【原】《Composites Science and Technology》：热塑复合材料胶接接头在紫外辐照下的结构完整性

（翻译整理：杨甜甜  选稿校对：张鑫）

碳纤维增强热塑性复合材料（TPCs）因其具有高抗冲击和断裂损伤性能，能够重新熔化成形，并且由于保质期限长而具有较低的储存成本，广泛地用于取代金属在汽车、航空航天和船舶行业，并发挥其独特的应用价值。然而，大多数热塑性材料因其表面能较小和极性弱而与环氧树脂的粘合力较低。另一方面，紫外辐照方法对于增强热塑性材料和环氧树脂之间的粘附力是一种高效的方法。因此，如何高效利用紫外辐照对热塑性复合材料进行胶接连接的研究且能满足工业应用中大规模生产的要求显得尤为重要。

为了研究这一问题，荷兰代尔夫特工业大学航空航天结构与材料系Dong Quan（第一作者、通讯作者）、团队在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Significantly enhanced structural integrity of adhesively bonded PPS and PEEK composite joints by rapidly UV-irradiating the substrates”的文章，研究了在不同的紫外线照射强度下，碳纤维增强聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）复合材料基材胶接接头在剪切实验中的破坏模式，并研究其破坏机理。

该研究首先将基材在2-30秒的时间内被快速紫外线照射，然后使用航空航天薄膜粘合剂粘合以产生接缝。在断裂试验过程中，分别采用双悬臂梁（DCB）实验和端部加载劈裂（ELS）实验（图1）研究了胶粘接头的I型和II型断裂能。图2是确定的三种典型的粘接接头失效模式，即粘合失效（失效发生在TPC/环氧树脂界面）、胶层失效（失效发生在粘合层内）和基材损伤（失效在TPC基板内）。

图1 （a）单搭接剪切接头试验；（b）DCB试验；（c）ELS试验

图2 胶粘接头的典型失效模式

为了对比研究辐照时间对粘合层的影响，分别对两种复合材料接头进行不同时间的紫外辐射，图3、4分别显示了PPS和PEEK复合材料接头搭接剪切试样破坏面的照片。结果表明，应用快速紫外线照射（即PPS复合材料为3s，PEEK复合材料为5s）可显著提高环氧树脂基体与TPC基材之间的粘附力，其水平足以在搭接剪切试验期间对TPC基材造成显著损坏。

图3 PPS复合材料接头搭接剪切失效试样：（a）破坏表面的代表性照片；（b）SEM图像

图4 PEEK复合材料接头搭接剪切失效试样：（a）破坏表面的代表性照片；（b）SEM图像

为了进一步说明接头的破坏模式，选取DCB试验的代表性载荷-位移曲线（图5（a））和相应的断裂能（图5（b））。结果表明，对热塑性复合材料施加紫外线照射显著延缓了胶接接头的裂纹扩展。在没有任何TPC的情况下，PEEK和PPS均未出现任何损坏（图6）。这意味着裂纹扩展发生在TPC基体中，这些现象提高了破坏过程中的能量耗散，并使胶粘接头的I型断裂性能显著提高。

图5 代表性载荷-位移曲线和相应的I型断裂能（粘合剂接头的DCB测试）

图6 粘合剂接头DCB试样的断裂面

研究发现，在向PPS和PEEK复合材料施加快速紫外线照射后，最大断裂载荷从100 N以下增加到400 N以上（图7（a））。值得注意的是，裂纹长度扩展了约10 mm。图8显示了ELS试样断裂表面的照片和显微镜图像，结果表明，与PEEK（5sUV）接头相比，PPS（3sUV）接头对基材的损坏更严重，这导致PPS（3sUV）接头的G_IIC更高.

图7 代表性载荷-位移曲线和相应的II型断裂能（粘合剂接头的ELS测试）

图8 粘合剂接头ELS试样的断裂面

然而，在II型断裂下，PEEK（5sUV）接头的附着力高，足以对基材造成损坏，从而显著改善II型断裂行为。如图9所示，在Ⅱ型断裂过程中，当作用力F接近连接键的拉伸强度时，键开始逐个断裂。在II型裂纹扩展之前，未断裂的键仍然将两个表面固定在一起（如图所示9（a）），两个表面的紧密接触使一些断裂的键重新组合，形成新的键。随后，粘结模式II增强了该接缝的整体断裂性能。

图9剪切载荷下粘结状态的示意图：（a）II型断裂；（b）I型断裂开口

参考文献：Dong Quan, René Alderliesten, Clemens Dransfeld, Ioannis Tsakoniatis, et al. Significantly enhanced structural integrity of adhesively bonded PPS and PEEK composite joints by rapidly UV-irradiating the substrates[J]. Composites Science and Technology，2020,199.

（感谢杨甜甜同学的投稿）

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