粘接質(zhì)量評價(jià)最常用的方法就是測定力學(xué)性能，強(qiáng)度是最重要的力學(xué)性能參數(shù)，因此表征環(huán)氧膠黏劑的性能都要給出強(qiáng)度數(shù)據(jù)。不言而喻，粘接強(qiáng)度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，對于確定環(huán)氧膠黏劑配方、考查原材料質(zhì)量、選用膠黏劑、研制新品種、進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)、改進(jìn)粘接工藝、正確應(yīng)用粘接技術(shù)頗有指導(dǎo)意義。
粘接強(qiáng)度是指膠粘體系破壞時(shí)所需要的應(yīng)力，目前主要是通過破壞試驗(yàn)測得，當(dāng)然還有無損檢驗(yàn)方法，只是目前尚不很成熟。
了解粘接強(qiáng)度的基本概念、熟悉粘接破壞的類型、研究粘接強(qiáng)度的影響因素、掌握粘接強(qiáng)度的測定方法，對于成功應(yīng)用環(huán)氧膠粘接技術(shù)很有必要。
一、粘接強(qiáng)度的基本概念
粘接強(qiáng)度又稱膠接強(qiáng)度、膠粘強(qiáng)度，是指在外力作用下，使粘接件中的膠黏劑與被粘物界面或其鄰近處發(fā)生破壞所需要的應(yīng)力。
誠然，粘接要有粘接力，但通常評價(jià)粘接體系力學(xué)性能的指標(biāo)是粘接強(qiáng)度而不是粘接力，因?yàn)檎辰恿o法以破壞的形式測得。粘接強(qiáng)度是粘接體系破壞時(shí)所需的應(yīng)力，其大小不僅取決于粘接力、膠黏劑的性能、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、應(yīng)力、介質(zhì)）和測試條件、實(shí)驗(yàn)技術(shù)等有關(guān)。由此可見，粘接力只是決定粘接強(qiáng)度的重要因素之一，所以粘接強(qiáng)度和粘接力是兩個(gè)意義完全不同的概念，絕不能混為一談，更不可相提并論。
根據(jù)粘接接頭受力情況的不同，粘接強(qiáng)度具體可分為剪切強(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。在靜態(tài)力學(xué)性能中最重要的是剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度。
（1）剪切強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度是指粘接件破壞時(shí)，單位粘接面積所能承受的剪切力，其單位可用MPa表示。
剪切強(qiáng)度按測試時(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。
通常給出的剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)都是單搭接拉伸剪切強(qiáng)度。壓縮剪切多用于較厚材料粘接強(qiáng)度的測定。扭轉(zhuǎn)剪切只發(fā)生完全的剪切，而無扯離力，受試樣大小和膠層厚度的影響很小，比拉伸剪切和壓縮剪切優(yōu)越得多，宜用于代替螺接和螺栓固定的強(qiáng)度測定。
（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，是指粘接件受力破壞時(shí)，單位面積所承受的拉伸力，單位為MPa。
因?yàn)槔毂燃羟惺芰鶆虻枚?，所以一般膠黏劑的拉伸強(qiáng)度都比剪切強(qiáng)度高得很多。在實(shí)際測定時(shí)，試樣在外力作用下，由于膠層的變形比被粘物大，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)就不可能出現(xiàn)同時(shí)斷裂。若能增加試樣的長度和減小粘接面積，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)溫度和加荷速度對拉伸強(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負(fù)荷，其單位用kN/m表示。
剝離的形式多種多樣，一般可分為L形剝離、U形剝離、T形剝離和曲面剝離。
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形剝離，大于90°或等于180°時(shí)為U形剝離。這兩種形式適合于剛性材料和撓性材料粘接的剝離。T形剝離用于兩種撓性材料粘接時(shí)的剝離。
剝離強(qiáng)度受試樣寬度和厚度、膠層厚度、剝離速度、剝離角度等的影響。金屬試樣的寬度對剝離強(qiáng)度無影響，而撓性材料則不同，例如橡膠伸長變形較大，相當(dāng)于剝離界面處的寬度減少，會(huì)引起邊緣應(yīng)力集中，而使剝離強(qiáng)度降低。為了避免這種影響可將橡膠襯布。試驗(yàn)表明，襯布比不襯布測得的剝離強(qiáng)度要高，在橡膠薄的試樣中表現(xiàn)更為明顯。這是因?yàn)橄鹉z襯布伸長變形減小，有效剝離寬度較大，剝離界面力的分布比較均勻。所以襯布能夠比較準(zhǔn)確地反映剝離強(qiáng)度的真實(shí)結(jié)果。
（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)所能承受的最大負(fù)荷，因?yàn)樨?fù)荷多集中于膠層的兩個(gè)邊緣或一個(gè)邊緣上，故是單位長度而不是單位面積受力，單位是kN/m。
（5）沖擊強(qiáng)度 沖擊強(qiáng)度意指粘接件承受沖擊負(fù)荷而破壞時(shí)，單位粘接面積所消耗的最大功，單位為kJ/㎡或J/m。沖擊強(qiáng)度實(shí)際上是斷裂能，而不是強(qiáng)度，這是一種習(xí)慣誤稱。
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形剝離沖擊等。
沖擊強(qiáng)度的大小受膠黏劑韌性、膠層厚度、被粘物種類、試樣尺寸、沖擊角度、環(huán)境濕度、測試溫度等影響。膠黏劑的韌性越好，沖擊強(qiáng)度越高。當(dāng)膠黏劑的模量較低時(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)度就是在一恒定溫度下。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，單位粘接面積所能持續(xù)承受的最大靜負(fù)荷，單位為MPa。通常又把在10000h的持久強(qiáng)度稱為持久強(qiáng)度極限。
持久強(qiáng)度受加荷應(yīng)力和試驗(yàn)溫度的影響，隨著加荷應(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)度是指對粘接接頭重復(fù)施加一定負(fù)荷至規(guī)定次數(shù)不引起破壞的最大應(yīng)力。通常把在107次時(shí)的疲勞強(qiáng)度稱為疲勞強(qiáng)度極限。
一般來說，剪切強(qiáng)度高的膠黏劑，其剝離、彎曲、沖擊等強(qiáng)度總是較低的；而剝離強(qiáng)度大的膠黏劑，它的沖擊、彎曲強(qiáng)度較高。不同類型的環(huán)氧膠黏劑，各種強(qiáng)度特性也有很大差異。
二、粘接的破壞類型
粘接與破壞是兩個(gè)相反的過程，但它們彼此之間卻有一定的關(guān)系，從粘接的質(zhì)量可以預(yù)示破壞的難易，從破壞的類型可以分析粘接的好壞。因此，研究與鑒別粘接破壞的類型，將為如何提高粘接強(qiáng)度探明途徑。
粘接接頭在外力與內(nèi)力作用下，當(dāng)超過本身的強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生破壞，按其破壞發(fā)生的部位，破壞大致可以分為4種類型，即膠層破壞、被粘物破壞、界面破壞和混合破壞（見圖9-1）。
 （1）膠層破壞膠黏劑本身發(fā)生破壞，此時(shí)粘接強(qiáng)度取決于膠黏劑的力學(xué)性能。
（2）被粘物破壞有些強(qiáng)度較低的被粘材料。如木材、紙張、織物、皮革、橡膠、塑料等本身發(fā)生破壞。這說明膠黏劑的粘接強(qiáng)度已足夠了。
（3）界面破壞膠層和被粘物界面處發(fā)生的目視可見的破壞現(xiàn)象，即膠層全部與被粘物脫開，其原因是膠黏劑與被粘物界面未能形成足夠的黏附力，因此也把界面破壞又稱為黏附破壞。
（4）混合破壞 膠層破壞、被粘物破壞與界面破壞同時(shí)存在或兼而有之。
膠層或被粘物破壞可以統(tǒng)稱為內(nèi)聚破壞。
粘接的破壞類型不僅與膠黏劑、被粘物和粘接工藝有關(guān)，而且還受測試與使用條件的影響。同時(shí)，破壞類型也不是固定不變的，它隨測試和使用條件的不同而變化。如果膠黏劑對被粘物表面濕潤不良或被粘物表面處理不當(dāng)，則最容易出現(xiàn)界面破壞。在測試時(shí)，具有內(nèi)聚破壞特征的粘接，當(dāng)試驗(yàn)速度加快時(shí)便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌掀茐?，若試?yàn)速度再快，就會(huì)導(dǎo)致界面破壞。有的結(jié)構(gòu)粘接件經(jīng)過一段時(shí)間的浸水或濕熱老化，也會(huì)由原來的內(nèi)聚破壞變?yōu)榻缑嫫茐摹?/DIV>
環(huán)氧樹脂 - mcguy.net -(責(zé)任編輯：admin) 當(dāng)發(fā)生界面破壞時(shí)，不僅粘接強(qiáng)度很低，而且測試數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，因此，粘接最討厭界面破壞，應(yīng)當(dāng)盡量設(shè)法避免。內(nèi)聚破壞固然很好，但對于高強(qiáng)膠層和被粘物的內(nèi)聚破壞也是不多的，故以內(nèi)聚破壞為主的混合破壞，可以說是更為實(shí)際，又比較理想。
三、粘接強(qiáng)度的影響因素
按照理論計(jì)算，界面的黏附強(qiáng)度F=2.06（γL/r），假定作用力的距離r=3×10-10m，θ=0（完全濕潤），已知環(huán)氧膠黏劑的表面張力γL=45mN/m，計(jì)算的結(jié)果F約為300MPa。這說明只要環(huán)氧膠黏劑完全濕潤被粘物表面，就能獲得很高的黏附強(qiáng)度，而不會(huì)呈現(xiàn)界面破壞。但實(shí)測粘接強(qiáng)度至少比理論強(qiáng)度小一個(gè)數(shù)量級，這種顯著的差異表明粘接強(qiáng)度受多種因素的影響。
具體而言，影響粘接強(qiáng)度的因素有環(huán)氧膠黏劑性能、被粘物性質(zhì)、膠層厚度、內(nèi)應(yīng)力、粘接工藝、接頭尺寸與形狀、溫度、外力、介質(zhì)、測試條件等。
（1）環(huán)氧膠黏劑性能的影響 粘接必須要求膠層具有足夠的內(nèi)聚強(qiáng)度，它由環(huán)氧膠黏劑的力學(xué)性能決定。膠黏劑的力學(xué)性能主要取決于所組成的環(huán)氧樹脂力學(xué)性能，這與環(huán)氧樹脂相對分子質(zhì)量、相對分子質(zhì)量分布、極性、支化、交聯(lián)、取向、接枝、共聚、結(jié)晶性、玻璃化溫度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等結(jié)構(gòu)和物性有關(guān)。當(dāng)然也不能忽視固化劑、增韌劑、填充劑、偶聯(lián)劑等的影響。
一般來說，相對分子質(zhì)量高、極性強(qiáng)、結(jié)晶度大、交聯(lián)或取向，其結(jié)果是膠層的內(nèi)聚強(qiáng)度高。玻璃化溫度高、彈性模量大，剪切和拉伸強(qiáng)度均高，但剝離、沖擊、彎曲強(qiáng)度都低，所以評價(jià)膠黏劑的力學(xué)性能時(shí)不能脫離其結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。不同品種環(huán)氧膠黏劑的內(nèi)聚強(qiáng)度差別很大，其粘接強(qiáng)度迥然不同。
（2）被粘物性質(zhì)的影響 粘接作用主要發(fā)生在界面，被粘物的表面狀態(tài)對粘接強(qiáng)度有很大影響。被粘物表面難免會(huì)有灰塵、油污、水分、氧化膜、脫模劑等異物，妨礙環(huán)氧膠黏劑對被粘物的良好濕潤，有時(shí)甚至起著隔離劑的作用，無法進(jìn)行粘接，即使勉強(qiáng)粘接，往往強(qiáng)度很低。因此，在粘接之前對被粘物表面進(jìn)行適當(dāng)處理，可以大幅度提高粘接強(qiáng)度。然而采用不同的處理方法，將會(huì)有不同的粘接效果。
被粘物的模量和厚度越大，應(yīng)力集中系數(shù)越小，則剪切強(qiáng)度越高。
（3）膠層厚度的影響 黏度強(qiáng)度隨膠層厚度增加而降低，這是因?yàn)楹衲z層內(nèi)部缺陷較多，固化后內(nèi)應(yīng)力也大。也有人認(rèn)為剝離強(qiáng)度隨膠層厚度增加而提高，而且很可能是有一定的范圍。
膠層厚度不僅影響粘接強(qiáng)度，還會(huì)引起破壞類型的改變，隨著膠層厚度的增加，膠層內(nèi)聚破壞的可能性增大。實(shí)際上也不是膠層越薄越好，膠層太薄容易造成缺膠，而使粘接強(qiáng)度降低，通常膠層厚度0.08～0.15mm為宜。在保證不缺膠的情況下，薄而均勻的膠層，會(huì)獲得較高的粘接強(qiáng)度。
（4）內(nèi)應(yīng)力的影響 內(nèi)應(yīng)力是接頭在未受到外力作用時(shí)，內(nèi)部所具有的應(yīng)力，有的可能是永久性的，如收縮應(yīng)力；有的可能是暫時(shí)性的，如熱應(yīng)力。收縮應(yīng)力是由于在粘接過程中因溶劑揮發(fā)、聚合成鍵、生成副產(chǎn)物等引起體積收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力，它將保留在粘接體系之中，因此，是一種永久性的內(nèi)應(yīng)力。
熱應(yīng)力是固化和使用過程中，因膠黏劑與被粘物熱膨脹系數(shù)的差異隨溫度變化所引起的應(yīng)力。熱應(yīng)力的產(chǎn)生是弛豫過程引起的，其大小與加熱或冷卻速度有關(guān)，快速冷卻時(shí)內(nèi)應(yīng)力要比慢速時(shí)大2倍。
通常而言，內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)使粘接強(qiáng)度下降，并使粘接接頭的耐久性降低。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力最低時(shí)粘接強(qiáng)度最大。
（5）接頭形式與尺寸 接頭的形式和尺寸對粘接強(qiáng)度也有不可忽視的影響，例如簡單的搭接，若其末端削斜或挖槽都可減小應(yīng)力集中，提高剪切強(qiáng)度。剪切強(qiáng)度隨搭接長度的增加而降低，特別是對彈性模量大的被粘物影響更大。
（6）粘接工藝的影響 粘接強(qiáng)度與粘接工藝密切相關(guān)，由于粘接工藝不當(dāng)而造成粘接質(zhì)量變差，如出現(xiàn)裂紋、氣孔、缺膠、脫粘、裂縫、欠固化或過固化等，都會(huì)使粘接強(qiáng)度大為降低。因此，對于粘接來說且勿只重視膠黏劑的高性能，而忽視粘接工藝的重要性。
（7）溫度的影響 粘接強(qiáng)度與溫度關(guān)系很大，從理論上講，溫度升高，強(qiáng)度下降，但實(shí)際上經(jīng)常是初始時(shí)隨溫度升高，粘接強(qiáng)度反而增加，在一定溫度以上時(shí)，強(qiáng)度才開始下降。也就是說，粘接強(qiáng)度隨溫度的變化會(huì)出現(xiàn)最大值，這是因?yàn)楣袒瘻囟炔粔驎r(shí)，升高溫度又補(bǔ)充了固化，從而使粘接強(qiáng)度提高。
（8）加荷速度的影響 粘接強(qiáng)度還與力的作用時(shí)間有關(guān)，加荷速度的變化會(huì)使膠黏劑處于不同的力學(xué)狀態(tài)，所表現(xiàn)出的粘接強(qiáng)度當(dāng)然不同。另外，加荷速度也會(huì)改變粘接的破壞類型，當(dāng)加荷速度提高時(shí)，內(nèi)聚破壞會(huì)變成混合破壞或界面破壞。一般而言，剪切強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度都隨加荷速度的增加而提高。
四、粘接強(qiáng)度的測試方法
粘接強(qiáng)度對于研制、對比和選用膠黏劑是重要的指標(biāo)，也是粘接前首要關(guān)心的數(shù)據(jù)。
由于粘接強(qiáng)度受測試方法的影響，必須按照國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。
（一）拉伸剪切強(qiáng)度的測定方法
金屬與金屬粘接剪切強(qiáng)度的測試金屬對金屬拉伸剪切強(qiáng)度的測試執(zhí)行GB/T 7124-1986標(biāo)準(zhǔn)。相當(dāng)于ASTM D1002-92標(biāo)準(zhǔn)。
（1）原理試樣為單搭接結(jié)構(gòu)，在試樣的搭接面上施加縱向拉伸剪切力，測定試樣能承受的最大負(fù)荷。搭接面上的平均剪應(yīng)力為膠黏劑的金屬對金屬搭接的拉伸剪切強(qiáng)度。
（2）裝置
a.試驗(yàn)機(jī)。使用的試驗(yàn)機(jī)應(yīng)使試樣的破壞負(fù)荷在滿標(biāo)負(fù)荷的15%～85%之間。試驗(yàn)機(jī)的力值示值誤差不應(yīng)大于1%。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)配備一副自動(dòng)調(diào)心的試樣夾持器，使力線與試樣中心線保持一致。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)保證試樣夾持器的移動(dòng)速度在（5±1）mm/min內(nèi)保持穩(wěn)定。
b.量具。測量試樣搭接面長度和寬度的量具精度不低于0.05mm。
c.夾具。膠接試樣的夾具應(yīng)能保證膠接的試樣符合要求。在保證金屬片不破壞的情況下，試樣與試樣夾持器也可用銷、孔連接的方法。但不能用于仲裁試驗(yàn)。
（3）試樣
a.除非另有規(guī)定，試樣應(yīng)符合圖9-2的形狀和尺寸。標(biāo)準(zhǔn)試樣的搭接長度是（12.5±0.5）mm，金屬片的厚度是（2±0.1）mm［ISO 4587規(guī)定的厚度為（1.6±0.1）mm］。試樣的搭接長度或金屬片的厚度不同對試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有影響。
b.建議使用LY12-CZ鋁合金、1Cr18Ni9Ti不銹鋼、45碳鋼、T2銅等金屬材料。
c.常規(guī)試驗(yàn)，試樣數(shù)量不應(yīng)少于5個(gè)。仲裁試驗(yàn)試樣數(shù)量不應(yīng)少于10個(gè)。
 對于高強(qiáng)度膠黏劑，測試時(shí)如出現(xiàn)金屬材料屈服或破壞的情況，則可適當(dāng)增加金屬片厚度或減小搭接長度。兩者中選擇前者較好。
測試時(shí)金屬片所受的應(yīng)力不要超過其屈服強(qiáng)度σa，金屬片的厚度t可按下式計(jì)算：
 式中 t———金屬片厚度，mm；
L———試樣搭接長度，mm；
τ———膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度，MPa；
σs———金屬材料屈服強(qiáng)度，MPa。
（4）試樣制備
a.試樣可用不帶槽（圖9-3）或帶槽（圖9-4）的平板制備，也可單片制備。
 b.膠接用的金屬片表面應(yīng)平整，不應(yīng)有彎曲、翹曲、歪斜等變形。金屬片應(yīng)無毛刺，邊緣保持直角。
c.膠接時(shí)，金屬片的表面處理、膠黏劑的配比、涂膠量、涂膠次數(shù)、晾置時(shí)間等膠接工藝以及膠黏劑的固化溫度、壓力、時(shí)間等均按膠黏劑的使用要求進(jìn)行。
d.制備試樣都應(yīng)使用夾具，以保證試樣正確地搭接和精確地定位。
e.切割已膠接的平板時(shí)，要防止試樣過熱，應(yīng)盡量避免損傷膠接縫。
（5）試驗(yàn)條件 除非另有規(guī)定，試樣的停放時(shí)間和試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)符合下列要求。
a.試樣制備后到試驗(yàn)的最短時(shí)間為16h，最長時(shí)間為1個(gè)月。
b.試驗(yàn)應(yīng)在溫度為（23±2）℃的環(huán)境中進(jìn)行。仲裁試驗(yàn)或?qū)囟取穸让舾械哪z黏劑應(yīng)在溫度為（23±2）℃、相對濕度為45%～55%的環(huán)境中進(jìn)行。
c.對僅有溫度要求的測試，測試前試樣在試驗(yàn)溫度下停放時(shí)間不應(yīng)少于半小時(shí)；對有溫度、濕度要求的測試，測試前試樣在試驗(yàn)環(huán)境下的停放時(shí)間一般不應(yīng)少于16h。
（6）試驗(yàn)步驟
a.用量具測量試樣搭接面的長度和寬度，精確到0.05mm。
b.把試樣對稱地夾在上下夾持器中，夾持處至搭接端的距離為（50±1）mm。
c.開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，在（5±1）mm/min內(nèi)，以穩(wěn)定速度加載。記錄試樣剪切破壞的最大負(fù)荷。記錄膠接破壞的類型（內(nèi)聚破壞、黏附破壞、金屬破壞）。
（7）試驗(yàn)結(jié)果
a.對金屬搭接的膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度按下式計(jì)算：
 式中 τ———膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度，MPa；
P———試樣剪切破壞的最大負(fù)荷，N；
B———試樣搭接面寬度，mm；
L———試樣搭接面長度，mm。
b.試驗(yàn)結(jié)果以剪切強(qiáng)度的算術(shù)平均值、最高值、最低值表示。取3位有效數(shù)字。
結(jié)構(gòu)膠黏劑扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度的測定參照ASTM E229-97。 |
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