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碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，可以提升設(shè)備整體機(jī)械強(qiáng)度，減輕整體質(zhì)量，延長(zhǎng)服役壽命，廣泛用于軌道交通、航空航天、汽車 制造、船舶和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。目前，CFRP構(gòu)件生產(chǎn)主要采用先分塊制備再連接裝配的方法，連接方式主要有焊接、螺栓連接、鉚接、膠接等。其中，鉚接屬機(jī)械連接，是復(fù)合材料常用的連接方式。相比其他連接方式，采用鉚接的構(gòu)件間貼合更緊密，連接件外形好、連接強(qiáng)度高、無噪聲和震動(dòng)，且鉚接工具機(jī)動(dòng)靈活、簡(jiǎn)單價(jià)廉。但是，鉚接易產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)連接區(qū)域的內(nèi)部損傷。膠接則可以有效緩解應(yīng)力集中，且膠接工藝簡(jiǎn)便，膠接頭具有良好的密封性、電絕緣性和耐腐蝕性。膠接與  鉚接混合的連接方式可以綜合兩者優(yōu)勢(shì)，因此得到了推廣。

隨著膠鉚接的推廣應(yīng)用，其接頭的強(qiáng)度及失效行為也成為關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，相關(guān)研究多集中于鉚接材料、搭接長(zhǎng)度和鉚釘幾何布局對(duì)接頭力學(xué)性能和失效模式的影響，而關(guān)于膠鉚接裝配間隙和墊片材料方面的研究卻鮮有報(bào)道。由于需要考慮軌道車輛、航空器材等設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)膠鉚連接裝配過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)間隙，從而造成應(yīng)力集中；而且CFRP結(jié)構(gòu)具有各向異性，受力復(fù)雜，重新分配載荷能力弱，受力后易分層從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，裝配間隙對(duì)CFRP膠鉚接頭性能有很大的影響。考慮到車體的整體安全性能， 裝配間隙需控制在1.0mm及以內(nèi)，最常見的裝配間隙為0.3，0.5，1.0mm。此外，不同材料墊片的承載能力和與膠鉚接頭母材的黏結(jié)強(qiáng)度不同，也會(huì)顯著影響接頭性能。因此，作者采用不同墊片材料在不同裝配間隙下制備CFRP膠鉚接頭，并進(jìn)行了單接縫拉力剪切試驗(yàn)，研究了裝配間隙和墊片材料對(duì)接頭拉伸-剪切力學(xué)性能和失效模式的影響，以期為深入解析膠鉚接頭性能演變規(guī)律，探究最佳膠鉚接組合方式提供參考。

1、試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為CFRP板，由上海晉飛碳纖科技股份有限公司提供，規(guī)格為U2424-200，厚度分別為4.4，6.8mm，橫截面尺寸均為135mm×40 m；該CFRP板由碳纖維織物和環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制備而成，其中碳纖維織物克重為200 g·m−2，含膠量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），碳纖維織物的鋪層方式為［0°/90°]  3S（0°和90°表示鋪層方向，S表示對(duì)稱）。墊片材料  分別為CFRP（與基板購自同一公司，不同批次）、 無堿玻璃纖維布（纖維直徑為 10~20μm）和膠黏劑（EP6250環(huán)氧樹脂膠）。膠接所用膠黏劑為EP6250環(huán)氧樹脂膠。鉚接使用CR7621-08-07凸頭鉚釘，由Cherry Aerospace提供，材料為A-286不銹鋼，直徑為7.89mm，夾緊范圍為10.3~11.9mm，剪切強(qiáng)度不小于22.24kN。

用無水乙醇清洗CFRP板后，使用工裝、夾具 將其固定，采用VMC850 型四軸立式加工中心以 高轉(zhuǎn)速低進(jìn)給模式制孔，通過專用鉆套使孔軸線與 零部件表面保持垂直，制孔時(shí)不使用潤(rùn)滑劑或者冷卻劑以防止水分滲入導(dǎo)致CFRP板分層，制孔后使用無水乙醇清洗，備用。對(duì)于無裝配間隙的膠鉚接頭，將膠黏劑均勻涂抹于CFRP板進(jìn)行膠接，再進(jìn)行鉚接；對(duì)于有裝配間隙的膠鉚接頭，在CFRP板上使用膠黏劑粘貼不同厚度的墊片（以膠黏劑為墊片材料時(shí)通過涂膠層數(shù)來控制厚度），使裝配間隙分別為0.3，0.5，1.0mm，再進(jìn)行膠接和鉚接。膠鉚接后接頭均在室溫下固化7d，不同間隙試樣均為5個(gè)。根據(jù)ISO 12996，采用Instron8803型電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單接縫拉伸剪切試驗(yàn)，拉伸速度為5mm · min−1，試樣形狀和尺寸如圖1所示，接頭兩端各粘貼一塊墊塊，防止在拉伸過程中出現(xiàn)扭矩， 以確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

圖 1    膠鉚接頭剪切試樣形狀和尺寸

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1  拉伸-剪切性能

由圖2可見：不同裝配間隙和墊片材料下，膠鉚接頭的載荷-位移曲線相似，均包括彈性階段、界面失效階段、鉚釘受力階段、鉚釘頭部拉脫階段等4個(gè)階段。在彈性階段，膠鉚接頭載荷與位移成正比，曲線呈線彈性特征；不同裝配間隙和墊片材料下，接頭彈性階段曲線的斜率基本一致，說明在此階段各接頭整體結(jié)構(gòu)剛度基本相同，裝配間隙和墊片材料對(duì)膠鉚接接頭的剛度無顯著影響。在界面失效階段，載荷隨著位移增加突然下降。在鉚釘受力階段，由于界面失效，鉚釘成為唯一承受拉伸載荷的對(duì)象，載荷隨著位移的增加不斷增加，直至鉚釘所能承受之最大載荷。在鉚釘頭部拉脫階段，鉚釘和CFRP板的變形進(jìn)一步加劇，膠鉚接頭的承載能力持續(xù)降低，最終完全失效，即鉚釘頭部 脫離CFRP板。此外，與無裝配間隙相比，裝配間隙為1.0mm時(shí)，不同墊片材料下膠鉚接頭的拉伸位移均增加。

圖 2    不同裝配間隙和墊片材料下膠鉚接頭的載荷-位移曲線

由表1可知：隨著裝配間隙增加，墊片材料為CFRP和纖維布的膠鉚接頭的極限載荷減小，墊片材料為膠黏劑的極限載荷基本不變；當(dāng)裝配間隙為1.0mm時(shí)，墊片材料為膠黏劑的膠鉚接頭的極限載荷最大，比墊片材料為CFRP和纖維布時(shí)分別提高了49.0%，36.4%，這說明選擇合適的墊片材料有利于提高膠鉚接頭的失效極限載荷。膠鉚接頭的剪切吸收功由載荷-位移曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果同樣列于表1中。當(dāng)裝配間隙為1.0mm時(shí)，3種墊片材料的膠鉚接頭的剪切吸收功趨于一致，在103~107kJ之間。

表1　不同裝配間隙和墊片材料下膠鉚接頭的極限載荷和剪切吸收功

可見，剪切吸收功與極限載荷的變化并不一致，這是因?yàn)榧羟形展κ茌d荷和位移的雙重影響，雖然裝配間隙增加會(huì)使膠鉚接頭的極限載荷急劇減小，但其拉伸位移增加，反而使膠鉚接頭的剪切吸收功增加。

2.2  失效模式

由圖3可知：無墊片和墊片材料為膠黏劑的膠鉚接頭均在搭接區(qū)一側(cè)發(fā)生CFRP板層間開裂， 這是因?yàn)槟z黏劑與CFRP板的黏結(jié)界面強(qiáng)度大于CFRP板層間強(qiáng)度；墊片材料為纖維布的膠鉚接頭的失效位置為纖維布和CFRP板的黏結(jié)界面，且界面較光滑，無膠黏劑黏附，這是因?yàn)槔w維布與膠黏劑的黏結(jié)強(qiáng)度較差，并無物理和化學(xué)反應(yīng)，僅僅在表面發(fā)生機(jī)械耦合，二者黏結(jié)界面成為接頭中最薄弱的部位，在拉伸載荷作用下首先發(fā)生開裂，失效模式為墊片側(cè)膠面開裂；墊片材料為CFRP的膠鉚接頭失效模式也是墊片側(cè)膠面開裂，這可能是因?yàn)镃FRP墊片與CFRP板的批次不同，二者表面狀態(tài)不同，相比而言，CFRP墊片與膠黏劑的黏結(jié)強(qiáng)度更差。

圖 3　不同裝配間隙和墊片材料的膠鉚接頭的失效形貌

此外，在不同裝配間隙和墊片材料下，所有膠鉚接頭鉚釘頭部拉脫側(cè)CFRP板的加工孔附近均發(fā)生大量纖維撕裂，可能是因?yàn)槟z鉚接過程中鉚釘與CFRP板之間產(chǎn)生相互作用，從而導(dǎo)致CFRP板加工孔附近纖維受損。這直接影響了膠鉚接頭的連接性能，導(dǎo)致鉚釘在鉚釘受力階段直接脫離CFRP板。鉚釘頭部拉脫與裝配間隙和墊片材料無關(guān)。

3、結(jié)  論

（1）不同裝配間隙和墊片材料下，膠鉚接頭的單接縫拉伸剪切試驗(yàn)載荷-位移曲線相似，均可分為彈性階段、界面失效階段、鉚釘受力階段和鉚釘頭部拉脫階段。

（2）隨著裝配間隙增加，墊片材料為CFRP和纖維布的膠鉚接頭的極限載荷下降，墊片材料為膠黏劑的膠鉚接頭的極限載荷基本不變，當(dāng)裝配間隙為1.0mm時(shí)，墊片材料為膠黏劑的膠鉚接頭的極限載荷最大。

（3）膠鉚接頭的失效模式與裝配間隙無關(guān)，與墊片材料密切相關(guān)。當(dāng)墊片材料為CFRP和纖維布時(shí)，膠鉚接頭失效模式為墊片側(cè)膠面開裂，當(dāng)墊片材料為膠黏劑時(shí)，膠鉚接頭失效模式為CFRP板層間開裂。