膠粘劑粘接強(qiáng)度的分類與檢測(cè)方法
評(píng)價(jià)粘接質(zhì)量最常用的方法就是測(cè)定粘接強(qiáng)度。表征膠粘劑性能往往都要給出強(qiáng)度數(shù)據(jù)，粘接強(qiáng)度是膠粘技術(shù)當(dāng)中一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于選用膠粘劑、研制新膠種、進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)、改進(jìn)粘接工藝、正確應(yīng)用膠粘結(jié)構(gòu)很有指導(dǎo)意義。
1.粘接強(qiáng)度定義
粘接強(qiáng)度是指在外力作用下，使膠粘件中的膠粘劑與被粘物界面或其鄰近處發(fā)生破壞所需要的應(yīng)力，粘接強(qiáng)度又稱為膠接強(qiáng)度。
粘接強(qiáng)度是膠粘體系破壞時(shí)所需要的應(yīng)力，其大小不僅取決于粘合力、膠粘劑的力學(xué)性能、被粘物的性質(zhì)、粘接工藝，而且還與接頭形式、受力情況(種類、大小、方向、頻率)、環(huán)境因素(溫度、濕度、壓力、介質(zhì))和測(cè)試條件、實(shí)驗(yàn)技術(shù)等有關(guān)。由此可見(jiàn)，粘合力只是決定粘接強(qiáng)度的重要因素之一，所以粘接強(qiáng)度和粘合力是兩個(gè)意義完全不同的概念，絕不能混為一談。
2.粘接接頭的受力形式
粘接接頭在外力作用下膠層所受到的力，可以歸納為剪切、拉伸、不均勻扯離和剝離4種形式。
(1)剪切。外力大小相等、方向相反，基本與粘接面平行，并均勻分布在整個(gè)粘接面上。
(2)拉伸。亦稱均勻扯離，受到方向相反拉力的作用，垂直于粘接面，并均勻分布在整個(gè)粘接面上。
(3)不均勻扯離。也叫劈裂，外力作用的方向雖然也垂直于粘接面，但是分布不均勻。
(4)剝離。外力作用的方向與粘接面成一定角度，基本分布在粘接面的一條直線上上述4種力，在同一膠粘體系中很有可能有幾種力同時(shí)存在，只是何者為主的問(wèn)題。
3.粘接強(qiáng)度的分類
根據(jù)粘接接頭受力情況不同，粘接強(qiáng)度具體可以分為剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、不均勻扯離強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度等。
(1)剪切強(qiáng)度
剪切強(qiáng)度是指粘接件破壞時(shí)，單位粘接面所能承受的剪切力，其單位用兆帕(MPa)表示。
剪切強(qiáng)度按測(cè)試時(shí)的受力方式又分為拉伸剪切、壓縮剪切、扭轉(zhuǎn)剪切和彎曲剪切強(qiáng)度等。
不同性能的膠粘劑，剪切強(qiáng)度亦不同，在一般情況下，韌性膠粘劑比柔性膠粘劑的剪切強(qiáng)度大。大量試驗(yàn)表明，膠層厚度越薄，剪切強(qiáng)度越高。
測(cè)試條件影響最大的是環(huán)境溫度和試驗(yàn)速度，隨著溫度升高剪切強(qiáng)度下降，隨著試驗(yàn)速度的減慢剪切強(qiáng)度降低，這說(shuō)明溫度和速度具有等效關(guān)系，即提高測(cè)試溫度相當(dāng)于降低加載速度。
(2)拉伸強(qiáng)度
拉伸強(qiáng)度又稱均勻扯離強(qiáng)度、正拉強(qiáng)度，是指粘接受力破壞時(shí)，單位面積所承受的拉伸力，單位用兆帕(MPa)表示。
因?yàn)槔毂燃羟惺芰鶆虻枚啵砸话隳z粘劑的拉伸強(qiáng)度都比剪切強(qiáng)度高得很多。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，試件在外力作用下，由于膠粘劑的變形比被粘物大，加之外力作用的不同軸性，很可能產(chǎn)生剪切，也會(huì)有橫向壓縮，因此，在扯斷時(shí)就可能出現(xiàn)同時(shí)斷裂。若能增加試樣的長(zhǎng)度和減小粘接面積，便可降低扯斷時(shí)剝離的影響，使應(yīng)力作用分布更為均勻。彈性模量、膠層厚度、試驗(yàn)溫度和加載速度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響基本與剪切強(qiáng)度相似。
(3)剝離強(qiáng)度
剝離強(qiáng)度是在規(guī)定的剝離條件下，使粘接件分離時(shí)單位寬度所能承受的最大載荷，其單位用kN/m表示。
剝離的形式多種多樣，一般可分為L型剝離、U型剝離、T型剝離和曲面剝離，如下圖所示。
隨著剝離角的改變，剝離形式也變化。當(dāng)剝離角小于或等于90°時(shí)為L(zhǎng)型剝離，大于90°或等于180°時(shí)為U型剝離。這兩種形式適合于剛性材料和撓性材料粘接的剝離。T型剝離用于兩種撓性材料粘接時(shí)的剝離。
剝離強(qiáng)度受試件寬度和厚度、膠層厚度、剝離強(qiáng)度、剝離角度等因素影響。
(4)不均勻扯離強(qiáng)度
不均勻扯離強(qiáng)度表示粘接接頭受到不均勻扯離力作用時(shí)所能承受的最大載荷，因?yàn)檩d荷多集中于膠層的兩個(gè)邊緣或一個(gè)邊緣上，故是單位長(zhǎng)度而不是單位面積受力，單位是kN/m2。
(5)沖擊強(qiáng)度
沖擊強(qiáng)度意指粘接件承受沖擊載荷而破壞時(shí)，單位粘接面積所消耗的最大功，單位為kJ/m2。
按照接頭形式和受力方式的不同，沖擊強(qiáng)度又分為彎曲沖擊、壓縮剪切沖擊、拉伸剪切沖擊、扭轉(zhuǎn)剪切沖擊和T型剝離沖擊強(qiáng)度等。
沖擊強(qiáng)度的大小受膠粘劑韌性、膠層厚度、被粘物種類、試件尺寸、沖擊角度、環(huán)境濕度、測(cè)試溫度等影響。膠粘劑的韌性越好，沖擊強(qiáng)度越高。當(dāng)膠粘劑的模量較低時(shí)，沖擊強(qiáng)度隨膠層厚度的增加而提高。
(6)持久強(qiáng)度
持久強(qiáng)度就是粘接件長(zhǎng)期經(jīng)受靜載荷作用后，單位粘接面積所能承受的最大載荷，單位用兆帕(MPa)表示。
持久強(qiáng)度受加載應(yīng)力和試驗(yàn)溫度的影響，隨著加載應(yīng)力和溫度的提高持久強(qiáng)度下降。
(7)疲勞強(qiáng)度
疲勞強(qiáng)度是指對(duì)粘接接頭重復(fù)施加一定載荷至規(guī)定次數(shù)不引起破壞的最大應(yīng)力。一般把在10次時(shí)的疲勞強(qiáng)度稱為疲勞強(qiáng)度極限。
一般來(lái)說(shuō)，剪切強(qiáng)度高的膠粘劑，其剝離、彎曲、沖擊等強(qiáng)度總是較低的;而剝離強(qiáng)度大的膠粘劑，它的沖擊、彎曲強(qiáng)度較高。不同類型的膠粘劑，各種強(qiáng)度特性也有很大差異。
下面簡(jiǎn)單介紹拉伸強(qiáng)度和剪切沖擊強(qiáng)度的測(cè)定方法。
拉伸強(qiáng)度的測(cè)定方法
A.金屬粘接拉伸強(qiáng)度的測(cè)定
測(cè)定金屬粘接拉伸強(qiáng)度的最常用試件如下圖左圖所示。
試件兩圓柱體的直徑應(yīng)一致，同軸度為±0.1mm，兩粘接平面平行度為±0.2 mm，加工粗糙度為5.0μm。試件粘接按工藝要求進(jìn)行，為確保膠層厚度一致，可將φ0.1×(2～3) mm左右的銅絲在疊合前放入膠層內(nèi)，以專用裝置(見(jiàn)上圖右圖)定位固化。
測(cè)定前從膠層兩旁測(cè)量圓柱體的直徑d(精確到1×10-6m)。測(cè)定時(shí)將試件裝于拉力試驗(yàn)機(jī)的夾具上，調(diào)整施力中心線，使其與試件軸線相一致，以(10～20)mm/min的加載速度拉伸，拉斷時(shí)記錄破壞負(fù)荷，拉伸強(qiáng)度σ按下式計(jì)算，單位為MPa。
σ=F /A
式中：F ——試件破壞時(shí)的負(fù)荷;
A ——試件粘接面積，A=πd2/4。
每組粘接試件不行少于5個(gè)，按允許偏差±15%取算術(shù)平均值，保留3位有效數(shù)字。如果需要測(cè)定高低溫時(shí)的拉伸強(qiáng)度，應(yīng)將試件和夾具一起放入加熱或冷卻裝置內(nèi)，在要求溫度下保持(40~60)min，然后再進(jìn)行測(cè)定。
非金屬與金屬粘接拉伸強(qiáng)度的測(cè)定
非金屬與金屬粘接拉伸強(qiáng)度的測(cè)定，采用兩金屬間夾一層非金屬的方法。在此，介紹一下橡膠與金屬粘接扯離強(qiáng)度的測(cè)定方法。橡膠厚度為(2±0.3)mm，粘接后的試件尺寸如下圖所示。
試件按工藝條件要求粘接，粘接面錯(cuò)位不應(yīng)大于0.2 mm。測(cè)試時(shí)將試件裝在夾具上，調(diào)整位置使施力方向與粘接面垂直，以(50±5)mm/min的加載速度拉伸，記錄破壞時(shí)的最大負(fù)荷，按下式計(jì)算扯離強(qiáng)度σ，單位為MPa
σc=F/A
式中：F ——試件破壞時(shí)的負(fù)荷;
A ——粘接面積，A=πd2/4。
試件不得少于5個(gè)，經(jīng)取舍后不應(yīng)少于原數(shù)量的60%，取其算術(shù)平均值，允許偏差為±10%。
膠粘劑剪切沖擊強(qiáng)度的測(cè)定
剪切沖擊強(qiáng)度是指試樣承受一定速度的剪切沖擊載荷而破壞時(shí)，單位膠接面積所消耗的功，其單位用J/m2表示。膠粘劑剪切沖擊強(qiáng)度按GB/T6328-1986標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。
1.原理
由2個(gè)試塊膠接構(gòu)成的試樣，使膠接面承受一定速度的剪切沖擊載荷，測(cè)定試樣破壞時(shí)所消耗的功，以單位膠接面積承受的剪切沖擊破壞力計(jì)算剪切沖擊強(qiáng)度。
試塊——具有規(guī)定的形狀、尺寸、精度的塊狀被粘物。
試樣——將上下兩試塊，通過(guò)一定的工藝條件膠接制成的備測(cè)件。
受擊高度——擺錘刀刃打以上試塊時(shí)，刀刃到下試塊上表面的距離，用H表示，見(jiàn)下圖所示。
2.儀器設(shè)備
1)試驗(yàn)機(jī)。膠粘劑剪切沖擊試驗(yàn)機(jī)應(yīng)采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)。其擺錘的速度為3.35m/s。試樣的破壞功應(yīng)選在試驗(yàn)機(jī)度盤(pán)容量的(15～85)%范圍內(nèi)。
2)夾具。所用夾具應(yīng)能保證試樣的受擊高度在(0.8～1.0)mm范圍內(nèi)，并使試樣的受擊面及下試塊的上表面與擺錘刀刃保持平行。
3)量具。所用量具的最小分度值為0.05 mm。
3.試塊及試樣制備
1)試塊
①試塊材質(zhì)。試塊可采用鋼、鋁、銅及其合金等金屬材料和木材、塑料等非金屬材料制作。但木材試塊，需用容積密度大于0.55 g/cm3的白樺木或與此相當(dāng)?shù)闹蹦炯y樹(shù)種。上下試塊的容積密度應(yīng)大致相同。有節(jié)疤、斑點(diǎn)、腐朽和顏色異常等的木材，不能用來(lái)加工試塊。木材的含水率保持在(12～15)%(以全干質(zhì)量為基準(zhǔn))。
②試塊尺寸。上試塊尺寸為：長(zhǎng)度(25±0.5)mm，寬度(25±0.5)mm，厚度(10±0.5)mm;下試塊尺寸為：長(zhǎng)度(45±0.5)mm，寬度(25±0.5)mm，厚度(25±0.5)mm。
③非金屬試塊在加工時(shí)，應(yīng)注意不要因過(guò)熱而損傷試塊。
2)試樣制備
①試塊膠接表面的預(yù)處理方法、膠粘劑涂布及試樣制備工藝等，應(yīng)按產(chǎn)品的工藝規(guī)程確定。
②木材試塊膠接時(shí)上下試塊的木紋方向要一致。
在沒(méi)有特殊要求的情況下，金屬試樣一般取10個(gè)，非金屬試樣一般取12個(gè)。
4.試驗(yàn)步驟
(1)將常態(tài)條件下停放的試樣，放在試驗(yàn)環(huán)境(溫度23℃，相對(duì)濕度50%)下停放30min以上。
(2)在開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)之前，用量具在膠接處分3處度量其長(zhǎng)度和寬度，精確到0.1mm。取其算術(shù)平均值，計(jì)算膠接面積。
(3)按要求將試樣安裝在夾具上。
(4)開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使擺錘落下打擊試樣，記錄試樣的破壞功W1。
(5)將被打掉的上試塊，再與下試塊疊合，重復(fù)(4)操作1次，記錄試樣的慣性功W0。
(6)記錄每個(gè)試樣的破壞類型，如：界面破壞，膠層內(nèi)聚破壞，混合破壞和試塊變形狀態(tài)。
5.試驗(yàn)結(jié)果
剪切沖擊強(qiáng)度Is按下式進(jìn)行計(jì)算，單位為J/m2。
Is=(W1-W0)/A
式中：W1——試樣的沖擊破壞功;W0——試樣的慣性功;A——膠接面積。
測(cè)試結(jié)果用剪切沖擊強(qiáng)度的算術(shù)平均值表示，取3位有效數(shù)字。
無(wú)損檢測(cè)方法
目前測(cè)定粘接強(qiáng)度應(yīng)用最普遍的是破壞性試驗(yàn)，由于抽樣檢測(cè)，因此不能完全保證粘接質(zhì)量的可靠性。隨著膠粘技術(shù)在航空航天等高新領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)粘接質(zhì)量及可靠性的要求日益嚴(yán)格，迫切需要無(wú)損檢測(cè)方法。所以研究粘接強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)是粘接工藝和實(shí)際使用的重要課題。20世紀(jì)60年代以來(lái)，開(kāi)始利用粘接強(qiáng)度與被粘物某些物性之間的關(guān)系確定粘接強(qiáng)度，例如用超聲波測(cè)定膠粘劑動(dòng)態(tài)模量為基礎(chǔ)的粘接強(qiáng)度測(cè)定方法。近些年來(lái)，由于新技術(shù)的運(yùn)用和方法的不斷改進(jìn)，使粘接強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)由定性向定量，由人工數(shù)據(jù)處理向計(jì)算機(jī)智能化發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)方法主要采用超聲波、聲和應(yīng)力波等技術(shù)。
1超聲技術(shù)
A.聚偏二氯乙烯壓電探頭采用金屬化的聚偏二氯乙烯(PVDF)膜作為超聲無(wú)損檢測(cè)的探頭，已成功應(yīng)用于超聲回波，透波及應(yīng)力波的檢測(cè)之中。具有質(zhì)輕、靈便、超薄及廉價(jià)特性，比傳統(tǒng)的陶瓷壓電探頭響應(yīng)頻帶寬，且不需要任何偶合劑。
B.超聲偶合技術(shù)采用橡膠襯墊式探頭，不使用液體偶合劑，即干偶合技術(shù)。根據(jù)材料內(nèi)聲能的變化來(lái)檢測(cè)粘接接頭的質(zhì)量，非常適合于快速探測(cè)缺陷。
C.平面漏波檢測(cè)平面漏波(LLW)是在粘接接頭層面上所激發(fā)的邊界敏感的平面波。在LLW無(wú)效區(qū)域的補(bǔ)償相位對(duì)膠層界面狀況十分敏感，缺膠與否及膠之特性都能顯著改變LLW響應(yīng)。當(dāng)平面波傳到粘接面時(shí)，將同時(shí)產(chǎn)生壓縮和剪切兩種應(yīng)力，它們受界面特性影響不同，使這種無(wú)損檢測(cè)具有更好的檢測(cè)效果。
D.超聲回轉(zhuǎn)象相差技術(shù)該方法所測(cè)信號(hào)為粘接界面反射回來(lái)的單音脈沖相位和輻值。根據(jù)波在多層介質(zhì)中的傳播特性與界面強(qiáng)度的關(guān)系，可推導(dǎo)出粘接質(zhì)量參數(shù)，它與拉伸強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系
E.超聲頻譜檢測(cè)利用超聲波頻譜技術(shù)測(cè)量膠層的厚度和模量，共振頻率對(duì)膠層厚度及模量變化很敏感。超聲波頻譜分析對(duì)粘接接頭特性的敏感性十分有用，很有發(fā)展?jié)摿Α?/span>
2聲技術(shù)
A.聲發(fā)射
聲發(fā)射是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它將試樣所受的動(dòng)態(tài)負(fù)荷與變形過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，可表征在動(dòng)態(tài)測(cè)試儀中試樣產(chǎn)生的微小變形，是顯示缺陷發(fā)展過(guò)程和預(yù)測(cè)缺陷破壞性的一種檢測(cè)方法。
B.聲-光測(cè)量
將粘接接頭作為一個(gè)整體，用非接觸性激光激發(fā)法分析材料的微觀力學(xué)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)與粘接狀況有很好的相關(guān)性，可用于簡(jiǎn)便、快速檢測(cè)粘接質(zhì)量。
3其他無(wú)損檢測(cè)方法
A.應(yīng)力波應(yīng)力波是聲發(fā)射與超聲波相結(jié)合的產(chǎn)物，是較新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，吸收了傳統(tǒng)超聲波和聲發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)質(zhì)仍是超聲波檢測(cè)。應(yīng)力波方法能顯示結(jié)構(gòu)中存在的缺陷-破壞的綜合效應(yīng)，能把高粘接強(qiáng)度與弱粘接強(qiáng)度區(qū)別開(kāi)來(lái)，可用于監(jiān)測(cè)粘接質(zhì)量，在控制粘接質(zhì)量和預(yù)測(cè)粘接強(qiáng)度方面很有發(fā)展前途。
B.便攜式全息干涉測(cè)試系統(tǒng)便攜式全息干涉測(cè)試系統(tǒng)能檢測(cè)粘接接頭的缺膠和弱粘接強(qiáng)度，為粘接現(xiàn)場(chǎng)提供可行的完整性的測(cè)試裝置。
C.熱成像技術(shù)模擬影響粘接部位熱交換的一系列因素，計(jì)算并分析這些因素與粘接缺陷類型及粘接狀況的關(guān)系，結(jié)果表明，檢測(cè)時(shí)有一最佳傳熱時(shí)間，檢測(cè)的最大溫差與脫膠寬度呈線性關(guān)系。
D.渦流法采用新型脈沖頻率響應(yīng)技術(shù)，將電磁波加于試樣上使之熱振動(dòng)，再用渦流探頭檢測(cè)試樣的響應(yīng)特性，經(jīng)計(jì)算分析得到一個(gè)損耗因子，它與粘接缺陷和粘接強(qiáng)度有較好的相關(guān)性。更多濾芯膠請(qǐng)?jiān)L問(wèn)s1l6e.cn
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