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一周研发资讯汇总（20260629-20260705）

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本文2097字，阅读约需6分钟

摘要：本研究考虑到粘接剂中添加的改性剂（橡胶颗粒）对粘接剂内部损伤及变形的影响，构建了一个预测CFRP粘接结构强度的多尺度分析模型，有望大幅减少粘接剂开发和粘接结构设计中的试错次数，从而提高材料开发和结构设计的效率。

关键词：碳纤维增强复合材料、粘结剂、粘结结构强度、改性剂、预测模型

要点

为实现飞机结构轻量化，使用粘结剂而非螺栓来连接CFRP等复合材料的粘接结构日益受到期待。

考虑到粘接剂中添加的改性剂（橡胶颗粒）对粘接剂内部损伤及变形的影响，构建了预测CFRP粘接结构强度的多尺度分析模型

有望为以往依赖实验试错法的改性剂添加量设计，提供基于数值分析的指导方针。

概要

在飞机和其他运输设备中，为了提高燃油效率和减少二氧化碳排放，亟需进一步减轻机身结构重量。特别是在下一代飞机中，减少固定结构部件的螺栓等机械紧固方式，采用粘接剂连接CFRP（碳纤维增强塑料）的粘接结构日益受到期待。

飞机用粘接剂广泛使用具有优异的耐热性和力学性能的环氧树脂。然而，环氧树脂易开裂，因此会添加橡胶颗粒等改性剂来提高其韧性。很难事先预测改性剂的添加量会如何影响粘结剂的特性和粘接结构的强度，以往通常需要通过反复实验来寻找最佳条件。

研究小组构建了将一个代表改性剂周边发生的微观损伤的模型与一个代表由粘接剂和CFRP组成的整个粘接结构断裂的模型相耦合的多尺度分析模型。此外，研究小组不仅关注粘接剂的强度，还着眼于表示断裂难以扩展程度的韧性，从实验和数值分析两方面阐明了添加改性剂提高粘接强度的机理。本次获得的成果有望减少粘接剂开发过程中的试错次数，有助于设计高可靠性的粘接结构。

研究背景

CFRP作为一种轻质高强度材料，正被越来越多地应用于飞机结构中。以往，飞机结构部件通过螺栓等固定，但使用螺栓需要在部件上钻孔，可能导致重量增加和应力集中。因此，在下一代飞机中，减少机械紧固、采用粘接剂连接部件的粘接结构日益受到期待。

飞机粘接结构所用的粘接剂广泛使用具有优异的耐热性和力学性能的环氧树脂。但环氧树脂通常硬而脆，需要提高其抗断裂强度。因此，通过在环氧树脂中添加橡胶颗粒等改性剂来改善其韧性。

另一方面，事先很难预测要添加多少改性剂才能优化粘接剂特性和粘接结构强度。以往需要通过反复实验测量粘接剂本身的力学性能和粘接结构的强度，并根据实验结果调整改性剂的添加量。这种试错型开发成为增加材料开发时间和成本的因素。

研究内容

本研究以在环氧树脂中添加核壳橡胶（CSR）颗粒的粘接剂为对象，实施了粘接剂本身的力学性能评估，以及以CFRP为被粘物的单搭接剪切（SLS）试验下的粘接强度评估。首先，研究小组对粘接剂本身进行了拉伸试验和压缩试验，调查了CSR颗粒添加量对弹性模量和强度的影响。此外，研究小组实施了模拟实际粘接结构的SLS试验，评估了粘接剂改性对整个粘接结构强度的影响。

图1. 本研究实施的粘接强度测试。断裂后，在粘接剂表面可以看到CSR颗粒的痕迹。

结果证实，添加CSR颗粒后，粘接剂本身的弹性模量和强度呈下降趋势，但SLS强度却有所提高。特别是添加5wt%的CSR颗粒时获得了最高的粘接强度。这一结果表明，仅凭粘接剂本身的强度无法评估整个粘接结构的性能，理解粘接结构强度表现机理需要考虑材料内部发生的变形和损伤过程。

为此，研究小组构建了一个将材料内部发生的微观现象与整个粘接结构断裂行为相关联的多尺度分析模型。具体而言，将一个代表CSR颗粒周围环氧树脂中发生的塑性变形和损伤的微观结构模型与一个评估由粘接剂层和CFRP被粘物组成的整个粘接结构断裂的结构模型进行了耦合。

图2. 考虑了粘接部位微观损伤的多尺度分析模型。可以从由环氧树脂/CSR颗粒组成的纳米尺度结构预测CFRP粘接结构的强度。

在微观结构模型中，研究小组再现了分散有CSR颗粒的环氧树脂内部，并分析了颗粒周围发生的应力集中、塑性变形及微损伤的扩展。结果表明，CSR颗粒的添加在颗粒周围形成了局部塑性变形区域，有效吸收了外部施加的能量。研究还表明，颗粒周围产生的微损伤有助于提高断裂能，从而提升材料的整体韧性。

另一方面，在结构模型中，研究小组利用从微观结构模型获得的材料特性，分析了SLS试验中的应力分布和损伤扩展。通过将粘接层内损伤的积累和裂纹扩展纳入考虑，预测了粘接结构的最终断裂强度。以往的研究主要关注粘接剂的强度和弹性模量等材料特性，而本研究的特征在于，定量评估了表示断裂难以扩展程度的“韧性”，并将其反映到结构强度预测中。

研究小组利用所构建的多尺度分析模型评估了CSR颗粒添加量的影响，结果证实，实验结果不仅可以很好地重现粘接剂本身的力学性能，还可以很好地重现SLS强度的变化。特别是该模型能够适当地解释“尽管添加CSR颗粒使粘接剂强度下降，但由于韧性的提高，SLS强度反而增加”这一实验结果。

图3. (a)又构建的多尺度分析预测的粘接强度与实验值的比较；(b)粘接结构分析与微观结构分析的协调作用。通过添加CSR颗粒，发生了剪切变形，微损伤区域扩大。

研究还表明，利用本模型可数值化评估改性剂添加量与粘接结构强度之间的关系。以往每次改变粘接剂配方都需反复进行材料试验和粘接强度试验，而利用本研究开发的方法，有望在设计阶段事先预测改性剂添加量对粘接结构的影响。这有望大幅减少粘接剂开发和粘接结构设计中的试错次数，从而提高材料开发和结构设计的效率。

未来展望

今后，研究小组将系统地评估树脂成分差异对粘接强度的影响以及橡胶颗粒尺寸的效果，同时推进与分子动力学分析的融合，以建立更先进的粘接结构设计技术。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv_press20260626_wev03_cfrp.pdf

https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2026.114159

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以数值预测碳纤维增强复合材料粘接结构强度的 多尺度分析模型—— 提高轻型飞机结构粘合剂设计效率

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