奇奇怪怪: 帝國學院：一種顯著提高金屬與複合材料黏接力學性能的新概念

引言

金屬和複合材料的膠合連接與傳統的機械連接方法（如螺栓連接、鉚接）相比，有一些優勢。除了提供較高的連接強度外，由於連續且相對較大的連接面積，膠層的使用還可以改善應力分佈。但膠黏接頭邊緣剛度的階躍變化會造成顯著的應力集中，剝離應力的集中會引發層間破壞（圖1）。分層後的鋪層隨後會產生橫向斷裂，由於應力集中持續沿著接頭邊緣存在，因此會迅速傳播到整個接頭，造成不穩定的破壞。

圖1 被黏接物邊緣的破壞順序

以往的文獻或工程設計經驗中，一般都是透過改變金屬-複材接頭的幾何形狀來實現剛度的逐漸過渡，從而降低接頭邊緣的應力集中，例如金屬件倒斜角等。 2023年，英國帝國學院航空系及機械工程系的研究人員提出了一種新型輪廓化黏附邊緣概念（圖2）。在該研究中，透過改變接頭邊緣的幾何輪廓來改善應力分佈，解決金屬與複合材料膠接連接的強度和破壞穩定性問題。文章發表於複合材料領域頂刊《Composites Part B: Engineering》，文章標題為"A novel profiling concept leading to a significant increase in the mechanical performance of metal to composite adhesive joints"，通訊作者正為LaRC05準則的提出者之一Silvestre T. Pinho。

圖2 新型輪廓化黏附邊緣概念，旨在透過更好地分佈臨界應力來提高強度，並透過偏轉跨層斷裂路徑來提高失效穩定性。

概念原理

該概念旨在減少複合材料層壓板中的應力集中並提高失效的穩定性，其機制是：

（1）以漸進的變化替換剛度不連續的變化；

（2）增加接頭邊緣的有效長度，從而提供更大的載荷傳遞區域；

（3）隔離峰值應力區域，使得裂紋更難傳播；

（4）使層間斷裂的路徑偏轉，進而增加能量耗散。

在這項工作中，除了直邊基線模式（圖3（a））外，作者還使用了等邊三角形輪廓模式（圖3（b)）作為參照基準模式，在此基礎上還增加了尖波模式（圖3（c)）、三倍振幅模式（圖3（d)）、倍頻模式（圖3（e)）和三倍長度的分形模式（圖3（f)）。

圖3 不同設計概念的重複單元形式

對於分形模式，設計了不同階數的圖案，如圖4所示。為了權衡長度尺度和製造複雜性之間的矛盾，作者最終選擇了3階模式。

圖4 （ac）基於分形的遞增階數模式。（d）從Koch曲線建構3個長度尺度的基於分形的模式。

試驗測試

作者參考機翼前緣及發動機葉片前緣受力形式，設計了準靜態四點彎試驗。試樣設計如圖6所示。膠合劑邊緣位於試樣中間位置。對於帶有輪廓黏合劑的試樣，輪廓的質心始終位於中間位置。基線三角形輪廓的峰值幅度為5.78 mm，波長為6.67 mm。增幅設計的峰值幅度為17.34 mm，而增頻設計的波長為3.33 mm。

複合材料基體由IM7/8552預浸料組成，金屬結構為鈦合金（Ti6Al4V），使用的膠合劑是3M的AF 163-2K薄膜膠合劑。

圖6 試樣設計及幾何

數值模型

作者為直邊模式樣本建立了細節有限元素模型（圖8）。此模型的目標是確認直邊基準模式下，關鍵失效發生在金屬黏附端終止處的複合材料基質內，並且不會觸發潛在的層壓板或膠合劑的壓縮失效。

模型中不同位置根據離散精細化程度的不同分別採用了連續實體殼單元、連續殼單元和實體單元進行建模。複合材料採用的是線性彈性材料本構，採用Abaqus中的LaRC05子程式預測其損傷起始。金屬採用線性彈性材料，而黏合劑採用的是彈塑性材料本構。

圖8 接頭邊緣的網格細化

圖9顯示了失效開始時接頭邊緣附近的LaRC05損傷起始準則值。可以看到，在接頭邊緣附近受拉層的基體開裂是關鍵因素，而受壓層的失效指數相對較低。這表明，在受拉側的複合層中，與黏接件邊緣相鄰的區域的失效應該比受壓側的層早得多。

圖10顯示了層壓板首次失效時黏接界面附近的相關應力：這些應力仍然低於黏合劑的屈服強度。且黏合劑中沒有塑性應變。因此，有限元素模型表明，在複合基材中的拉伸失效開始時，黏合劑仍然處於彈性狀態。

圖9 LaRC05損傷起始準則預測的層壓板損傷。

圖10 接頭邊緣處界面應力

圖12 四點彎曲試驗

圖13展示了每種設計的代表試樣的加載曲線。峰值載重用於量化強度，可以看出，新的概念方案峰值均有不同程度的提升。同時，作者將不穩定失效前消耗的能量與機械能之比定義為量化失效穩定性(MFS)的物理量。

統計分析表明，與直邊基線相比，三角形邊緣模式在性能上有顯著提升；而三重振幅模式、雙頻模式和三倍長度模式與三角形基線模式相比，又有顯著的改進。與三角形基線模式相比，尖波模式的定量結果在統計上不顯著。

圖13 不同構型的載重位移曲線

圖17 典型的斷裂面

結論

文章針對提高金屬與複合材料膠接接頭的強度和破壞穩定性問題，提出了一種新穎的解決方案：對金屬黏附截止端的邊緣進行輪廓處理，並研究了其效果。結果表明，透過使用合適的邊緣輪廓，可以實現以下幾點：

（1）將峰值應力控制在孤立區域內；

（2）峰值載重至少提高27%；

（3）提高破壞穩定性。

研究還表明，透過以下方式可以進一步利用這一概念來改進設計方案：

（1）增加輪廓幅度（測試中，幅度增加三倍後，峰值負荷提高了5.5%，破壞穩定性提高了117%）；

（2）提高輪廓頻率（測試中，頻率加倍後，峰值載重提高了8.4%，破壞穩定性提高了49%）；

（3）增加邊緣長度尺度（在測試中，在輪廓中引入三個分形長度，峰值載荷提高了12%，破壞穩定性提高了38%）。

在工業應用中，在製程可行的前提下，可以使用更大的輪廓幅度/頻率和/或分形長度數。新型輪廓化黏附概念可以顯著提高金屬與複合材料黏合劑連接的強度和穩定性，為未來的研究和應用提供了新的可能性。

原始文獻：

Adam D. Whitehouse, Victor Médeau, Lorenzo Mencattelli, Bamber Blackman, Silvestre T. Pinho, A novel profiling concept leading to a significant increase in the mechanical performance of metal to composite adhesive joints,Composites B:, Volume 110791, ISSN 1359-8368,

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110791.

原文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836823002949

☟ 如需閱讀原始文獻，請點擊文末"閱讀原文"