膠粘劑粘接強度的分類與檢測方法!

作者:匿名   分類:公司動態   更新時間:2019年3月30日

評價粘接質量最常用的方法就是測定粘接強度。表征膠粘劑性能往往都要給出強度數據,粘接強度是膠粘技術當中一項重要指標,對于選用膠粘劑、研制新膠種、進行接頭設計、改進粘接工藝、正確應用膠粘結構很有指導意義。

 

1.粘接強度定義

      粘接強度是指在外力作用下,使膠粘件中的膠粘劑與被粘物界面或其鄰近處發生破壞所需要的應力,粘接強度又稱為膠接強度。

      粘接強度是膠粘體系破壞時所需要的應力,其大小不僅取決于粘合力、膠粘劑的力學性能、被粘物的性質、粘接工藝,而且還與接頭形式、受力情況(種類、大小、方向、頻率)、環境因素(溫度、濕度、壓力、介質)和測試條件、實驗技術等有關。由此可見,粘合力只是決定粘接強度的重要因素之一,所以粘接強度和粘合力是兩個意義完全不同的概念,絕不能混為一談。

 

2.粘接接頭的受力形式

      粘接接頭在外力作用下膠層所受到的力,可以歸納為剪切、拉伸、不均勻扯離和剝離4種形

(1)剪切。外力大小相等、方向相反,基本與粘接面平行,并均勻分布在整個粘接面上。

(2)拉伸。亦稱均勻扯離,受到方向相反拉力的作用,垂直于粘接面,并均勻分布在整個粘接面上。

(3)不均勻扯離。也叫劈裂,外力作用的方向雖然也垂直于粘接面,但是分布不均勻。

(4)剝離。外力作用的方向與粘接面成一定角度,基本分布在粘接面的一條直線上上述4種力,在同一膠粘體系中很有可能有幾種力同時存在,只是何者為主的問題。

 

3.粘接強度的分類

      根據粘接接頭受力情況不同,粘接強度具體可以分為剪切強度、拉伸強度、不均勻扯離強度、剝離強度、壓縮強度、沖擊強度、彎曲強度、扭轉強度、疲勞強度、抗蠕變強度等。

 

(1)剪切強度

      剪切強度是指粘接件破壞時,單位粘接面所能承受的剪切力,其單位用兆帕(MPa)表示。剪切強度按測試時的受力方式又分為拉伸剪切、壓縮剪切、扭轉剪切和彎曲剪切強度等。

      不同性能的膠粘劑,剪切強度亦不同,在一般情況下,韌性膠粘劑比柔性膠粘劑的剪切強度大。大量試驗表明,膠層厚度越薄,剪切強度越高。

 

      測試條件影響最大的是環境溫度和試驗速度,隨著溫度升高剪切強度下降,隨著試驗速度的減慢剪切強度降低,這說明溫度和速度具有等效關系,即提高測試溫度相當于降低加載速度。

(2)拉伸強度

      拉伸強度又稱均勻扯離強度、正拉強度,是指粘接受力破壞時,單位面積所承受的拉伸力,單位用兆帕(MPa)表示。因為拉伸比剪切受力均勻得多,所以一般膠粘劑的拉伸強度都比剪切強度高得很多。在實際測定時,試件在外力作用下,由于膠粘劑的變形比被粘物大,加之外力作用的不同軸性,很可能產生剪切,也會有橫向壓縮,因此,在扯斷時就可能出現同時斷裂。若能增加試樣的長度和減小粘接面積,便可降低扯斷時剝離的影響,使應力作用分布更為均勻。彈性模量、膠層厚度、試驗溫度和加載速度對拉伸強度的影響基本與剪切強度相似。

 

(3)剝離強度

    隨著剝離角的改變,剝離形式也變化。當剝離角小于或等于90°時為L型剝離,大于90°或等于180°時為U型剝離。這兩種形式適合于剛性材料和撓性材料粘接的剝離。T型剝離用于兩種撓性材料粘接時的剝離。剝離強度受試件寬度和厚度、膠層厚度、剝離強度、剝離角度等因素影響。

 

(4)不均勻扯離強度

      不均勻扯離強度表示粘接接頭受到不均勻扯離力作用時所能承受的最大載荷,因為載荷多集中于膠層的兩個邊緣或一個邊緣上,故是單位長度而不是單位面積受力,單位是kN/m2。

 

(5)沖擊強度

      沖擊強度意指粘接件承受沖擊載荷而破壞時,單位粘接面積所消耗的最大功,單位為kJ/m2。按照接頭形式和受力方式的不同,沖擊強度又分為彎曲沖擊、壓縮剪切沖擊、拉伸剪切沖擊、扭轉剪切沖擊和T型剝離沖擊強度等。

      沖擊強度的大小受膠粘劑韌性、膠層厚度、被粘物種類、試件尺寸、沖擊角度、環境濕度、測試溫度等影響。膠粘劑的韌性越好,沖擊強度越高。當膠粘劑的模量較低時,沖擊強度隨膠層厚度的增加而提高。

 

(6)持久強度

      持久強度就是粘接件長期經受靜載荷作用后,單位粘接面積所能承受的最大載荷,單位用兆帕(MPa)表示。持久強度受加載應力和試驗溫度的影響,隨著加載應力和溫度的提高持久強度下降。

 

(7)疲勞強度

      疲勞強度是指對粘接接頭重復施加一定載荷至規定次數不引起破壞的最大應力。一般把在10次時的疲勞強度稱為疲勞強度極限。一般來說,剪切強度高的膠粘劑,其剝離、彎曲、沖擊等強度總是較低的;而剝離強度大的膠粘劑,它的沖擊、彎曲強度較高。不同類型的膠粘劑,各種強度特性也有很大差異。

      下面簡單介紹拉伸強度和剪切沖擊強度的測定方法。

      拉伸強度的測定方法

A.金屬粘接拉伸強度的測定

 

 試件兩圓柱體的直徑應一致,同軸度為±0.1mm,兩粘接平面平行度為±0.2 mm,加工粗糙度為5.0μm。試件粘接按工藝要求進行,為確保膠層厚度一致,可將φ0.1×(2~3) mm左右的銅絲在疊合前放入膠層內,以專用裝置(見上圖右圖)定位固化。

      測定前從膠層兩旁測量圓柱體的直徑d(精確到1×10-6m)。測定時將試件裝于拉力試驗機的夾具上,調整施力中心線,使其與試件軸線相一致,以(10~20)mm/min的加載速度拉伸,拉斷時記錄破壞負荷,拉伸強度σ按下式計算,單位為MPa。

  σ=F /A

  式中:F ——試件破壞時的負荷;

  A ——試件粘接面積,A=πd2/4。

      每組粘接試件不行少于5個,按允許偏差±15%取算術平均值,保留3位有效數字。如果需要測定高低溫時的拉伸強度,應將試件和夾具一起放入加熱或冷卻裝置內,在要求溫度下保持(40~60)min,然后再進行測定。

 

B.非金屬與金屬粘接拉伸強度的測定

 

   試件按工藝條件要求粘接,粘接面錯位不應大于0.2 mm。測試時將試件裝在夾具上,調整位置使施力方向與粘接面垂直,以(50±5)mm/min的加載速度拉伸,記錄破壞時的最大負荷,按下式計算扯離強度σ,單位為MPa  

σc=F/A

  式中:F ——試件破壞時的負荷;

  A ——粘接面積,A=πd2/4。

  試件不得少于5個,經取舍后不應少于原數量的60%,取其算術平均值,允許偏差為±10%。

 

膠粘劑剪切沖擊強度的測定

      剪切沖擊強度是指試樣承受一定速度的剪切沖擊載荷而破壞時,單位膠接面積所消耗的功,其單位用J/m2表示。膠粘劑剪切沖擊強度按GB/T6328-1986標準進行測定。

 

1.原理

      由2個試塊膠接構成的試樣,使膠接面承受一定速度的剪切沖擊載荷,測定試樣破壞時所消耗的功,以單位膠接面積承受的剪切沖擊破壞力計算剪切沖擊強度。

      試塊——具有規定的形狀、尺寸、精度的塊狀被粘物。

      試樣——將上下兩試塊,通過一定的工藝條件膠接制成的備測件。

 

2.儀器設備

1)試驗機。膠粘劑剪切沖擊試驗機應采用擺錘式沖擊試驗機。其擺錘的速度為3.35m/s。試樣的破壞功應選在試驗機度盤容量的(15~85)%范圍內。

2)夾具。所用夾具應能保證試樣的受擊高度在(0.8~1.0)mm范圍內,并使試樣的受擊面及下試塊的上表面與擺錘刀刃保持平行。

3)量具。所用量具的最小分度值為0.05 mm。

 

3.試塊及試樣制備

1)試塊

①試塊材質。試塊可采用鋼、鋁、銅及其合金等金屬材料和木材、塑料等非金屬材料制作。但木材試塊,需用容積密度大于0.55 g/cm3的白樺木或與此相當的直木紋樹種。上下試塊的容積密度應大致相同。有節疤、斑點、腐朽和顏色異常等的木材,不能用來加工試塊。木材的含水率保持在(12~15)%(以全干質量為基準)。

②試塊尺寸。上試塊尺寸為:長度(25±0.5)mm,寬度(25±0.5)mm,厚度(10±0.5)mm;下試塊尺寸為:長度(45±0.5)mm,寬度(25±0.5)mm,厚度(25±0.5)mm。

③非金屬試塊在加工時,應注意不要因過熱而損傷試塊。

 

2)試樣制備

①試塊膠接表面的預處理方法、膠粘劑涂布及試樣制備工藝等,應按產品的工藝規程確定。

②木材試塊膠接時上下試塊的木紋方向要一致。

在沒有特殊要求的情況下,金屬試樣一般取10個,非金屬試樣一般取12個。

 

4.試驗步驟

(1)將常態條件下停放的試樣,放在試驗環境(溫度23℃,相對濕度50%)下停放30min以上。

(2)在開動試驗機之前,用量具在膠接處分3處度量其長度和寬度,精確到0.1mm。取其算術平均值,計算膠接面積。

(3)按要求將試樣安裝在夾具上。

(4)開動試驗機,使擺錘落下打擊試樣,記錄試樣的破壞功W1。

(5)將被打掉的上試塊,再與下試塊疊合,重復(4)操作1次,記錄試樣的慣性功W0。

(6)記錄每個試樣的破壞類型,如:界面破壞,膠層內聚破壞,混合破壞和試塊變形狀態。

5.試驗結果

剪切沖擊強度Is按下式進行計算,單位為J/m²。

Is=(W1-W0)/A

式中:W1——試樣的沖擊破壞功;W0——試樣的慣性功;A——膠接面積。

測試結果用剪切沖擊強度的算術平均值表示,取3位有效數字。

 

無損檢測方法

目前測定粘接強度應用最普遍的是破壞性試驗,由于抽樣檢測,因此不能完全保證粘接質量的可靠性。隨著膠粘技術在航空航天等高新領域的應用越來越廣泛,對粘接質量及可靠性的要求日益嚴格,迫切需要無損檢測方法。所以研究粘接強度的無損檢測是粘接工藝和實際使用的重要課題。20世紀60年代以來,開始利用粘接強度與被粘物某些物性之間的關系確定粘接強度,例如用超聲波測定膠粘劑動態模量為基礎的粘接強度測定方法。近些年來,由于新技術的運用和方法的不斷改進,使粘接強度的無損檢測由定性向定量,由人工數據處理向計算機智能化發展,無損檢測方法主要采用超聲波、聲和應力波等技術。

 

1.超聲技術

A.聚偏二氯乙烯壓電探頭采用金屬化的聚偏二氯乙烯(PVDF)膜作為超聲無損檢測的探頭,已成功應用于超聲回波,透波及應力波的檢測之中。具有質輕、靈便、超薄及廉價特性,比傳統的陶瓷壓電探頭響應頻帶寬,且不需要任何偶合劑。

 

B.超聲偶合技術采用橡膠襯墊式探頭,不使用液體偶合劑,即干偶合技術。根據材料內聲能的變化來檢測粘接接頭的質量,非常適合于快速探測缺陷。

 

C.平面漏波檢測平面漏波(LLW)是在粘接接頭層面上所激發的邊界敏感的平面波。在LLW無效區域的補償相位對膠層界面狀況十分敏感,缺膠與否及膠之特性都能顯著改變LLW響應。當平面波傳到粘接面時,將同時產生壓縮和剪切兩種應力,它們受界面特性影響不同,使這種無損檢測具有更好的檢測效果。

 

D.超聲回轉象相差技術該方法所測信號為粘接界面反射回來的單音脈沖相位和輻值。根據波在多層介質中的傳播特性與界面強度的關系,可推導出粘接質量參數,它與拉伸強度有較好的線性關系

 

E.超聲頻譜檢測利用超聲波頻譜技術測量膠層的厚度和模量,共振頻率對膠層厚度及模量變化很敏感。超聲波頻譜分析對粘接接頭特性的敏感性十分有用,很有發展潛力。

 

2.聲技術

A.聲發射

聲發射是一種動態無損檢測技術,它將試樣所受的動態負荷與變形過程聯系起來,可表征在動態測試儀中試樣產生的微小變形,是顯示缺陷發展過程和預測缺陷破壞性的一種檢測方法。

 

B.聲-光測量

將粘接接頭作為一個整體,用非接觸性激光激發法分析材料的微觀力學響應。動態響應參數與粘接狀況有很好的相關性,可用于簡便、快速檢測粘接質量。

 

3.其他無損檢測方法

A.應力波應力波是聲發射與超聲波相結合的產物,是較新的無損檢測技術,吸收了傳統超聲波和聲發射的優點,實質仍是超聲波檢測。應力波方法能顯示結構中存在的缺陷-破壞的綜合效應,能把高粘接強度與弱粘接強度區別開來,可用于監測粘接質量,在控制粘接質量和預測粘接強度方面很有發展前途。

 

B.便攜式全息干涉測試系統便攜式全息干涉測試系統能檢測粘接接頭的缺膠和弱粘接強度,為粘接現場提供可行的完整性的測試裝置。

  

C.熱成像技術模擬影響粘接部位熱交換的一系列因素,計算并分析這些因素與粘接缺陷類型及粘接狀況的關系,結果表明,檢測時有一最佳傳熱時間,檢測的最大溫差與脫膠寬度呈線性關系。

  

D.渦流法采用新型脈沖頻率響應技術,將電磁波加于試樣上使之熱振動,再用渦流探頭檢測試樣的響應特性,經計算分析得到一個損耗因子,它與粘接缺陷和粘接強度有較好的相關性。

 

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