碳纤维增强复合材料（CFRP）具有轻质高强的特性，可以提升设备整体机械强度，减轻整体质量，延长服役寿命，广泛用于轨道交通、航空航天、汽车 制造、船舶和风力发电等领域。目前，CFRP构件生产主要采用先分块制备再连接装配的方法，连接方式主要有焊接、螺栓连接、铆接、胶接等。其中，铆接属机械连接，是复合材料常用的连接方式。相比其他连接方式，采用铆接的构件间贴合更紧密，连接件外形好、连接强度高、无噪声和震动，且铆接工具机动灵活、简单价廉。但是，铆接易产生应力集中，诱发连接区域的内部损伤。胶接则可以有效缓解应力集中，且胶接工艺简便，胶接头具有良好的密封性、电绝缘性和耐腐蚀性。胶接与  铆接混合的连接方式可以综合两者优势，因此得到了推广。

 

随着胶铆接的推广应用，其接头的强度及失效行为也成为关注的热点。目前，相关研究多集中于铆接材料、搭接长度和铆钉几何布局对接头力学性能和失效模式的影响，而关于胶铆接装配间隙和垫片材料方面的研究却鲜有报道。由于需要考虑轨道车辆、航空器材等设备的整体结构设计，在实胶铆连接装配过程中不可避免会出现间隙，从而造成应力集中；而且CFRP结构具有各向异性，受力复杂，重新分配载荷能力弱，受力后易分层从而导致整体结构发生破坏。因此，装配间隙对CFRP胶铆接头性能有很大的影响。考虑到车体的整体安全性能， 装配间隙需控制在1.0mm及以内，最常见的装配间隙为0.3，0.5，1.0mm。此外，不同材料垫片的承载能力和与胶铆接头母材的黏结强度不同，也会显著影响接头性能。因此，作者采用不同垫片材料在不同装配间隙下制备CFRP胶铆接头，并进行了单接缝拉力剪切试验，研究了装配间隙和垫片材料对接头拉伸-剪切力学性能和失效模式的影响，以期为深入解析胶铆接头性能演变规律，探究最佳胶铆接组合方式提供参考。

 

1、试样制备与试验方法

试验材料为CFRP板，由上海晋飞碳纤科技股份有限公司提供，规格为U2424-200，厚度分别为4.4，6.8mm，横截面尺寸均为135mm×40 m；该CFRP板由碳纤维织物和环氧树脂预浸料制备而成，其中碳纤维织物克重为200 g·m−2，含胶量为20%（质量分数），碳纤维织物的铺层方式为［0°/90°]  3S（0°和90°表示铺层方向，S表示对称）。垫片材料  分别为CFRP（与基板购自同一公司，不同批次）、 无碱玻璃纤维布（纤维直径为 10~20μm）和胶黏剂（EP6250环氧树脂胶）。胶接所用胶黏剂为EP6250环氧树脂胶。铆接使用CR7621-08-07凸头铆钉，由Cherry Aerospace提供，材料为A-286不锈钢，直径为7.89mm，夹紧范围为10.3~11.9mm，剪切强度不小于22.24kN。

 

用无水乙醇清洗CFRP板后，使用工装、夹具 将其固定，采用VMC850 型四轴立式加工中心以 高转速低进给模式制孔，通过专用钻套使孔轴线与 零部件表面保持垂直，制孔时不使用润滑剂或者冷却剂以防止水分渗入导致CFRP板分层，制孔后使用无水乙醇清洗，备用。对于无装配间隙的胶铆接头，将胶黏剂均匀涂抹于CFRP板进行胶接，再进行铆接；对于有装配间隙的胶铆接头，在CFRP板上使用胶黏剂粘贴不同厚度的垫片（以胶黏剂为垫片材料时通过涂胶层数来控制厚度），使装配间隙分别为0.3，0.5，1.0mm，再进行胶接和铆接。胶铆接后接头均在室温下固化7d，不同间隙试样均为5个。根据ISO 12996，采用Instron8803型电液伺服试验机进行单接缝拉伸剪切试验，拉伸速度为5mm · min−1，试样形状和尺寸如图1所示，接头两端各粘贴一块垫块，防止在拉伸过程中出现扭矩， 以确保试验准确性。

 

图 1    胶铆接头剪切试样形状和尺寸

 

2、试验结果与讨论

2.1  拉伸-剪切性能

 

由图2可见：不同装配间隙和垫片材料下，胶铆接头的载荷-位移曲线相似，均包括弹性阶段、界面失效阶段、铆钉受力阶段、铆钉头部拉脱阶段等4个阶段。在弹性阶段，胶铆接头载荷与位移成正比，曲线呈线弹性特征；不同装配间隙和垫片材料下，接头弹性阶段曲线的斜率基本一致，说明在此阶段各接头整体结构刚度基本相同，装配间隙和垫片材料对胶铆接接头的刚度无显著影响。在界面失效阶段，载荷随着位移增加突然下降。在铆钉受力阶段，由于界面失效，铆钉成为唯一承受拉伸载荷的对象，载荷随着位移的增加不断增加，直至铆钉所能承受之最大载荷。在铆钉头部拉脱阶段，铆钉和CFRP板的变形进一步加剧，胶铆接头的承载能力持续降低，最终完全失效，即铆钉头部 脱离CFRP板。此外，与无装配间隙相比，装配间隙为1.0mm时，不同垫片材料下胶铆接头的拉伸位移均增加。

 

图 2    不同装配间隙和垫片材料下胶铆接头的载荷-位移曲线

 

由表1可知：随着装配间隙增加，垫片材料为CFRP和纤维布的胶铆接头的极限载荷减小，垫片材料为胶黏剂的极限载荷基本不变；当装配间隙为1.0mm时，垫片材料为胶黏剂的胶铆接头的极限载荷最大，比垫片材料为CFRP和纤维布时分别提高了49.0%，36.4%，这说明选择合适的垫片材料有利于提高胶铆接头的失效极限载荷。胶铆接头的剪切吸收功由载荷-位移曲线与横坐标轴围成的面积计算得到，计算结果同样列于表1中。当装配间隙为1.0mm时，3种垫片材料的胶铆接头的剪切吸收功趋于一致，在103~107kJ之间。

 

表1　不同装配间隙和垫片材料下胶铆接头的极限载荷和剪切吸收功

可见，剪切吸收功与极限载荷的变化并不一致，这是因为剪切吸收功受载荷和位移的双重影响，虽然装配间隙增加会使胶铆接头的极限载荷急剧减小，但其拉伸位移增加，反而使胶铆接头的剪切吸收功增加。

 

2.2  失效模式

 

由图3可知：无垫片和垫片材料为胶黏剂的胶铆接头均在搭接区一侧发生CFRP板层间开裂， 这是因为胶黏剂与CFRP板的黏结界面强度大于CFRP板层间强度；垫片材料为纤维布的胶铆接头的失效位置为纤维布和CFRP板的黏结界面，且界面较光滑，无胶黏剂黏附，这是因为纤维布与胶黏剂的黏结强度较差，并无物理和化学反应，仅仅在表面发生机械耦合，二者黏结界面成为接头中最薄弱的部位，在拉伸载荷作用下首先发生开裂，失效模式为垫片侧胶面开裂；垫片材料为CFRP的胶铆接头失效模式也是垫片侧胶面开裂，这可能是因为CFRP垫片与CFRP板的批次不同，二者表面状态不同，相比而言，CFRP垫片与胶黏剂的黏结强度更差。

 

图 3　不同装配间隙和垫片材料的胶铆接头的失效形貌

 

此外，在不同装配间隙和垫片材料下，所有胶铆接头铆钉头部拉脱侧CFRP板的加工孔附近均发生大量纤维撕裂，可能是因为胶铆接过程中铆钉与CFRP板之间产生相互作用，从而导致CFRP板加工孔附近纤维受损。这直接影响了胶铆接头的连接性能，导致铆钉在铆钉受力阶段直接脱离CFRP板。铆钉头部拉脱与装配间隙和垫片材料无关。

 

3、结  论

（1）不同装配间隙和垫片材料下，胶铆接头的单接缝拉伸剪切试验载荷-位移曲线相似，均可分为弹性阶段、界面失效阶段、铆钉受力阶段和铆钉头部拉脱阶段。

 

（2）随着装配间隙增加，垫片材料为CFRP和纤维布的胶铆接头的极限载荷下降，垫片材料为胶黏剂的胶铆接头的极限载荷基本不变，当装配间隙为1.0mm时，垫片材料为胶黏剂的胶铆接头的极限载荷最大。

 

（3）胶铆接头的失效模式与装配间隙无关，与垫片材料密切相关。当垫片材料为CFRP和纤维布时，胶铆接头失效模式为垫片侧胶面开裂，当垫片材料为胶黏剂时，胶铆接头失效模式为CFRP板层间开裂。

 

 

来源：机械工程材料

关键词： 碳纤维增强复合材料 力学性能