（材料学专业论文）金属胶层复合材料接头性能及基础研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 本文在对国内外金属一胶层复合材料接头性能研究及发展现状进行综述的基 础上，用电子探针微区分析( e p m a ) 、扫描电镜( s e m ) 、x 射线能谱( e d s ) 、 傅里叶变换红外光谱( f t i r ) 、应变片电测法和显微硬度分析等实验手段研究了 胶接接头承载后的力学行为，并系统地论述了作者对金属一胶层复合材料接头性 能测试理论及方法的研究成果。 发现了金属被粘物承载后胶接面上存在明显的硬度变化，不加处理即复用时 可能显著影响接头的承载能力，导致接头强度测试值的显著差异和波动。首次研 究了在正拉、拉剪、劈裂和剥离等载荷作用后被粘物胶接面上的加工硬化问题， 认为其主要原因是被粘物局部发生了塑性变形或出现了残余应力，并已通过小孔 法应力测试结果所验证。 对现有的受集中载荷作用时金属胶接接头应力分布模型作了适当修正和完 善，将传统的均匀承载及“线受力”力学模型修正为“面受力”模型，并已被应 变片电测法实验结果所部分验证。 首次研究了胶瘤中设置的金属填充物对接头强度的影响，并用微观分析和红 外光谱结构分析解释了胶瘤中填充细金属丝后单搭接接头的拉剪强度明显提高 的原因；首次发现破断面上残留胶层上的孔洞类缺陷和金属颗粒之间有着某种伴 生关系，破断面中部金属被粘物上的胶粘剂残留物的形态可能与表面处理状况、 固化程度密切相关。 首次利用应交片电测法研究了结构胶粘剂的固化过程，并提出了胶接残余应 力的产生与胶缝的受制收缩有关的观点，并据实验所得结果推出了金属一胶层复 合材料接头的老化与温差热应力的循环作用密切相关的结论。 为解决水坝坝体裂纹扩展的在线监测技术中所面临的关键问题开发了专用 胶粘剂，并讨论了提高其耐湿热性能的原理。并对其与使用相关的主要性能进行 了试验与分析，实验室研究和工程现场应用的结果显示所开发的胶粘剂及其相关 的工艺技术完全满足使用要求，胶粘剂具有高宙q 韧性、良好的抗老化和耐水性等 优异性能，且能在室温下实现完全固化。一 关键词：金属胶接接头 应力分布模型 残余应力 红外光谱 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt l l i sd i s s e r t a t i o n t h em e c h a n i c a ib e h a v i o r so ft h em e t a l - a d h e s i v e l yb o n d e d c o m p o s i t ej o i n t su n d e rl o a d i n gh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e db ye l e c t r o n p r o b em i c r oa n a l y s i s ( e p m a ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，x - m ye n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r u m ( e d s ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t - i r ) ，s t r a i n 9 g a u g e sa n dm i c r oh a r d n e s st e s t i n gm e t h o d s b a s e do nar e v i e wo f i t sc u r r e n ts t a t e s a n d d e v e l o p i n gt e n d e n c y a l lo v e rt h e w o r l d ，t h e t h e s i s p r e s e n t s s o m en e w a c h i e v e m e n t si nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t e s t i n gm e t h o d s i nt h ef i e l d t h ep h e n o m e n o no fw o r kh a r d e n i n go nt h eb o n d i n gz o n eo fv a r i o u sk i n d so f a d h e s i v e l yb o n d e dj o i n t sa f t e ru n l o a d i n gh a sb e e ns t u d i e da n di tw a sf o u n dt h a tt h e h a r d n e s sv a l u e ss c a rs a m ep o i n tf l u c t u a t e dg r e a t l ya f t e rt h es p e c i m e n ( i n c l u d e st h e t e n s i l eb u t t j o i n t ，s i n g l el a pj o i n t ，p e e la n dc l e a v a g es p e c i m e n ) u n d e r g o i n gt h el o a d t h er e s u l t so b t a i n e ds h o wt h a tt h e c h a n g e so ft h e m i c r oh a r d n e s sv a l u e sw e r e b r o u g h td i r e c t l yb yt h ew o r kh a r d e n i n g ，i e a c c o r d i n gt ot h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n o c c u r r e dl o c a l l yo nt h es u r f a c e so f m e t a la d h e r e n d so rt h er e s i d u a ls t r e s se x i s t e da n d i th a sb e e n p a r t i a l l yv e r i f i e db y h o l e d r i l l i n gm e t h o d t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nm o d e l so ft h em e t a l - t o - m e t a la d h e s i v e l yb o n d e dj o i n t s u n d e rc o n c e n t r a t e dl o a d i n gh a v eb e e nm o d i f i e d t h et r a d i t i o n a lm o d e l so fl o a d e d e v e n l ya n d “l i n ef o r c e dm o d e l h a v eb e e nc h a n g e dt ou n e v e n l ya n d f a c ef o r c e d m o d e l ”a n di d e n t i f i e db ys t r a i ng a u g e sm e t h o d s u b j e c t i n gs i n g l el a pj o i n t sw i t l lf i l l e t si n c l u d i n gm e t a lf i l l e rt oat e n s i l es h e a r l o a dl e a d st oas i g n i f i c a n tv a r i a t i o no ft h e j o i n tf a i l u r es t r e s s e sa n dc h a n g e so ft h e f a i l u r em o d e s i ti se v i d e n tt h a tt h e r ei sac l o s er e l a t i o nb e t w e e nt h ee p m a i m a g e s a n dt h el o a db e a r i n gc a p a c i t yo ft h es i n g l el a pj o i n t s i ta l s or e v e a l st h a tt h em e t a l p a r t i c l e r e m a i n e do nt h ef r a c t u r es u r f a c eo fs i n g l e l a pj o i n ts p e c i m e n o f t e n a c c o m p a n i e dw i t ht h ev o i d si nt h er e s i d u a la d h e s i e v el a y e r i ti sc l e a rt h a t 也e r ei sa c l o s er e l a t i o nb e t w e e nt h es e ma n de p m a i m a g e sa n d t h el o a db e a r i n gc a p a c i t yo f t h e j o i n t s t h er e s i d u a ls t r e s so nt h eb o n d e ds u r f a c e so fm e t a l a d h e r e n d sh a sb e e n i n v e s t i g a t e db a s e do nt h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s se s t a b l i s h e d b yt h ea u t h o r a f t e rt h eh o l e sd r i l l i n gi nt h eb o n d e dz o n eo fs i n g l el a pj o i n t , t h e r e s i d u a ls t r e s sw a sm e a s 砒e dw i t hs t r a i ng a u g e s t e c h n i q u e 华中科技大学博士学位论文 t h ef i r s ts t a g ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i m e m b e d d i n g t h es t r a i ng a u g e si nt h e a d h e s i v e l a y e r t od e t e r m i n et h ef o r m i n g p r o c e s so f r e s i d u a ls t r e s sd u r i n gc u r ea n dt h e s t r e s sd i s t r i b u t i o nm o d e lo nt h e j o i n ta n dg e tc o n s i d e r a b l ea c h i e v e m e n t s t h e r e s u l t s o b t a i n e ds h o wt h a ti tc a nb eu s e d p e r f e c t l y i nm e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i s f o r a d h e s i v e l yb o n d e dj o i n t s f o rt h ep u r p o s eo f o p t i c a lt i m ed i s t r i c tr e f i e e t i o nm o n i t o r i n gt e c h n i q u eu s e df o r d a m s ，an e wk i n do fa d h e s i v eh a sb e e nd e v e l o p e da n da s s o c i a t e dr e s e a r c h e sw i t ht h e m a i n p r o p e r t i e s h a v eb e e n d o n e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n d p r a c t i c a l u s ei n e n g i n e e r i n g s h o w e dt h a tt h e d e v e l o p e da d h e s i v e c o u l db o n dt h e p o l y p r o p y l e n e s u r f a c ec o a t i n go fo p f i e a lf i b e rt oc o n c r e t ep e r f e c t l y ，w i t h h i g h e rt o u g h n e s s ，g o o d a g i n g - r e s i s t a n c ea n dw a t e r - r e s i s t a n c e ，a n dc o u l ds o l i d i f yc o m p l e t e l yu n d e rr t ( r o o m t e m p e r a t u r e ) k e y w o r d s ：a d h e s i v e l y b o n d e dm e t a l j o i n t s m a d b e a r i n gc a p a c i t y w o r k h a r d e n i n g r e s i d u a ls t r e s ss t r e s sd i s t r i b u t i o nm o d e l m e t a lf i l l e ri na d h e s i v ef i l l e t e p m a s e mf t - i r 华中科技大学博士学位论文 1 概论 现代胶接技术始于1 9 4 2 年，主要用于连接复合材料和重要构件，在建筑、机 械、电子、航天、轻纺工业及医学等领域也占有十分重要的地位“，进展较快。 胶接的基本原理是使被粘物( 准备胶接的物体、材料或制件、或胶接后胶层 两边的物体) 借助胶粘剂的粘附作用结合在一起。胶层是胶接构件中的胶粘剂层， 具有传递应力的能力或能够耐受某些介质的作用。胶接技术涉及到材料科学、结 构强度学、表面科学、化学等多学科领域，而人们对一些影响金属一胶层复合材料 接头力学性能( 特别是承载能力) 因素的认识正在逐步加深，本领域已成为胶接 科学与技术的研究前沿。 1 1 研究背景及意义 用胶粘剂将被粘物表面连接在一起的过程称为胶接，即指两个被粘物与胶粘剂共 同形成可承受外载的胶接接头的工艺过程。接头的强度( 承载能力) 取决于被粘物和 胶粘剂自身的力学特性，更与被粘物和胶层间的界面强度有关，还受到胶接部位的被 粘物和胶层的几何特性的影响。胶接与焊接的本质区别在于后者制成的连接构件在焊 缝处为原予结合，而胶接接头的胶缝处有明显的界面，还有弱界面过渡层，几乎不改 变被粘物的自身状态。 主要或者全部由胶粘剂连接而成的金属结构或结构件称为金属胶接结构，为典型 的复合材料结构。用胶粘剂把两个金属被粘物胶接在一起的部位称为金属一胶层复合 材料接头，是一种典型的复合材料接头。日本某种型号的飞机上胶接部件面积占总面 积的8 0 以上，波音飞机机体上由胶粘剂连结的结构件一般超过6 0 。美国在8 0 年 代初期，胶粘剂的消耗量即上升为所有连接材料消耗量的3 0 以上，此后一直保持 上升趋势”1 。具有导电、封装、减振、耐热、耐湿、高弹性等功能的结构胶粘剂，近 年来的研究进展相当快m ”。 一般地，螺栓和铆钉也可以用在复合材料的连接上，但是经常需要将在结构中设 置并连接起均布载荷作用的插件。胶接技术应用趋于广泛，原因在于其能将载荷更加 均匀地分布在结构里，减少因螺栓和铆钉产生的局部应力集中。因此，胶接技术应用 于复合材料中是非常普遍的“”。土工构造物的修补采用胶粘剂一连续碳纤维网的技术 也趋于成熟“”，对混凝土的胶接修补也已进行了探索性研究“”。 胶接结构的缺点或局限性主要表现在：接头的质量难以保证、对接头力学性能方 面的研究不够深入、接头强度相对较低( 所能达到的强度与一般结构钢强度相差一个 ，华中科技大学博士学位论文 数量级) 、接头上胶层中存在着一定的湿热老化现象、影响接头的强度和其他性能的 因素多、关系复杂n ”。 由于高分子材料所特有的流变、蠕变、老化、粘弹性等现象的机理较为复杂， 对金属一胶层复合材料接头力学性能方面的研究深度不够，限制了其使用范围。因而 对胶接接头力学性能评定进行深入研究是将本领域研究工作引向纵深的关键所在。 1 2 相关研究领域及发展现状 1 2 1 金属胶层复合材料接头的破坏类型 对于金属胶层复合材料接头来说，在外力作用下的破坏是由构成接头的胶层、 被粘物和胶粘剂一被粘物的界面区等三个环节中的薄弱环节开始的。接头破坏通常 分为以下4 种情形：胶层破坏，即胶粘剂本身发生破坏，此时胶接强度取决于胶 粘剂的力学性能；被粘物破坏，主要发生在强度较低的被粘材料，如木材、纸张、 织物、皮革、橡胶、塑料等范围，这说明胶接强度已足够；界面破坏，即在胶层 和被粘物界面处发生的目视可见的破坏现象，即胶层全部与被粘物脱开，其原因是 胶粘剂与被粘物未能形成足够的粘附力，因此也把界面破坏叫做粘附破坏；混合 破坏，此时胶层破坏、被粘物破坏与界面破坏存在于同一区域中。 胶层或被粘物破坏可以总称为内聚破坏，而金属被粘物破坏的情况较为少见，故 一般说来，金属胶层复合材料接头的破坏有内聚破坏、界面破坏和混合破坏等三种 情况，强度的预测较为复杂。”3 。 、郭忠信”对铝合金胶缝与接头强度进行了分析，认为胶接接头中，胶层、界面区 与基材表面共同组成了“胶缝”，胶缝不涉及被粘物的几何形式。当涉及力学问题时， 研究的对象就只能是整个接头在胶接接头受力时，破坏可能发生在其中任何一个或 几个薄弱环节。郭忠信将内聚破坏( c o ) 迸一步划分为：胶层内聚破坏( a ) ；底胶内 聚破坏( p ) ；胶层内空腔破坏( v ) 及胶层与底胶间的界面破坏( p a ) 。将粘附破坏( i f ) 进一步划分为：金属本体材料与氧化膜间的界面破坏( t o o ) ；氧化膜内破坏( 0 x ) 及氧 化膜与底胶间的界面破坏( o p ) 。如以由表示胶缝断裂面上各种破坏情况所占面积的百 分数。 = 丸- l - 妒pq - 芦+ 丸 ( 1 一1 ) 蛾，= 丸+ 丸+ 而 办，+ 丸+ 以+ 噍= 1 ( i - 2 ) ( i - 3 ) 2 华中科技大学博士学位论文 式中，下标p 表示载体纤维。 于是，可把接头强度看成是各组成部分之和，即 吼= o i ，谚，+ 丸+ o g 欢 ( 1 4 ) 式中巩一接头的破坏强度。 当然，破坏也可能发生在被粘物本体，这时的巩就直接等于本体材料强度。因谚， 不易判断，故将式( 卜4 ) 改写成 盯6 = 盯，( 1 一一一，一，) + 仃一埘+ 盯g ， ( 1 5 ) 有了式( 1 - 5 ) 即可通过低倍显微镜对破坏原因进行更为明确的分析，由该式还可看 出：胶接质量不仅取决于胶粘剂，也取决于被粘物表面、底胶等材料与工艺因素及其 相互匹配。因此，常把构成胶缝的上述各因素的总体称为“胶接体系”。 在上述分析中，有两处值得商榷的地方，其一是在式( 卜1 ) 和( 卜3 ) 均出现了 丸( 胶层内空腔破坏所占的百分比) ，似乎它既属于内聚破坏，又不属于内聚破坏； 其二是未能考虑胶层中一般存在的内应力，胶膜与被粘物厚度差别，在金属胶接结构 中被粘物对胶层的强烈拘束强化作用，以及破坏一般并不位于同一平面内等因素。若 考虑到这些因素的作用，对于一般的金属胶接结构的典型接头，当不考虑载体纤维的 贡献时，将( 1 - 5 ) 式改写成： o b = a h ，( 1 一丸一九一噍) 以r + 仃耐丸一仃，佴】 ( 1 6 ) 式中，下脚标r 表示残余应力， a 为几何因素的贡献及拘束强化作用的综合作用系数，其值在o 到1 之间： 其他符号的意义与前式相同。 1 2 2 金属胶层复合材料接头强度的常用舅试方法 胶接接头的受力形式按接头在静载作用下胶层所受到的力的类型可以分为剪切 ( 外力大小相等、方向相反，基本与胶接面平行，并均匀分布在整个胶接面上) 、拉伸 ( 外力为一对方向相反的拉力，垂直作用并均匀分布在整个胶接面上) 、劈裂( 外力亦 为一对方向相反的拉力，垂直集中作用于胶接面局部，分布不均匀) 、剥离( 外力作用 的方向与胶接面成一定角度，使被粘物和胶层沿一条直线上分离) 、压缩( 外力为一对 方向相反的压力，垂直作用并均匀分布在整个胶接面上) 等几大类。 胶接接头强度的常用测试方法中，拉伸剪切强度( 平行于胶层的拉伸载荷作用下， - - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ - l _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 3 华中科技大学博士学位论文 胶接接头破坏时，单位胶接面所承受的剪切力) 和拉伸强度( 亦称正拉强度或抗张强 度，为在垂直于胶层的均匀载荷作用下，胶接接头破坏时，单位胶接面所承受的拉伸 力) ，其单位均为m p a ；而劈裂强度( 指在规定的劈裂试验条件下，试样产生分离时 单位胶接宽度所需的拉伸载荷) 和剥离强度( 也称抗剥强度，它是在规定的剥离条件 下，使胶接接头分离时单位宽度所承受的最大负荷) 的单位均是k n m ；冲击强度 ( 胶粘件承受冲击负荷而破坏时，单位胶接面积上所消耗的最大功) 的单位为j m 2 。按照接头形式和受力方式的不同，冲击强度又分为弯曲冲击、压缩剪切冲击、 拉伸剪切冲击、扭转剪切冲击和t 型剥离冲击强度等。近年来人们对胶接接头的抗冲 击性能研究较为关注一。 在劈裂强度测试中，因为外加的拉伸载荷仅集中在接头的局部，金属试样厚度为 1 6 毫米，刚度较大，胶层处于平面应变状态，从某种意义上说，劈裂强度的测试过 程与金属材料的断裂韧性测试过程相近。因而将劈裂强度视为不均匀扯离，视为剥离 的特殊形式是不合适的。 1 2 , 3 影精金属胶层复合材料接头强度的主要因素 试样的几何尺- , - j - 和胶层厚度 由于被胶接试件的尺寸直接影响其刚度及接头上的应力集中程度，同时也关系到 胶粘剂层的均匀程度和固化交联程度，故被胶接金属构件的尺寸变化及胶接面的面积 变化均会影响实际接头的承载能力删。测试金属材料自身的强度时，不同尺寸的试 样所测得的强度值亦有一定差异，但远不如接头试样尺寸的影响那样明显”。 c o e h n 伽曾测定了对接钢棒接头上胶层厚度对结构钢接头正拉强度的影响，发现 随胶层厚度增加，强度呈现出单峰趋势：太厚或过薄均导致强度下降。一般认为胶层 厚度应控制在0 0 3 0 1 5 m m 以内，使接头有较高的抗剪强度，但这个较低的厚度及 其在整个胶接面上的均匀程度却难以保证。另外对不同的胶接强度测试方法而言，胶 层厚度很可能存在不同的最佳厚度范围。但在胶接接头的断裂韧性测定和破坏过程研 究中，已发现胶层稍厚时g l c 高，有利于抵御破坏。胶层厚度变化还可能引起破坏类 型的转变，随着胶层厚度的增加，胶层内聚破坏的可能性增大啪“”。将两根不锈钢 棒用环氧树脂胶粘剂粘成对接接头，测试结果表明当胶层厚度从2 0 m m 减少到 0 2 5 r a m 时，接头强度加倍，以临界界面角应力强度因子( 即界面角处断裂韧性) 为 基础的断裂分析可精确推算被测胶层厚度的影响 胶粘剂有较高的弹性模量对提高冲击强度有利。低弹性模量胶粘剂应力集中程度 低、可借助于增加胶接面积提高承受剪切、正拉伸荷载的能力，适中的弹性模量可得 到较高的剥离强度和劈裂强度。 衰面处理状况 金属一胶层复合材料接头是由被粘物、表露膜、底胶和胶粘剂共同组成的复合材 料系统。由于金属胶接的粘附机理主要是机械、化学和吸附作用，表面处理后，金属 表面上产主的任何结构、形貌、化学成分和组织形态等方面的变化，均会对胶接性能 产生较大的影响。对被粘物进行不同的表面处理，使其具有不同的表面状态，可使其 胶接接头具有所需的性能。因此，研究表面处理工艺对表面状态和胶接性能的影响， 以得到使胶接接头的强度和耐久性最高的工艺方法和工艺参数，将对实际生产有着十 分重要的意义“”1 。 s h a k a l 等“研究了不同的表面处理对金属胶接接头的强度和韧性的影响，山边秀 敏总结了不锈钢等材料的表面处理方法。p a r v a t a r e d d y 等研究了经c a a 铬酸阳 极化处理的n 6 a i 广4 v 双悬臂梁试样在不同环境下，经1 2 个月老化后的胶接寿命预 测问题。测试了经不同的时间老化的胶接接头的临界应变能释放率，采用示差热分析 法( d s c ) 对纯树脂试样进行实验，证明存在热可逆的物理老化现象“”。经长时间 老化而不能恢复的那部分胶接强度的损失是因为胶接系统的化学老化或降解，研究对 象包括胶粘剂、经c a a 铬酸阳极化处理的被粘物和它们各自的界面区，实际上 还应包括热应力的作用( 参见第八章) 。在湿热环境下，接头表面经化学处理后可提 高接头强度，为经砂纸打磨处理的接头强度1 5 倍以上删。被粘物上的刻痕处理也可 能利于提高接头的承载能力w 。 目前，从国内外的研究情况看来，对结构钢一胶层复合材料接头的表面处理方面 的研究结果报导较少，仅有个别学者对最常用的钢铁表面处理方法对胶接接头性能的 影响进行了对比，提出了胶接前一些简单的处理方法，且这些方法均只能起到脱脂 和浸蚀的作用，随着能源工业( 特别是电力生产企业) 中对钢件实施胶按的场合增多， 提高结构钢胶接接头的强度的研究工作也逐渐为人们所重视。 圈化工艺参数 结构胶粘剂的强度和刚度与固化温度、时间以及冷却条件有关，胶粘剂的断裂应 力也与固化条件有关m ，。 s 锄8 k t a r 删等研究了固化时问、温度及冷却速度对胶粘剂力学性能的影响，还 研究了在机械粘接的情况下被粘物体积和应力梯度的关系。当环氧树脂在较短固化时 间、温度不断上升条件下固化时，立体交联的环氧树脂分子的数量和尺寸增加，以网 状实现快速而完整的交联。 存放环境条件 胶接强度受所接触介质的影响，其中以水分、湿热老化最为显著删在胶接与 使用过程中水分的存在几乎是不可避免的，水分是产生界面破坏的主要因素尤其是 热和盐的存在更会促进水的解吸附作用，所以在湿热、盐雾、海水环境中胶接接头最 s 容易出现界面破坏，而使胶接强度急剧下降删。l e e 等删注意到胶接接头的强度 在高温或高湿环境下由于胶粘剂的退化而降低，以接头所吸收的水分和温度作为度量 胶接接头在湿热环境中的强度基准，而以吸收的水分来考察管状胶接接头的强度。实 验表明，接头强度随着吸收水分增加而降低，而由于吸水膨胀的影响，管状胶接接头 本身强度则降低得较少。f e m a n d o 等人在“潮湿”的环境下进行胶接接头的循环疲 劳断裂力学研究，认为潮湿环境中接头的疲劳强度研究和标准化将为有效的加速老化 实验提供很好的基础。 强度测试条件 从理论上讲，测试温度升高时将导致所测得的强度值下降”1 。但实际上经常有 初始时随温度升高胶接强度反而增加，在一定温度以上时，强度才开始下降的现象。 胶接强度还与加载时间( 或加载速率) 有关，其变化会使胶粘剂处于不同的力学 状态，所测得的胶接强度不同。另外，加载速率也会改变胶接接头的破坏类型。 s a r l c a k t a r t u j 论述了研究胶粘剂胶接试样时观察到的随拉头速度增加g i c 按指数规律递 增的趋势。强度测定时试样夹持器的自动调心功能可使试样的轴线与加载方向保持 致。当出现偏心时可能引发多轴应力，导致实验条件变化影响测试值，测试条件 还与疲劳寿命有关 填料和添加物 填料又称填充剂，是为改善胶粘剂的工艺性、耐久性、强度及其它性能或降低成 本等而加入的一种非粘性固体物质。加入填料可增加粘度，降低线膨胀系数和收缩率， 提高剪切强度、刚度、硬度、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、阻燃性、导电性等，还可 有效地降低成本，应根据胶粘剂的类型和性能要求进行适当的选择“。 胶癯和开槽 - 对于搭接接头而言，搭接接头端都的胶粘剂层端头由于在接头胶接过程中，叠合 时胶粘剂受到挤压溢出被粘物的端部而形成胶瘤( 亦称“毛边”) 。1 9 7 4 年，亚当斯 等人m 1 在其早期的研究中使用了常量应变，以及二维形心处给出应力的三角形单元的 f e m 方法，研究大小不同胶粘剂的胶瘤的影响，发现在搭接区端头处最大主应力的 绝对值是胶粘剂层另一胶接界面处最大主应力绝对值的4 倍。d o r a 等嗍研究了胶瘤 的存在对铝合金- a b s 工程塑料单搭接接头的拉伸剪切试验中胶层内应力分布的影 响，结果表明，胶瘤的存在降低了胶层中的剪切应力，屈服发生在被粘物的外伸端。 因胶接接头端头不可能呈矩形棱边状，故胶瘤通常回存在于接头上。对不同形状和尺 寸的“毛边”下端头处产生的应力情况进行的研究结果表明，最大应力的位置取决于 胶粘剂毛边的形状。一般认为胶瘤的存在使应力集中程度有一定程度的缓和，从而使 金属单搭接胶接接头的剪切强度有所提高t 删 一_ _ - _ 一 6 一 已有学者发现在连续的胶层中有意留下一定宽度的空隙对于提高单搭接接头的 实际强度作用明显，但却未得出有说服力的作用机理嗍，胶层中的缺陷密度可能有比 较重要的影响。 内应力和残余应力 一般地，接头上存在内应力( 残余应力) 时，胶接接头强度会下降，并降低胶接 接头的耐久性，故内应力为最低限度时胶接强度最大3 。当接头上存在严重的内应力 时，不仅直接引起胶接强度大幅度降低，而且容易导致界面裂纹的产生，在内应力的 连续作用下，界面裂纹或缺陷，会慢慢发展直至破坏，大量实验都证明了这一点一1 。 胶粘剂与金属被粘物之间的界面结合力阻止胶接面积减小，而胶层的固化收缩或胶接 接头的降温过程又使得接头趋于缩小胶接面积，这是胶接体系所固有的矛盾。金属被 粘物具有相当高的弹性模量，因而金属一胶层复合材料接头体系中极易产生数值相当 大的内应力，严重影响胶接质量的稳定性，使胶接强度降低。 k o n g 等瓣州考察了在片状硅与聚酰亚胺胶接中偶联剂对残余应力的影响，用有 限元分析法得到的接头中的残余应力与用激光小薄膜分析法得出对不同厚度胶层残 余应力值较为接近。l c c ”1 发现当胶接接头处于较高的环境温度下时，导致破坏的拉 伸承载能力有所下降，这是由于胶粘剂的弹性模量和断裂强度下降的结果。 h a h n ”1 证明了单组分胶粘剂的热膨胀、反应收缩以及受所用胶粘剂影响的被粘物 可能的热运动对薄钢板整体变形的影响。提出了将整个胶层变形减至最小程度建议： 加合适的填料以减小胶粘剂的物理收缩：降低固化温度以减小胶粘剂层的热收缩；使 被粘接头的部分在近似的温度范围内，以避免相对运动。在热循环载荷作用下胶接接 头中残余应力的作用也是不可忽视的一】。 一般认为，剪切内应力主要源于接头内部。而拉伸内应力则主要来源于外部拘束 或邻近接头的构件本身自重所造成的拘束。形成内应力的条件之一是在胶层失去粘性 流动能力之后胶层在深度固化中收缩受制约。 由文献可知，不仅固化收缩会产生内应力，若被粘物与胶层的热膨胀系数间存在 差别也会产生内应力。在有温度改变时，胶接构件和胶层的应变不同，然而它们之 间的界面为被粘物与胶层所共有，被粘物和胶层为协调变形，彼此之间有互相制约， 因而处于受力状态很明显，热应力的产生也和固化收缩产生的内应力一样，是胶层 弹性变形的结果1 。 1 2 4 金属胶层复合材料接头的破坏过程的徽观分析 永口义久嘲利用表面波发送和接受探头研究劈裂载荷作用下裂纹的扩展过程；池 田能幸用t e m 和s e m 研究了橡胶与金属界面上的成分和微观形貌：原子力显微分析、 探针技术也开始在胶接领域中使用c r o c o m b e e 1 研究了承受蠕变荷载( 约为静载 7 破坏载荷的4 5 8 0 ) 作用的试样裂纹的扩展速度，得出裂纹的增长主要是由蠕 变而不是弹性变形决定的结论。m f c m a n d o 等人嘲将断裂力学运用于研究胶接接头 的循环疲劳行为，疲劳测试结果清楚地表明不利的环境对胶接接头力学性能产生的巨 大影响。c h a d r a 等人“删研究了轮胎中橡胶和钢丝间的失效。用s e m 照片揭示了橡 胶和钢丝的失效主要是橡胶的粘附破坏和橡胶铜丝表面的界面破坏的混合破坏所 引起的。l u “3 等利用s e m 研究了涂层对钢板胶接接头强度的影响，类似的研究工作 、 考查了基体和微小颗粒之间的接触面“。断裂机理方面的研究也逐渐增加“，多 轴应力作用下的疲劳破坏准则研究也引起了一些学者的注意“ m d l l e r “”嘲采用锥形双悬臂梁试样测定钛合金胶接接头临界应变能量释放速度， 裂纹萌生与胶接剂靠近金属表面部分或可能是在胶粘剂金属界面之内。 近年来，在高聚物的断臼分析方面也取得了较大的进展，发现断口上有许多细 致的形貌特征。其中有些特征反映的是材料的微观结构，有些特征纯粹是由于断裂 行为造成的，还有些既与材料的结构有关，又与断裂的行为有关“”1 。几乎所有的高 聚物材料在脆性断裂时，端面上都能形成镜面区、雾状区和粗糙区三个特征区域， 各区域中特征明显“w 。 s c h m i t t 等“卿制备出了适合于表面力测量的相当光滑的块状聚合物，当其浓度 接近临界胶状离子浓度时，就形成了取向单层分子，这将显著的改变了润湿和粘附行 为。被水润湿的涂有表面活化剂的单层分子的聚乙烯表面，胶接强度大大减小。 a g u i a r n l ”对水硬性砂浆和混凝土间界面粘合性能进行了研究，对砂浆破坏表面的微观 分析，清楚地观察到了孔洞结构的减少。 在单搭接接头的力学分析方面的研究已持续了半个多世纪，在假定胶粘剂的应力 应变关系为线性或非线性的前提下，得到了应力分布的解析式，还建立了载荷随时间 变化的粘弹性胶粘剂单搭接接头应力分布模型：对胶按部的照相观察已发现聚碳酸酯 ( 弹性模量2 6 0 0 m p a ，正拉强度6 5 4 m p a ) 单搭接接头在破坏前出现了较明显的剥 离现象和被粘物端部裂纹的扩展；然而根据种种假定条件( 材料均质、连续以及胶粘 剂、被粘物为弹性体等等) 难以反映拉剪载荷作用下的真实情况，这些方法乃至有限 元方法等数值解法也无法表征接头受戴后的力学行为，应探讨研究被粘物破坏表面上 物性( 如显微硬度) 变化情况和借用s e m 、电子探针等手段来分析金属胶接接头拉 剪破坏的过程 1 2 5 胶接机理 关于胶接机理、界面化学等基础理论研究工作已开展几十年，但理论研究仍然是 滞后于胶粘剂的应用研究的一种胶按理论可能在某种场合能较好的解释实际现象， 但在另外一些场合可能会显得无能为力为人们所接受的胶接一般理论主要有以下几 。一 l 种：( 1 ) 机械结合理论：( 2 ) 吸附理论；( 州乞学键理论；( 4 舻散理论：( 5 ) 静电理论；( 6 ) 弱 界面层理论。 胶粘剂与被粘物之间的相互作用一直是胶接机理研究中较为核心的问题。所有金 属固体在几埃的尺度上都是粗糙的“1 ，根据固体的性质及加工方法的不同，表面总 是存在着凹凸、孔隙等粗糙构造。如经机加工的金属表面平均粗糙度为3 6 u m ， 即使经过抛光还存在0 0 2 0 2 5um 的表面不平整现象“”。1 。 胶接机理研究进展 近年来，国内外研究工作者对胶接机理进行了更为深入、广泛的研究，除上述理 论之外，还提出和建立了新的学说，例如分子理论，电磁理论和配价键理论等“”1 ， 但由于胶接过程是一个复杂的物理化学过程，胶接强度不仅取决于胶粘剂性质和被粘 物表面的胶接特性，而且和接头设计，接头成型工艺等密切相关，还受周围环境的影 响，各种相关因素的变化都会影响接头胶接强度和测试结果。 1 2 6 金- 腮复合材料接头应力分布模型 金属一胶层复合材料接头在集中载荷作用下的力学行为是一个受到人们普遍关注 的课题。在经历了持续几十年的研究之后，已有相当多的研究成果可用于描述胶接接 头承载后的应力分布，因而近年来涉及该课题的报导逐渐减少“，似乎该课题的研 究已趋于结束。然而由于高分子材料普遍存在蠕变和应力松弛现象，剪切试样上有明 显的粘弹性行为“蚺，故将胶粘剂视为理想弹性体，用经典力学来研究其力学模型是 不合理的。文献 1 2 0 研究了斜接接头上的剪切应力和剥离应力的分布情况。c h a n g o ” 通过三维有限元分析，研究胶粘剂的弹性模量和厚度对焊接接头应力分布的影响。 结果表明：当胶层较厚或者其弹性模量低的时候，较大的集中应力作用在焊接接头 的边缘处；在同样条件下，剪切应力较小。 单搭接接头 这种接头是金属一胶层复合材料接头中最常用的，且是胶粘剂强度试验最常用的 接头形式，如果没有加以特别说明的话，一般提到的“剪切强度”即是指单搭接接头 的拉伸剪切强度。它也是复合材料连接( 例如纤维增强塑料复合材料结构) 中最常用 接头形式，更是金属基复合材料连接接头中最主要的接头形式n ”1 锄。 对于双搭接胶接接头，可用一些简单的公式来描述胶接剥离应力，在某种场合 下由公式计算所得的结果与用全息干涉测量学计算测量的结果一致。嚣】。h a r u n a 等 人“1 验证了接头强度预测方法，实验和预测强度基本相近n a k a n o 等“用弹性的轴 向对称理论来研究了在异种材料中空管搭接接头承受轴向荷载时的应力和拉力的 分布，结果与用理论预测的实验结果相一致。近年来p a n d e y 等人“”锄研究过搭接 接头的非线性应力，l i u 等“踟研究了不同被粘物在弯矩作用下的应力分布， 一一 9 c r o e o m b e “蚓建立了接头均粘弹性分析力学模型。 对接接头应力分布模型 s a w a 等人“”1 研究了两种被粘物形成的对接接头在拉伸载荷作用下的二维应 力分布，这是建立在弹性力学基础上的二维应力分析。胁d y 等人“3 1 研究了在对接 接头测试正拉强度中界面应力分布时发现：如果残余的固化应力可忽略，界面角应 力将分布在相对于胶层厚来说是一个很大的区域内。虽然有人也注意到当用一定厚 度的橡胶代替胶粘剂分析胶层承载后的力学行为时，胶层周边上的收缩现象，表明 这里可能受到剪切应力作用，从而推测在正拉试验中可能存在着一定程度的应力不 均匀分布，但究竟是何种形式的分布并未得到明确的解答。 。线受力。应力分布模型 金属一胶层复合材料接头的劈裂试验和剥离试验有某些相似之处，即在测试时集 中载荷作用在试样的一侧，其不同之处主要在于试样尺寸方面：两者的试样厚度相差 悬殊( 前者一般为后者的1 0 倍以上) 。因而在采用经典力学分析其应力分布时一般认 为它们均属于“线受力状态”，区别仅在于力臂的大小嘲“”，取力臂l = o 即得剥 离的力学模型中，取力臂l = 一即得劈裂的力学模型嘲： y = ( p 加2 p3 e i ) p e o s f l x + a 4 ( c o s p x s i n , o x ) ( 1 7 ) 卢= 0 e 0 1 4 e 1 8( 1 - 8 ) 假定最终载荷为p 0 ，胶粘剂层在受力点应变为氏= y o t ，则比值y y o 可表达为： y y o = ( 口加p 0 ) p e o s p x 4 , - m ( c o s p x - s i n f l x ) 】0 - 9 ) 当取力臂l = 0 ，则得剥离载荷作用下的应力分布表达式( 1 - l o ) ： _ y = e - p x e o s p x( 1 - 1 0 ) 当取力臂l 一一。则得劈裂载荷作用下的应力分布表达式( i - i i ) ： y y o ；e - p x ( c o s p x - s i n p x ) ( 1 - 1 1 ) 式中：卜挫标为x 处所对应的形变； y 矿- 披层的最大形变； p 被粘物的弹性模量：e 俨胶粘剂的弹性模量： 卜被粘物的转动惯量；6 胶层的厚度。 由以上两式可知应力分布形式为高阻尼调合函数，沿试样的长度( x ) 方向上， 。一一 1 0 拉压应力交替出现，而甚至可以得出剥离点的前沿胶层中存在着高值压缩应力，几乎 与最大的拉伸应力等值的结论( 参见图1 - 1 ) 。然而，那些刚度较低的挠性被粘物是 如何对胶层施加压缩作用的，令人难以想象。 上述经典模型的主要缺陷在于理论分析中均假设被粘物及胶层为理想弹性体，实 际上胶层应为粘弹性体，因而建立在均质连续体介质基础上的力学分析缺乏基础，同 时在列力学平衡方程时，未能将被粘物对胶层的作用力和反作用力同时考虑在内。 劈裂藏荷作用下的力学模型 经典模型中存在一些不容忽视的局限性或不足：首先，模型中将被粘物视为刚体， 对处理力学模型较为方便，但事实上，被粘物在承受劈裂载荷时，其上不仅有弹性变