摘要
近年来，随着复合材料的开发，复合材料的力学性能不断提高、生产成本随之降低、材料性能成熟稳定，已广泛应用于钢结构的修复和加固中。碳纤维-钢复合结构作为胶接结构因其简单的制作工艺，具备了不易产生变形、接头应力分布均匀等诸多力学优点，使其被广泛应用于汽车、土木工程等领域，其中粘接层性能将直接影响碳纤维-钢复合结构的增强效果，因此如何提升粘结性能是学者们的研究重点。针对该问题，本文采用了表面刻槽和喷砂的钢表面粗糙化措施，并基于短纤维的桥联增强机理，使用芳纶短切纤维、多壁碳纳米管(MWCNT)纤维对粘接界面进行增强，利用双悬臂梁(DCB)试验和有限元仿真分析开展了增强机理研究。主要研究内容如下： (1)针对刻槽处理后的钢基底粘接界面，通过加入芳纶短切纤维对粘结层进行加强，与树脂混合固化剂粘接层相比，芳纶纤维薄膜增强后的粘接层极值载荷及临界能量释放率分别提高2.2%、2.4%，由于刻槽钢板表面及槽内粗糙度较小，Ⅰ型断裂总发生于钢板与粘结层的界面处，芳纶纤维仅加强了树脂粘结层和树脂与碳纤维界面层； (2)为提高钢板与粘结层的界面粘结强度，使用喷砂技术对钢板表面进行处理，提高了钢板表面粗糙度，并使用多壁碳纳米管(MWCNT)纤维预处理技术，通过纳米短纤维有效加固树脂粘结层，经过预处理涂层后，粘接层的极值载荷及临界能量释放率相比刻槽表面分别提高22%、23%，Ⅰ型断裂主要为粘结层的层间失效，同时MWCNT增韧效果明显，对不同界面的增韧机理进行了断面分析； (3)由于多壁碳纳米管极易发生聚团现象，不同浓度的MWCNT会对喷砂界面粘接层强度的产生不同的影响，针对该情况，文中研究了三种浓度的MWCNT预处理溶液对粘接层的影响，结果表明，在0.3wt%、0.6wt%、1wt%三种浓度中，MWCNT浓度越高，能够嵌入喷砂钢板表面和粘结层中的碳纳米管数量越多，界面强度和层间强度提高越显著； (4)基于双悬臂梁(DCB)试验测试结果，获得必要仿真参数，利用ABAQUS有限元软件对不同粘结界面进行仿真模拟，得到不同粘结界面的载荷位移曲线，并与试验结果进行比较，验证仿真模型的有效性。
NETL