楊國(guó)騰，董 宇

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，中國(guó)人民解放軍駐沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110850）

技術(shù)交流Technical Exchange

膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法分析

楊國(guó)騰，董 宇

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，中國(guó)人民解放軍駐沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110850）

介紹了國(guó)內(nèi)外膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)方法。分析了國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)方法試樣尺寸、試驗(yàn)速度、夾持距離和搭接長(zhǎng)度等參數(shù)的異同點(diǎn)，以及不同參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

膠黏劑；拉伸剪切強(qiáng)度；方法分析

前言

隨著結(jié)構(gòu)膠黏劑的廣泛使用，拉伸剪切強(qiáng)度已成為結(jié)構(gòu)膠黏劑最基本的力學(xué)性能重要指標(biāo)之一，拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法國(guó)內(nèi)有HG2609、HB5184和GB/T7124，國(guó)外有ASTMD1002、BS5350 PC5、DIN5-3281、ISO4587、JISK6850和ГОСТ14759。本文對(duì)這些方法進(jìn)行深入分析，以便大家選擇正確試驗(yàn)方法，獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

1 不同國(guó)家單搭接拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法比較

從表 1可以看出，GB/T7124-2008與 ASTM D1002、BS5350 PC5、ISO4587、JISK6850基本一致或相當(dāng)，與DIN53281相近。HB5184-81與ГОСТ14759基本一致。HG2609-74除試片厚度較厚外，其他參數(shù)與HB5184-81一致。

表1 不同國(guó)家單搭接拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法比較Table 1 The test methods for single overlap tensile shear strength in various countries

2 不同參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.1 搭接長(zhǎng)度

根據(jù)Voikersen膠接接頭應(yīng)力分析，應(yīng)力集中系數(shù)隨搭接長(zhǎng)度L的增加而增大。從圖1可以看出，應(yīng)力在搭接的兩端更為集中，而在搭接中央的應(yīng)力卻不斷減少。通常對(duì)一特定膠黏劑與被粘物，其Lm值一定，當(dāng)L＝Lm時(shí)，此時(shí)搭接中央的應(yīng)力為零，以后再增加搭接長(zhǎng)度也僅僅是增加搭接中央的應(yīng)力為零的部分，接頭破壞負(fù)荷不再增加。反而由于搭接長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致裂紋與缺陷出現(xiàn)概率增加，故實(shí)際測(cè)試的拉伸剪切強(qiáng)度下降。從圖1中可以看出，隨著搭接長(zhǎng)度增加使破壞應(yīng)力不斷下降；同時(shí)隨搭接長(zhǎng)度增加，破壞負(fù)荷開(kāi)始是增加的，但達(dá)一定值后，破壞負(fù)荷增加就十分緩慢了。對(duì)柔韌性好的膠黏劑，可以通過(guò)增加搭接長(zhǎng)度來(lái)提高膠接接頭的承載能力，而熱固性樹(shù)脂膠黏劑，則不可采用增加搭接長(zhǎng)度來(lái)提高膠接接頭的承載能力?？傊?，膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，搭接長(zhǎng)度要按試驗(yàn)方法規(guī)定的尺寸進(jìn)行。

圖1 搭接長(zhǎng)度對(duì)破壞應(yīng)力與破壞負(fù)荷的影響Ⅰ-破壞負(fù)荷；Ⅱ-破壞應(yīng)力（試樣寬度為25.4mm）Fig.1 The effect of overlap length on the failure stress and failure loadⅠ-failure stress;Ⅱ-failure load（The sample width=25.4mm）

2.2 試片厚度

圖2 金屬被粘物厚度、搭接長(zhǎng)度與膠接強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 The effects of thickness of adherend and overlap length on the bonding strength

從圖2可以看出，同一搭接長(zhǎng)度，膠接試片厚度越厚，可承受的破壞負(fù)荷越大，這一點(diǎn)可以從Voikersen膠接接頭應(yīng)力分析中得到解釋。試片越厚，在受力時(shí)形變負(fù)荷強(qiáng)度越高，故膠所承受的破壞負(fù)荷也越高。被粘物的楊氏模量與厚度越大，則應(yīng)力集中系數(shù)越小，膠接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度與被粘物的厚度平方根成正比。因此試片厚度對(duì)膠黏劑的拉伸剪切強(qiáng)度的結(jié)果影響很大，必須嚴(yán)格采用材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法的試片厚度。

通常將被粘物厚度與搭接長(zhǎng)度比值的平方根叫接頭因子。從圖3可以看出，破壞負(fù)荷隨接頭因子增加而增加，達(dá)到一定值后趨向于一恒定值。

在生產(chǎn)中實(shí)際膠接時(shí)，搭接長(zhǎng)度與被粘物厚度之間應(yīng)符合如下公式：

式中 L—被粘物搭接長(zhǎng)度,mm;

σ—被粘物的拉伸強(qiáng)度極限，MPa;

τ—膠黏劑的拉伸剪切強(qiáng)度，MPa;

t—被粘物厚度,mm。

圖3 破壞負(fù)荷與接頭因子的關(guān)系Fig.3 The relation between failure load and joint factor

2.3 夾持距離

試樣夾持的距離對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度也有影響，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 夾持距離對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度的影響Table 2 The effect of clamping distance on the tensile shear strength

從表2可以看出，夾持距離越短，由于所受彎矩越大，則強(qiáng)度越低。因此，膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，夾持距離也應(yīng)嚴(yán)格控制。

2.4 加載速度

加載速度降低，由于外力作用的時(shí)間加長(zhǎng)，使應(yīng)力松弛過(guò)程進(jìn)行得十分充分，從而也顯示出較大變形和較低的強(qiáng)度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試，在規(guī)定的加載速度范圍內(nèi)，加載速度大小對(duì)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有什么影響。因此，膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，加載速度應(yīng)在試驗(yàn)方法規(guī)定的范圍內(nèi)。

2.5 膠層厚度

膠層太厚、太薄其強(qiáng)度都低。這通常可以用下面的幾點(diǎn)理由來(lái)解釋。第一，隨著膠層厚度增加，必然導(dǎo)致膠層內(nèi)聚強(qiáng)度迅速下降；第二，膠層越厚，由于溫度變化引起的內(nèi)應(yīng)力也大，如熱固性膠黏劑，在加熱固化或冷卻時(shí)，樹(shù)脂內(nèi)部膨脹、收縮而造成內(nèi)應(yīng)力，由于膠層厚，所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)增大，這些內(nèi)應(yīng)力可造成膠接接頭強(qiáng)度損失；第三，金屬的膠接強(qiáng)度與高分子化合物的分子定向有關(guān)，由于分子定向能增大被膠接金屬的表面力。這表面力的強(qiáng)度大小又與跟金屬的距離成反比，即在表面分界面上強(qiáng)度最高，膠層中心部位最小，若膠層厚，則膠接強(qiáng)度降低。

膠層太薄，則膠接面上容易缺膠，缺膠處便成為膠黏劑膜的缺陷，在受力時(shí)，于缺陷周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而加速膠膜破裂，導(dǎo)致膠接強(qiáng)度低。

以上分析表明，為了保證膠接接頭具有最高的膠接強(qiáng)度，對(duì)膠層厚度應(yīng)嚴(yán)格控制。不同材質(zhì)的膠接試件，不同種類的膠黏劑，對(duì)膠層的厚度要求也不相同。膠接剛性制件的大多數(shù)膠黏劑，其膠層厚度對(duì)有機(jī)膠黏劑控制在0.05～0.15mm，無(wú)機(jī)膠黏劑控制在0.10～0.20mm?？傊诒ＷC不缺膠的前提下，盡量涂薄一些為好。在實(shí)際操作中，膠層厚度可以用控制涂膠量及固化壓力來(lái)保證。表3和圖4列出了膠層厚度對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度的影響。

表3 膠層厚度對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度的影響Table 3 The effect of thickness of adhesive layer on the tensile shear strength

從表3可以看出，拉伸剪切強(qiáng)度隨膠層厚度增加而下降。

圖4 拉伸剪切強(qiáng)度與膠層厚度的關(guān)系Fig.4 The relation between tensile shear strength and thickness of adhesive layer

從圖4可以看出，拉伸剪切強(qiáng)度隨膠層厚度增加急劇下降，到某一值后強(qiáng)度就不再變化了。

另外，厚度增加還可導(dǎo)致剪切破壞時(shí)膠黏劑的內(nèi)聚破壞概率增加，使強(qiáng)度降低。

2.6 試片材料

根據(jù)材料力學(xué)研究表明：被粘物的楊氏模量越高，則膠在受力的屈服點(diǎn)也越高，膠接頭受力時(shí)的貢獻(xiàn)也越大，這一點(diǎn)對(duì)高強(qiáng)度膠黏劑的拉伸剪切強(qiáng)度影響更加明顯。從試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，同一種結(jié)構(gòu)膠用同樣尺寸的單搭接試片，鋼的膠接強(qiáng)度大于鋁合金的，而鋁合金又大于鎂合金的。其膠接接頭的剪切強(qiáng)度幾乎隨被粘物的屈服強(qiáng)度的增加而呈線性增加。表4列出了用LY12和LY12CZ試片做CB-200膠的拉伸剪切強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果。方法采用GB/T7124-2008。

表4 LY12和LY12CZ對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度影響的對(duì)比結(jié)果Table 4 The effects of LY12 and LY12CZ on the tensile shear strength respectively

從表4可以看出，LY12CZ比LY12的拉伸剪切強(qiáng)度高很多。

3 結(jié) 論

（1）試片厚度對(duì)膠黏劑的拉伸剪切強(qiáng)度的結(jié)果影響很大，必須嚴(yán)格采用材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法的試片厚度。

（2）膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，搭接長(zhǎng)度要按試驗(yàn)方法規(guī)定的尺寸進(jìn)行。

（3）膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，夾持距離也應(yīng)嚴(yán)格按試驗(yàn)方法規(guī)定進(jìn)行。

（4）膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，加載速度應(yīng)在試驗(yàn)方法規(guī)定的范圍內(nèi)。

（5）膠黏劑拉伸剪切試樣制作時(shí)，膠層厚度應(yīng)嚴(yán)格控制，在保證不缺膠的前提下，盡量薄一些為好。

（6）膠黏劑拉伸剪切試樣制作時(shí)，試片材料選擇要正確。

［1］ HG2609-74,金屬膠接拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法［S］.

［2］ HB5164-81,金屬膠接拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》［S］.

［3］ GB/T7124-2008,膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試方法［S］.

［4］ ASTM D1002,膠黏劑單面搭接粘接表面拉伸剪切強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法［S］.

［5］ BS5350 PC5,膠黏劑拉伸搭接剪切強(qiáng)度的測(cè)定方法［S］.

［6］ DIN53281,膠黏劑拉伸搭接剪切強(qiáng)度的測(cè)定方法［S］.

［7］ ISO4587,膠黏劑拉伸搭接剪切強(qiáng)度的測(cè)定方法［S］.

［8］ JISK6850,膠黏劑拉伸搭接剪切強(qiáng)度的測(cè)定方法［S］.

［9］ ГОСТ14759,膠黏劑剪切強(qiáng)度測(cè)定方法［S］.

［10］ 喻國(guó)生，楊國(guó)騰，章菊華.航空非金屬材料性能測(cè)試技術(shù)之《膠黏劑》［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014,3.

Analysis of the Test Methods for Tensile Shear Strength of Adhesive

YANG Guo-teng and DONG Yu
（Military Representative Office of PLA Shenyang Aircraft Industrial（Group）Co.,Ltd.,Shenyang Aircraft Industrial（Group）Co.,Ltd.,Shenyang 110850,China）

The test methods for tensile shear strength of adhesive at home and abroad are introduced.The similarities and differences of the parameters of test are analyzed,such as sample size,test speed,clamping distance and overlap length.And the effect of different parameters on the test results is also discussed.

Adhesive;tensile shear strength;analysis method

TQ430.71

B

1001-0017（2017）03-0228-03

2017-02-06

楊國(guó)騰（1963-），男，福建泉州人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：非金屬材料。E-mail yangguoteng@163.com