您好,欢迎来到爱问旅游网。
搜索
您的当前位置:首页玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆-粘接接头老化和腐蚀性能研究

玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆-粘接接头老化和腐蚀性能研究

来源:爱问旅游网
玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆.粘接接头老化和腐蚀性能研究 2017年l1月 玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆.粘接接头老化和腐蚀性能研究 黄志超,何俊华,冯佳 (华东交通大学.南昌 330013) 摘要:主要对玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆.粘接接头进行了老化和腐蚀试验,通过静拉伸测试,分析了温度和腐蚀 介质对混合连接接头力学性能的影响。结果表明:同温下,粘接层失效时的峰值载荷会随保温时间的增加而减小:同保温时间 下,粘接层失效时的峰值载荷会随温度的增加而减小;在5%NaC1溶液中腐蚀时,连接件的抗拉伸性能受腐蚀时间延长的影响 比较小;而在5%NaOH溶液和5%HNO 溶液中腐蚀时,连接件的抗拉伸性能受到的影响比较大,样件的峰值栽荷下降比较明 显。试样的失效主要分为胶层失效和铆钉拉脱失效两个阶段。 关键词:玻璃纤维增强树脂基复合材料;老化;腐蚀;混合连接;抗拉伸性能 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1003—0999(2017)l卜0050—06 在工业高速发展的现代社会,轻量化是汽车、航 空等制造业节能的重要发展趋势『1l2]。质轻、高强 栗晓飞等¨ j通过正交试验对环境因素进行了筛选. 得出温度为影响复合材料腐蚀的最显著环境因子。 本文主要对玻璃纤维增强树脂基复合材料板进 度的材料如复合材料、铝合金等是实现轻量化节能 的重要手段【3]。纤维增强树脂基复合材料以其高强 度、质量轻和耐腐蚀性等多种优异性能在汽车、航空 航天等领域中得到越来越广泛的应用[4.5]。由于结 构的或实际条件的局限性。复合材料不可避免 地需要进行连接_6]。而板料连接件应用于实际情况 行了碾铆一粘接混合连接试验.分析了温度对混合连 接接头力学性能的影响。研究了接头在盐、碱、酸介 质中的腐蚀行为和拉伸强度,并讨论了不同环境下 接头的失效形式。 时所处的环境对其实际的承载能力和使用寿命会产 生很大的影响[7]。国内外一些学者对相关内容进行 了研究。乔海涛等[8]对胶接、铆接和胶铆连接试样 的力学性能进行了研究,结果表明胶接和胶铆连接 试样相比于铆接试样有更优的力学性能,并且同频 率下疲劳的循环周期也更高。黄志超等[9]比较了玻 1连接和试验准备 1.1材料准备 试验所需的复合材料板是通过真空辅助树脂传 递模塑(VARTM)工艺自制而成的玻璃纤维增强树 脂基复合材料层合板[1引。铺层的方式为[0/90] 在室温下将饱和环氧树脂与树脂固化剂按5:1的比 璃纤维增强树脂基复合材料在粘接、铆接和混合连 接的力学性能,分析了粘接时间、垫圈、多钉对不同 连接方式连接强度的影响。Sang—Young Kim等【1 0_ 研究了复合材料试样的拉伸和疲劳性能,比较了不 同的失效形式,同时分析了失效时的微观组织。赖 家美等[11]通过VARTM工艺制作了复合材料层合 板.研究了不同铺层方式对板料力学性能的影响。 例均匀混合后,使用真空灌注的方法,将混合好的树 脂浸润铺设好的玻璃纤维材料。待树脂固化24 h 后进行脱模,得到产品。根据国际标准[16]将试验制 得的板料加工成连接试验所需要的尺寸,为135 mm x36 mm ̄3 mm。采用的铆钉为实心铆钉,材质为 Q235,尺寸为4,6 mm ̄16 mm。由于复合材料板材较 厚。所以采用机械钻孔工艺开孔[1 ,开孔直径为 6 mm。 宋文娟[12]进行了复合材料的耐海水试验、理化性能 演变试验和力学性能演变试验,从微观的角度分析 了腐蚀机理,并建立了寿命预测模型。卢东滨等[1 ] 考虑了温度、湿度和光照对复合材料结构性能的影 响.用加速老化的方法预测了复合材料的老化寿命。 1.2连接方式 试验板料的连接方式为单剪搭接,如图1所示。 孔边距和端距均为18 mm:加持区域垫有3 mm厚的 铝合金板以防止静拉伸过程中产生附加力矩。 收稿日期:2017—07—10 基金项目:国家自然科学基金项目(51265012);江西省创新驱动“5511”工程科技创新人才项目(20165BCB18012) 作者简介:黄志超(1971一),男,博士,教授,主要从事板料连接方面的研究,hzcosu@163.com。 鼬 2017年第11期 玻璃钢/复合材料 51 接件处于一定的高温下保持一段时间,然后取出恢复 到室温后进行拉伸试验。处理试验数据,绘制图3。 图1单剪搭接示意图 Fig.1 Configuration of a single lap 混合连接为碾铆加粘接,即同时采用摆动铆接 和粘接技术对板料进行连接试验。制作接头时,首 先用丙酮将复合板料的表面擦拭干净后晾干.将 J133粘结剂的A、B胶以5:1的比例调制均匀后涂抹 在板料的连接区域,然后马上进行摆辗铆接,将制得 的样件放在30 aI=的环境中静置48 h。待粘接剂固化 后测试样件的抗拉伸性能。图2为碾铆原理图.图 中碾铆铆头与铆钉轴线呈一定夹角,在绕铆钉轴线 做连续回转运动的同时做下压运动,使铆钉头受到 连续局部碾压作用而逐渐变形成为所需形状;设备 为瑞威特BM20液压立式铆接机。铆接力最大可以 达到65 kN。试件铆接过程中设置预留高度为2.5 mm。试件接头的性能测试采用RGM4030万能拉伸 试验机,使用位移控制,加载速度为2 mm/s。 图2摆动碾压铆接示意图 Fig.2 Schematic for rolling riveting 2结果与分析 2.1连接件的高温老化性能研究 2.1.1 高温保温时间对拉伸性能的影响 用制备好的混合连接试样作为试验样件,将连 图3试样高温失效峰值载荷对比图 Fig.3 Comparison of peak load for specimens after high temperature treatment 图3中显示了不同温度下。试样第一阶段失效 时峰值载荷的大小。由图3可看出:在相同的保温 温度下,随着保温时间的延长,粘接层失效时的峰值 载荷会减小;在相同的保温时间下.随着保温温度的 增加,粘接层失效时的峰值载荷会减小。其主要原 因是连接件处在空气氛围的保温箱中。空气中的氧 气作为氧化剂会与连接件的粘接层相互作用。随着 保温时间的延长,氧气与粘接层的作用时间逐渐延 长,以至于粘接剂的老化程度逐渐增加,因而粘接层 失效后峰值载荷逐渐降低;而在相同保温时间下,保 温温度越高,氧气和粘接层相互作用的速率越快。因 而粘接层老化的速度越快。由图3还可以看到.相 同温度下,随着时间的延长,峰值载荷下降的速率逐 渐降低,这主要是因为氧气与接触到的粘接层相互 作用主要发生在0 h~5 h区间内,这段时间内氧气 和粘接层迅速反应,粘接层快速老化。因而峰值载荷 下降速率最快。超过5 h后,粘接层的老化速率逐 渐降低,因而粘接剂失效时峰值载荷的下降速率逐 渐减小。 对比图4可以看到,经过保温处理后的样件均 经过两个过程的失效。第一阶段中主要为粘接层的 失效过程,因此在载荷一位移曲线上表现为载荷随着 拉伸位移的增加急剧增大,当出现第一个载荷的锐 减时,粘接层失效;第二阶段主要为表面纤维层的层 间失效,由未经热处理样件的失效对比图可知,在粘 接层失效后,较大的载荷锐减挤压铆钉孔周围的纤 维使其损伤,之后层合板中的纤维主要承受拉伸载 荷。但由经过热处理试样的失效图可以看出.第二 阶段中铆钉孔周围的纤维损伤较小。主要表现为粘 接层整体撕扯相邻层合板表面纤维层,从而出现板 52 玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆.粘接接头老化和腐蚀性能研究 2017年l1月 料的层间失效。因此在载荷.位移曲线上可以看到 第二阶段出现了一定量载荷突变的情况。这主要是 因为在第二阶段失效中.当粘接层将板料表面纤维 层撕扯掉一部分后。表面纤维层的承载能力会降低, 从而出现一定量锯齿状载荷变小的现象。直至表面 纤维层被整体撕扯,出现该现象的主要原因是经过 热处理后的粘接剂韧性降低而使粘接层变脆。在第 一阶段中的曲线表现为:随着保温时间的延长,峰值 载荷降低;随着保温温度的增加,峰值载荷降低。而 保温温度为100 oC和150℃时,第一阶段失效的峰 值载荷比第二阶段的峰值载荷大;但保温温度为 200 cI:时,第一阶段的峰值载荷小于第二阶段。这 主要是因为温度过高,粘接层的老化程度更大,以至 于粘接层的承载能力急剧降低。因此J133粘接剂 使用温度超过200 oC时,性能显著下降;而第二阶段 的峰值变化不大,主要因为该阶段连接件的承载能 力是层合板料中纤维层间的相互作用力来体现的, 而玻璃纤维是一种耐热的无机非金属材料,高温热 处理对其性能影响不大。因此200 oC高温处理时, 第二阶段失效过程的载荷极值比第一阶段的载荷极 值大。 (a)100℃下不同保温时间试样载荷-位移曲线图 (a)The load—displacement curves under diferent holding time at 100℃ (b)150℃下不同保温时间试样载荷一位移曲线图 r b)The load-displacement curves under diferent holding time at 150℃ (c)200℃下不同保温时间试样载荷一位移曲线图 (c)The load—displacement Curves under diferent holding time at 200℃ 图4试样高温失效载荷.位移曲线图 Fig.4 The load-displacement curves for specimens after hi【sh temperature treatment 2.1.2高温样件失效分析 由温度为150 oC时,保温时间依次为0 h、2.5 h、5 h、7.5 h的失效样件的正面情况可以看出,经过 热处理后的样件在铆钉孔周围没有出现明显的沿拉 伸方向的应力发白现象。样件的失效在正面上表现 为铆钉孔周围纤维的整体损伤,板料中铆钉孔的孔 径被扩大;由温度为150 oC时,保温时间依次为0 h、 2.5 h、5 h、7.5 h的失效样件的侧面情况可以看出, 未热处理的样件失效形式以纤维的断裂损伤为主, 而随着保温时间的延长,样件的失效形式变为粘接 剂相邻的纤维层脱离基体的层间失效为主。由保温 5 h.连接件在未热处理、100 oC处理、150℃处理和 200 oC处理下的正面和侧面的失效形式可知,样件 在保温5 h不同高温下与不同保温时间150 oC下的 失效形式一致。综合上述的失效形式可以得出,经 过热处理后样件中老化的粘接层和板料表面纤维层 产生了较大的相互作用,并且这种相互作用已经大 于了板料中纤维层之间的相互作用力。因此在拉伸 过程中.纤维层间的作用力比较小先出现层间分离, 避免了纤维层中的纤维受到损伤,从而使得铆钉孔 沿拉伸方向没有出现应力发白的现象。 2.2连接件在腐蚀介质中的性能研究 2.2.1盐、碱、酸介质对拉伸性能影响 试验用到的腐蚀溶液分别为盐溶液(NaC1溶 液)、碱溶液(NaOH溶液)和酸溶液(HNO 溶液),体 积分数均为5%。将连接件在室温条件下的腐蚀溶 液中浸泡一段时间,然后在室温下晾干后进行拉伸 2017年第11期 玻璃钢/复合材料 53 检测。 由图5可知不同的腐蚀介质对样件的失效影响 不一样。在NaC1溶液中腐蚀时。连接件的抗拉伸性 能受腐蚀时间延长的影响比较小;而在NaOH溶液 和HNO 溶液中腐蚀时,连接件的抗拉伸性能受到 的影响比较大.样件的峰值载荷下降比较明显。造 成上述现象的主要原因是腐蚀溶液中不同离子会对 连接件中的铆钉、粘接层和板料产生不同的影响。 NaC1溶液中钠离子和氯离子活性很差,因而对板料 的影响很小,所以即使腐蚀时间较长,对板料的抗拉 伸性能影响也比较小:NaOH溶液中氢氧根离子的 化学活性很强,会与粘接层作用。因此腐蚀时间延长 后,板料的抗拉伸性能受到的影响比较大;HNO 溶 液中氢离子会与铆钉中的铁作用,腐蚀达到一定时 间后。铆钉几乎被完全腐蚀,并且氢离子还会与粘接 层相互作用。因此在这两方面的作用下,板料的抗 拉伸性能显著下降。 图5试样腐蚀失效峰值载荷对比图 Fig.5 Comparison of peak load for specimens after corrosionfailure 由图6可知不同介质腐蚀下的混合连接试样的 失效均经历两个过程。由图6(a)中第一阶段的失 效形式可以看到,经过NaC1溶液腐蚀,试样的峰值 载荷几乎无变化,这主要是因为该溶液对粘接层的 腐蚀作用很小,因而粘接层的性质改变很小;由图6 (b)可知,随着腐蚀时间延长,经过NaOH溶液腐蚀 的试样峰值载荷呈现逐渐降低的趋势,主要是NaOH 溶液中氢氧根离子的化学性质很活泼,因此在长时 间与粘接层的作用下,粘接层与板料的相互作用力 逐渐减小,板料的抗拉伸性能降低;而由图6(C)可 知,经过HNO 溶液处理的试样第一阶段峰值载荷 的变化情况和NaOH溶液腐蚀的试样情况一样,而 在第二阶段,试样的纤维失效过程均为随着拉伸位 移的增加。承载能力快速下降直至最后失效。 (a)NaCI溶液腐蚀下试样载荷.位移曲线图 (a)The load-displacement curves under NaCI solution (b)NaOH溶液腐蚀下试样载荷.位移曲线图 (b)The load—displacement curves under NaOH solution (c)HNO 溶液腐蚀下试样载荷.位移曲线图 (c)The load-displacement curves under HNO3 solution 图6试样腐蚀失效载荷.位移曲线图 Fig.6 The load—displacement CHrves for specimens after corrosionfailure 2.2.2盐、碱、酸介质下连接件的失效形式 由接头在NaCI溶液中,腐蚀时间依次为无、一 玻璃纤维增强树脂基复合材料碾铆一粘接接头老化和腐蚀性能研究 2017年11月 周、二周、三周、四周的试样失效正面可以看出,板料 失效时没有出现明显的沿拉伸方向的应力发白现 象.而铆钉孔周围发白现象比较明显。接头在NaC1 溶液中,腐蚀时间依次为无、一周、二周、三周、四周 的试样失效侧面显示了连接件失效时,粘接层是整 体分层失效的。由此可知。经过NaC1溶液腐蚀的试 样,粘接层的抗拉伸性能受到的影响比较小,粘接层 失效后板料的内部纤维受到的损伤比较小.铆钉孑L 周围出现铆钉孔扩大现象。观察NaOH溶液腐蚀试 样失效的正面和侧面可知,NaOH溶液腐蚀样件的 失效形式和经过NaC1溶液腐蚀试样的失效形式差 不多。结合图6(b)中NaOH溶液腐蚀后试样的载 荷一位移曲线,可以发现NaOH溶液对粘接层起到了 比较明显的腐蚀作用,这种影响主要是在分子间发 生了化学作用,而表观上无法观测发现。观察HNO 溶液腐蚀试样失效的正面可知。腐蚀时间越长,铆钉 的镦粗腐蚀越严重。因此在连接件失效时,铆钉孔 周围的应力发白现象越来越不明显。观察HNO 溶 液腐蚀试样失效的侧面可知,铆钉镦粗被腐蚀得越 严重。镦粗对板料的夹紧作用越差。因而最后连接 件失效时,板料发生的翘曲现象越来越不明显。 3结论 (1)采用100 oC、150 oC、200 oC进行对比实验 得出:同温下,粘接层失效时的峰值载荷会随保温时 间的增加而减小:同保温时间下,粘接层失效时的峰 值载荷会随温度的增加而减小。保温温度为100 oC 和150 oC时。第一阶段失效的峰值载荷比第二阶段 大:但保温温度为200℃时,第一阶段的峰值载荷小 于第二阶段: (2)在NaC1溶液中腐蚀时,连接件的抗拉伸性 能受腐蚀时间延长的影响比较小;而在NaOH溶液 和HNO 溶液中腐蚀时,连接件的抗拉伸性能受到 的影响比较大。样件的峰值载荷下降比较明显; (3)试样的失效分为胶层失效和铆钉拉脱失效 两个阶段。在这两个阶段分别会伴有不同程度的纤 嘲 啦酒呦鞣 维分层和纤维损伤现象。失效时板料同时会发生翘 曲,酸腐蚀时翘曲现象不明显。 参考文献 [1]李永兵,马运五,楼铭,等.轻量化多材料汽车车身连接技术进 展[J].机械工程学报,2016,52(24):1-23. [2]鞠晓锋,陈昌明,吴宪.现代汽车轻量化技术[J].上海汽车。 2006(9):31—33. [3]朱则刚.铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用[J].轻金属, 2011(to):3-6. [4]蒋凌澜,陈阳.树脂基复合材料在航天飞行器气动热防护上的 应用研究[J].玻璃钢/复合材料,2014(7):78—84. [5]冯鹏.复合材料在土木工程中的发展与应用[J].玻璃钢/复合 材料,2014(9):99—104. [6]黄志超,陈伟达,程雯玉,等.复合材料连接技术进展[J].华东 交通大学学报,2013(4):1-6. [7]谢鸣九.复合材料连接[M].上海:上海交通大学出版社,2011. [8]乔海涛,赖士洪,邹贤武.胶铆连接性能研究[J].中国胶接剂, 2002,11(1):52.53. [9]黄志超,冯佳,张永超.复合板料摆碾铆接、胶接和混合连接性 能研究[J].玻璃钢/复合材料,2017(4):54.59. [10]Sang—Young Kim,Daniel J,Hennigan,et a1.Influence of Fabrica— tion nad Interference—Fit Techniques on Tensile and Fatigue Proper- ties of Pin-Loaded Glass Fiber Reinforced Plsatics Composites[J]. Journal of Engineering Materials and Technology,2012,134:1-8. [11]赖家美,鄢冬冬,刘榆华,等.VARTM工艺铺层取向对复合材 料力学性能的影响[J].工程塑料应用,2015(1):43—47. [12]宋文娟.玻纤增强环氧树脂复合材料耐海水腐蚀行为与寿命预 测[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014. [13]卢东滨,陈平,白天,等.复合材料薄壁结构老化性能研究[J]. 玻璃钢/复合材料,2014(6):48 51. [14]栗晓飞,张琦,谢国君,等.影响碳纤维增强树脂基复合材料 腐蚀重要环境因素的研究[J].装备环境工程,2005,2(6): 34—4o. [15]赖家美,王德盼,陈显明,等.VARTM工艺中高渗透导流介质 对树脂充填行为的影响[J].高分子材料科学与工程,2014, 30(7):120—131. [16]Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matirx Com— posite Laminates:D 5961/D 5961M-08[S]. [17]刘在阳,李冬梅,张振龙,等.复合材料制品设计过程中需要 考虑的机械加工问题[J].纤维复合材料,2008,25(4):16一培. 2017年第l1期 玻璃钢/复合材料 AGlNG A D【:URRUS10 PRoPERTY OF GFRP Wl’I’H 55 RoLLD G RIVET口NG AND BONDING JOINTS HUANG Zhi-chao,HE Jun—hua,FENG Jia (East China Jiaotong University,Nanchang 33001 3,China) Abstract:In this paper,the aging and corrosion tests of the glass fiber reinforced polymer(GFRP)with hybrid joints(rolling riveting/bonding)were carried out.The effects of temperature and corrosion medium on the mechani- cal properties of he jtoint were analyzed by static tensile test.The experiment results show that the peak load of the adhesive layer decreases with the increase of holding time at the same temperature,and the peak load of the adhe・ sive layer decreases with the increase of temperature at the same holding time.Furthermore,in 5%NaC1 solution, corrosion resistance has little influence on the tensile properties of the connector when the corrosion time is pro— longed.But when corrosion was carired out in 5%NaOH solution and 5%HNO3 solution,the tensile properties of the joints are greatly affected,and the peak load of the samples are decreased obviously.The failure of the sample is mainly divided into two gradations of the adhesive failure and rivet failure. Key words:GFRP;aging;corrosion;hybrid joints;tensile property (上接第88页) [4]II・Part 2,section2 Inspection and Testing of Fiber Composite Materi・ als:GL 2006[SJ. [5]许愿,等.风力发电机组风轮叶片用环氧结构胶疲劳性能研究 [J].技术/Technology,2012(5):70-72. [6]冯艳丽,等.纳米增韧剂FORTEGRATM2o2增韧环氧胶粘剂的 研究[J].粘接,2014(10):52.55. ANALYSlS UN SHEAR FATIGUE AND CREEP PERFoRMANCE oF ADHESIVE IN、)I慢ND TURBINE BLADE WU“一ping,JIN Xiao—chen,LIU Wei—sheng (Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co.,Ltd.,Jiangsu 222006,China) Abstract:Importance of adhesive in blade was described briefly in this paper.Epoxy adhesive is commonly印一 plied in rotor blade.The glass transition temperature,shear fatigue and creep performance of abroad and domestic kind were tested according to design requirement.The result Was that import kind fracture area is typical toughness, while the domestic kind is combination toughness and britlteness according to SEM.It is very urgent for domestic kind adhesive to improve the toughness of adhesive and compatibility. Key words:adhesive;shear fatigue;creep;toughness 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- awee.cn 版权所有 湘ICP备2023022495号-5

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务