韋震等

摘要：參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了用于測(cè)量鋁與端羥基聚丁二烯（丁羥膠）粘接強(qiáng)度的單軸拉伸試驗(yàn)，通過(guò)變換拉伸速率獲得了粘接強(qiáng)度與拉伸速率的關(guān)系，隨著拉伸速率的增大粘接強(qiáng)度不斷升高。同時(shí)進(jìn)行了丁羥膠片的單軸拉伸試驗(yàn)并獲得了200%應(yīng)變范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丁羥膠作為鋁板的膠粘劑的粘接強(qiáng)度明顯大于丁羥膠片自身的強(qiáng)度，且粘接時(shí)丁羥膠的伸長(zhǎng)率明顯下降。

關(guān)鍵詞：粘接強(qiáng)度；鋁/丁羥膠粘接件；率相關(guān)

丁羥膠（HTPB）復(fù)合推進(jìn)劑是一種具有高固體顆粒填充比的高能復(fù)合材料，研究膠粘劑基體（丁羥膠）與固體顆粒（鋁）間的界面粘接狀況對(duì)于研究復(fù)合推進(jìn)劑的力學(xué)性能具有重要意義。顆粒之間的粘接與單軸拉伸試件之間的粘接在粘接機(jī)理上具有一定的相同之處，而且Gyoo-Dong Jung[1，2]等人將膠體與AP平板之間的宏觀粘接剝離試驗(yàn)獲取的粘接性能參數(shù)直接用于細(xì)觀損傷本構(gòu)模型中，獲得了與試驗(yàn)非常吻合的仿真結(jié)果，因此，可以認(rèn)為基于宏觀試驗(yàn)方法對(duì)Al顆粒與丁羥膠（HTPB）粘接界面的研究是可行的。

丁羥膠是一種典型的黏超彈性材料，同時(shí)具有黏彈特性和超彈特性。丁羥膠既可以作為一種類似橡膠的膠體，也可以像丁羥推進(jìn)劑中一樣作為膠粘劑。對(duì)于丁羥膠體的黏彈特性和超彈特性[3]的研究已經(jīng)比較廣泛，但是對(duì)拉伸速率與粘接強(qiáng)度的關(guān)系研究卻很少，大多數(shù)研究都集中在影響粘接強(qiáng)度的一些物理化學(xué)因素上，如被粘表面處理[4]、膠粘劑配方和固化時(shí)間[5，6]等。因此，進(jìn)行丁羥膠粘接界面強(qiáng)度的率相關(guān)研究，揭示粘接強(qiáng)度隨拉伸速率的變化規(guī)律十分必要。

本文通過(guò)拉伸速率的變化，獲得了丁羥膠片不同速率的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和鋁/丁羥膠粘接件不同速率的粘接強(qiáng)度，分析了2者的率相關(guān)特性，并對(duì)丁羥膠作為膠粘劑和作為膠片2種狀態(tài)下的力學(xué)特性進(jìn)行了比較。通過(guò)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)獲得了粘接層變化的顯微圖片，并結(jié)合試驗(yàn)曲線分析了拉伸過(guò)程的典型特征。

1 實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)及制備

本實(shí)驗(yàn)中采用工業(yè)用丁羥膠（HTPB），固化劑選擇異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），嚴(yán)格按照工業(yè)丁羥膠固化過(guò)程實(shí)施。粘接試驗(yàn)參照美國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM中關(guān)于粘接試件拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn) [7]完成。被粘接件采用純鋁加工而成，長(zhǎng)、寬、厚分別為70、25和10 mm。

將經(jīng)預(yù)處理的丁羥膠分為2部分：一部分作為粘接劑用于粘接鋁制試件，保持粘接層厚度為（0.2±0.1）mm，并清除多余丁羥膠；另一部分澆注到預(yù)先涂硅橡膠作為脫模劑的模具中制成丁羥膠片。將2種試件放入真空保溫箱中充分固化。丁羥膠片尺寸為100 mm×10 mm×8 mm。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 粘接件拉伸試驗(yàn)

本文采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)并結(jié)合數(shù)字圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率分別為0.1、1和10 mm/min。 圖1所示為粘接界面單軸拉伸試驗(yàn)典型的載荷-時(shí)間曲線。結(jié)合圖2所示的顯微圖片，可以將整個(gè)斷裂過(guò)程分為3個(gè)階段：試驗(yàn)起始階段（圖2（A））；損傷開(kāi)裂階段（圖2（B）和（C））；卸載后的平臺(tái)段（圖2（D））。在損傷開(kāi)裂階段粘接層先出現(xiàn)膠體的黏性流動(dòng)，隨后載荷達(dá)到了最大值，即界面的粘接強(qiáng)度值。之后，粘接層的變形急劇增加，空隙急速變大，載荷瞬間卸載，但是并沒(méi)有完全卸載，粘接層基本失效。卸載后的平臺(tái)段是因?yàn)槎×u膠具有黏超彈特性，膠體在完全斷裂前可以發(fā)生很大的變形，因此產(chǎn)生這種特有的現(xiàn)象。此時(shí)粘接界面已經(jīng)可以認(rèn)為基本失效，處于對(duì)膠體的拉伸過(guò)程，說(shuō)明鋁/丁羥膠粘接界面的斷裂屬于內(nèi)聚破壞。

從表1可以看出，隨著加載速率的增加，粘接強(qiáng)度相應(yīng)增大，具有明顯的率相關(guān)性。

2.2 丁羥膠片單軸拉伸試驗(yàn)

在以上同樣的實(shí)驗(yàn)條件下完成了丁羥膠片單軸拉伸試驗(yàn)，拉伸速度分別為1、10和100 mm/min。丁羥膠片不同加載速率下的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，在拉伸的初始階段應(yīng)力上升較快，隨著應(yīng)變的增加材料開(kāi)始軟化，彈性模量明顯減低。丁羥膠片具有超彈特性，可在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，最大伸長(zhǎng)率在300%以上。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，膠片可以完全恢復(fù)其形貌，幾何尺寸沒(méi)有顯著變化。丁羥膠片還具有明顯的黏彈特性，從圖3可以看出，在不同拉伸速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著的率相關(guān)特性，即隨著拉伸速率的增加而增大。

2.3 丁羥膠不同狀態(tài)性能比較

作為膠粘劑的丁羥膠與作為彈性體的丁羥膠片力學(xué)性能發(fā)生了一定程度的變化。通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)獲得的粘接層圖片進(jìn)行圖像處理，可以發(fā)現(xiàn)，在粘接界面達(dá)到臨界強(qiáng)度時(shí)，粘接層的臨界厚度為初始厚度的2～4倍，即粘接層的應(yīng)變?yōu)?00%～300%。對(duì)比不同速率下丁羥膠的粘接強(qiáng)度與丁羥膠片的拉伸強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，在相同的應(yīng)變水平下，丁羥膠粘接強(qiáng)度明顯大于丁羥膠體的應(yīng)力水平，這與文獻(xiàn)[8，9]的研究結(jié)果相似。由于丁羥膠的超彈特性以及試驗(yàn)設(shè)備的限制，本文并沒(méi)有得到丁羥膠體的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，但是常武軍[3]的研究表明丁羥膠體的最大伸長(zhǎng)率在500%以上，因此可以斷定，丁羥膠粘接層的伸長(zhǎng)率比丁羥膠片明顯下降。但是也不排除這樣一種可能：丁羥膠片的斷裂強(qiáng)度與粘接強(qiáng)度基本相同，只是斷裂時(shí)不在同一應(yīng)變水平。丁羥膠在2種不同狀態(tài)下的力學(xué)性能的差異可能是由于在固化過(guò)程中作為膠粘劑的丁羥膠與鋁材料發(fā)生了一些物理化學(xué)反應(yīng)引起的，但這一點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過(guò)Al/HTPB粘接強(qiáng)度測(cè)試，揭示了粘接強(qiáng)度隨著加載速率的增加而快速增大的趨勢(shì)，具有明顯的率相關(guān)特性。界面在拉伸變形過(guò)程中具有黏性流動(dòng)特性，且界面失效后會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)段，這都是黏超彈材料特有的表現(xiàn)。通過(guò)不同加載速率下的單軸拉伸試驗(yàn)，獲得了丁羥膠片的率相關(guān)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)在相同的應(yīng)變水平下，丁羥膠粘接強(qiáng)度明顯大于丁羥膠體的應(yīng)力水平。

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