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　　摘要：采用T300碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料補片單面修復(fù)含中心裂紋鋁合金(LY12CZ)板，板厚為1.76 mm和5.20 mm.測試了修復(fù)試件準靜態(tài)拉伸和疲勞性能，分析了修復(fù)試件的準靜態(tài)和疲勞破壞模式，考察了裂紋長度對修復(fù)效果的影響.結(jié)果表明：厚度為1.76 mm修復(fù)試件的拉伸破壞是由補片與鋁合金板之間的膠黏劑層脫粘控制，而厚度為5.20 mm修復(fù)試件是由鋁合金板中的裂紋擴展控制.對于厚度為1.76 mm修復(fù)試件，其準靜態(tài)拉伸性能隨裂紋長度增大而降低，而疲勞性能隨裂紋長度增大而提高.然而，厚度為5.20 mm修復(fù)試件的準靜態(tài)拉伸和疲勞性能均隨裂紋長度增大而降低.

　　關(guān)鍵詞：疲勞,破壞,力學性能,復(fù)合材料補片

　　目前，復(fù)合材料補片膠接修復(fù)技術(shù)在飛機損傷鋁合金薄板(厚度小于5 mm)結(jié)構(gòu)件快速修復(fù)方面的研究和應(yīng)用較多\[1-4\]. Bachir等人\[5， 6\]采用三維有限元方法研究了不同形狀補片的修復(fù)效果，研究發(fā)現(xiàn)當裂紋長度為5～20 mm時，六邊形補片修復(fù)結(jié)構(gòu)的裂紋尖端應(yīng)力強度因子較小，有利于提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命.Baker和Bitton等人\[7， 8\]開發(fā)了一種評估修復(fù)結(jié)構(gòu)全壽命完整性的試驗方法，該方法可監(jiān)控修復(fù)結(jié)構(gòu)的健康狀況.

　　現(xiàn)在，復(fù)合材料補片膠接修復(fù)損傷金屬厚板(厚度大于5 mm)的研究受到重視\[9， 10\].Tsouvalis等人\[11\]采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補片修復(fù)了厚度為10 mm的中心裂紋損傷鋼板，盡管修復(fù)結(jié)構(gòu)的剛度比較小，但復(fù)合材料補片降低了裂紋擴展速率，從而使結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命延長了一倍.Toudeshky等人\ [12\]研究了補片鋪層對厚板修復(fù)結(jié)構(gòu)的裂紋起裂和擴展速率的影響，發(fā)現(xiàn)采用未修復(fù)面結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測的裂紋擴展壽命較保守，采用中面結(jié)構(gòu)參數(shù)得到的預(yù)測壽命較好.Mall等人\[13\]采用二維有限元方法分析了復(fù)合材料補片膠接修復(fù)薄板和厚板的裂紋擴展行為，修復(fù)的薄板和厚板的疲勞壽命分別是未修復(fù)板的 10倍和4倍.預(yù)測的疲勞裂紋擴展速率與試驗中未修復(fù)面的裂紋擴展速率一致，而與修復(fù)面的不同.可見，該方法可用于修復(fù)結(jié)構(gòu)的損傷容限評估和可靠性分析，但結(jié)果相對保守.

　　綜上所述，修復(fù)的薄板和厚板之間在裂紋擴展速率存在較大差別，然而有關(guān)修復(fù)薄板和厚板的拉伸破壞模式及兩種結(jié)構(gòu)間的準靜態(tài)拉伸和疲勞行為差異的研究較少.本文以含中心裂紋、厚度為1.76 mm和5.20 mm的LY12CZ鋁合金板為研究對象，采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補片單面修復(fù).觀察和分析修復(fù)試件的疲勞裂紋擴展及粘接界面脫粘破壞，然后研究不同厚度鋁合金板修復(fù)試件的準靜態(tài)和疲勞拉伸破壞模式，最后考察裂紋長度對修復(fù)試件修復(fù)效果的影響.

　　1試驗

　　1.1材料

　　含中心裂紋鋁合金板試件由厚度為1.76 mm和5.20 mm 的LY12CZ鋁合金板制成， LY12CZ鋁合金板的力學性能見表1.

　　復(fù)合材料補片采用單向T300 / E51復(fù)合材料.T300碳纖維由日本東麗公司制造;岳陽石化公司制備的E51是雙酚A型環(huán)氧樹脂，平均環(huán)氧值為0.51.膠黏劑采用黑龍江石化研究所制備的聚亞氨酯改性環(huán)氧.單向T300 / E51復(fù)合材料和膠黏劑的性能見表1.

　　1.2試件制備

　　將鋁合金板機加工成長度為 280 mm、寬度為60 mm的試件(如圖1所示)，長度方向為鋁合金板軋制方向.為便于預(yù)制出適當尺寸的中心裂紋(2a)，首先用Φ0.2的鉬絲在鋁合金試件中間部位線切割長度為10 mm的中心裂紋，然后在疲勞試驗機上加載疲勞載荷得到2a=12 mm的裂紋長度.歸一化裂紋長度為a/b，其中a為裂紋長度的一半，b為鋁合金試件寬度的一半.鋁合金試件待膠接表面采用磷酸陽極化處理工藝(PAA)進行處理\[14\].

　　復(fù)合材料補片單面膠接于鋁合金板，如圖1所示.復(fù)合材料補片長度為100 mm，寬度為60 mm.由文獻[15]可知，當補片剛度(Eptp)等于鋁合金試件的剛度(Ests)時，修復(fù)效果最好.其中，Ep和Es分別為補片和鋁合金板的彈性模量;tp和ts分別為補片和鋁合金板的厚度.因此，本文中厚度為1.76 mm和5.20 mm 鋁合金試件所用補片厚度分別為0.92 mm和2.65 mm.補片的纖維方向與鋁合金板的長度方向一致(即纖維方向平行于載荷方向).修復(fù)結(jié)構(gòu)的膠黏劑層厚度均為0.1 mm.

　　采用真空袋壓工藝進行修復(fù)，補片材料在膠接修復(fù)之前為預(yù)固化.固化制度為80 oC / 2 h + 120 oC / 4h，加熱速率為3～5 oC / min，冷卻速率為10 oC /min，當冷卻到35 ℃后，卸載壓力.

　　1.3試驗條件

　　1.3.1準靜態(tài)拉伸試驗

　　修復(fù)和未修復(fù)試件的準靜態(tài)拉伸性能在WDW100萬能試驗機上測試，加載速率為2 mm/min.延伸率采用左右兩個引伸計測量，取平均值.

　　1.3.2拉拉疲勞試驗

　　疲勞試驗在PLG100C諧振疲勞試驗機上進行.試驗條件為：頻率為90 Hz，應(yīng)力比(R)為0.1和0.5，最大應(yīng)力為80 MPa.為精確測量鋁合金板裂紋，首先對修復(fù)試件的未膠接表面進行拋光處理，采用數(shù)碼照相機每隔一定時間對裂紋拍攝一次，然后采用相關(guān)圖像處理軟件分析得到裂紋長度.每種試件均測試三個試樣，并取其試驗值的平均值.

　　1.4修復(fù)效果評價

　　對于準靜態(tài)拉伸試驗，修復(fù)效果采用承載能力保留率(η)、承載能力恢復(fù)率(χ)和等效剛度(Estiff)表征，τ定義為未修復(fù)試件的承載能力剩余率.

　　2結(jié)果與分析

　　2.1準靜態(tài)拉伸行為

　　由表2可以看出，修復(fù)試件的名義拉伸強度(σ)、承載能力保留率(η)、等效剛度(Estiff)和未修復(fù)試件的承載能力剩余率(τ)均隨裂紋長度增大而降低，但修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率則隨裂紋長度增大而提高.在所有修復(fù)試件中，裂紋長度為0.63的修復(fù)試件的承載能力保留率(χ)最大，為 63.53%.當裂紋長度為1.00時，修復(fù)試件的承載能力保留率為62.80%，與裂紋長度為0.63的修復(fù)試件的相當.對于裂紋長度為1.00的修復(fù)試件，其承載能力剩余率為0，這表明修復(fù)試件的載荷完全依靠補片來傳遞.因此，對于一定修復(fù)條件，存在一個最大修復(fù)效率.本文中，最大修復(fù)效率為裂紋長度為1.00修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率. 　　當裂紋長度為0.10時，修復(fù)試件的承載能力保留率為93.17%，等效剛度為132.61 GPa・mm，未修復(fù)試件的承載能力剩余率為87.19%，但其承載能力恢復(fù)率僅為5.98%，是最大修復(fù)效率的9.52%.當裂紋長度為 0.20，0.40和0.63時，修復(fù)試件的承載能力保留率大于89.12%，承載能力恢復(fù)率在17.64%～63.53%之間，并且等效剛度也與完好板的相當.

　　表3給出了裂紋長度為0.10，0.20和0.40厚度為5.20 mm修復(fù)試件的準靜態(tài)拉伸性能.由表3可以看出，與厚度為1.76 mm修復(fù)試件相同，修復(fù)試件的名義拉伸強度(σ)、承載能力保留率(η)、等效剛度(Estiff)和未修復(fù)試件的承載能力剩余率(τ)均隨裂紋長度增大而降低，但修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率則隨裂紋長度增大而提高.還可以看出，裂紋長度為0.10修復(fù)試件的承載能力恢復(fù)率為4.66%.而對于裂紋長度為 0.20和0.40的修復(fù)試件，承載能力恢復(fù)率在13.70%～22.53%之間，承載能力保留率大于76.29%，等效剛度也與完好板的相當，其性能提高較大.

　　由表2和表3可以看出，當裂紋長度相同時，厚度為1.76 mm修復(fù)試件的承載能力保留率和承載能力恢復(fù)率均大于厚度為5.20 mm修復(fù)試件.當裂紋長度小于0.20時，厚度為1.76 mm修復(fù)試件與厚度為5.20 mm修復(fù)試件的修復(fù)效果相差較小.當裂紋長度為0.20時，厚度為5.20 mm修復(fù)試件的承載能力保留率為84.94%，稍小于厚度為1.76 mm修復(fù)試件(90.33%).

　　2.2疲勞行為

　　2.2.1薄板與厚板修復(fù)試件的疲勞破壞模式

　　(1)薄板修復(fù)試件

　　圖2是裂紋長度為0.20厚度為1.76 mm修復(fù)與未修復(fù)試件的疲勞曲線.由圖2可以看出，修復(fù)試件的疲勞壽命顯著大于未修復(fù)試件的疲勞壽命，應(yīng)力比為0.5的疲勞壽命大于應(yīng)力比為0.1的疲勞壽命.當疲勞裂紋貫穿于鋁合金板寬度時，修復(fù)試件的疲勞曲線存在一個平臺.這表明當裂紋擴展至整個鋁合金板寬度后，厚度為1.76 mm修復(fù)試件還能承

　　Cycle

　　擔疲勞載荷.此時，其疲勞載荷完全由復(fù)合材料補片傳遞.這表明厚度為1.76mm修復(fù)試件的疲勞破壞模式是由補片與鋁合金板間的界面脫粘控制.

　　(2)厚板修復(fù)試件

　　圖3是裂紋長度為0.20厚度為5.20 mm修復(fù)與未修復(fù)試件的疲勞曲線.由圖3可以看出，復(fù)合材料補片能顯著恢復(fù)厚度為5.20 mm鋁合金板的損傷容限，并大幅提高其疲勞壽命.當疲勞裂紋擴展至鋁合金板寬度時，厚度為5.20 mm修復(fù)試件立即破壞，不能再承擔載荷.這表明厚度為5.20 mm修復(fù)試件的疲勞破壞模式是由鋁合金板裂紋擴展控制的.

　　Cycle

　　(3)薄板和厚板試件的對比

　　表4給出了裂紋長度為0.20，厚度為1.76 mm和5.20 mm修復(fù)和未修復(fù)試件的疲勞壽命.由表4可以看出，修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的11.75～41.28倍;厚度為1.76 mm修復(fù)試件的疲勞壽命增量遠大于厚度為5.20 mm修復(fù)試件.當應(yīng)力比為0.1時，厚度為1.76 mm修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的21.33倍，而厚度為5.20 mm修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的11.75倍.由圖2和表4還可以看出，厚度為1.76 mm修復(fù)試件的平臺部分疲勞周次至少是未修復(fù)試件疲勞壽命的2.42倍.

　　2.2.2疲勞裂紋擴展速率

　　圖4和圖5是應(yīng)力比為0.1和0.5，不同厚度修復(fù)和未修復(fù)試件的疲勞裂紋擴展速率圖，所有試件的裂紋長度均為0.20.

　　由圖4和圖5可以看出，修復(fù)試件的疲勞裂紋擴展速率遠小于未修復(fù)試件.修復(fù)和未修復(fù)試件的裂紋擴展速率差別隨裂紋長度增大而增大.隨著裂紋長度增大，厚度為5.20 mm修復(fù)和未修復(fù)試件的裂紋擴展速率快速增大，而厚度為1.76 mm修復(fù)試件的裂紋擴展速率不增大(R=0.5)或緩慢增大(R=0.1).當裂紋長度較小時，厚度為5.20 mm未修復(fù)試件的裂紋擴展速率大于厚度為1.76 mm未修復(fù)試件，而兩者的修復(fù)試件裂紋擴展速率則相當.隨著裂紋長度增大，厚度為1.76 mm和5.20 mm未修復(fù)試件之間裂紋擴展速率差別減小，直至沒有差別;然而兩者裂紋擴展速率差別逐漸增大.厚度為5.20 mm修復(fù)試件的裂紋擴展速率大于厚度為1.76 mm修復(fù)試件的.當裂紋長度大于0.5時，厚度為5.20 mm修復(fù)試件的裂紋擴展速率隨裂紋長度增大而增大;相反，厚度為1.76 mm修復(fù)試件的裂紋擴展速率不增大或下降.這表明當裂紋長度在0.5～1.0之間時，厚度為1.76 mm修復(fù)試件處于穩(wěn)定擴展狀態(tài)，而厚度為5.20 mm修復(fù)試件則處于加速擴展狀態(tài).

　　2.2.3裂紋長度對疲勞壽命的影響

　　表5給出了應(yīng)力比為0.1，裂紋長度為 0.10，0.20，0.40，0.63和1.00，厚度為1.76 mm修復(fù)試件的疲勞壽命.由表5可以看出，與名義拉伸強度相反，厚度為1.76 mm修復(fù)試件的疲勞壽命隨裂紋長度增大而提高.裂紋長度為0.10修復(fù)試件的疲勞壽命最小，為898 861次，是未修復(fù)試件的14.61倍.與準靜態(tài)拉伸性能相似，裂紋長度為0.63和1.00修復(fù)試件的疲勞壽命相當.裂紋長度為0.63修復(fù)試件的疲勞壽命是裂紋長度為0.20修復(fù)試件的1.42倍，裂紋長度為1.00修復(fù)試件的疲勞壽命比裂紋長度為0.20修復(fù)試件的疲勞壽命長32%.因此，考慮修復(fù)效益和修復(fù)效率，裂紋長度為0.20～0.63時值得修復(fù).

　　由表5還可以看出，當裂紋長度為0.10～0.40時，修復(fù)試件中鋁合金板首先破壞，然后修復(fù)試件再經(jīng)歷一定周次后整體破壞.裂紋長度為0.10，0.20和0.40修復(fù)試件的疲勞破壞位置在補片與鋁合金板之間界面脫粘.然而裂紋長度為0.63和1.00修復(fù)試件的破壞發(fā)生在補片端部的鋁合金板處，補片與鋁合金板間的界面并未完全脫粘，如圖6所示. 　　表6給出了裂紋長度為0.10，0.20和0.40，厚度為5.20 mm修復(fù)試件的疲勞壽命.由表6可以看出，與厚度為1.76 mm修復(fù)試件疲勞壽命變化趨勢相反，厚度為5.20 mm修復(fù)試件的疲勞壽命隨裂紋長度增大而降低，當試件中鋁合金板破壞后整個試件也就相應(yīng)破壞.裂紋長度為0.10修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的 13.05倍，而裂紋長度為0.40修復(fù)試件的疲勞壽命是未修復(fù)試件的7.69倍.

　　3結(jié)論

　　本文研究了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料補片單面修復(fù)含中心裂紋鋁合金薄板和厚板拉伸破壞模式，考察了裂紋長度對修復(fù)試件準靜態(tài)拉伸和疲勞性能的影響.得到如下結(jié)果：

　　當碳纖維/環(huán)氧補片寬度等于鋁合金板寬度，長度為100 mm時，修復(fù)試件的拉伸破壞模式有兩種：鋁合金板裂紋擴展、補片與鋁合金板間界面脫粘.

　　厚度為1.76 mm修復(fù)試件的拉伸破壞模式為補片與鋁合金板間界面脫粘.其準靜態(tài)拉伸性能隨裂紋長度增大而降低，而疲勞性能則隨裂紋長度增大而提高.當裂紋長度為 0.63時，修復(fù)效果最好，其承載能力保留率為89.12%，疲勞壽命比裂紋長度為0.20修復(fù)試件的長42.47%.

　　厚度為5.20 mm修復(fù)試件的拉伸破壞是由鋁合金板中裂紋擴展控制的.其準靜態(tài)拉伸和疲勞性能均隨裂紋長度增大而降低.當裂紋長度為0.20時，修復(fù)試件的承載能力保留率為84.94%，疲勞壽命是未修復(fù)試件的11.75倍.

　　參考文獻

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