【检测表征】粘接复合材料的耐久性试验
目前用于评估粘结接头性能的测试方法有三种，基于强度的试验通常涉及搭接剪切试样，因为它们最能代表典型粘结复合材料接头的主要荷载。标准化的搭接剪切试验方法已被开发用于金属、硬质塑料和纤维增强塑料（FRP）粘合物。
用于评估粘结复合材料的基于断裂的试验主要基于复合材料层压板的现有I型双悬臂梁（DCB）试验，可参照标准为ASTM D5528。基于耐久性的试验，也主要集中在I型试验上，但使粘合线裂纹尖端承受高应力的时间延长，从几个小时到几天不等。
目前，尚无针对粘结复合材料的标准化耐久性试验，但测试方法的开发正在进行中。本文将重点介绍基于耐久性的粘接复合材料试验的开发，该测试通常称为复合材料楔形测试。该测试方法基于完善的金属楔形测试（ASTM D3762），并用于对铝键合接头进行基于耐久性的评估。
该测试方法包括一个152毫米长和25毫米宽的粘结铝试件，其初始剥离长度为19毫米，该试件一端的粘结线使用一层薄分离膜。通过在被粘物之间插入固定距离的金属楔片来加载试样，使初始剥离从粘合线中分离膜的末端传播（图1）。
图1.楔形测试样品配置。
将楔形物保留在试样中，测量初始裂纹长度a，然后将样品暴露于选定的环境条件下，通常是高温高湿环境。在环境中暴露了一段时间后（从几小时到几天不等），从环境室中取出试样，并测量最终裂纹长度a+Δa。将被粘物强制分离，并在环境裂纹扩展区域内估计粘结破坏百分比（定义为粘合剂内的破坏）（图2）。环境耐久性是根据环境暴露期间的裂纹扩展长度以及环境裂纹扩展区域内的粘结破坏百分比进行评估的。
图2. 环境裂纹扩展区域内的粘合和破坏。
虽然被粘物表面的水化是与金属粘结接缝耐久性相关的主要问题，但对于胶粘复合材料还存在其他耐久性方面的问题，其中两个更重要的问题是粘合前不正确的表面处理和粘合表面的污染。最近的研究表明，复合材料楔形测试可能非常适合评估粘结复合材料接头的长期耐久性。
但是，由于复合被粘物的弯曲刚度EfI（复合被粘物的弯曲模量Ef乘以其面积惯性矩I）不同，复合被粘物的使用会产生额外的复杂性。对于复合被粘物，EfI的变化可能是由复合材料、体积分数、层厚度、层数和层压板方向等差异引起的。复合材料楔形试验发展的一个重要进展是，从使用环境裂纹扩展作为耐久性的测量方法过渡到使用估计断裂韧度GC。利用梁理论，复合材料楔形试件的GC可通过以下公式确定：
式中，Ef是被粘材料的弯曲模量，t是楔形物的厚度，h是复合被粘材料的厚度，a是裂纹长度。确定了GC梁理论表达式的修正系数（在上面的括号中），以解释裂纹顶端平面处粘附物的旋转。利用该方程，可通过测量最终裂纹长度，从复合材料楔形试验中获得环境暴露后断裂韧性的估计值。此外，可通过在上述等式中使用环境暴露之前的裂纹长度来获得室温环境条件下粘合线断裂韧性的估计值。
值得注意的是，使用上述公式要求必须测量被粘物弯曲刚度Ef和厚度t。另一种方法是根据抗弯刚度EfI写出上述GC方程：
其中b是试样宽度。弯曲刚度EfI的现场测量可使用楔形试验后承受DCB型荷载的代表性楔形试样获得。荷载-挠度曲线的斜率∆P/∆δ，对应于测量的最终裂纹长度a，用于计算抗弯刚度EfI，公式如下：
使用该方法，从粘合碳纤维/环氧复合材料楔形试样中获得的GC值在整个粘着物厚度和层压板方向上相对恒定，产生250%变化的EfI值（图3）。这些结果表明，楔形测试可以使用不同的被粘物弯曲刚度和结果直接比较的复合材料样品。
图3. 不同的被粘物厚度和层压板取向的复合楔形试样
综上所述，复合材料楔形试验是一种非常适合于评估粘结复合材料耐久性的试验方法。与ASTM D3762金属楔试验一样，该程序操作简单，无需使用机械试验设备即可同时测试多个试样。目前，复合材料楔形试验标准化试验方法的开发尚处于初级阶段。