CSAE中國汽車工程學會標準T/CSAEXX—201X汽車用聚合物基復合材料膠接性能評價規范復合材料/金屬第1部分：總則Evaluationspecificationofthemechanicalperformanceofadhesivelybondedjointsforautomotivepolymermatrixcomposites—Composite/metal—Part1:Guidelines（征求意見稿）201X-XX-XX發布201X-XX-XX實施中國汽車工程學會發布T/CSAEXX-201T/CSAEXX-201X目次前言.................................................................Ⅱ引言.................................................................Ⅲ1范圍..............................................................12規范性引用文件....................................................13術語和定義........................................................14原理..........................................................25試驗設備..........................................................36評價步驟..........................................................46.1試樣.............................................................46.2膠接靜態力學性能評價.........................................................46.3膠接耐久性評價.............................................................4附錄A（資料性附錄）膠接結構界面內聚力本構模型.........................................5參考文獻............................................................10ⅠⅠT/CSAEXX-201X前T/CSAEXX-201XT/CSAEXX-201X《聚合物基復合材料膠接性能評價規范復合材料/金屬》分為4個部分：第1部分：總則第2部分：試樣第3部分：試驗方法第4部分：耐久性試驗本部分為T/CSAEXX-201X的第1部分本部分依據GB/T1.1—2009《標準化工作導則第1部分：標準的結構和編寫》給出的規則編寫。本部分的某些內容可能涉及專利，本標準的發布機構不承擔識別這些專利的責任。本部分由中國汽車工程學會汽車輕量化分標委提出。本部分由中國汽車工程學會歸口。本部分負責起草單位：國汽（北京）汽車輕量化技術研究院有限公司、北京航空航天大學。本部分參加起草單位：湖北回天新材料股份有限公司、東風汽車公司技術中心、北京航數車輛數據研究所有限公司、上汽泛亞汽車技術中心有限公司、奇瑞汽車股份有限公司、北京汽車研究總院有限公司、重慶長安汽車股份有限公司、中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心、康得復合材料有限責任公司、江蘇恒神股份有限公司、中國中車集團株洲時代新材料科技股份有限公司、漢騰汽車有限公司、北京中材汽車復合材料有限公司、中航復材（北京）科技有限公司。本部分主要起草人：孫凌玉、楊潔、王利剛、李立軍、劉鵬、韓勝利、周旭東、石騰龍、汪霞、李軍、楊繼萍、張一犇、尚紅波、高聰、劉瑞、李東陽、李偉紅、周敏、隗云濤、張浩軍、趙紅濤、張子聰、崔麗、龐孝吾、毛慧文、郭聰蘭、郭春杰、高紅梅、張旭峰、劉克健、周娟、周濱、林瑞雪、項坤。本部分為首次發布。ⅡⅡⅢⅢ引言隨著汽車輕量化的發展，各種聚合物基復合材料在汽車中的應用越來越廣泛，膠接是這類復合材料的主要連接方式之一，其復合材料與金屬膠接接頭的性能直接影響汽車的安全性和可靠性。但是，目前國內在車用聚合物基復合材料與金屬膠接結構的性能試驗評價方法和標準方面幾乎空白。因此，需要制定一個適用于汽車行業的聚合物基復合材料與金屬膠接結構性能綜合評價的標準。本部分提供了聚合物基復合材料與金屬材料膠接性能評價試驗方法的總則。ⅢⅢT/CSAEXX-201X樹脂基復合材料膠接性能評價規范復合材料/金屬第1部分：總則1范圍本標準規定了汽車用樹脂基復合材料與金屬膠接性能評價的試驗原理、試樣、試驗裝置、試驗條件、試驗步驟和試驗數據處理方法。2規范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2943—2008膠粘劑術語GB/T3961—2009纖維增強塑料術語GB/T1446—2005纖維增強塑料性能試驗方法總則GJB5304—2004軍用復合材料術語GJB3383-1998膠接耐久性試驗方法HB7618—2013聚合物基復合材料力學性能數據表達準則ISO19095-1-2015塑料類—塑料/金屬組合體界面粘附性能評價標準第1部分指南JB/T9397—2013拉壓疲勞試驗機技術條件GB/T10592—2008高低溫試驗箱技術條件GB/T10586—2006濕熱試驗箱技術條件GB/T10587—2006鹽霧試驗箱技術條件T/CSAEXX-2—201X聚合物基復合材料膠接性能評價規范復合材料/金屬第2部分：試樣T/CSAEXX-3—201X聚合物基復合材料膠接性能評價規范復合材料/金屬第3部分：試驗方法T/CSAEXX-4—201X聚合物基復合材料膠接性能評價規范復合材料/金屬第4部分：耐久性試驗3術語和定義1GB/T2943—2008、GJB5304—2004、HB7618—2013和T/CSAEXX-1—201X（聚合物基復合材料膠接性能評價規范復合材料/復合材料第1部分：總則）界定的以及下列術語和定義適用于本文件。13.1復合材料composites1由兩個或兩個以上獨立的理想相，包含粘結材料（基體）和粒料、纖維或片狀材料所組成的一種固體材料。1[GB/T3961—2009，定義3.1.11條]3.2熱固性復合材料thermosettingcomposites以熱固性樹脂為基體的復合材料。[GB/T3961—2009，定義3.1.35條]3.3熱塑性復合材料thermoplasticcomposites以熱塑性樹脂為基體的復合材料。[GB/T3961—2009，定義3.1.36條]3.4聚合物基復合材料polymermatrixcomposites以聚合物為基體的復合材料，分為熱固性樹脂基復合材料和熱塑性樹脂基復合材料。3.5纖維復合材料fiberreinforcedcomposites以纖維或其制品為增強材料的復合材料。[GJB5304—2004，定義3.1.2條]3.6膠接I型斷裂韌性GICmodeIfracturetoughnessGICofadhesivejoints使用端部預制裂紋的雙懸臂梁膠接試樣，測得的張開型（I型）裂紋沿試樣縱向起始擴展的臨界能量釋放率。[T/CSAEXX-1—201X，定義3.6條]3.7膠接II型斷裂韌性GIICmodeIIfracturetoughnessGIICofadhesivejoints使用端部預制裂紋的彎曲梁膠接試樣，測得的滑開型（II型）裂紋沿試樣縱向起始擴展的臨界能量釋放率。[T/CSAEXX-1—201X，定義3.7條]3.8膠接耐久性性durabilityofadhesivebonding膠接件在規定使用條件下、規定使用期內，長期保持性能的能力。[T/CSAEXX-1—201X，定義3.8條]3.9飽和水汽壓saturationvapourpressure在恒定溫度條件下，當給定體積空氣中的水分不能再增加時的水汽壓。[T/CSAEXX-1—201X，定義3.9條]3.10水汽分壓力partialvapourpressure在恒定溫度條件下，在給定的體積空氣中，大氣壓力中的水汽壓力部分。[T/CSAEXX-1—201X，定義3.10條]3.11相對濕度（RH）relativehumidity在恒定溫度條件下，在給定的體積空氣中，水汽分壓力與飽和水汽壓力的比率，用百分數表示。2[T/CSAEXX-1—201X，定義3.11條]23.12實際濕度achievedhumidity穩定后，試驗箱工作空間內任意點的濕度。[T/CSAEXX-1—201X，定義3.12條]4原理4.1拉伸剪切試驗聚合物基復合材料膠接單搭接試樣的拉伸剪切試驗是在平行于粘接面且在試樣主軸方向上施加一拉伸載荷，測出復合材料單搭接粘接處的剪切強度。4.2十字拉伸試驗聚合物基復合材料十字膠接試樣的拉伸試驗是在垂直于粘接面的方向上施加一拉伸載荷，測出復合材料粘接處的法向拉伸強度。4.3I型開裂試驗聚合物基復合材料雙懸臂梁（DoubleCantileverBeam,DCB）膠接試樣的I型開裂試驗是在預制裂紋的端部，垂直于粘接面的方向上，施加一拉伸載荷，使裂紋沿著膠層勻速擴展，測出復合材料粘接處的張開型（I型）的斷裂韌性和峰值載荷。4.4II型開裂試驗聚合物基復合材料彎曲梁（End-NotchedFlexure,ENF）膠接試樣的II型開裂試驗是采用三點彎曲試驗方式，在試樣的中部，垂直于粘接面的方向上，施加一壓縮載荷，使裂紋沿著膠層勻速擴展，測出復合材料粘接處的滑開型（II型）的斷裂韌性和峰值載荷。4.5剝離試驗聚合物基復合材料彎曲膠接試樣的彎曲試驗是采用三點彎曲試驗方式，在試樣的中部，垂直于粘接面的方向上，施加一壓縮載荷，測出復合材料彎曲膠接試樣的彎曲強度和彎曲模量。4.6耐久性試驗聚合物基復合材料膠接試樣的耐久性試驗是測試其在使用條件下長期保持性能的能力，主要包括環境耐久性試驗和疲勞試驗。復合材料膠接接頭環境耐久性試驗主要測試其在光照、溫度、水分、濕熱、鹽霧等環境影響下的力學性能變化。復合材料膠接接頭疲勞試驗主要測試其在重復受到載荷作用下的疲勞強度。5試驗設備5.1微機控制電子萬能試驗機試驗機應該滿足試驗要求，并在整個試驗過程中保持恒定的加載速率，試驗機載荷誤差不應超過±1%。試驗機應配置一副可自動調心的夾具。加載拉伸載荷時，夾具及其附件與試樣無相對移動，保證試樣長軸與施力方向一致，并與夾具中心線保持一致。試驗機使用噸位的選擇應參照該機的說明書。試驗機定期經具有相應資格的計量部門進行校準。注：應避免夾具與膠接試樣由螺栓固定產生附加的應力集中。5.2疲勞試驗機3試驗機機架應具有足夠的剛度和試驗空間，便于裝卸試樣、試樣夾具、附具以及試驗機附件和標準測力儀。試驗機應能夠產生正弦循環力，施加和卸載力的過程中應平穩，無沖擊和振動現象。試驗機應具有測力系統和力指示裝置，能夠實時連續地指示施加到試樣上的力值。試驗機其他技術要求應符合JB/T9397-2013中第4章的規定。35.3高低溫環境箱試驗箱的工作室內壁應由耐熱且不易氧化和具有一定強度的材料制成。試驗箱的結構可以為兩個單獨的腔室或一個具有快速溫度變化功能的腔室。如果使用兩個腔室，則其中一個用于低溫，另外一個用于高溫，而且應允許在規定時間內將試樣從一個腔室轉移到另一個腔室，可以使用手動或自動轉移方法。保溫材料應能耐高溫并具有阻燃性能。保溫層應能夠保證試驗箱外部易觸及部位的溫度在高溫試驗時不高于50℃，在低溫試驗及環境溫度為15℃~35℃、相對濕度≤85%時不應有凝露現象。加熱和制冷部件的熱量和冷量不應直接輻射到試樣上。試驗箱應具有測溫系統，并能夠顯示溫度數值，同時應設有觀察窗和照明裝置。試驗箱的使用條件應符合GB/T10592-2008中第4章的規定。5.4濕熱試驗箱試驗箱的工作室內壁應由耐腐蝕材料制成，且表面易于清潔。凝結水不允許滴落在工作空間內，且應連續排除，未經處理不得作為加濕用水。試驗箱應具有測溫和測濕系統，并能夠顯示溫度和濕度數值，同時應設有觀察窗和照明裝置。當進入高溫高濕階段后，每1min測量工作室內所有溫濕度點一次，并實時顯示測量結果。試驗箱的使用條件應符合GB/T10586-2006中第4章的規定。5.5鹽霧試驗箱試驗箱的工作室內壁應由耐鹽霧腐蝕的材料制成。試驗箱內溫度波動度不大于1℃。工作室內的鹽霧沉降率為（1.0~2.0）mL/（h·80cm2）。試驗箱應設有鹽霧沉降量指示裝置。噴霧器產生的鹽霧應微小分散、濕潤、濃密，鹽霧不應直接噴射到試樣上。試驗箱應設有溫度調節和指示裝置。試驗箱的使用條件應符合GB/T10587-2006中第4章的規定。6評價步驟6.1試樣聚合物基復合材料膠接試樣包括拉伸剪切試樣、十字拉伸試樣、I型開裂試樣、II型開裂試樣和彎曲試樣，試樣的形狀尺寸、制備和質量應符合T/CSAEXX-2的規定。6.2膠接靜態力學性能評價試驗條件應符合T/CSAEXX-3的規定。聚合物基復合材料膠接的力學性能包括：（a）拉伸剪切強度（b）拉伸強度（c）I型斷裂韌性（d）II型斷裂韌性（e）彎曲強度6.3膠接耐久性評價試驗條件應符合T/CSAEXX-4的規定。耐久性試驗方法包括：4（a）溫度特性試驗4（b）熱沖擊試驗（c）溫度/濕度循環試驗（d）濕熱試驗（e）鹽霧試驗（f）疲勞試驗附錄A（資料性附錄）膠接結構界面內聚力本構模型A.1內聚力模型本構關系材料內部的內聚力實質上是物質原子或分子之間的相互作用力，這個力與原子之間拉開的距離有一定的關系，所以內聚力區域中裂紋面上的各向應力可以定義為裂紋尖端分離位移的函數（圖A.1），這個關系稱為開裂界面上的張力位移關系，或稱之為內聚力模型的本構關系，即開裂過程產生新的裂紋面所需要的能量稱為斷裂能釋放率，計算表達式為圖A.1裂紋尖端的內聚力區5對于不同的材料和界面形式，已經發展出多種內聚力本構關系，其中牽引分離法則（TSL）是大多數本構關系的基礎，常用的TSL模型有多項式關系（圖A.2（a）所示）、指數關系（圖A.2（b）所示）、梯形關系（圖A.2（c）所示）和雙線性關系（圖A.2（d）所示）。5圖A.2典型的牽引分離TSL關系A.2雙線性內聚力模型雙線性法則是一種簡單有效的內聚力本構模型，模型中應用的主要參數包括初始剛度、各向最大應力值、臨界張開最大位移和斷裂能釋放率，其中最重要的最大應力值和斷裂能釋放率，當這兩個參數確定時，內聚力模型的牽引分離曲線將基本確定，這是因為曲線的峰值點是由最大應力值決定的，曲線的面積由斷裂能釋放率的數值決定。圖A.3給出了雙線性本構的具體關系。內聚力單元的初始剛度由界面材料的模量和初始界面厚度決定，表示為：66在內聚力模型的實際應用中，往往不是單一載荷作用，因此損傷初始準則需要考慮法向n和兩個切向s、t的混合破壞，將內聚力單元的正應變和兩個切應變、定義為：當界面張開位移達到臨界張開位移時，應力取得最大值，如圖89中點2位置所示；隨著界面張開位移的增加，內聚力單元按照退化系數（或稱為損傷因子）進行剛度退化，到達界面開裂最大位移時，內聚力單元完全失效。圖89中0-2-4圍成的面積等于臨界斷裂能釋放率，反映了界面開裂物理過程中裂紋的斷裂韌性，因此可以通過Ⅰ、Ⅱ型開裂實驗獲得界面的斷裂能釋放率。內聚力單元在初始線性段的應力-應變關系可以表示為：當時，進入剛度退化階段，內聚力單元的應力-應變關系可以表示為：7圖A.3雙線性內聚力模型本構關系7A.3損傷初始準則在界面開裂的有限元模擬中，一般采用基于強度理論的損傷初始階段，包括基于應力和基于應變的兩大類，具體見表A.1。表A.1內聚力損傷初始準則損傷初始準則名稱損傷初始準則表達式最大名義應力準則二次名義應力準則最大名義應變準則二次名義應變準則A.4損傷演化準則內聚力單元滿足損傷初始判據后，將開始發生損傷演化，表現為界面層材料的剛度退化。損傷演化常用以下基于能量的混合準則：①Reeder準則其中，、和為三個方向的斷裂能釋放率，、和為三個方向的臨界斷裂能釋放率，為冪因子，可以根據開裂試驗的數據擬合獲得。這一準則中考慮了的情況。8②二次冪指數準則8③B-K準則在這一準則中認為第一切向和第二切向的臨界斷裂能釋放率相等，即。99參考文獻DugdaleDS.Yieldingofsteelsheetscontainingslits[J].JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids,1960,8(2):100-104.BarenblattGI.Themathematicaltheoryofequilibriumcracksinbrittlefracture[J].Advancesinappliedmechanics,1962,7(55-129):104.HillerborgA,ModéerM,PeterssonPE.Analysisofcrackformationandcrackgrowthinconcret