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摘 要：研究了不同温度复合材料篮球架CFRP板加固钢板试件的粘接性能。结果表明，温度为-20、0、15、30和45℃时，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的极限荷载试验值分别为134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，对应的破坏模式分别为CFRP与胶层剥离+胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏、胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏和钢与胶层剥离+胶层破坏。-20℃和0℃时CFRP/钢试件板面中间缺陷处的应变分布曲线的斜率较大，而15、30和45℃时CFRP/钢试件板面中间缺陷处的应变分布曲线的斜率相对更加平缓;CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件板面A侧和B侧的缺陷处粘接剪应力都高于端面，且存在沿着粘接方向逐渐减小的特征。
关键词：复合材料篮球架;温度;断裂模式;极限荷载;粘接性能
中图分类号：TU391;TB33 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0049-05
Research on Bonding Performance of Composite Material Basketball Frame CFRP/Steel Interface
Qu Tao
（Modern College of Northwest University， Xi an 710130， China）
Abstract：The bonding properties of steel plate specimens reinforced with composite basketball CFRP boards at different temperatures are studied. The results show that the ultimate load test values of CFRP-S-20， CFRP-S0， CFRP-S15， CFRP-S30 and CFRP-S45 specimens are 134.0kN， 190.9kN， 309.9kN， 266.3kN and 144.6kN respectively at - 20 ℃， 0 ℃， 15 ℃， 30 ℃ and 45 ℃，， and the corresponding failure modes are CFRP and adhesive layer peeling + adhesive layer destruction， CFRP interlayer peeling + adhesive layer destruction， adhesive layer destruction， CFRP interlayer peeling +glue layer destruction and peeling of steel and glue layer+glue layer destruction. The slope of the strain distribution curve at the middle defect of the CFRP/steel specimen at -20℃ and 0℃ is larger， while at 15 ℃， 30 ℃ and 45 ℃， the slope of the strain distribution curve at the middle defect of CFRP / steel specimen is relatively more gentle; and the bond shear stress at the defects on the A side and B side of the plate surface of CFRP-S-20， CFRP-S0， CFRP-S15， CFRP-S30 and CFRP-S45 specimens is higher than that on the end face， and it is characterized by gradually decreasing along the bonding direction.
Key words：composite basketball hoop; temperature; fracture mode; ultimate load; bonding performance
0 前言
復合材料篮球架由于具有多种单一材料的共同优点，如强度高、耐腐蚀性能好等特点而逐步发展成为现阶段篮球架材料的主流，这主要是因为通常情况下单一材料并不能完全满足使用要求，而通过将两种或两种以上的材料复合在一起组成的复合材料却可以综合不同材料的特点而最大限度满足使用需求[1]。如，碳纤维复合材料（CFRP）具有质量轻、比强度和比模量高、电阻率低和热膨胀系数小等特点，与钢质材料相比具有质量轻、耐疲劳强度高、高比强度和高比模量[2]，此外，还具有价格低廉、可塑性高等特点，而碳纤维复合材料与钢质材料复合使用而形成的篮球架将极大发挥二者的优势，而目前关于CFRP/钢粘接方面的报道较少[3]，在不同温度作用下CFRP/钢界面粘接性能的作用机理也不清楚[4]。文章开展不同温度复合材料篮球架CFRP/钢界面粘接性能方面的研究，考察了CFRP/钢复合材料篮球架在承受外界环境温度和荷载作用下的粘接性能变化规律，结果可为CFRP/钢复合材料的开发与应用提供必要参考。
1 试验材料与方法
复合材料篮球架是由不锈钢和碳纤维增强塑料（CFRP）复合而成，其中钢质基体为304不锈钢，化学成分（质量分数，%）为0.06C、1.42Mn、0.37Si、0.005P、0.002S、18.2Cr、9.3Ni，余量为Fe，其弹性模量为216GPa、泊松比为0.29、屈服强度399MPa;碳纤维增强塑料（CFRP）板的弹性模量为70.84GPa、拉伸强度170.8MPa、断后伸长率2.3%;采用Sikadur-330CN环氧树脂胶作为CFRP/钢的界面粘接剂，其力学性能为：拉伸强度25MPa、剪切强度16MPa、弹性模量2980MPa、剪切模量1150MPa、法向断裂能0.29N/mm。 按照GB/T 21526-2008《结构胶黏剂粘接前金属和塑料表面处理导则》对碳纤维板和钢板进行表面处理，采用Sikadur-330CN环氧树脂胶对碳纤维板和钢板进行粘贴，预留80mm ×40mm×15mm缺口，然后采用铁块加压法进行加压并确保胶层厚度;在恒温（27℃）条件下养护7d待胶层充分固化后进行另一面的粘贴，之后进行相同的加压和氧化处理。CFRP/钢的拉伸试件尺寸为：钢板夹持端110mm×110mm×15mm、搭接部分350mm×80mm×15mm、CFRP尺寸为340mm×80mm×3mm;CFRP和钢板一侧搭接150mm，通过粘接剂将二者进行粘接，胶层厚度设定为0.38mm，搭接部分缺陷宽度设定为40mm。
在MTS-810型液压伺服万能拉伸试验机上进行CFRP/钢板的静力拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，试件置于铝合金保温箱中控制温度参数和持续时间，基本参数设置如表1所示，低温时采用液氮注入的方式进行控制。拉伸试验采用位移加载控制模式，直至CFRP/钢板试件发生剥离破坏，并采用DB-2000型位移计进行位移测试和采用DH3838NBDF型静态应变测试与测试应变分布;复合材料篮球架CFRP/钢试件的破坏形貌采用Nova-pro5相机进行拍摄。
2 结果及讨论
图2为复合材料篮球架CFRP/钢试件的破坏形貌，分别列出了温度为0、30、45、-20和15℃时的破坏形貌。对比分析可知，除CFRP-S15试件的破坏模式为单一胶层破坏外，其余试件的破坏模式都为混合破坏，具体对应的破坏模式如表2所示。
表2为复合材料篮球架CFRP/钢试件的极限载荷和破坏模式。对比分析可知，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的极限荷载试验值分别为134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，对应的破坏模式分别为CFRP与胶层剥离+胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏、胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏和钢与胶层剥离+胶层破坏。随着试验温度的升高，CFRP/钢试件的极限荷载呈现先增大后减小特征，CFRP-S15试件的极限荷载最大，CFRP-S-20试件的极限荷载最小，这主要是因为较低的温度会使得粘接胶层发生韧脆转变而增加冷脆性，降低试件的承载能力[5-6]。
图3为复合材料篮球架CFRP/钢试件的荷载-位移曲线。对比分析可知，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的荷载-位移曲线都表现为随着板端位移增加而逐渐增大，当到达极限荷载后迅速降低的趋势。CFRP-S15试件的极限荷载最大，且板端位移量明显高于CFRP-S-20、CFRP-S0和CFRP-S45试件。
图4～图8为复合材料篮球架CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力分布图，分别列出了CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件板面A侧和B侧的粘接剪应力变化，荷载分别为25、50、75、100、125和132.9kN。对比分析可知，随着荷载的增加，复合材料篮球架CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力都呈现逐渐增大的趋势;随着离中间缺陷处距离的增加，复合材料篮球架CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力呈现逐渐减小的趋势;-20℃和0℃时CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力的分布较为相似，而15、30和45℃时CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力的分布则呈现不同的特征，这主要与低温下胶层刚度较大、15～45℃时刚度较小而使得应力集中一定程度上消除有关[9]。此外，CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力的重新分布特征仅出现在粘接长度区域，这也就说明粘接强度的提高与粘接区域有关，如果粘接长度较短，在受力过程中应变片损伤情况下，会发生剪应力无法有效获取的现象[10]。CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件板面A侧和B侧的缺陷处粘接剪应力都高于端面，且存在沿着粘接方向逐渐减小的特征。
3 结论
（1）CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的极限荷载试验值分别为134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，对应的破坏模式分别为CFRP与胶层剥离+胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏、胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏和钢与胶层剥离+胶层破坏。
（2）CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的荷载-位移曲线都表现为随着板端位移增加而逐渐增大，当到达极限荷载后迅速降低的趋势。CFRP-S15试件的极限荷载最大，且板端位移量明显高于CFRP-S-20、CFRP-S0和CFRP-S45试件。
（3）-20℃和0℃時CFRP/钢试件板面中间缺陷处的应变分布曲线的斜率较大，而15、30和45℃时CFRP/钢试件板面中间缺陷处的应变分布曲线的斜率相对更加平缓;CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件板面A侧和B侧的缺陷处粘接剪应力都高于端面，且存在沿着粘接方向逐渐减小的特征。
参考文献
[1] Doroudi Y， Fernando D，Nguyen V T，et al.Experimental Study on CFRP-to-Steel Bonded Interfaces under Quasi-Static Cyclic Loading[J].Journal of Composites for Construction，2019，23（4）：1-13.
[2]李传习，罗南海.高温对CFRP板/钢界面力学性能的影响[J].交通科学与工程，2019，35（04）：34-39. [3]Alaa Al-Mosawe，Riadh Al-Mahaidi，Xiao-Ling Zhao.Effect of CFRP properties， on the bond characteristics between steel and CFRP laminate under quasi-static loading[J]. Construction and Building Materials，2015，98：489-501.
[4]Peng Feng，Lili Hu，Xiao-Ling Zhao，et al.Study on thermal effects on fatigue behavior of cracked steel plates strengthened by CFRP sheets[J].Thin-Walled Structures，2014， 82： 311-320.
[5]李传习，柯璐，陈卓异，等.CFRP-钢界面粘结性能试验与数值模拟[J].复合材料学报，2018，35（12）： 3534-3546.
[6]Tong Lewei，Yu Qitong，Zhao Xiao-Ling. Experimental study on fatigue behavior of butt-welded thin-walled steel plates strengthened using CFRP sheets[J].Thin-Walled Structures，2020，147：106-109.
[7] Yu T，Fernando D， Teng J G，et al.Experimental study on CFRP-to-steel bonded interfaces[J].Composites Part B： Engineering，2012，43（5）：2279-2289.
[8]Zhu Chun-yang ，ZhaoYing-hua，Wang Dong-sheng .Numerical Study on Concrete Filled GFRP-Steel Tube under Cyclic Loading[J].Advanced Materials Research，2012， 1494：1003-1009.
[9] Xie Gui-hua，Bian Yu-long，Feng Qian-hong，et al. Experimental study on wedge-bonded anchors for CFRP tendons under cyclic loading[J].Construction and Building Materials，2020，236：117-119.
[10]薛耀，張龙，曹双寅，等.低龄期下CFRP-钢界面黏结性能试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2015，45（2）：360-363.
关键词：复合材料篮球架;温度;断裂模式;极限荷载;粘接性能
中图分类号：TU391;TB33 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0049-05
Research on Bonding Performance of Composite Material Basketball Frame CFRP/Steel Interface
Qu Tao
（Modern College of Northwest University， Xi an 710130， China）
Abstract：The bonding properties of steel plate specimens reinforced with composite basketball CFRP boards at different temperatures are studied. The results show that the ultimate load test values of CFRP-S-20， CFRP-S0， CFRP-S15， CFRP-S30 and CFRP-S45 specimens are 134.0kN， 190.9kN， 309.9kN， 266.3kN and 144.6kN respectively at - 20 ℃， 0 ℃， 15 ℃， 30 ℃ and 45 ℃，， and the corresponding failure modes are CFRP and adhesive layer peeling + adhesive layer destruction， CFRP interlayer peeling + adhesive layer destruction， adhesive layer destruction， CFRP interlayer peeling +glue layer destruction and peeling of steel and glue layer+glue layer destruction. The slope of the strain distribution curve at the middle defect of the CFRP/steel specimen at -20℃ and 0℃ is larger， while at 15 ℃， 30 ℃ and 45 ℃， the slope of the strain distribution curve at the middle defect of CFRP / steel specimen is relatively more gentle; and the bond shear stress at the defects on the A side and B side of the plate surface of CFRP-S-20， CFRP-S0， CFRP-S15， CFRP-S30 and CFRP-S45 specimens is higher than that on the end face， and it is characterized by gradually decreasing along the bonding direction.
Key words：composite basketball hoop; temperature; fracture mode; ultimate load; bonding performance
0 前言
復合材料篮球架由于具有多种单一材料的共同优点，如强度高、耐腐蚀性能好等特点而逐步发展成为现阶段篮球架材料的主流，这主要是因为通常情况下单一材料并不能完全满足使用要求，而通过将两种或两种以上的材料复合在一起组成的复合材料却可以综合不同材料的特点而最大限度满足使用需求[1]。如，碳纤维复合材料（CFRP）具有质量轻、比强度和比模量高、电阻率低和热膨胀系数小等特点，与钢质材料相比具有质量轻、耐疲劳强度高、高比强度和高比模量[2]，此外，还具有价格低廉、可塑性高等特点，而碳纤维复合材料与钢质材料复合使用而形成的篮球架将极大发挥二者的优势，而目前关于CFRP/钢粘接方面的报道较少[3]，在不同温度作用下CFRP/钢界面粘接性能的作用机理也不清楚[4]。文章开展不同温度复合材料篮球架CFRP/钢界面粘接性能方面的研究，考察了CFRP/钢复合材料篮球架在承受外界环境温度和荷载作用下的粘接性能变化规律，结果可为CFRP/钢复合材料的开发与应用提供必要参考。
1 试验材料与方法
复合材料篮球架是由不锈钢和碳纤维增强塑料（CFRP）复合而成，其中钢质基体为304不锈钢，化学成分（质量分数，%）为0.06C、1.42Mn、0.37Si、0.005P、0.002S、18.2Cr、9.3Ni，余量为Fe，其弹性模量为216GPa、泊松比为0.29、屈服强度399MPa;碳纤维增强塑料（CFRP）板的弹性模量为70.84GPa、拉伸强度170.8MPa、断后伸长率2.3%;采用Sikadur-330CN环氧树脂胶作为CFRP/钢的界面粘接剂，其力学性能为：拉伸强度25MPa、剪切强度16MPa、弹性模量2980MPa、剪切模量1150MPa、法向断裂能0.29N/mm。 按照GB/T 21526-2008《结构胶黏剂粘接前金属和塑料表面处理导则》对碳纤维板和钢板进行表面处理，采用Sikadur-330CN环氧树脂胶对碳纤维板和钢板进行粘贴，预留80mm ×40mm×15mm缺口，然后采用铁块加压法进行加压并确保胶层厚度;在恒温（27℃）条件下养护7d待胶层充分固化后进行另一面的粘贴，之后进行相同的加压和氧化处理。CFRP/钢的拉伸试件尺寸为：钢板夹持端110mm×110mm×15mm、搭接部分350mm×80mm×15mm、CFRP尺寸为340mm×80mm×3mm;CFRP和钢板一侧搭接150mm，通过粘接剂将二者进行粘接，胶层厚度设定为0.38mm，搭接部分缺陷宽度设定为40mm。
在MTS-810型液压伺服万能拉伸试验机上进行CFRP/钢板的静力拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，试件置于铝合金保温箱中控制温度参数和持续时间，基本参数设置如表1所示，低温时采用液氮注入的方式进行控制。拉伸试验采用位移加载控制模式，直至CFRP/钢板试件发生剥离破坏，并采用DB-2000型位移计进行位移测试和采用DH3838NBDF型静态应变测试与测试应变分布;复合材料篮球架CFRP/钢试件的破坏形貌采用Nova-pro5相机进行拍摄。
2 结果及讨论
图2为复合材料篮球架CFRP/钢试件的破坏形貌，分别列出了温度为0、30、45、-20和15℃时的破坏形貌。对比分析可知，除CFRP-S15试件的破坏模式为单一胶层破坏外，其余试件的破坏模式都为混合破坏，具体对应的破坏模式如表2所示。
表2为复合材料篮球架CFRP/钢试件的极限载荷和破坏模式。对比分析可知，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的极限荷载试验值分别为134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，对应的破坏模式分别为CFRP与胶层剥离+胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏、胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏和钢与胶层剥离+胶层破坏。随着试验温度的升高，CFRP/钢试件的极限荷载呈现先增大后减小特征，CFRP-S15试件的极限荷载最大，CFRP-S-20试件的极限荷载最小，这主要是因为较低的温度会使得粘接胶层发生韧脆转变而增加冷脆性，降低试件的承载能力[5-6]。
图3为复合材料篮球架CFRP/钢试件的荷载-位移曲线。对比分析可知，CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的荷载-位移曲线都表现为随着板端位移增加而逐渐增大，当到达极限荷载后迅速降低的趋势。CFRP-S15试件的极限荷载最大，且板端位移量明显高于CFRP-S-20、CFRP-S0和CFRP-S45试件。
图4～图8为复合材料篮球架CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力分布图，分别列出了CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件板面A侧和B侧的粘接剪应力变化，荷载分别为25、50、75、100、125和132.9kN。对比分析可知，随着荷载的增加，复合材料篮球架CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力都呈现逐渐增大的趋势;随着离中间缺陷处距离的增加，复合材料篮球架CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力呈现逐渐减小的趋势;-20℃和0℃时CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力的分布较为相似，而15、30和45℃时CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力的分布则呈现不同的特征，这主要与低温下胶层刚度较大、15～45℃时刚度较小而使得应力集中一定程度上消除有关[9]。此外，CFRP/钢试件板面胶层粘接剪应力的重新分布特征仅出现在粘接长度区域，这也就说明粘接强度的提高与粘接区域有关，如果粘接长度较短，在受力过程中应变片损伤情况下，会发生剪应力无法有效获取的现象[10]。CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件板面A侧和B侧的缺陷处粘接剪应力都高于端面，且存在沿着粘接方向逐渐减小的特征。
3 结论
（1）CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的极限荷载试验值分别为134.0、190.9、309.9、266.3和144.6kN，对应的破坏模式分别为CFRP与胶层剥离+胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏、胶层破坏、CFRP层间剥离+胶层破坏和钢与胶层剥离+胶层破坏。
（2）CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件的荷载-位移曲线都表现为随着板端位移增加而逐渐增大，当到达极限荷载后迅速降低的趋势。CFRP-S15试件的极限荷载最大，且板端位移量明显高于CFRP-S-20、CFRP-S0和CFRP-S45试件。
（3）-20℃和0℃時CFRP/钢试件板面中间缺陷处的应变分布曲线的斜率较大，而15、30和45℃时CFRP/钢试件板面中间缺陷处的应变分布曲线的斜率相对更加平缓;CFRP-S-20、CFRP-S0、CFRP-S15、CFRP-S30和CFRP-S45试件板面A侧和B侧的缺陷处粘接剪应力都高于端面，且存在沿着粘接方向逐渐减小的特征。
参考文献
[1] Doroudi Y， Fernando D，Nguyen V T，et al.Experimental Study on CFRP-to-Steel Bonded Interfaces under Quasi-Static Cyclic Loading[J].Journal of Composites for Construction，2019，23（4）：1-13.
[2]李传习，罗南海.高温对CFRP板/钢界面力学性能的影响[J].交通科学与工程，2019，35（04）：34-39. [3]Alaa Al-Mosawe，Riadh Al-Mahaidi，Xiao-Ling Zhao.Effect of CFRP properties， on the bond characteristics between steel and CFRP laminate under quasi-static loading[J]. Construction and Building Materials，2015，98：489-501.
[4]Peng Feng，Lili Hu，Xiao-Ling Zhao，et al.Study on thermal effects on fatigue behavior of cracked steel plates strengthened by CFRP sheets[J].Thin-Walled Structures，2014， 82： 311-320.
[5]李传习，柯璐，陈卓异，等.CFRP-钢界面粘结性能试验与数值模拟[J].复合材料学报，2018，35（12）： 3534-3546.
[6]Tong Lewei，Yu Qitong，Zhao Xiao-Ling. Experimental study on fatigue behavior of butt-welded thin-walled steel plates strengthened using CFRP sheets[J].Thin-Walled Structures，2020，147：106-109.
[7] Yu T，Fernando D， Teng J G，et al.Experimental study on CFRP-to-steel bonded interfaces[J].Composites Part B： Engineering，2012，43（5）：2279-2289.
[8]Zhu Chun-yang ，ZhaoYing-hua，Wang Dong-sheng .Numerical Study on Concrete Filled GFRP-Steel Tube under Cyclic Loading[J].Advanced Materials Research，2012， 1494：1003-1009.
[9] Xie Gui-hua，Bian Yu-long，Feng Qian-hong，et al. Experimental study on wedge-bonded anchors for CFRP tendons under cyclic loading[J].Construction and Building Materials，2020，236：117-119.
[10]薛耀，張龙，曹双寅，等.低龄期下CFRP-钢界面黏结性能试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2015，45（2）：360-363.