隨著復(fù)合材料在航空器結(jié)構(gòu)中使用比例不斷提高,其與鈦合金、鋁鋰合金等金屬材料連接應(yīng)用日趨廣泛。與機(jī)械連接相比,膠接連接成本低、重量輕,且無(wú)鉆孔引起的應(yīng)力集中,金屬-復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)具備獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。然而,金屬與復(fù)合材料在材料表面、剛度與熱膨脹系數(shù)等方面存在差異,且復(fù)合材料層間性能薄弱,膠接結(jié)構(gòu)破壞模式復(fù)雜。因此,系統(tǒng)深入地研究金屬-復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)破壞模式及機(jī)理,對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要意義。本文采用鈦合金與芳綸纖維復(fù)合材料制備不同搭接材料、搭接長(zhǎng)度、膠層厚度的單搭接膠接接頭,在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、應(yīng)變采集系統(tǒng)與光學(xué)顯微鏡,對(duì)接頭表面應(yīng)變與破壞模式進(jìn)行表征,探究異質(zhì)材料膠接接頭破壞機(jī)制及微觀(guān)機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:對(duì)不同連接參數(shù)異質(zhì)材料接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn),分析不同環(huán)境溫度下的接頭拉伸性能。結(jié)果表明:異質(zhì)材料膠接接頭承載能力弱于同質(zhì)材料,當(dāng)搭接長(zhǎng)度由20mm增至80mm,接頭極限載荷均值從4.38kN提升至6.36kN,當(dāng)膠層厚度由0.2mm增至1.2mm,接頭極限載荷均值從6.13kN降低至5.89kN,-50℃與100℃環(huán)境溫度下,接頭極限載荷均值分... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)民航大學(xué)天津市

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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金屬-復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞模式

/mol。物理連接包含兩種連接理論：吸附理論與靜電吸引理論。吸附理論中，膠粘劑必須潤(rùn)濕被膠接件表面，依據(jù)該理論，膠粘劑表面張力需低于被膠接件。例如，環(huán)氧樹(shù)脂可潤(rùn)濕鋼，所得膠接結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，但環(huán)氧樹(shù)脂無(wú)法潤(rùn)濕聚乙烯、聚丙烯與聚四氟乙烯等烯烴聚合物，也無(wú)法膠接此類(lèi)材料[37]。靜電吸引理論中，觀(guān)察到膠粘劑從被膠接件上剝離時(shí)出現(xiàn)放電現(xiàn)象，該理論認(rèn)為膠粘劑與被膠接件中，一個(gè)表面帶有凈正電荷，另一個(gè)表面帶有凈負(fù)電荷，使界面處形成帶靜電的雙離子層，兩個(gè)表面間產(chǎn)生吸引力，且界面膠接強(qiáng)度取決于電荷密度，如圖1-2所示[40]。例如，硅烷整理劑能夠與玻璃、二氧化硅和氧化鋁等酸性或中性增強(qiáng)材料有效結(jié)合，但與鎂、石棉和碳酸鈣等堿性表面的材料結(jié)合效果不佳。圖1-2靜電吸引理論下的膠接連接化學(xué)連接理論中，膠粘劑表面化學(xué)基團(tuán)與被膠接件表面相容化學(xué)基團(tuán)間形成化學(xué)鍵，如圖1-3所示。化學(xué)鍵的強(qiáng)度取決于鍵的數(shù)量和類(lèi)型，界面破壞時(shí)化學(xué)鍵斷裂[39,40]。化學(xué)連接過(guò)程中，原子與分子通過(guò)擴(kuò)散移動(dòng)，界面處形成固溶體和化合物，并形成一定厚度的反應(yīng)區(qū)，包括所有類(lèi)型的共價(jià)鍵、離子鍵與金屬鍵，鍵能約為40-400kJ/mol[38]。例如，聚合物基復(fù)合材料中，經(jīng)偶聯(lián)劑處理的玻璃纖

中國(guó)民航大學(xué)碩士學(xué)位論文7維與表面氧化處理的碳纖維能夠與大部分熱固性和非晶態(tài)熱塑性聚合物連接[41]。為提高膠接結(jié)構(gòu)耐久性，通常對(duì)材料表面進(jìn)行處理，使表面產(chǎn)生具有不同化學(xué)組成與氧化物化學(xué)計(jì)量比的化學(xué)物質(zhì)，從而影響化學(xué)鍵性質(zhì)，改變結(jié)構(gòu)膠接性能。圖1-3材料表面A、B基團(tuán)形成的化學(xué)連接擴(kuò)散或互擴(kuò)散理論中，膠粘劑包含了一種能夠匹配被膠接件的溶劑，分子穿過(guò)材料界面，出現(xiàn)類(lèi)似于金屬擴(kuò)散連接的連接方式，擴(kuò)散后能消除材料表面間隙及弱點(diǎn)。如圖1-4所示，材料表面聚合物分子擴(kuò)散到另一表面，并形成分子網(wǎng)絡(luò)，從而在兩個(gè)聚合物表面間形成鍵，其連接強(qiáng)度取決于纏繞分子數(shù)量[42-44]。此外，溶劑可促進(jìn)相互擴(kuò)散，擴(kuò)散分子量取決于分子構(gòu)象、成分和運(yùn)動(dòng)的難易程度。例如，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑，玻璃纖維和聚合物樹(shù)脂間界面區(qū)域的分子相互擴(kuò)散，并形成互穿網(wǎng)絡(luò)（InterpenetratingNetwork,IPN）[45-49]。由分子擴(kuò)散形成的界面區(qū)域厚度較大，并且其化學(xué)、物理和機(jī)械性能不同于纖維和基體本身的性能。圖1-4材料表面分子擴(kuò)散后纏繞連接機(jī)械連接理論中，如圖1-5所示，僅通過(guò)兩個(gè)表面機(jī)械互鎖產(chǎn)生結(jié)合力，這是由于微觀(guān)尺度下，材料表面粗糙度較大，當(dāng)液體膠粘劑位于被膠接件材料表面之間時(shí)，膠粘劑穿透縫隙與孔洞后固化，膠層與兩側(cè)材料表面互鎖并形成機(jī)械結(jié)合力。例如，經(jīng)過(guò)表面處理且表面粗糙度較高的材料具有較優(yōu)的膠接性能，若處理后的材料長(zhǎng)時(shí)間放置或受到污染，將會(huì)影響膠粘劑浸潤(rùn)孔隙，使膠接性能降低[37,40]。與化學(xué)連接相比，機(jī)械連接鍵能較低，但當(dāng)載荷平行于膠接界面時(shí)，機(jī)械連接具有較高的承載能力，且粗糙度越高界面抗剪強(qiáng)度越大。


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