì)，膠層開始彈性變形。由于膠層的韌性較小，彈性變形后期膠層內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這個(gè)過程可導(dǎo)致接頭剛度的急劇下降；第二，如圖 12c 所示，隨著膠層彈性變形的增大，上層板與鉚釘?shù)挠覀?cè)接觸，下層板與鉚釘?shù)淖髠?cè)接觸，鉚釘處于剪切變形狀態(tài)，同時(shí)鉚釘發(fā)生彎曲。這使得鉚釘帽與上層板、鉚釘與上下板鉚釘孔內(nèi)表面均發(fā)生局部擠壓變形。因此，膠層內(nèi)應(yīng)力增大導(dǎo)致微裂紋逐漸延伸擴(kuò)展直至開裂。第三，如圖 12d 所示，膠層開裂后鉚釘成為主要的承載介質(zhì)，CFRP 層合板發(fā)生沿拉伸方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得鉚釘彎曲變形加劇，鉚釘與鉚釘孔的上下邊緣以及中間區(qū)域、鉚釘帽與上層板的擠壓變形急劇增加。擠壓變形使得鉚釘孔發(fā)生畸變或開裂，最終導(dǎo)致鉚釘被拉脫，接頭完全失去承載能力。

圖12 CFRP膠鉚混合接頭的循環(huán)拉伸失效過程示意圖Fig.12 Illustration of failure processes of CFRP rivet-bonding joints in cyclic tension

2.4 膠接與鉚接對(duì)膠鉚混合連接的貢獻(xiàn)

為了進(jìn)一步量化膠鉚混合接頭中膠層和鉚釘對(duì)接頭承載能力的貢獻(xiàn)，對(duì)圖 5 中的載荷位移曲線進(jìn)行了如下處理：首先，提取5條重復(fù)實(shí)驗(yàn)曲線中各特征點(diǎn)的坐標(biāo)，然后對(duì)這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)求平均值，獲得各點(diǎn)的坐標(biāo)，也就是A、B、C、D4個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移和載荷水平。最后按照平均值匯成一條特征曲線，如圖 5所示。圖中P點(diǎn)是B點(diǎn)在水平坐標(biāo)軸上的投影，D點(diǎn)是擬合直線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)。

從強(qiáng)度角度看，膠層的強(qiáng)度決定了膠鉚接頭的強(qiáng)度，也就是膠接對(duì)膠鉚復(fù)合連接的靜強(qiáng)度起了決定性作用，而鉚接在膠接失效后起“二次保護(hù)”作用，也就是膠層開裂后接頭承載能力快速下降，下降過程中鉚釘通過自身的彈塑性變形減緩載荷下降幅度，而且該過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，如CD段所對(duì)應(yīng)的位移跨度達(dá)到了7.64mm，占總位移的90.8%，這為啟動(dòng)安全補(bǔ)救措施贏得了操作時(shí)間。

從能量角度，圖中三角形ABP的面積代表了膠層對(duì)膠鉚接頭吸能的貢獻(xiàn)，而PBCD所圍成的多邊形面積代表了鉚釘塑性變形所吸收的能量。采用曲線求積分的方法可獲得ABP、PBCD的面積分別為5.71kN?mm 和15.84kN?mm，后者是前者的2.8 倍?？梢?，鉚釘失效所吸收的能量為CFRP 層合板彈性變形與膠層失效所吸收能量之和的2.8 倍。因此，從安全性角度，碳纖維復(fù)合材料的膠接可以滿足靜態(tài)強(qiáng)度要求，但還需要鉚接來確保接頭在大變形下的連接可靠性。

2.5 提高CFRP層合板鉚釘孔強(qiáng)度的方法

根據(jù)上述研究可知，CFRP 膠鉚混合接頭的強(qiáng)度決定于膠接強(qiáng)度，鉚接對(duì)接頭主要起二次保護(hù)的作用，具體體現(xiàn)為增加接頭的整體吸能以及延長(zhǎng)位移容許值的作用，而鉚接的強(qiáng)度及位移延長(zhǎng)作用取決于鉚釘孔的強(qiáng)度。也就是說提高鉚釘孔強(qiáng)度可以提高CFRP 鉚接孔周的強(qiáng)度和最大位移。為此，本文將提出3種可能改善CFRP鉚接強(qiáng)度的方法。

第1種方法如圖 13a所示，考慮前述CFRP鉚接接頭的一個(gè)主要失效模式為孔周碳纖維絲的斷裂，這是因?yàn)镃FRP 層合板在機(jī)加工孔時(shí)纖維絲被切斷，這些纖維絲在拉伸載荷作用下很容易從基體中被拉出。為此，提出在孔周涂敷一層結(jié)構(gòu)膠，孔表面膠層固化后再進(jìn)行鉚接。膠的作用在于將被切斷了的纖維絲固定在原有的基體中，同時(shí)增加了碳纖維鋪層的層間強(qiáng)度。第2種方法如圖 13b所示，考慮鉚釘鉚入端與鉚出端邊緣處發(fā)生擠壓變形，為此將此區(qū)域進(jìn)行倒角，以減少CFRP 層合板上下邊緣與鉚釘?shù)慕佑|擠壓變形，從而減小應(yīng)力集中。第3 種方法如圖 13c所示，考慮鉚出側(cè)鉚釘發(fā)生了鐓粗變形，鉚釘與鉚釘孔的擠壓嚴(yán)重，為此在鉚出側(cè)增加一個(gè)墊片來減緩鉚釘對(duì)鉚釘孔的擠壓作用。為了后續(xù)表述方便，將上述3 種方法分別標(biāo)記為方法B、方法C和方法D，不采取任何措施的命名為Base方法，作為對(duì)標(biāo)分析。

圖13 三種改進(jìn)鉚接強(qiáng)度的方法Fig.13 Three methods to improve the strength of rivet CFRP joints

圖14所示為采用上述3種方法處理的膠鉚接頭的最大靜態(tài)拉伸載荷，沒有采用任何處理的CFRP膠鉚接接頭的平均最大拉伸力為3.29kN，而經(jīng)過涂膠的接頭、鉚釘孔倒圓角的接頭、加墊片的接頭的平均最大拉伸力分別為4.20kN、3.04kN、4.35kN，也就是說經(jīng)過涂膠處理的接頭與加墊片的接頭的拉剪強(qiáng)度分別提高了27.7%和32.2%，而鉚釘孔倒圓角的接頭強(qiáng)度并沒有得到提高，反而下降了7.6%。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的車銑刨磨等機(jī)械加工，都會(huì)切斷纖維絲，纖維絲斷裂破壞了材料內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)平衡，使得碳纖維復(fù)合材鋪層結(jié)構(gòu)之間以及纖維絲與樹脂基體之間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終表現(xiàn)為承載能力下降。為此，推薦采用增加墊片或?qū)妆谶M(jìn)行涂膠來提高CFRP層合板中鉚釘孔周的強(qiáng)度。

圖14 3種CFRP鉚接接頭的最大拉伸載荷Fig.14 Ultimate tensile force of rivet CFRP joints treated with the proposed methods

3 結(jié)論

（1）在CFRP膠鉚混合接頭中，膠接對(duì)接頭強(qiáng)度起決定性作用，鉚接依靠鉚釘?shù)乃苄宰冃螌?duì)接頭起到“二次保護(hù)”的作用，鉚接對(duì)接頭的整體吸能貢獻(xiàn)比例達(dá)到74%，故對(duì)重要的承載結(jié)構(gòu)膠接需要與其他連接復(fù)合使用。

（2）對(duì)所研究的CFRP 膠鉚混合接頭，在80%、65%、55%、45%靜態(tài)最大載荷水平下的中值疲勞壽命分別為8 174、22 568、95 014、331 916 次。在37.1%的載荷水平下該膠鉚混合接頭的拉-拉疲勞壽命可到106次。

（3）CFRP膠鉚混合接頭的靜態(tài)拉伸和拉-拉循環(huán)加載下失效模式基本相同，主要為膠層的剪切失效和鉚釘孔周開裂。在鉚出側(cè)增加墊片和鉚釘孔表面涂敷結(jié)構(gòu)膠可提高鉚接強(qiáng)度約30%，而對(duì)鉚釘孔進(jìn)行倒圓角處理反而會(huì)降低鉚接強(qiáng)度。

（4）對(duì)相同的CFRP層合板，本文所采用的環(huán)氧樹脂膠鉚混合接頭的強(qiáng)度略低于膠接接頭的強(qiáng)度，應(yīng)盡可能減少鉚接過程對(duì)膠層的影響。

作者貢獻(xiàn)聲明：

余海燕：內(nèi)容設(shè)計(jì)、技術(shù)和材料、研究經(jīng)費(fèi)。

邢 萍：試驗(yàn)設(shè)計(jì)與執(zhí)行，數(shù)據(jù)處理，調(diào)研整理文獻(xiàn)。

吳航宇：試驗(yàn)執(zhí)行。