由于复合材料具有质量轻、比强度高、比模量高、耐疲劳、减震性好以及耐化学腐蚀等优点, 在汽车、飞机和船舶制造领域应用广泛。但是由于复合材料耐热性低、表面硬度低以及存在老化等问题, 因此在结构设计和制造过程中, 必须采用复合材料和金属混合使用, 充分发挥各自优势。复合材料和金属材料的混合使用会涉及到相互连接问题, 采用胶结是一种连接方式, 对于胶结结构, 影响其强度的因素相对较多。一般来讲主要包括两大因素:结构设计因素和胶结工艺因素。结构设计因素主要考虑被粘体材料属性、几何参数、胶层厚度等; 胶结工艺因素有固化温度、表面处理等^[1]。

对于金属和复合材料的单搭胶结接头的破坏类型主要分为4种:界面破坏、胶层内聚破坏、混合破坏和被粘体破坏, 被粘体破坏是研究者期望的理想破坏类型, 因为该破坏类型能充分发挥被粘体材料的强度作用。然而, 多数实例表面胶结接头的破坏类型是混合破坏, 意味着被粘体表面处理需要进一步提高^[2]。为此科学家针对被粘体表面处理来增强胶结强度做了大量的研究工作。Petrie^[3]认为胶结界面粗糙度能增强胶结强度, 因为它能增加胶结面积和机械自锁。然而, Pinto^[4]认为对于低表面能的金属被粘体即使提高其表面粗糙度也不会增强其接头胶结强度。Couvra t[5]研究表明基体表面粗糙度适中, 且胶结过程中没有气体截留在界面, 能够有效增强胶结强度; 如果粗糙度过大会产生应力集中和胶黏剂浸润效果较差, 导致接头胶结强度降低。Arenas等^[6]利用砂纸、喷砂等方法对被粘体接头表面进行机械处理, 研究被粘体表面光洁度对胶结强度的影响, 实验结果表明:经过喷砂处理的铝合金表面和砂纸打磨的碳纤维搭接具有最高的剪切强度。da Silva等^[7]对搭接件金属表面进行划痕处理, 研究金属表面划痕对搭接强度的影响, 实验结果表明:划痕深度和划痕形貌特征对粘接强度起到一定的效果。Reina等^[8]基于试验得出:对被粘体表面进行光洁度处理, 会发生物理化学变化, 影响被粘体的表面能和润湿性进而影响接头强度。Sancaktar^[9]、Oterkus^[10]等通过改变胶结件搭接接头的几何形貌特征, 如加工凹槽、增加斜切角度, 能有效减小应力峰值和增加接头粘接强度。Reis等^[11]分析了胶结件材料属性对接头拉伸剪切性能的影响, 结果表明:胶结件刚度越高, 接头性能越好。Davis^[12]、Ye^[13]等提出在胶结件表面添加涂层的方法来提高接头的粘接强度。郝华等^[14]利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线电子能谱(XPS)及接触角测量仪分析了两种碳纤维表面微结构对界面粘接性能的影响, 研究表明MT700C表面具有微沟槽, 能增强其与树脂材料的接触面积, 进而增强两者的啮合强度。黄玉东等^[15]采用电化学方法和射线辐射技术对碳纤维进行表面改性处理, 对比分析碳纤维改性前后复合材料界面性质的改变, 阐明了碳纤维表面改性对复合材料界面性能的影响规律。总之, 对被粘体搭接界面进行表面处理对胶结强度影响明显。

本文以铝合金5052和CFRP异质单搭胶结接头为研究对象, 建立光洁表面和带有沟槽形貌特征的Al/CFRP单搭接头数值模拟模型, 分析光洁表面和微沟槽表面铝合金分别与CFRP搭接后的胶结强度, 同时探讨铝合金表面带有不同微沟槽深度对胶结强度的影响, 最后通过试验与数值模拟结果对比分析研究了胶结强度随铝合金表面微沟槽深度的变化规律。

被粘体材料采用5052铝合金和碳纤维增强复合材料(CFRP)^{[16, 17]}, 5052铝合金的密度为2.7 g/cm³, 弹性模量为70 GPa, 泊松比为0.3, 屈服强度为75 MPa。CFRP参数如下:E₁=58.9 GPa, E₂=52.1 GPa, E₃=11.2 GPa, G₁₂=3.71 GPa, G₂₃=4.01 GPa, G₃₁=3.87 GPa, v₁₂=0.048, v₁₃=0.442, v₂₃=0.460。胶黏剂采用AV138/HV998环氧AB胶, 该胶具有低挥发性、耐腐蚀、耐高温和适用性广的优良特点, 其材料参数如下:胶层材料为AV138/HV998, 弹性模量为4.89 GPa, 剪切模量为1.56 GPa, 泊松比为0.35, Ⅰ 型、Ⅱ 型裂纹的GIC分别为365.3、547.2 N/m, CI分别为36.5、30.6 MPa^[1]。

模型尺寸如图1所示, 铝合金和CFRP的长度L、宽度a相同, 分别为L=10 mm、a=1.1 mm; CFRP、铝合金的厚度分别为h₁=1 mm、h₂=2 mm, 搭接长度为1.25 mm。胶层沟槽特征为等腰梯形, 各边尺寸分别为b=0.3 mm, c=0.5 mm, d=1.1 mm, e=0.1 mm, h为变量, 设定为0.1、0.3和0.5 mm。因主要研究铝合金和CFRP界面的脱胶现象, 所以对CFRP进行整体建模, 铝合金和CFRP的单元类型选择C3D8R, 单元数量分别为7488个和3520个; 胶层单元类型选择COH3D8八节点三维粘结单元, 单元数量为143个, 在厚度方向上只有一个Cohesive单元。搭接区的应力分布为重点研究对象, 在进行模型网格划分时对该区域进行了如图1所示网格细化处理。图2为仿真模型边界条件, 位移控制为数值模拟加载条件, CFRP左侧全约束, 铝合金右侧约束Y、Z方向上的自由度, 在右端面沿X方向施加位移, 设定加载位移为搭接长度25%时接头完全失效。

图1

Fig.1

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	图1 搭接数值模拟模型Fig.1 Finite element model of single-lap joints

图2

Fig.2

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	图2 仿真模型边界条件Fig.2 Boundary condition of finite element model

(1)胶结接头的胶结强度取决于板材剥离剪应力的大小, 轴向应力对胶结强度影响较小。

(2)带有微沟槽表面与CFRP的胶结强度高于光洁表面与CFRP的胶结强度。

(3)随着微沟槽深度增大, 胶结强度逐渐增强, 但随着深度逐渐增大, 胶结强度增强趋缓。