郭 霞,倪 虹,張 梅,劉偉麗,高 峽

(1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測(cè)試研究所(北京市理化分析測(cè)試中心), 北京 100089; 2.有機(jī)材料檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100089)

1 前 言

纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料是一種高比強(qiáng)度高比模量的新型先進(jìn)材料,廣泛應(yīng)用在航空航天風(fēng)電領(lǐng)域。膠接技術(shù)是這類復(fù)合材料的大型結(jié)構(gòu)連接和修理過(guò)程中運(yùn)用最為廣泛的一種。受膠接界面性能不穩(wěn)定的限制,目前,膠接技術(shù)無(wú)法在主承力結(jié)構(gòu)上應(yīng)用。膠接界面損傷類型多為脫粘損傷。從細(xì)觀來(lái)說(shuō),脫粘是一種裂紋,這種裂紋發(fā)生在膠接界面或者膠層內(nèi)部時(shí),叫做脫粘。在斷裂力學(xué)理論中,材料復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的裂紋可以分解為三種基本類型,Ⅰ 型(張開型)裂紋、Ⅱ 型(滑開型)和 Ⅲ 型(撕開型)裂紋[1],如圖 1所示。對(duì)于膠層的界面脫粘也是分為三種類型的,I型拉開型界面脫粘,II型界面滑開型脫粘,III型撕開型界面脫粘。實(shí)際應(yīng)用中的裂紋通常是三種開裂方式的混合形式。其中,模式 I 在實(shí)踐中分析裂紋最常用的模式,不僅使因?yàn)槠錁悠分苽浜蜏y(cè)試成本最低,更重要的是模式I是造成重大災(zāi)難性故障的主要原因。

圖1 三種典型裂紋類型 (a)張開型; (b)滑移型; (c)撕開型

在對(duì)膠層模擬預(yù)測(cè)的分析過(guò)程中,膠層本身的材料特性和膠層與復(fù)合材料界面的特性是仿真模擬必須輸入的關(guān)鍵參數(shù),其中表征膠層與復(fù)合材料界面特性的指標(biāo)包括膠接界面斷裂韌性和界面拉開剛度。

復(fù)合材料膠接界面開裂與層間分層有共性也有差異。層間分層發(fā)生在兩層預(yù)浸料之間,裂紋是由初始基體內(nèi)微裂紋合并及擴(kuò)展而形成的。受到復(fù)合材料本身的鋪層順序、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性[2]、纖維方向[3]等因素的影響,基體在纖維之間相對(duì)性能較弱,在整體承載情況下,無(wú)法體現(xiàn)其塑性特征,而表現(xiàn)出更多的隨機(jī)性及線彈性特征[4]。

對(duì)于復(fù)合材料膠接界面開裂而言,裂紋主要集中在膠層和膠層與復(fù)合材料的界面。由于纖維的存在,膠接區(qū)域的裂紋無(wú)法擴(kuò)展到復(fù)合材料層板內(nèi)部,因此膠層不僅需要獨(dú)自承載裂紋,還要作為結(jié)構(gòu)件中的重要承力環(huán)節(jié),所以相比樹脂基體,膠層的彈塑性特征通常會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)有顯著影響。

目前已發(fā)布的層間I型斷裂韌性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要適用于纖維方向?yàn)?°的復(fù)合材料,包括GB/T 28891-2012[5],HB 7402-1996[6],ISO 15024∶2001[7],ASTM D5528-13[8]的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

膠接結(jié)構(gòu)膠層斷裂韌性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括沒有特別規(guī)定被粘物的ISO 25217-2009 膠黏劑-膠接結(jié)構(gòu)的膠層I型斷裂韌性測(cè)定[9]和ASTM D5041-98(2019) 膠接結(jié)構(gòu)中膠層開裂斷裂強(qiáng)度測(cè)試方法[10],適用于金屬膠接結(jié)構(gòu)的ASTM D3433-99(2020)金屬膠接結(jié)構(gòu)中膠層開裂斷裂強(qiáng)度測(cè)試方法[11]。

目前常見I型斷裂試驗(yàn)有緊湊拉伸試驗(yàn)、雙懸臂梁、單邊切口三點(diǎn)彎曲和楔形劈裂試驗(yàn)。由于膠接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特殊性,一般選擇雙懸臂梁(DCB)試件進(jìn)行膠接結(jié)構(gòu)I型斷裂研究。試件構(gòu)型易加工、理論成熟,數(shù)據(jù)處理較簡(jiǎn)單,參考GB/T 28891-2012、ASTMD 5528和ISO 15024規(guī)范的相關(guān)要求。同時(shí)采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法實(shí)時(shí)采集試件表面散斑圖片,用于分析測(cè)量斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。

2 不同加載速率膠接結(jié)構(gòu)斷裂韌性

加載速率對(duì)于復(fù)合材料I型層間斷裂韌性有本質(zhì)上的影響。李玉龍等[12]綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展的加載速率對(duì)復(fù)合材料I型層間斷裂韌性的影響研究,發(fā)現(xiàn)加載速率不同主要會(huì)導(dǎo)致斷裂機(jī)制的變化。隨加載速率的增加,材料的斷裂形式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?從而導(dǎo)致層間斷裂韌性改變。此外,隨加載速率的增加,斷裂部位也可能發(fā)生轉(zhuǎn)變,可能的斷裂部位有基體材料的斷裂以及基體與纖維界面之間的斷裂。由加載速率的大小可以將膠接結(jié)構(gòu)的斷裂韌性測(cè)試方法分為三大類,速率由快到慢分別是,動(dòng)態(tài)沖擊加載,疲勞裂紋擴(kuò)展和準(zhǔn)靜態(tài)加載方式。

2.1 動(dòng)態(tài)沖擊(SEPB)

May[13]對(duì)高速 I 型斷裂韌性的測(cè)試方法進(jìn)行了綜述。高速率加載會(huì)構(gòu)成額外的挑戰(zhàn)。在高加載速率下測(cè)量復(fù)合材料的 I 型斷裂韌性主要存在以下三種困難：①保證試件的對(duì)稱開口;②準(zhǔn)確測(cè)量裂紋長(zhǎng)度;③避免負(fù)載信號(hào)振蕩。因此,尚未有定義用于測(cè)量高加載速率下的 I 型斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。Li等[14]研究了加載速率對(duì)納米改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料I型層間斷裂韌性的影響,結(jié)果表明在動(dòng)態(tài)加載下,其斷裂韌性均隨著加載速率的增加而增加。Kojima等[15]通過(guò)在高應(yīng)變率剪切試驗(yàn)中觀察鋁-PMMA的膠接界面裂紋擴(kuò)展,應(yīng)用霍普金森桿實(shí)驗(yàn)來(lái)確定界面處的斷裂韌性值。研究發(fā)現(xiàn)在裂紋存在的位置位移不連續(xù)。使用平行于界面的方向上的位移分布來(lái)識(shí)別裂紋尖端,采用應(yīng)力強(qiáng)度因子評(píng)估界面的斷裂韌性,測(cè)出了合適的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

霍普金森桿裝置是一種相對(duì)復(fù)雜的設(shè)備,高速狀態(tài)下給裂紋擴(kuò)展過(guò)程監(jiān)測(cè)帶來(lái)了較大困擾,除非用于特殊的高速?zèng)_擊服役情況,否則一般情況推薦采用相對(duì)低速的方法來(lái)測(cè)定斷裂韌性。

2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展(FCG)

復(fù)合材料內(nèi)部存在多種界面類型,更容易造成裂紋擴(kuò)展能量損失,具有更好的抗疲勞特性。金屬膠接結(jié)構(gòu)以及金屬-復(fù)合材料混合膠接結(jié)構(gòu)較多采用疲勞裂紋擴(kuò)展方法,以實(shí)現(xiàn)符合金屬被粘物的抗疲勞設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

Pirondi等[16]對(duì)鋁合金膠接DCB 試件進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè)試,評(píng)估R比和加載頻率對(duì)裂紋擴(kuò)展響應(yīng)的影響。結(jié)果表明R比的強(qiáng)大影響可以使用裂紋閉合參數(shù)對(duì)大多數(shù)裂紋擴(kuò)展范圍進(jìn)行合理化。頻率的影響遠(yuǎn)低于R比的影響,考慮到粘合劑的粘彈性行為。Imanaka等[17]對(duì)于CFRP/鋁非對(duì)稱接頭的研究發(fā)現(xiàn),下被粘物與上被粘物的厚度比是決定裂紋尖端模比和應(yīng)力分布的重要因素,并受固化過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力影響。此外,還研究了 DCB 接頭厚度比對(duì)使用丙烯酸和環(huán)氧樹脂粘合劑的 DCB 接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。Zambelis等[18]考慮材料的剛度差異,提出一種新方法用于非對(duì)稱材料膠接界面在裂紋平面中產(chǎn)生純模態(tài) I。應(yīng)變能釋放率G被選為控制斷裂參數(shù)。

Floros等[19]研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同膠黏劑材料粘接后的疲勞 I 型和 II 型裂紋擴(kuò)展行為,發(fā)現(xiàn)與端邊切口彎曲(ENF)試件相比,DCB 試件中的裂紋擴(kuò)展更穩(wěn)定,所獲得的結(jié)果可以用作疲勞裂紋擴(kuò)展模擬模型的輸入。Mariana等[20]對(duì)比了共固化 (CC)、共粘合 (CB) 和二次粘合 (SB) 三類復(fù)合材料接頭的I型疲勞誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展機(jī)理。CC接頭僅包含纖維和樹脂,而另外兩種接頭包含粘合膜。結(jié)果表明CC接頭的疲勞斷裂韌性最小。

對(duì)于復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)加載方式和疲勞加載方式,尚無(wú)法清晰界定采用疲勞還是采用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式的優(yōu)劣情況。在疲勞載荷作用下的裂紋擴(kuò)展機(jī)制與準(zhǔn)靜態(tài)是不同的。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可以更為清晰地觀察裂紋擴(kuò)展的過(guò)程。

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)加載

與上面兩種速率的測(cè)試方法不同,膠接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)加載方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化[5-11]。

斷裂韌性的分析起源于解釋玻璃的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度時(shí),以材料內(nèi)部存在缺陷的觀點(diǎn)提出在一定條件下,微小缺陷或裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展,導(dǎo)致材料或結(jié)構(gòu)的破壞。線彈性理論和彈塑性理論結(jié)合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以研究裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和裂紋擴(kuò)展機(jī)制。Irwin用彈性力學(xué)理論分析了裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)后提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子K的概念。格里菲斯能量理論用臨界應(yīng)變能釋放率G表征,即脆性斷裂的G準(zhǔn)則。KIC與GIC均為材料平面應(yīng)變斷裂韌度。

彈塑性斷裂會(huì)出現(xiàn)亞臨界裂紋擴(kuò)展,脆性斷裂沒有明顯的臨界裂紋擴(kuò)展過(guò)程,開裂與擴(kuò)展幾乎同時(shí)發(fā)生。彈塑性斷裂準(zhǔn)則有兩種,一種以裂紋開裂為根據(jù),如COD準(zhǔn)則,J積分準(zhǔn)則;另一種以裂紋失效為根據(jù),如R阻力曲線法,非線性斷裂韌度G法。COD準(zhǔn)則常應(yīng)用到焊接結(jié)構(gòu)和壓力容器的斷裂安全分析上,測(cè)量方法簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)偏于保守,安全裕度高,裂紋從開裂致失穩(wěn)還有一定的承載能力。由斷裂阻力R曲線法測(cè)得的材料斷裂韌性J積分參數(shù)能夠完整的反應(yīng)材料阻止裂紋擴(kuò)展的特征。

2.3.1膠接結(jié)構(gòu)的斷裂韌性理論分析 研究人員通常采用DCB試件測(cè)試來(lái)測(cè)量臨界能量釋放率GC,用來(lái)表征膠接接頭的Mode I(拉伸張開模式)斷裂韌性,常用的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化方式包括簡(jiǎn)單梁理論 (SBT)、校正梁理論 (CBT)、實(shí)驗(yàn)柔量方法 (ECM) 和基于柔量的梁方法 (CBBM)。這些方法基于線彈性斷裂力學(xué) (LEFM),前提是裂紋尖端小規(guī)模屈服的假設(shè)。當(dāng)此條件無(wú)效或材料不是線彈性時(shí),應(yīng)使用更通用的J積分方法來(lái)表征斷裂韌性,即測(cè)量JC。JC的值可以使用不依賴于路徑的圍線積分用于裂紋的分析,因此它不需要測(cè)量裂紋長(zhǎng)度,這是與 LEFM 方法相比的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

Sarrado等[21]采用基于LEFM的數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)方法和基于J積分的數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,研究了它們對(duì)粘接接頭分析的適用性?；贚EFM的數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)方法在很大程度上取決于斷裂過(guò)程區(qū)大小的拉伸韌性結(jié)果中存在相關(guān)偏差。結(jié)論是,LEFM方法不適合表征粘接接頭,其應(yīng)用最多局限于起始值的測(cè)量。研究了膠粘劑和膠粘劑厚度對(duì)材料斷裂韌性和R曲線的影響。結(jié)果表明,粘結(jié)劑和粘接厚度對(duì)粘結(jié)斷裂韌性有顯著影響,并討論了這種影響的來(lái)源。Constante等[22]通過(guò)DCB測(cè)試估算粘接接頭的拉伸臨界應(yīng)變能釋放率 (GIC)。使用J積分是因?yàn)樗軌颢@得拉伸內(nèi)聚區(qū)模型 (CZM) 定律。kec等[23]研究了LEFM中引入的臨界能量釋放率Gc與分離功 Ω 之間的差異,即在 CZM 的牽引-分離定律下的面積。這種差異是由每單位試件寬度在裂紋尖端之前耗散的能量相對(duì)于裂紋長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)給出的。對(duì)于穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展,其中能量在裂紋尖端前進(jìn)時(shí)保持恒定,該導(dǎo)數(shù)消失并且Ω=Gc。因此,Ω和Gc之間的差異取決于過(guò)程離穩(wěn)態(tài)有多遠(yuǎn),而不是損傷區(qū)域的大小。即使對(duì)于延展性很強(qiáng)的界面,對(duì)于承受力矩的DCB試件,Gc=Ω,對(duì)于承受力的 DCB,它們的差異非常小。結(jié)果還表明,對(duì)于非均質(zhì)材料無(wú)法證明J積分的臨界值Jc等于非線性能量釋放率。

2.3.2裂紋長(zhǎng)度識(shí)別 斷裂力學(xué)試驗(yàn)是一種研究材料在含裂紋狀態(tài)下的破壞機(jī)理的試驗(yàn)方法,可以分析破壞與裂紋擴(kuò)展的內(nèi)在關(guān)系,得到KIC、GIC、JIC等斷裂參數(shù)與裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a的關(guān)系曲線,從而確定材料的斷裂指標(biāo)并建立合理的斷裂準(zhǔn)則。為了判斷裂紋擴(kuò)展條件和帶裂紋結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性提供數(shù)據(jù)支撐。每一時(shí)刻裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算斷裂韌性指標(biāo)至關(guān)重要,但目前沒有有效的方法。金屬材料斷裂韌度的試驗(yàn)方法GB/T 21143-2014[24]、ISO 15024-2001[7]、ASTM D5528-2013[8]中單試件法是采用彈性力學(xué)的方法計(jì)算彈性柔度或采取其他方法得到裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a和Δa;多試件法是在完全相同的幾個(gè)試件中預(yù)制不同的初始裂紋長(zhǎng)度,分別加載到預(yù)先設(shè)定好的不同位移,以便獲得合適的裂紋擴(kuò)展量,采用一定倍率的放大鏡,用刻度尺測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a,重復(fù)相同的試驗(yàn)步驟,直至得到足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)為止。

兩種方法前者得到的裂紋長(zhǎng)度為等效裂紋長(zhǎng)度,不是裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)值;后者是通過(guò)放大鏡輔助,更接近真實(shí)裂紋長(zhǎng)度,但是需要多個(gè)樣本測(cè)試,工作量較大。為了獲取更為微小的裂紋,ASTM D5528[8]中采用移動(dòng)顯微鏡,增強(qiáng)了微小裂紋的可視性,但是這種方法測(cè)量范圍有限,鏡頭需要一直調(diào)整,只能目視觀測(cè)。

裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量對(duì)傳統(tǒng)斷裂韌性的研究非常重要。裂紋長(zhǎng)度測(cè)量方法除了光學(xué)測(cè)量法,還有電測(cè)法和聲學(xué)測(cè)量法,但是這兩種方法的操作難度相對(duì)更大,不易實(shí)施。

(1) 放大設(shè)備目視裂紋尖端

裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量對(duì)傳統(tǒng)斷裂韌性的研究非常重要。ISO 25217-2009 膠黏劑-膠接結(jié)構(gòu)的膠層I型斷裂韌性測(cè)定[9],ASTM D5041-98(2019) 膠接結(jié)構(gòu)中膠層開裂斷裂強(qiáng)度測(cè)試方法[10],ASTM D3433-99(2020)金屬膠接結(jié)構(gòu)中膠層開裂斷裂強(qiáng)度測(cè)試方法[11],采用移動(dòng)顯微鏡測(cè)量裂紋長(zhǎng)度,為了增強(qiáng)微小裂紋的可視性,常常在預(yù)測(cè)的裂紋擴(kuò)展路徑上噴涂白漆以增強(qiáng)對(duì)比。這種方法測(cè)量范圍有限,鏡頭需要隨裂紋擴(kuò)展進(jìn)行調(diào)整,并需要手動(dòng)采集。

(2) 數(shù)字散斑圖像相關(guān)法

數(shù)字散斑圖像相關(guān)法(digital image correlation,簡(jiǎn)稱DIC法),是一種新的全場(chǎng)變形(應(yīng)變和位移)測(cè)量方法,通過(guò)分析變形前后試件表面散斑變化得到位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)[15],宏觀和微觀,常規(guī)和惡劣環(huán)境下的測(cè)量。該方法已被應(yīng)用于力學(xué)領(lǐng)域的變形測(cè)量中,具有全場(chǎng)性、非接觸、高精度、自動(dòng)化、抗干擾性強(qiáng)和易操作等特點(diǎn),彌補(bǔ)了其他變形測(cè)量技術(shù)的不足。因此,通過(guò)單試件法斷裂試驗(yàn),結(jié)合DIC分析技術(shù),不僅可以節(jié)約試驗(yàn)材料,記錄膠接結(jié)構(gòu)開裂全過(guò)程,準(zhǔn)確判定裂尖位置,還可以得到試件真實(shí)的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a與外荷載P的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)研究復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)I界面型斷裂的斷裂特性具有重要意義。

目前已有學(xué)者將DIC技術(shù)應(yīng)用在斷裂韌性測(cè)試過(guò)程中,其中大部分將該方法應(yīng)用于準(zhǔn)靜態(tài)加載方式。Sun等[25]用DIC方法測(cè)量裂紋尖端分離、梁旋轉(zhuǎn)和裂紋長(zhǎng)度,得到了能量釋放率G和J積分,并與LEFM方法的有效性進(jìn)行了對(duì)比分析,同時(shí)測(cè)定了粘接劑的牽引力-分離定律,研究了脆性或增韌的環(huán)氧樹脂膠粘劑和韌性聚氨酯膠粘劑結(jié)合后的準(zhǔn)靜態(tài)I型斷裂行為。Saleh等[26]使用DIC方法進(jìn)行原位裂紋尖端監(jiān)測(cè),研究了粘合鋁 (Al) 和碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP)膠接接頭中不同粘合劑對(duì)I 型斷裂韌性 (GIC) 的影響。Zhang等[27]將DIC和AE技術(shù)結(jié)合在一起用于斷裂韌性JIC測(cè)量,使用DIC 技術(shù)獲取試件表面的變形信息,根據(jù)嚴(yán)格的定義計(jì)算J積分,AE技術(shù)用于監(jiān)測(cè)內(nèi)部損傷和裂紋萌生時(shí)刻同步捕獲。Moazzami等[28]拉伸試驗(yàn)期間,使用DIC方法和有限元方法 (FEM) 計(jì)算粘合劑層的水平和垂直位移場(chǎng),使用基于威廉姆斯級(jí)數(shù)展開和從 DIC 方法獲得的位移場(chǎng)的超確定性方法,測(cè)量了所有試件的模式 I 和模式 II 應(yīng)力強(qiáng)度因子。為了驗(yàn)證開發(fā)的超確定性代碼,使用 FEM 模擬了所有粘合不同的 DCB 接頭。然后,將直接從 FEM 獲得的模式 I 和模式 II 應(yīng)力強(qiáng)度因子 與通過(guò) FEOD 方法計(jì)算的模式 I 和模式 II SIF 的結(jié)果進(jìn)行比較,該方法基于使用 FEM 獲得的位移場(chǎng)。

(3) 電測(cè)法

Wan等[29]對(duì)編織玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂 (WGF/環(huán)氧樹脂) 復(fù)合層壓板中 I 型層間裂紋傳播行為進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí),可以通過(guò)線電阻的變化確定裂紋尖端的位置。結(jié)果表明,I型裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度可以通過(guò)相對(duì)電阻進(jìn)行預(yù)測(cè)。產(chǎn)生的誤差對(duì)于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)是可以接受的,但這種精度對(duì)于得到可靠的斷裂韌度而言是不夠的,需要更加精確的方法得到裂紋尖端的長(zhǎng)度。

(4) 聲學(xué)測(cè)量法(AE)

Zhang等[27]提出了單邊缺口試件裂紋萌生聲學(xué)判據(jù),通過(guò)DIC觀察確定裂紋萌生時(shí)間,并將DIC和AE技術(shù)相結(jié)合,來(lái)測(cè)量聚乙烯管材的斷裂韌性JIC。DIC技術(shù)用于獲得試件表面的變形,根據(jù)嚴(yán)格的定義計(jì)算J積分,AE技術(shù)用于監(jiān)測(cè)內(nèi)部損傷和裂紋萌生時(shí)刻同步捕獲。

(5) 等效裂紋長(zhǎng)度法

(6) 數(shù)值模擬

膠接結(jié)構(gòu)界面特性常用兩種數(shù)值模擬方法,虛擬裂紋閉合技術(shù)VCCT和粘聚區(qū)模型CZM。虛擬裂紋閉合技術(shù)VCCT[31]需要預(yù)置裂紋,對(duì)于模擬裂紋萌生有局限,因此實(shí)際應(yīng)用中,CZM應(yīng)用較為廣泛。

內(nèi)聚力模型包含了材料線性增強(qiáng)階段和軟化階段,該模型中裂紋擴(kuò)展不僅需要克服材料的斷裂阻力,而且需要抵抗內(nèi)聚力模型產(chǎn)生的應(yīng)力,更加適用于膠接結(jié)構(gòu)界面特性的模擬分析。

Constante等[22]使用J積分獲得CZM定律,發(fā)現(xiàn)脆性粘合劑的CZM 定律接近于三角形形狀,兩種韌性粘合劑的CZM 定律最接近于梯形形狀。Belnoue等[32]提出了一種新的粘接失效有限元模擬方法,界面失效和膠層失效分開處理。界面失效采用CZM模型,膠層失效考慮彈塑性特征,采用DRUCKER-PRAGER屈服準(zhǔn)則判斷塑性失效。Valoroso等[33]基于使用測(cè)量的載荷-撓度曲線和裂紋長(zhǎng)度作為數(shù)據(jù)集的單個(gè)試驗(yàn)測(cè)試建立了一個(gè)逆過(guò)程,開發(fā)了一種逆向程序,用于計(jì)算分析金屬膠接結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚區(qū)模型類別的材料參數(shù)。Sarrado[34]提出了一種新的內(nèi)聚單元公式,用于對(duì)有限厚度粘合劑的初始彈性響應(yīng)、軟化和失效進(jìn)行建模。通過(guò)將內(nèi)聚區(qū)模型公式的剛度與模量解耦,新公式可確保在拉開和剪切加載模式以及混合模式加載條件下正確耗散斷裂能量,并具有彈性和斷裂材料特性的任意組合。kec等[23]研究了LEFM中引入的臨界能量釋放率Gc與分離功 Ω 之間的差異,即在 CZM 的牽引-分離定律下的面積。不測(cè)量裂紋長(zhǎng)度的情況下實(shí)驗(yàn)確定斷裂阻力,并發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)斷裂阻力值是關(guān)鍵指標(biāo)。Silva等[35]評(píng)估了不同的 CZM 定律以預(yù)測(cè)膠粘圍巾接頭的強(qiáng)度,其中I型和II型純模式定律通過(guò)直接方法估計(jì)。Adarraga等[30]提出等效長(zhǎng)度裂紋法對(duì)結(jié)合DGM 方法對(duì)粘合劑和被粘物厚度的影響進(jìn)行了雙線性、梯形和指數(shù)CZM定律數(shù)值分析,得出當(dāng)大位移可忽略不計(jì)且使用薄粘合劑時(shí),DGM 方法在膠粘接頭的能量釋放率分析中提供了更好的結(jié)果的結(jié)論。Moazzami等[28]為了驗(yàn)證超確定性方法,對(duì)制造的 DCB 粘合接頭進(jìn)行了數(shù)值模擬,并使用超確定性方法結(jié)合 FEM 位移場(chǎng)計(jì)算了模式 I 和模式 II SIF。然后,將使用有限元超確定性 (FEOD) 獲得的模式 I 和模式 II SIF 與直接從 FE 分析獲得的 SIF 進(jìn)行比較。Jia等[36]從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中獲得的納米復(fù)合材料的 I 型斷裂特性用作 FEA 中的內(nèi)聚區(qū)模型參數(shù),該預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

數(shù)值模擬中采用粘聚區(qū)模型CZM與DCB試件I型拉開試驗(yàn)中測(cè)的數(shù)據(jù)可以形成一種互相驗(yàn)證,相輔相成作用,結(jié)果表明CZM在模擬膠接結(jié)構(gòu)I型界面特性是有效的。

3 影響因素研究

3.1 被粘物材料

3.1.1金屬被粘物 膠接技術(shù)最早在金屬結(jié)構(gòu)中開始嘗試使用。Meng等[37]通過(guò)對(duì)鋁制膠接接頭加入由楔形敲擊方法制成的足夠尖銳的裂縫對(duì)DCB斷裂測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn),模擬實(shí)際情況中產(chǎn)生的尖銳的膠接裂縫。Valoroso等[33]分析了金屬膠接結(jié)構(gòu)的I型界面斷裂韌性對(duì)應(yīng)的CZM模型參數(shù),驅(qū)動(dòng)原理是基于使用測(cè)量的載荷-撓度曲線和裂紋長(zhǎng)度作為數(shù)據(jù)集的單個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試建立一個(gè)逆過(guò)程。Cabello 等[38]提出了一種基于彈性地基梁理論的膠粘DCB試件通用分析模型研究不同類型膠黏劑粘接金屬的膠接結(jié)構(gòu)的I型開裂行為。Kanar等[39]以AA2024-T3鋁合金作為被粘物不同類型的膠黏劑進(jìn)行粘接,并研究了添加納米結(jié)構(gòu)對(duì)接頭的斷裂能的影響。破壞模式為膠層破壞和界面破壞混合出現(xiàn)的形式。Gheibi等[40]研究了 AL6061-T6 被粘物膠接結(jié)構(gòu)的 I 型開裂行為,采用CBBM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化程序,獲得的試驗(yàn)結(jié)果與CZM結(jié)果吻合良好。

金屬膠接接頭的主要失效類型包括膠層失效和界面失效,金屬膠接結(jié)構(gòu)的界面相對(duì)來(lái)說(shuō)更為薄弱。由于膠黏劑與金屬的剛度嚴(yán)重不匹配,金屬更適合采用機(jī)械連接或者機(jī)械-膠接混合模式。

3.1.2金屬-復(fù)合材料非對(duì)稱被粘物 由于某些工程需求,不可避免會(huì)有金屬和復(fù)合材料的連接形式。Loutas等[41]對(duì)金屬-復(fù)合材料膠接接頭的 I 型斷裂韌性進(jìn)行了研究,評(píng)估/比較了四種不同的鈦和 CFRP 粘合劑連接技術(shù);使用熱固性或熱塑性 CFRP 進(jìn)行帶膠黏劑和不帶膠黏劑的共粘接和二次粘接。由于接頭的不對(duì)稱性以及殘余熱應(yīng)力的存在,復(fù)合材料本身相對(duì)薄弱,在 DCB 測(cè)試期間會(huì)在復(fù)合材料層壓板內(nèi)部形成分層。只有二次粘接試件,在測(cè)試過(guò)程中沒有出現(xiàn)分層。Imanaka等[17]為了比較CFRP/鋁非對(duì)稱接頭用熱固化型粘合劑的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,通過(guò)疲勞測(cè)試,研究了 DCB 接頭厚度比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。Moazzami等[28]為了研究不對(duì)稱的金屬-復(fù)合材料膠粘接頭產(chǎn)生純I型界面開裂行為,提出了基于彎曲剛度和縱向應(yīng)變分布的設(shè)計(jì)方法,開展全場(chǎng)位移場(chǎng)分析,并計(jì)算出應(yīng)力強(qiáng)度因子。Constante等[23]研究了環(huán)氧膠粘接鋁板的界面性能,并開發(fā)了一種用于評(píng)估裂紋尖端開口和被粘物旋轉(zhuǎn)的光學(xué)測(cè)量方法,使用J積分是因?yàn)樗軌颢@得CZM定律。所提出的 CZM 定律最接近于脆性粘合劑的三角形形狀和兩種韌性粘合劑的梯形形狀。Kuppusamy 等[46]提出了一種新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),解決鋼-復(fù)合材料非對(duì)稱膠接結(jié)構(gòu)無(wú)法獲取純I型斷裂韌性的難題,通過(guò)在基于粘合線-縱向應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)下匹配兩個(gè)被粘物的縱向應(yīng)變分布,在膠粘雙材料 DCB 接頭中獲得純 I 型斷裂。Shah等[43]研究環(huán)氧膠粘接鋁合金接頭的開裂行為,并研究了膠層厚度對(duì)斷裂能量釋放率的影響,發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)隨厚度的增加,斷裂能量釋放出現(xiàn)增大的趨勢(shì),可以減少研究膠層厚度對(duì)增韌環(huán)氧樹脂粘合劑系統(tǒng)斷裂能的影響所需的測(cè)試時(shí)間和精力。

金屬-復(fù)合材料非對(duì)稱型被粘物的主要困難是無(wú)法獲取純I型界面開裂狀態(tài),通過(guò)嚴(yán)格的剛度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能獲得高效的界面,但是膠層與復(fù)合材料屬于明顯薄弱環(huán)節(jié),需要開展界面、膠層及復(fù)合材料的失效分析。

3.1.3復(fù)合材料被粘物 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在機(jī)械連接形式中存在多種問(wèn)題,但也具有膠接技術(shù)重量輕,連接件數(shù)目少,不引入新的孔損傷,抗疲勞性能好且能獲得氣動(dòng)光滑面等突出優(yōu)點(diǎn),因此一直是復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)選方案。Markatos等[44]研究了HexPly M21 基體和 T700 纖維(低密度碳纖維)制造的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,采用FM300 環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接,對(duì)比了不同被粘物表面狀態(tài)對(duì)斷裂韌性的影響。Sarrado等[21]研究了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂采用FM-300環(huán)氧薄膜膠粘劑膠接的界面斷裂韌性,發(fā)現(xiàn)厚膠比薄膠的斷裂韌性高,但是薄的被粘復(fù)合材料的斷裂韌性偏高。粘接較薄的試件具有較小的FPZ,裂紋尖端的塑性變形也較高,因此可以獲得較好的膠接斷裂韌性。García-guzmn l等[45]研究3D打印增材制造尼龍-玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的不同形狀膠接面的界面性能,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)具有圖案梯形界面的粘合接頭可以帶來(lái)更堅(jiān)韌和更有前景的性能。Srivastava等[46]研究了改性環(huán)氧樹脂和純環(huán)氧樹脂粘合劑對(duì)編織碳纖維復(fù)合材料接頭的斷裂韌性和剪切強(qiáng)度的影響。Floros等[19]研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同膠黏劑材料粘接后的疲勞I型和II型裂紋擴(kuò)展行為。

復(fù)合材料由于具有與膠黏劑相同材料體系的樹脂基體,因此復(fù)合材料與膠層固化成型后,能夠或能更好的剛度分配,其界面的失效也成為一種更值得關(guān)注的復(fù)雜材料區(qū)域,需要開展細(xì)觀的機(jī)理分析以指導(dǎo)I型界面斷裂韌性的評(píng)估。

3.2 膠黏劑材料

Cabello等[38]提出了一種基于彈性地基梁理論的膠粘DCB試件通用分析模型,研究了不同類型膠黏劑粘接金屬的膠接結(jié)構(gòu)的I型開裂行為,結(jié)果表明使用柔性粘合劑時(shí),最大應(yīng)力出現(xiàn)在粘合劑層內(nèi)部,而使用剛性粘合劑時(shí),它們僅出現(xiàn)在裂紋前沿。Kanar等[39]以DP460增韌型膠粘劑和DP125柔性膠粘劑為膠粘劑生產(chǎn)膠接DCB接頭;AA2024-T3鋁合金作為被粘物,1 wt% 石墨烯-COOH、碳納米管-COOH 和富勒烯 C60 改性膠黏劑,發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加納米結(jié)構(gòu)獲得的納米復(fù)合粘合劑增加了接頭的斷裂能。Jia等[36]對(duì)石墨烯納米片增強(qiáng)的環(huán)氧建筑膠粘劑膠接鋼結(jié)構(gòu)的界面 I 型斷裂抗力分析發(fā)現(xiàn),與純環(huán)氧樹脂粘合劑相比,石墨烯含量?jī)H為 0.25 wt% 的納米復(fù)合材料的 I 型斷裂韌性竟提高了 5 倍。當(dāng)石墨烯含量繼續(xù)增加時(shí),粘合劑的I型斷裂韌性隨石墨烯在粘合劑中的聚集而降低。Srivastava等[46]研究了石墨烯填充環(huán)氧樹脂,炭黑填充環(huán)氧樹脂,純環(huán)氧樹脂粘合劑對(duì)編織碳纖維復(fù)合材料接頭的斷裂韌性和剪切強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明改性后的接頭性能更好。Mariana Gonzlez Ramírez等[20]研究了不同工藝條件的復(fù)合材料膠接接頭I型界面在疲勞循環(huán)加載作用下的斷裂行為,包括CC、CB和SB,發(fā)現(xiàn)CB 和 SB 接頭的閾值比 CC 接頭高約 2.5 倍,在疲勞分層生長(zhǎng)開始方面表現(xiàn)出更好的性能。Saleh等[26]研究了基于改性單寧酸的縮水甘油醚和縮水甘油磷酸的合成生態(tài)環(huán)氧膠黏劑,用于粘接鋁和碳纖維增強(qiáng)聚合物,結(jié)果表明,當(dāng)使用縮水甘油磷酸時(shí),膠接接頭的斷裂韌性得到改善。

膠粘劑的材料屬性對(duì)于無(wú)論是金屬膠接結(jié)構(gòu),金屬-復(fù)合材料非對(duì)稱膠接結(jié)構(gòu)還是復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu),都至關(guān)重要。不僅需要選擇合適材料性能的膠,還需要選擇與被粘物界面特性匹配的膠。

3.3 膠層厚度

Sarrado[21]研究了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂采用FM-300環(huán)氧薄膜膠粘劑膠接的界面斷裂韌性,發(fā)現(xiàn)厚膠比薄膠的斷裂韌性高,原因可能是在較厚的膠粘劑中可以形成較大的塑性區(qū)域。Shah等[47]研究的對(duì)象是真實(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的材料,由聚酯樹脂基質(zhì)中 0.286 mm厚的 45°雙軸玻璃纖維墊,并使用不同厚度的 NORPOL 聚乙烯酯粘合劑進(jìn)行粘接。使用柔度校準(zhǔn)進(jìn)行校正后,較厚的粘合劑顯示出較高的 SERR 值。這部分是由于粘合劑的剛度非常低,在出現(xiàn)可見裂縫之前會(huì)變形。因此,較高的變形可以“隱藏”裂紋,使裂紋在高變形處不可見,但粘合劑已經(jīng)塑性變形到足以無(wú)法抵抗裂紋擴(kuò)展。韓嘯等[48]基于柔度的梁方法獲取I 型斷裂韌性,研究膠層厚度的影響發(fā)現(xiàn),厚度增加I 型斷裂韌性先增大后減小,失效模式則由界面失效轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌鲜?。Gheibi等[40]考慮到定義厚度是接頭工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一,需要研究厚度對(duì)脆性粘合劑 CZM 參數(shù)的影響。選擇五種不同的粘合劑厚度(0.2、0.4、0.6、0.8 和 1 mm),比較發(fā)現(xiàn)具有 0.4 mm 厚粘合劑層的試件比其他試件性能更好。

在一定范圍內(nèi),膠層厚度的增加可以有效的增大I型界面斷裂韌性,但是超出該范圍則有可能會(huì)導(dǎo)致斷裂韌性的減小。相對(duì)較厚的膠粘劑中可以形成較大的塑性區(qū)域,但是膠黏劑本身剛度較小,如果厚度繼續(xù)增大,會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力。

4 表面處理方式

被粘物表面狀態(tài)對(duì)膠接質(zhì)量影響情況不同。Markatos等[44]發(fā)現(xiàn)制造和使用中膠接質(zhì)量降低對(duì)航空應(yīng)用中出現(xiàn)的復(fù)合材料接合接頭機(jī)械性能的影響較大。研究模擬了五種不同的代表性場(chǎng)景：粘合劑固化不良、脫模劑污染、吸濕、液壓油污染和熱降解,這些場(chǎng)景可能會(huì)影響粘合修復(fù)和使用壽命。結(jié)果表明,脫模劑和熱降解對(duì)粘合接頭的斷裂韌性有很大影響,水分和油對(duì)接頭的斷裂韌性影響相對(duì)小一點(diǎn),而固化不良對(duì)粘合質(zhì)量有災(zāi)難性的影響。Kuppusamy等[42]研究了層壓板表面污染對(duì)粘合特性的影響,在沒有剝離層的情況下模塑的受污染層壓接頭會(huì)出現(xiàn)曲折的裂紋擴(kuò)展和非線性斷裂韌性值,粘合劑粘合層很容易剝離,粘合劑-層壓板界面處的斷口表面干凈平整,在層壓成型過(guò)程中使用剝離層控制了表面污染,證明裂紋的均勻傳播和粘合接頭處的斷裂韌性值增加。

膠接面增加圖案,增大膠接實(shí)際接觸面積。García-guzmán等[45]研究在長(zhǎng)纖維復(fù)合材料中使用增材制造方式打造梯形圖案界面的DCB試件的機(jī)械性能,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)具有圖案梯形界面的粘合接頭可以帶來(lái)更堅(jiān)韌和更有前景的性能。Sun 等[49]分析了由圖案幾何形狀對(duì)粘合接頭斷裂行為的影響。使用 ALM 生產(chǎn)技術(shù)對(duì)具有結(jié)構(gòu)化界面圖案的 DCB 試件中粘合接頭的抗裂性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析,圖2中所示的 A/λ比率越高,相對(duì)于非梯形的表觀斷裂阻力Gcx和實(shí)際斷裂阻力Gcs就越大。

圖2 平板膠接界面和梯形膠接界面示意圖[49]

對(duì)膠接質(zhì)量有影響的被粘物表面狀態(tài)有各類其他溶劑污染,熱作用,固化不良,吸濕等情況,分析表明該固化不良是一種嚴(yán)重的脫粘誘因。表面增加圖案可以增加膠接實(shí)際接觸面積,提高連接效率。

5 結(jié) 論

加載速率對(duì)于復(fù)合材料I型層間斷裂韌性有本質(zhì)上的影響。隨加載速率的增加,材料的斷裂形式會(huì)由韌性斷裂到脆性斷裂進(jìn)行轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致層間斷裂韌性改變。加載速率的大小可以將膠接結(jié)構(gòu)的斷裂韌性測(cè)試方法分為三大類,速率由快到慢分別是,動(dòng)態(tài)沖擊加載,疲勞裂紋擴(kuò)展,準(zhǔn)靜態(tài)加載方式?；羝战鹕瓧U裝置是一種相對(duì)復(fù)雜的設(shè)備,高速狀態(tài)下給裂紋擴(kuò)展過(guò)程監(jiān)測(cè)帶來(lái)了較大困擾,除非用于特殊的高速?zèng)_擊服役情況,一般情況推薦采用相對(duì)低速的方法測(cè)定斷裂韌性。在疲勞載荷作用下的裂紋擴(kuò)展機(jī)制與準(zhǔn)靜態(tài)是不同的。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可以更為清晰觀察裂紋擴(kuò)展的過(guò)程。與上面兩種速率的測(cè)試方法不同,膠接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)加載方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

通過(guò)斷裂力學(xué)試驗(yàn)可以研究材料破壞與裂紋擴(kuò)展的內(nèi)在條件,得到應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC、平面應(yīng)變能釋放率GIC、J積分JIC等斷裂參數(shù)。其中至關(guān)重要的是裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度a的關(guān)系曲線。一種方法得到的裂紋長(zhǎng)度為等效裂紋長(zhǎng)度,不是試件真實(shí)的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度;另一種方法通過(guò)放大鏡讀數(shù),更接近真實(shí)裂紋長(zhǎng)度,但為了得到足夠的有效數(shù)據(jù)點(diǎn),增強(qiáng)微小裂紋的可視性,常常在預(yù)測(cè)的裂紋擴(kuò)展路徑上噴涂白漆以增強(qiáng)對(duì)比,這種方法測(cè)量范圍有限,鏡頭需要隨裂紋擴(kuò)展進(jìn)行調(diào)整,并需要手動(dòng)采集。為了更為準(zhǔn)確的進(jìn)行裂紋長(zhǎng)度測(cè)量,還有常見的其他方法包括DIC法、電測(cè)法和聲學(xué)測(cè)量法。其中DIC測(cè)試能夠獲取全場(chǎng)變形,對(duì)于斷裂韌性評(píng)估和開裂機(jī)理分析的研究有重要意義。數(shù)值模擬中采用粘聚區(qū)模型CZM與DCB試件I型拉開試驗(yàn)中測(cè)的數(shù)據(jù)可以形成一種互相驗(yàn)證,相輔相成作用,結(jié)果表明CZM在模擬膠接結(jié)構(gòu)I型界面特性是有效的。未來(lái)需要結(jié)合裂紋開裂過(guò)程實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù),對(duì)CZM模型進(jìn)行修正,獲取更為有效的數(shù)值模擬模型。

本文對(duì)三種類型被粘物的I型界面斷裂韌性研究進(jìn)行了綜述,發(fā)現(xiàn)金屬膠接接頭的主要失效類型包括膠層失效和界面失效,金屬膠接結(jié)構(gòu)的界面相對(duì)來(lái)說(shuō)更為薄弱。金屬-復(fù)合材料非對(duì)稱型被粘物的主要困難是無(wú)法獲取純I型界面開裂狀態(tài),因此需要開展剛度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),但是膠層與復(fù)合材料是明顯薄弱環(huán)節(jié),需要開展界面、膠層以及復(fù)合材料的失效分析。復(fù)合材料由于具有與膠黏劑相同材料體系的樹脂基體,因此復(fù)合材料與膠層固化成型后,能夠或能更好的剛度分配,其界面的失效也成為一種更值得關(guān)注的復(fù)雜材料區(qū)域,需要開展細(xì)觀的機(jī)理分析以指導(dǎo)I型界面斷裂韌性的評(píng)估。

本文對(duì)膠黏劑的材料屬性、膠黏劑的厚度進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)膠粘劑的材料屬性對(duì)于無(wú)論是金屬膠接結(jié)構(gòu),金屬-復(fù)合材料非對(duì)稱膠接結(jié)構(gòu)還是復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu),都是至關(guān)重要的,不僅需要選擇合適材料性能的膠,還需要選擇與被粘物界面特性匹配的膠。在一定范圍內(nèi),膠層厚度的增加可以有效的增大I型界面斷裂韌性,但是超出該范圍則有可能會(huì)導(dǎo)致斷裂韌性的減小,相對(duì)較厚的膠粘劑中可以形成較大的塑性區(qū)域,但是膠黏劑本身剛度較小,如果厚度繼續(xù)增大,會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力。

被粘物和膠黏劑之間的界面特性至關(guān)重要,粘接表面的處理方式也是會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能造成顯著影響。膠接質(zhì)量有影響的被粘物表面狀態(tài)有各類其他溶劑污染,熱作用,固化不良,吸濕等情況,分析表明該固化不良是一種嚴(yán)重的脫粘誘因。表面增加圖案例如梯形圖案可以增加膠接實(shí)際接觸面積,提高連接效率。