在工程領域中，溫度對結構粘合劑的機械性能、斷裂模式有何影響？

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在現代工程領域中，粘合劑作為關鍵的連接技術在各種應用中扮演著重要角色。了解粘合劑的機械性能和斷裂行為對於確保材料和結構的可靠性至關重要。

本文將著重探討粘合劑的機械性能、斷裂模式以及溫度對其性能的影響，以期為改進粘合劑的設計和應用提供有價值的信息。

粘合劑機械性能與溫度影響

粘合劑的機械性能和斷裂模式允許我們定義在特定負載條件和環境退化中可能發生的失效機制。而實驗測試和數值模型為我們提供了優化選擇和使用粘合劑所需的信息，並為對其接頭性能和配置實施可能的改進提供了基礎。

在這個意義上，許多研究人員已經通過雙懸臂樑試驗、端部缺口彎曲試驗、衝擊試驗、單搭接接頭試驗等研究了粘合劑的機械特性，對結合了環氧樹脂和聚氨酯粘合劑特性的粘合劑進行了機械錶征。同時進行實驗測試以測量應力特性、剪切特性、斷裂和熱特性。

關於臨界斷裂韌性，雙懸臂樑試驗最適合計算此參數，臨界斷裂能的估算基於線彈性斷裂力學，其計算需要連續測量DCB試驗中的裂紋長度。基於Irwin-Kies方程，我們得以計算符合性相對於裂紋擴展期間的裂紋長度，包括裂紋尖端旋轉和偏轉的影響。

隨著厚度的增加，臨界斷裂能呈線性增加趨勢。根據以往進行的類似研究確定了相同的趨勢，實驗中我們得出的結論是，斷裂能隨著厚度的增加而增加，因為粘合劑能夠在斷裂前產生增加的塑性流動面積。

研究表明了粘附體厚度對測量值的影響。不管數據簡化方法如何，它是依賴於所用幾何圖形的參數。此外，在薄層膠接接頭中，裂紋被迫沿著通過中間區域的限定路徑，因為一般而言，粘合劑比基材更弱且更具適應性，這通常會導致粘合劑的內聚受到破壞。

在評估粘合劑的強度時，溫度升高的影響非常重要。採礦工業中的一些過程，例如電解提取過程，經常會產生改變設備和結構的熱變化。這種變化與所用粘合劑的收縮率、熱膨脹係數和機械性能變化有關。

關於膠粘劑薄層應力斷裂韌性測定的研究，主要集中在室溫下的實驗中。一些研究側重於分析能夠經受高低溫的結構粘合劑，並通過DCB試驗評估了高溫對環氧粘合劑模式I的影響。

此外，實驗中我們研究了高溫下RTV硅酮粘合劑在模式I下的斷裂韌性，表明斷裂韌性和牽引-分離定律所表現出的溫度依賴性。

同時我們發現使用碳纖維粘合劑和環氧樹脂粘合劑時，碳纖維粘合劑斷裂韌性在196°C時顯著降低。而環氧粘合劑XW1044-3的斷裂韌性在40°C至80°C的溫度下受到顯著影響。

此外，本實驗還研究了速度和溫度對高溫環氧膠粘劑拉伸性能的綜合影響。拉伸試驗在三種不同的速度和不同的溫度下進行，值得注意的是，隨著溫度的升高，粘合劑變得有延展性，導致更高的斷裂變形；最大拉伸應力隨溫度線性降低，而隨速度測試呈對數增加。

在不同溫度範圍內用可熱膨脹顆粒進行結構改性的聚氨酯粘合劑的性能，並進行DCB試驗以評估I型裂紋擴展的強度。在這項工作中，我們對雙懸臂樑試驗進行了分析，以評估溫度對粘合雙組分甲基丙烯酸酯叢MA310關於I型斷裂韌性的影響。

雙懸臂樑試驗

DCB試樣的幾何特徵如圖一所示，我們總共製造了15個樣品用於不同溫度下的測試。為了防止接合界面中可能出現的粘合失效，對被粘物的粘合界面進行準備是非常重要的。

預處理可以增加不利環境條件下的接頭耐久性，同時在金屬粘附體的情況下，提供一定程度的防腐蝕保護，防止金屬潤濕和氧化。

有些機械和化學預處理會引起樣品表面形貌的變化。根據ASTMD2651標準進行粘附體的表面處理過程，該過程包括使用硝酸-磷酸溶液進行金屬蝕刻，產生表面孔隙並完全去除氧化物和雜質。

為了保持基板之間0.6mm的粘合劑厚度不變，放置了金屬墊片(圖2)。為了產生預裂紋，使用具有刀形鋒利邊緣的間隔物，這允許在粘合劑層邊緣的中間平面中誘發應力集中點。

在定位隔板後，通過帶有混合噴嘴的注射槍施加粘合劑，以形成組分的均勻混合物。樣品的固化在20℃的室溫下進行24小時。之後，在測試每個樣品之前，移除墊片。

為了進行DCB測試，本實驗使用具有50kN能力的萬能試驗機Instron3363型。測試以1毫米/分鐘的速度進行。對於室溫、50°C和80°C下的DCB試驗，使用溫度範圍為70°C至350°C的Instron3119-606型環境試驗箱(圖3)，並在測試過程中記錄了曲線。

在開始每個測試之前，考慮放置10分鐘的時間來實現系統的熱平衡。需要強調的是，實驗DCB數據是在沒有預載入的情況下獲得的。

利用實驗獲得的數據，可以實現二維指數公式內聚區模型，因為它是與DCB試驗結果最接近的模型。被粘物被認為具有各向同性的彈性性質，粘合劑用指數內聚模型表示。通過根據粘合劑厚度調整單元的尺寸來構建結構化網格，從而允許精確捕捉應力變化。

考慮到水平方向上元件的長度為0.3mm，本實驗在損傷傳播區域使用了精細網格(圖4)。為了模擬接頭，考慮了CPE4R四節點平面應變單元和COH2D4四節點粘結單元，需要分別分配給被粘物和膠粘劑。

為了模擬試驗條件，在下銷區域的「X」和「Y」軸上施加零位移限制，同時在上銷的「X」軸上施加零位移限制。機器的拉動運動由施加在上銷上的等於1.4mm的垂直位移來表示。

而內聚區模型通過在材料中預先存在的局部裂紋導致損傷開始增長之前確定粘合劑的最大抵抗載荷，以此來預測粘合劑的行為。

CZM是基於應力和相對位移之間的關係，連接對應節點的內聚單元來模擬彈性行為和材料的後期逐漸降解直至其失效。

溫度對結構粘合劑性能的影響

每個溫度下的DCB試驗曲線如圖6所示。隨著溫度的升高，可以觀察到最大負載顯著降低。考慮到每種情況下的最大負載，相對於室溫下的負載，50°C下的負載可能會降低14%。

在80°C下測試的樣品中觀察到了相同的趨勢，其中相對於室溫下的最大載荷，最大載荷降低了26%。對於位移情況可以看出，溫度升高會導致位移增加。

模式I中的臨界能量斷裂確定了的DCB有限元模擬。圖7顯示了室溫、50℃和80℃下的實驗R曲線示例。在這種情況下，需要注意的是，一旦發生故障，將會有一個區域傾向於保持恆定，而不是有一個不受干擾的下降。

圖8顯示了溫度對實驗的影響。根據研究結果，地震震級的相似性對於在室溫和50℃下測試的樣品變化很小，在這樣的溫度下，粘合劑仍然遠離玻璃化轉變溫度，因此它保持其機械性能而不降低其粘合特性。

在80°C時，粘合劑可以觀察到大約30%的形變。這可以通過以下事實來解釋，隨著溫度升高，接近粘合劑的Tg，強度降低，但延展性增加，在裂紋尖端產生額外的塑性變形，因此韌性增加。

在圖9中DCB試件的主要破壞是可以理解的。在觀察破壞時，可以驗證在室溫和50℃下測試的樣品中出現的內聚破壞類型的相似性。具體來說，這些測試樣品之間的起伏變化最小(圖9a，b)，這是由於在這些溫度下產生的低塑性。

然而，對於80°C時樣品中顯示的故障情況(圖9C)時，我們可以觀察到延性破壞，通常表現為由於接近Tg的高溫產生的塑性增加。

圖10顯示了室溫下DCB建模的結果。在該圖中，我們可以用圖形顯示DCB測試的各個階段，以確定粘合劑的特性。點A位於代表粘合劑彈性變形的線性區域。當用有限元建模時，粘合材料的內聚破壞從峰值載荷開始。

預測力的準確性取決於所選擇的CZM類型，實驗中我們用指數CZM得到了最佳的實驗曲線擬合。使用這種損傷模型可以確定裂紋擴展，因為裂紋擴展直接取決於實驗獲得的斷裂能。

關於應力的分布和大小，我們觀察到對於粘附材料，它們沒有超過對應於用於製備樣品的鋼的屈服強度。

此外，在整個斷裂過程中，這兩種粘附體的應力分布是對稱的。在室溫和所述的測試條件下，樣品在斷裂過程中獲得了穩定性，這允許本實驗更精確地模擬粘合性能。

因此，趨勢P-δ模型中的曲線與實驗結果相似(圖11)，在裂紋開始之前，強調彈性區的差異是很重要的。這種差異可能是由萬能試驗機在DCB試驗過程中的部件公差造成的。

本研究的主要目的是評估溫度對結構粘合劑的影響，該粘合劑用於製造用於採礦業的酸霧捕集系統。DCB測試開發了一個實驗測試，以確定P-δ顯示粘附行為的曲線。

此外，我們還開發了一個有限元模擬，其中包括一個內聚區模型，該模型可以預測粘合劑中的應力分布和損傷擴展，並通過驗證P-δ室溫下的曲線來確定損傷範圍。

對於所獲得的結果，我們可以得出以下結論：粘合劑中溫度的逐漸升高導致最大載荷降低，而位移逐漸增加。考慮相對於a的斷裂能環氧樹脂，可以看到在故障產生後，有一個區域保持不變。

這可能是由於裂紋尖端的額外塑性變形增加了延性。熱條件變化產生的影響導致粘合劑改變其粘合性能，直接影響剝離載荷下的強度。

在現代工程領域，粘合劑作為關鍵的連接技術在各種應用中扮演著不可或缺的角色。了解粘合劑的機械性能、斷裂行為以及溫度對其性能的影響，對於確保材料和結構的可靠性至關重要。

本研究為工程領域的粘合劑應用提供了有價值的信息，促進了工程領域的發展，並為相關工程項目提供了指導和參考。通過持續的研究和實驗，我們可以進一步深化對粘合劑性能的理解，為未來的工程創新和發展做出貢獻。