不同胶黏剂对碳纤维复合材料胶接修理效果的影响
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摘 要：本文着重研究了不同胶黏剂对碳纤维复合材料胶接修理效果的影响，在概述胶黏剂的类型及力学性能的基础上，分析了碳纤维复合材料胶接修理时的关键工艺，最后对贴补修理和挖补修理时修理参数进行了优化分析，对提高碳纤维复合材料的胶接修理效果、修理效率等具有理论指导意义。
关键词：胶接剂 碳纤维复合材料 修理 效果 质量
中图分类号：U465.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0051-03
随着科学技术的发展及其在材料学的应用，各种新型的材料被研发并应用于各个行业中。其中，碳纤维复合材料以其高比强度、抗疲劳、耐腐蚀性等优势被广泛应用于航天、航空行业中。而且，碳纤维复合材料在航天航空飞行器、汽车应用的比例越来越大，使得复合材料的维修问题备受关注。目前，主要应用于复合材料结构的修补方法众多，包括机械连接修补和胶接修补[1]。其中，碳纤维复合材料为脆性材料受到冲击时容易造成内层损伤，采用机械连接修补方式无法修复其内层损伤，而且机械连接修复会导致材料出现新的缺陷，形成应力集中。总之，采用机械连接修补方式不仅无法满足碳纤维复合材料的修复要求，还会对其造成新的损伤。采用胶接修补方式不会增加材料质量、应力集中较少。因此，在实际应用中常通过胶接修理方式对碳纤维复合材料进行修补。
采用胶接修理方式的修复效果在很大程度上与胶黏剂的选择、补片材料相关。其中，胶黏剂的主要承担传递补片与被修理结构间载荷的媒介。因此，在碳纤维复合材料修复过程中胶黏剂的选型尤其重要，应根据材料的使用环境、承受载荷水平选择合适的胶黏剂。本文将着重分析不同胶黏剂对碳纤维复合材料的修复效果。
1 胶黏剂概述
1.1 胶黏剂类型研究
目前，应用于工程中的胶黏剂主要分为双组分胶黏剂和膜状胶黏剂。其中，双组分胶黏剂在使用时需按照一定的比例对其进行混合，其耐久性较差，故主要应用于对碳纤维复合材料的临时修复;膜状胶黏剂适用于120℃～180℃固化温度下的热胶接修补，其具有使用方便、操作简单，主要适用于大面积的胶接，其主要应用于对飞机结构的修理中[2]。
1.2 胶黏剂力学性能对比分析
不同的胶黏剂的成分、固化温度以及使用范围，因此其力学性能也各不相同。不同剪切强度、模量将胶黏剂分为脆性胶黏剂和韧性胶黏剂。不同胶黏剂的力学性能如图1所示。
2 胶接修理工艺分析
碳纤维复合材料结构修理效果不仅与所采用的胶黏剂的类型、力学性能相关，还与修理过程中所采用的修理工艺相关。合适的修理工艺不仅仅能够提高修理效率，还能够降低修理成本。胶接修理工艺主要包括有：胶接件的表面处理、胶接固化工艺、无损检测等。
2.1 胶接件的表面处理
胶接件表面处理后的效果和质量是确保胶接修理效果的基础。通过对胶接件的表面处理，提升胶接件表面的物理和化学性能对提升胶接修理效果和效率具有显著意义。一般情况下，先采用砂纸对胶接件表明进行打磨处理，而后采用先进的表面处理技术对其进行表明处理，以提升胶接表面的物理化学性能[3]。目前，应用于胶接件较为先进的表面处理方法主要有等离子气体和激光处理方法。
2.2 胶接固化工艺
胶接固化工艺即为碳纤维复合材料与修补材料的胶接方式，包括有共固化胶接和二次胶接两种方式。在实际应用中需根据所采用的修理方式选择合适的胶接固化工艺。其中，贴补修理方式主要应用于修理气动外形要求不严格的结构，与其相匹配的胶接方式主要有二次胶接;挖补修理方式主要针对修理区域的损伤材料进行修复，对结构的气动外形有要求，故对于挖补修理方式主要采用共固化胶接方式。
2.3 胶接质量检测
在实际修理过程中主要依靠修理工人的知识水平对产品最终的修理质量作出评估。为了提升胶接质量评估的准确性需对最终修理后的结构进行无损评估。但是通过无损评估仅能检测处碳纤维复合材料结构中是否存在脫粘或者孔缝缺陷等，而无法准确检测出胶接后的结构是否存在粘接质量较差的区域。因此，胶接修理后需完成无损检测和破坏性试验对其质量进行检测。
3 胶接修理参数对胶接质量的影响
碳纤维复合材料胶接修理参数从一定程度上决定了所选用胶黏剂的力学性能，进而决定了材料结构最终的修复效果和质量[4]。因此，在实际修理过程中可以适当调整胶接修理参数，提高对材料结构的修理效率及最终修复质量。本节注重探讨贴补修理和挖补修理两种修理方式的相关修理参数的优化设计。
3.1 贴补修理参数的优化
影响贴补修理效果及效率的主要参数包括有胶黏剂与母板得胶接长度、补片的厚度以及胶层的厚度。
（1）胶接长度对修理效果的影响。
在修理过程中，当胶接长度太短时，在其胶接位置的强度较低。随着胶接长度的增加，碳纤维复合结构的刚度及强度均有一定的提升[5]。但是，当胶接长度大于贴补片载荷传递区域时，对所修理材料强度和刚度的提升效果不明显。不同胶接长度下待修材料的破坏应力如图2所示。
分析图2可知，理论上碳纤维复合材料贴补修理时的最佳胶接长度为12～15mm，充分考虑安全系数、胶接缺陷等因素，最佳胶接长度应为20～30mm。 （2）补片厚度对修理效果的影响。
同样，贴补修理时补片厚度的选择也需适中。其中，补片过薄会导致修理后材料的刚度不能满足实际应用要求;补片过厚会造成结构质量增大，不利于飞机轻质化的要求。不同补片厚度下待修材料的破坏应力如图3所示。
（3）胶层厚度对修理效果的影响。
胶层厚度过小，胶层表现为脆性，在实际应用中容易导致碳纤维复合材料出现剪切破坏，进而影响整个胶接层的修复效果;胶层厚度过大，胶层表现为塑性，影响实际应用中载荷的传递效果，进而影响修复后碳纤维复合材料的修复效果。因此，在实际修理中常将胶层厚度控制在0.125～0.25mm之间。
3.2 挖补修理参数的优化
影响挖补修理效果的参数包括有胶层厚度、挖补角、补片形状以及补片铺层。其中，对修复效果影响最为显著的参数为挖补角。因此，本节着重研究挖补角对修复效果的影响。
所谓挖补角指的是挖补胶接斜面角度。挖补角越小，胶层中的剪应力越小;随着挖补角的增大，从一定程度上增大了修理难度，降低修理效率的同时增加了修理成本。碳纤维复合材料修复后的结构在完全破坏之前经历了胶层失效形式。在不同失效形式下其应力随挖补角的变化情况如图4所示。
分析图4可知，挖补修理时其挖补角应θ≤3°。
4 结语
碳纤维复合结构目前在航天航空飞行器、汽车等领域的广泛应用对其后续的维修质量提出了更高的要求和挑战。在对碳纤维复合材料修理中胶黏剂的使用、修理工艺的选择以及修理参数的设计均影响最终材料结构的修复效果。基于本文分析的基础上，得出了碳纤维复合材料采用贴补和挖补修理時的优化修理参数。其中，贴补修理时胶接长度应控制在20～30mm，胶层厚度应控制在0.125～0.25mm;挖补修理时的挖补角应≤3°。
参考文献
[1] 张厚江，陈五一，陈鼎昌.碳纤维复合材料（CFRP）钻孔出口缺陷的研究[J].机械工程学报，2004，40（7）：150-155.
[2] 杨小平，黄智彬，张志勇，等.实现节能减排的碳纤维复合材料应用进展[J].材料导报，2010，24（3）：1-5.
[3] 陈伟明，王成忠，周同悦，等.高性能T800 碳纤维复合材料树脂基体[J].复合材料学报，2006，23（4）：29-35.
[4] 姚双，李敏，顾轶卓，等.碳纤维复合材料C形结构热隔膜成型工艺[J].北京航空航天大学学报，2013，39（1）：95-99.
[5] 高华，熊超，殷军辉，等.碳纤维复合材料层合板面内压缩损伤及声发射特征分析[J].工程塑料应用，2017，45（12）：107-111.
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