經(jīng)常有讀者在拉伸試樣測試時遇到加強(qiáng)片脫落的問題，本期將根據(jù)參考資料及個人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以下復(fù)合材料拉伸試樣加強(qiáng)片的設(shè)計(jì)。本文旨在拋磚引玉，歡迎對此有經(jīng)驗(yàn)的讀者在留言區(qū)補(bǔ)充完善。
目前在復(fù)合材料拉伸力學(xué)測試當(dāng)中，一般沿用ASTM D-3039、ISO527-4、GB3354-2014等標(biāo)準(zhǔn)開展拉伸試件制備，如圖1-圖3所示。在制備過程中，試件的加強(qiáng)片粘貼是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。由于試件在拉伸試驗(yàn)過程中需要使用液壓夾頭夾緊兩端，而巨大的夾持力可能會對試件本身造成損傷，為了避免試驗(yàn)件夾持端被液壓夾頭“夾斷”，保障試件工作區(qū)在拉伸載荷下產(chǎn)生有效破壞模式，通常會在試驗(yàn)件被夾持部位粘貼加強(qiáng)片加以保護(hù)。
圖1標(biāo)準(zhǔn)ASTMD3039拉伸試樣
圖2標(biāo)準(zhǔn)ISO527拉伸試樣
圖3標(biāo)準(zhǔn)GB3354拉伸試樣
圖4復(fù)合材料拉伸試樣力學(xué)性能測試方法
加強(qiáng)片材質(zhì)通常為鋁制加強(qiáng)片、不銹鋼加強(qiáng)片、玻璃纖維復(fù)合材料或碳纖維復(fù)合材料等，膠粘劑一般采用環(huán)氧樹脂、聚氨酯、丙烯酸等。主要工藝流程如下：
首先，為防止拉伸過程中試件增強(qiáng)部位應(yīng)力集中，將加強(qiáng)片靠近復(fù)合材料試件中部的一端打磨成30度左右進(jìn)行過渡；
隨后，將熱固性膠粘劑放置于待膠接的復(fù)合材料鋪層的被粘合面，此時，為了增大加強(qiáng)片與層合板的接觸面積從而增大拉伸過程中兩者之間的摩擦力，既可按照需要使用砂紙對兩者進(jìn)行±45°方向的打磨，也可以進(jìn)行化學(xué)底涂、等離子處理、火焰處理等工藝，之后再用酒精對經(jīng)過粗化加工處理的位置進(jìn)行清洗；
最后，將熱固性復(fù)材和膠粘劑在一定溫度和壓力下進(jìn)行一步固化，形成最終試件，具體流程如圖5-1、5-2、5-3、5-4所示。
圖5-1 打磨后的鋁制加強(qiáng)片 圖5-2 環(huán)氧樹脂膠
圖5-3 打磨后的試件 圖5-4 制作完成
圖5復(fù)合材料拉伸試樣制作流程
當(dāng)然，加強(qiáng)片粘貼工藝過程中也存在一些需要注意的問題。例如粘接過程中由于粘貼壓力大導(dǎo)致的粘接面“貧膠”問題、由于粘接劑粘接性能不佳和粘接界面缺陷導(dǎo)致的加強(qiáng)片粘貼不牢問題。此外，由于熱固性膠粘劑在共固化過程中高溫、高壓條件下的流動性高，易從復(fù)材連接面溢出，也容易導(dǎo)致最終復(fù)合材料連接接頭的膠層厚度不均勻等。
為了解決上述問題，行業(yè)內(nèi)在加強(qiáng)片的技術(shù)方面做了很多改進(jìn)，例如：一可采用定位塊保證加強(qiáng)片與試驗(yàn)件不發(fā)生滑移；二可采用精密工裝防止粘接劑溢出；三可采用金屬壓板裝置對加強(qiáng)片和試驗(yàn)件進(jìn)行加壓以保證其貼合緊密降低缺陷概率；四可采用熱壓罐技術(shù)進(jìn)一步增加加強(qiáng)片與試驗(yàn)件之間的貼合效果。
圖6常見復(fù)合材料拉伸加強(qiáng)片脫粘問題
值得一提的是，與傳統(tǒng)已經(jīng)得到ASTMD3039、ISO527和GB3354等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)充分驗(yàn)證的熱固性復(fù)合材料加強(qiáng)片粘貼工藝不同。大部分熱塑性復(fù)合材料因其樹脂缺乏一些活性的官能團(tuán)，在粘貼加強(qiáng)片表面時，上述常規(guī)膠黏劑很難在復(fù)合材料基材形成的有效化學(xué)鍵，因而與膠黏劑很難形成有效的粘結(jié)。即使對熱塑性基材進(jìn)行各種表面處理和活化，也很難以實(shí)現(xiàn)非常強(qiáng)有效的粘接，加強(qiáng)片在各類測試中尤其是帶環(huán)境溫度及條件測試下特別容易脫落。但如果測試樣品表面兩端不貼加強(qiáng)片，測試樣件斷裂情況會非常復(fù)雜，斷裂區(qū)域分布比較隨機(jī)。
針對上述問題，目前行業(yè)內(nèi)的解決方法主要有以下三種：一是對拉伸試樣造型和尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而在制作拉伸樣件時，確保試樣夾持的根部兩端有更多的纖維材料和基體材料，從而保證端部抗拉強(qiáng)度；二是為了防止液壓夾具和試件之間的相對滑移，可在試樣上包上一層砂紙?jiān)龃竽Σ磷枇?；三是采用新型高性能熱塑性樹脂作為膠粘劑來增強(qiáng)粘接質(zhì)量。其中前兩種方法除了能反應(yīng)材料真實(shí)的拉伸性能外，還具備許多額外的收益，不僅能夠節(jié)省加強(qiáng)片和粘接劑，也大大節(jié)省了人力與時間成本，具備一定的可執(zhí)行性。
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