趙毅磊，劉 野，李洪江，王潔瑩

（黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

引 言

膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試是評(píng)價(jià)膠粘劑本身性能，膠接技術(shù)，被粘試件表面處理質(zhì)量，膠接件與相應(yīng)規(guī)范方法相符好壞的評(píng)價(jià)依據(jù)，是膠粘劑產(chǎn)品研制、開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用必不可少的基本測(cè)試手段。

目前對(duì)膠粘劑力學(xué)性能檢驗(yàn)的基本試驗(yàn)項(xiàng)目中，拉伸剪切試驗(yàn)方法應(yīng)用最為廣泛。而其中，單搭接的拉伸剪切試驗(yàn)方法因其試樣制備及應(yīng)力分析都比較簡(jiǎn)單，成為國(guó)外膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試方法中最常被采用的方法。但由于試樣的非對(duì)稱性，及受力所產(chǎn)生的附加彎矩等因素，導(dǎo)致不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一膠粘劑產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試得到的試驗(yàn)結(jié)果有一定差異[1]。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外不同相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，尋找差異。并通過對(duì)同一膠粘劑產(chǎn)品按照不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大量的試驗(yàn)。論述了由于方法差異對(duì)膠粘劑產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

單搭接剪切強(qiáng)度的測(cè)試試樣在試驗(yàn)時(shí)受到的不僅僅是純剪切力，被粘材料由于受到拉伸應(yīng)力和膠接界面的剪切應(yīng)力組合會(huì)產(chǎn)生彎矩導(dǎo)致試片變形，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。而產(chǎn)生這種影響因素除了與膠粘劑及被粘材料材質(zhì)有關(guān)外，還與膠粘劑試樣的尺寸與加載方式等因素有關(guān)?，F(xiàn)將不同方法和標(biāo)準(zhǔn)的單搭接剪切試樣的尺寸及速度列表如下。

表1 不同單搭接拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的試樣尺寸及加載速度要求Table 1 The specimen size and loading speed requirements of different single lap tensile shear strength test methods and standards

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.6 mm 和2.0 mm 厚Ly12CZ 鋁合金板材；環(huán)氧樹脂膠膜及配套底膠，黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院；INSTRON5982 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)INSTRON 公司;高低溫試驗(yàn)箱，臺(tái)灣高鐵儀器設(shè)備公司。

1.2 試樣的制備

將相應(yīng)厚度的鋁板按各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定切割成相應(yīng)尺寸足夠數(shù)量的試片，然后按HB/Z 197-91[2]進(jìn)行表面處理。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在處理好的金屬試件表面噴涂5～10μm 的底膠，室溫晾置20min 后，置入80℃±3℃的高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)20min。然后將已噴涂底膠并烘干后試片表面分別粘貼相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的粘接面積尺寸的膠膜，粘貼時(shí)要注意排除膠膜裹進(jìn)的氣泡，并按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固化。

1.3 測(cè)試

為方便比較，對(duì)相應(yīng)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試都采取楔形夾具夾持的方式與測(cè)試儀器連接。注意在上夾具夾持后將儀器的載荷和位移調(diào)零，然后打開試樣保護(hù)后用下夾具夾持試樣的下端。然后按表1 中各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度分別對(duì)各組試樣進(jìn)行測(cè)試，獲得每個(gè)試樣的剪切強(qiáng)度，及試樣拉伸模量，因GB/T 7124-2008 與IS0 4587-2003 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在本文研究的范圍內(nèi)參數(shù)完全相同，所以歸為一組進(jìn)行測(cè)試。每組測(cè)試10 個(gè)試樣，以保證每組都能獲得5 個(gè)以上標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)的數(shù)據(jù)，超出的數(shù)據(jù)判斷為無(wú)效數(shù)據(jù)并舍掉，剩下的數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與討論

按照各標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果列表如下。

表2 膠粘劑按不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的測(cè)試結(jié)果Table 2 The test results of adhesives tested according to different standards

2.1 試驗(yàn)速度對(duì)結(jié)果的影響

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在以本文中選用的環(huán)氧膠膜做研究對(duì)象時(shí)，表2 中三個(gè)應(yīng)力加載速度，可通過試驗(yàn)記錄里的時(shí)間位移曲線轉(zhuǎn)化為位移速度，約為1mm/min。這樣對(duì)比尺寸接近的IS04587-2003、GB/T7124-2008、ASTM D1002-2010 和GJB 444-1988 幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)，在不同位移加載速度下，隨著加載速度的增加，膠粘劑強(qiáng)度和試樣拉伸模量都會(huì)有所提高，但數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)有所增加。因?yàn)榧虞d速度增加，導(dǎo)致外力作用時(shí)間變長(zhǎng)，會(huì)使應(yīng)力松弛不夠充分，所以會(huì)得到較高的強(qiáng)度和較低的變形[9]，但數(shù)據(jù)的平行性會(huì)降低。

2.2 試片厚度對(duì)結(jié)果的影響

觀察表2，對(duì)比按照GJB 444-1988 和GJB 1709-1993 測(cè)試得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著被粘試片厚度的增加，被粘試片的楊氏模量相應(yīng)提高，膠粘劑的拉伸剪切強(qiáng)度和試樣的拉伸模量都有所增加，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)增加。由材料力學(xué)研究表明，對(duì)同一膠粘劑進(jìn)行研究時(shí)，被粘試片的楊氏模量越高，則試樣的屈服強(qiáng)度會(huì)越高，這種現(xiàn)象對(duì)于較高強(qiáng)度的膠粘劑會(huì)更明顯。

2.3 試片長(zhǎng)度及搭接長(zhǎng)度對(duì)結(jié)果的影響

觀察表2，對(duì)比按照HB 5164-1981 和GJB 1709-1993 測(cè)試得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著試樣長(zhǎng)度及搭接長(zhǎng)度的增加，試樣的拉伸剪切強(qiáng)度會(huì)有較大提高，但拉伸模量會(huì)降低很多，數(shù)據(jù)的平行性會(huì)有所改善。在被粘試片不發(fā)生變形的情況下，膠接試樣在膠接部分的膠層的內(nèi)部的應(yīng)力分布在長(zhǎng)度方向一般呈直線形式。但如果所測(cè)試的膠粘劑本身模量與被粘試片的模量差別不是很大時(shí)，試樣就會(huì)收到試片拉伸應(yīng)力和膠接界面上的剪切應(yīng)力的雙重影響而產(chǎn)生彎矩發(fā)生變形。在試驗(yàn)過程中可觀察到，按照HB 5164-1981 進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試片會(huì)發(fā)生較大變形，懷疑會(huì)造成部分的膠接頂端剝離，降低了拉伸剪切強(qiáng)度的結(jié)果，但拉伸模量的的測(cè)試是發(fā)生在較大變形前，所以基本不受影響，且由于兩夾具間距離較小得到了較高的拉伸模量。另外，隨著搭接長(zhǎng)度的增加，膠層的應(yīng)力在搭接兩端會(huì)有較高的集中，而內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)不斷減小，有利于獲得較高的拉伸剪切強(qiáng)度結(jié)果。另外隨著試片長(zhǎng)度及搭接長(zhǎng)度增加，試樣出現(xiàn)的變形程度會(huì)降低，可以獲得比較平行的數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)比了國(guó)內(nèi)外主要幾個(gè)膠粘劑單搭接拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法（金屬對(duì)金屬）的標(biāo)準(zhǔn)，并采用一種高強(qiáng)度膠膜進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著加載速度和被粘試片厚度的增加，膠粘劑強(qiáng)度和試樣拉伸模量都會(huì)有所提高，但數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)有所增加。隨著試樣長(zhǎng)度及搭接長(zhǎng)度的增加，試樣的拉伸剪切強(qiáng)度會(huì)有較大提高，但拉伸模量會(huì)降低很多，數(shù)據(jù)的平行性會(huì)有所改善。最后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論。在我們對(duì)同一種產(chǎn)品進(jìn)行研究或檢驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)選用更符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，另外應(yīng)采用同一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。