双尺度模拟方法研究碳纳米管增强胶接复合材料接头的力学行为

《International Journal of Adhesion and Adhesives》：Two-Scale Simulation Approach to Study the Mechanical Behaviour of Carbon Nanotube Reinforced Adhesively Bonded Composite Joints

　　

摘要 本研究提出了一种双尺度模拟方法，整合了微观尺度均匀化和宏观尺度有限元分析，以研究采用多壁碳纳米管（MWCNT）改性环氧胶增强的单搭接胶接接头的机械行为。接头结构包括采用 Araldite 420 A/B 环氧胶粘合的 AA6082-T6 铝合金被粘物，该结构基于文献中报道的配置，并使用四节点四边形平面应变单元在 ABAQUS 中建模。进行了几何非线性有限元分析，并通过将预测的载荷 - 位移响应与文献中可用的实验结果进行比较来验证数值模型。考虑了复合材料接头中的三种胶接系统：(a) 纯 Araldite 420 A/B 胶，(b) 添加 3 wt.% MWCNTs 增强的 Araldite 420 A/B 胶，以及 (c) 添加 5 wt.% MWCNTs 增强的 Araldite 420 A/B 胶。使用基于 Mori-Tanaka 平均场均匀化方法的 DIGIMAT-MF 确定了 CNT 改性胶的有效弹性性能，随后将其纳入有限元模型。进行了参数研究以评估 CNT 增强对胶接接头性能的影响。结果表明，与纯胶相比，3 wt.% 和 5 wt.% MWCNT 添加使胶的纵向刚度分别增加了约 55% 和 92%。然而，整体接头刚度的增加相对较小，而接头的承载能力表现出适度的改善。所提出的双尺度框架有效地捕捉了纳米级增强对结构响应的影响，并为评估航空领域应用中 CNT 改性胶接接头的结构完整性提供了一种计算高效的方 法。

引言 胶接接头已成为航空、汽车、海洋和可再生 能源结构中一种必不可少的连接技术，因为它们能够连接相似和异种材料，同时比传统机械紧固技术提供更均匀的应力分布。与螺栓和铆接接头相比，胶接连接具有多项优势，包括减轻结构重量、消除钻孔引起的应力集中、改善疲劳性能、增强耐腐蚀性以及优异的空气动力特性。因此，胶接结构越来越多地应用于现代轻质飞机系统中，在这些系统中，结构效率和减重是关键的设计要求 [1]，[2]，[3]，[4]。

胶接接头的结构性能受胶层厚度、搭接几何形状、被粘物配置、材料性能和加载条件的强烈影响。已经进行了许多分析、数值和实验研究来了解这些影响。Pereira 等人 [1] 研究了 AA6082-T6 胶接搭接接头的疲劳行为，并证明了胶层厚度对接头性能的影响。Pinto 等人 [2] 检查了平衡和不平衡胶接接头，并报告了被粘物几何形状对应力分布和承载能力的显著影响。先前的研究表明，胶接单搭接接头的几何形状在决定其机械性能方面起着至关重要的作用。搭接长度、接头配置和几何参数的变化被发现影响应力分布、应力强度因子和承载能力。优化的接头几何形状通常减少应力集中并提高强度、刚度和整体结构效率 [5]，[6]，[7]，[8]，[9]。几位研究人员调查了胶接接头在拉伸载荷条件下的非线性响应。他们的发现表明，考虑几何和材料非线性可以提供对接头行为和失效更准确的预测。使用韧性胶被证明可以减少峰值应力并改善被粘物之间的载荷传递 [10]，[11]，[12]，[13]。专注于复合材料和胶接接头的研究强调了增强策略和结构参数在改善机械行为方面的重要性。多尺度建模研究表明，纳米增强可以提高复合材料的有效机械性能。实验调查进一步揭示，被粘物厚度和复合配置等因素显著影响静态强度和疲劳性能，从而提高了耐久性和抗裂纹萌生与扩展的能力 [14]，[15]，[16]，[17]。最近的综述和分析研究强调了疲劳和断裂力学在胶接接头长期可靠性中的关键作用。基于断裂力学的设计方法和先进损伤建模技术的引入，改善了对裂纹扩展机制和疲劳失效过程的理解。这些研究报告了增强的疲劳寿命预测能力，改善了结构耐久性的评估，并改善了复杂加载条件下胶接复合材料结构渐进损伤演化的表征 [18]，[19]，[20]，[21]，[22]。虽然结构优化可以提高接头性能，但胶层通常是组件中最薄弱的区域，并往往控制损伤萌生和最终失效。因此，大量的研究工作致力于通过材料改性来增强结构胶的机械性能。在现有的方法中，将纳米级增强材料纳入聚合物胶中已成为一种有前景的解决方案。

几位研究人员调查了使用纳米材料来改善胶接接头的机械性能。Ekrem 和 Avci [23] 报告称，将聚乙烯醇（PVA）纳米纤维垫纳入环氧胶接接头中，使搭接剪切粘附强度增加了约 10-20%，并将 I 型断裂韧性提高了高达 80%。这种改善归因于裂纹桥接、纤维拔出、裂纹偏转和增加的能量耗散机制，这些机制有效地延迟了裂纹扩展并提高了接头耐久性。Yilmaz 和 Ekrem [24] 证明，铝 - 复合胶接接头的冲击性能高度依赖于胶的配方和使用温度。在 3J 低速度冲击下，与纯环氧接头相比，石墨烯掺杂尼龙 6.6 纳米纤维增强混合胶在 23°C 下使冲击后残余抗拉强度提高了高达 43.7%，在 -50°C 下提高了 9.6%。性能的增强归因于改善的韧性、裂纹捕获能力和降低的胶脆性，从而获得了 superior 的损伤容限和冲击 resistance。Polat 等人 [25] 调查了用石墨烯掺杂尼龙 6.6 纳米纤维增强的 CFRP-铝单搭接接头的疲劳性能。与纯环氧接头相比，加入 3 wt.% 石墨烯掺杂纳米纤维中间层使疲劳寿命增加了约 120-130%，同时显著改善了裂纹萌生 resistance、裂纹扩展 resistance 和整体接头耐久性。这种增强归因于胶层内的裂纹桥接、裂纹偏转和改进的应力传递机制。?enyurt 等人 [26] 证明，石墨烯掺杂尼龙 6.6 纳米纤维中间层显著增强了 CFRP-铝胶接接头的机械性能。最优的 3 wt.% 石墨烯添加使搭接剪切强度比纯环氧接头增加了约 24%，同时通过裂纹桥接、裂纹捕获和增强的应力传递机制改善了损伤容限和抗裂纹性能。这些发现共同表明，纳米级改性可以显著增强胶接接头的结构性能。在各种研究的纳米材料中，碳纳米管（CNTs）因其极高的杨氏模量、高长径比、 superior 的抗拉强度和大的比表面积而引起了广泛关注。由于这些特性，CNTs 已被广泛用作聚合物基体的增强材料，以提高刚度、强度、断裂韧性、疲劳 resistance 和损伤容限。Akpinar 等人 [27] 实验调查了包含基于 CNT 的纳米结构的纳米复合材料胶接接头，并报告了接头失效载荷的显著改善。几位研究人员也报告了用多壁碳纳米管（MWCNTs）增强的环氧胶系统在强度和韧性方面的类似改善 [28]，[29]，[30]，[31]。这些研究证明了 CNT 增强胶在先进结构粘接应用中的巨大潜力。

CNT 改性胶机械性能的增强归因于几种增强机制，包括聚合物基体和纳米管之间有效的载荷传递、跨微裂纹的裂纹桥接、裂纹偏转、纳米管拔出和基体变形的限制。由于其高刚度和长径比，CNTs 作为有效的增强夹杂物，延迟裂纹萌生和扩展。然而，改善的程度强烈依赖于 CNT 分散质量、取向分布、长径比、界面 bonding 和增强浓度 [20]，[27]，[28]，[32]。因此，准确预测 CNT 增强胶系统的有效机械性能对于高性能胶接结构的可靠设计至关重要。由于纳米管分散、试样制备以及在一系列增强水平下测试方面的挑战，CNT 增强胶的实验表征往往昂贵且耗时。因此，计算多尺度建模方法已成为预测纳米复合材料有效性能和评估其对结构性能影响的效率 alternative。微观力学均匀化技术提供了一个计算框架，用于将组分级行为与复合材料的有效响应联系起来。在这些方法中，Mori-Tanaka 平均场均匀化方法已被广泛采用，因为它在计算效率和预测准确性之间提供了有利的平衡，适用于颗粒和纤维增强复合材料 [14]，[33]，[34]。

Shabaze 等人 [14] 成功采用多尺度建模框架预测了碳纤维/MWCNT/环氧复合材料的有效弹性性能，并证明了 CNT 取向和浓度对复合材料刚度的影响。类似的研究表明，多尺度方法可以有效地捕捉纳米管几何形状、取向和分散对 CNT 增强聚合物整体行为的影响 [33]，[34]，[35]，[36]。这些方法能够实现有效工程常数的效率 estimation，同时避免完全解析微观结构模拟的高计算成本。尽管在纳米改性胶的开发和胶接接头的数值分析方面取得了实质性的进展，但很少有研究在统一框架内整合微观尺度均匀化和结构尺度有限元分析，以评估 CNT 增强对接头性能的影响。大多数现有研究专注于纳米改性胶系统的实验表征，或使用预定义材料性能的结构分析。因此，通过双尺度计算方法，CNT 诱导的胶弹性性能变化对接胶接接头刚度和强度的直接影响尚未得到充分的量化 [37]。

在建立统一的计算方法以系统地将在微观尺度获得的 MWCNT 诱导的胶材料性能变化转移到胶接接头的结构尺度分析方面，仍存在明显的空白。为了解决这一研究空白，本研究开发了一种双尺度模拟框架，用于研究 MWCNT 增强胶接接头的机械行为。在微观尺度，使用基于 Mori-Tanaka 平均场均匀化方法的 DIGIMAT-MF 确定了添加 3 wt.% 和 5 wt.% MWCNTs 增强的 Araldite 420 A/B 环氧胶的有效弹性性能。在宏观尺度，将微观力学分析获得的均匀化工程常数纳入在 ABAQUS 中开发的几何非线性有限元模型。有限元模型与 Pereira 等人 [1] 报告的实验结果进行了验证，随后进行参数研究以评估 CNT 增强对接头刚度和强度的影响。本工作的新颖性在于将基于 DIGIMAT 的 MWCNT 增强环氧胶的 Mori–Tanaka 均匀化与几何非线性 ABAQUS 结构分析整合在统一的双尺度框架中。这种整合建立了 MWCNT 增强引起的胶材料性能变化与胶接接头相应的结构尺度响应之间的直接联系。该框架使得在微观尺度获得的均匀化胶性能可以直接纳入结构有限元模型，从而提供了一种系统的计算方法，用于评估纳米级增强对接头刚度、应力分布和承载能力的影响。开发的框架还为航空结构应用中先进纳米改性胶接接头的设计和性能评估提供了有价值的见解。

章节摘要
目标与问题定义
胶接接头的机械性能受胶层特性的强烈影响。虽然几项实验研究表明，碳纳米管（CNT）增强可以改善环氧胶的机械性能，但这些微观尺度性能增强影响胶接接头结构响应的程度仍然理解不足。此外，有限的研究整合了微观力学性能预测
方法论
本节概述了分析胶接单搭接复合材料接头的方法，以研究它们的机械行为。这些接头使用 Araldite 420 A/B 环氧胶以及含有 3% 和 5% 重量多壁碳纳米管（MWCNT）夹杂物的相同胶进行粘合。包含纳米颗粒（MWCNT）夹杂物的胶性能是使用微观力学建模软件 DIGIMAT 确定的。胶接接头的几何非线性有限元分析
结果与讨论
本节展示了收敛性研究和胶接接头数值分析的结果。它讨论了使用不同含有 MWCNT 夹杂物改性的胶接材料的重要性。
结论
本研究提出了一种双尺度模拟框架，用于研究采用多壁碳纳米管（MWCNT）改性环氧胶增强的单搭接胶接接头的机械行为。

在 DIGIMAT 中采用了一种基于 Mori-Tanaka 平均场方法的微观尺度均匀化方法，以确定 MWCNT 增强 Araldite 420 A/B 环氧胶粘剂的有效弹性性能。均匀化的工程常数随后被纳入
aCRediT 作者贡献声明 P K Sahoo：写作 – 审查与编辑、监督、项目管理、调查、资金获取、概念化。S Schmauder：写作 – 审查与编辑、监督。Shrimukhi G Shastry：写作 – 初稿、验证、软件、调查。Manjunath Potlapalli：写作 – 初稿、验证、软件。M Poindl：方法论、形式分析。J Wiedmaier：软件
竞争利益声明 ? 作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能看起来影响了本文报告的工作。
致谢 作者感谢 CSIR 国家航空实验室（位于班加罗尔）的主任，允许他们在该期刊"International Journal of Adhesion and Adhesives"上发表论文。作者感谢 CSIR-NAL 的同事给予的帮助和支持。第一作者衷心感谢 CSIR 总部通过拉曼（RAMAN）研究奖学金（2012-13）提供的资金支持，该奖学金依据 CSIR 信函编号 22/RRF/2011-ISTAD，日期为 2012 年 6 月 18 日，这使得他能够进行
P.K. Sahoo|S. Schmauder|S.G. Shastry|M. Potlapalli|M. Poindl|J. Wiedmaier