在工程领域中，温度对结构粘合剂的机械性能、断裂模式有何影响？

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在现代工程领域中，粘合剂作为关键的连接技术在各种应用中扮演着重要角色。了解粘合剂的机械性能和断裂行为对于确保材料和结构的可靠性至关重要。

本文将着重探讨粘合剂的机械性能、断裂模式以及温度对其性能的影响，以期为改进粘合剂的设计和应用提供有价值的信息。

粘合剂机械性能与温度影响

粘合剂的机械性能和断裂模式允许我们定义在特定负载条件和环境退化中可能发生的失效机制。而实验测试和数值模型为我们提供了优化选择和使用粘合剂所需的信息，并为对其接头性能和配置实施可能的改进提供了基础。

在这个意义上，许多研究人员已经通过双悬臂梁试验、端部缺口弯曲试验、冲击试验、单搭接接头试验等研究了粘合剂的机械特性，对结合了环氧树脂和聚氨酯粘合剂特性的粘合剂进行了机械表征。同时进行实验测试以测量应力特性、剪切特性、断裂和热特性。

关于临界断裂韧性，双悬臂梁试验最适合计算此参数，临界断裂能的估算基于线弹性断裂力学，其计算需要连续测量DCB试验中的裂纹长度。基于Irwin-Kies方程，我们得以计算符合性相对于裂纹扩展期间的裂纹长度，包括裂纹尖端旋转和偏转的影响。

随着厚度的增加，临界断裂能呈线性增加趋势。根据以往进行的类似研究确定了相同的趋势，实验中我们得出的结论是，断裂能随着厚度的增加而增加，因为粘合剂能够在断裂前产生增加的塑性流动面积。

研究表明了粘附体厚度对测量值的影响。不管数据简化方法如何，它是依赖于所用几何图形的参数。此外，在薄层胶接接头中，裂纹被迫沿着通过中间区域的限定路径，因为一般而言，粘合剂比基材更弱且更具适应性，这通常会导致粘合剂的内聚受到破坏。

在评估粘合剂的强度时，温度升高的影响非常重要。采矿工业中的一些过程，例如电解提取过程，经常会产生改变设备和结构的热变化。这种变化与所用粘合剂的收缩率、热膨胀系数和机械性能变化有关。

关于胶粘剂薄层应力断裂韧性测定的研究，主要集中在室温下的实验中。一些研究侧重于分析能够经受高低温的结构粘合剂，并通过DCB试验评估了高温对环氧粘合剂模式I的影响。

此外，实验中我们研究了高温下RTV硅酮粘合剂在模式I下的断裂韧性，表明断裂韧性和牵引-分离定律所表现出的温度依赖性。

同时我们发现使用碳纤维粘合剂和环氧树脂粘合剂时，碳纤维粘合剂断裂韧性在196°C时显著降低。而环氧粘合剂XW1044-3的断裂韧性在40°C至80°C的温度下受到显著影响。

此外，本实验还研究了速度和温度对高温环氧胶粘剂拉伸性能的综合影响。拉伸试验在三种不同的速度和不同的温度下进行，值得注意的是，随着温度的升高，粘合剂变得有延展性，导致更高的断裂变形；最大拉伸应力随温度线性降低，而随速度测试呈对数增加。

在不同温度范围内用可热膨胀颗粒进行结构改性的聚氨酯粘合剂的性能，并进行DCB试验以评估I型裂纹扩展的强度。在这项工作中，我们对双悬臂梁试验进行了分析，以评估温度对粘合双组分甲基丙烯酸酯丛MA310关于I型断裂韧性的影响。

双悬臂梁试验

DCB试样的几何特征如图一所示，我们总共制造了15个样品用于不同温度下的测试。为了防止接合界面中可能出现的粘合失效，对被粘物的粘合界面进行准备是非常重要的。

预处理可以增加不利环境条件下的接头耐久性，同时在金属粘附体的情况下，提供一定程度的防腐蚀保护，防止金属润湿和氧化。

有些机械和化学预处理会引起样品表面形貌的变化。根据ASTMD2651标准进行粘附体的表面处理过程，该过程包括使用硝酸-磷酸溶液进行金属蚀刻，产生表面孔隙并完全去除氧化物和杂质。

为了保持基板之间0.6mm的粘合剂厚度不变，放置了金属垫片(图2)。为了产生预裂纹，使用具有刀形锋利边缘的间隔物，这允许在粘合剂层边缘的中间平面中诱发应力集中点。

在定位隔板后，通过带有混合喷嘴的注射枪施加粘合剂，以形成组分的均匀混合物。样品的固化在20℃的室温下进行24小时。之后，在测试每个样品之前，移除垫片。

为了进行DCB测试，本实验使用具有50kN能力的万能试验机Instron3363型。测试以1毫米/分钟的速度进行。对于室温、50°C和80°C下的DCB试验，使用温度范围为70°C至350°C的Instron3119-606型环境试验箱(图3)，并在测试过程中记录了曲线。

在开始每个测试之前，考虑放置10分钟的时间来实现系统的热平衡。需要强调的是，实验DCB数据是在没有预加载的情况下获得的。

利用实验获得的数据，可以实现二维指数公式内聚区模型，因为它是与DCB试验结果最接近的模型。被粘物被认为具有各向同性的弹性性质，粘合剂用指数内聚模型表示。通过根据粘合剂厚度调整单元的尺寸来构建结构化网格，从而允许精确捕捉应力变化。

考虑到水平方向上元件的长度为0.3mm，本实验在损伤传播区域使用了精细网格(图4)。为了模拟接头，考虑了CPE4R四节点平面应变单元和COH2D4四节点粘结单元，需要分别分配给被粘物和胶粘剂。

为了模拟试验条件，在下销区域的“X”和“Y”轴上施加零位移限制，同时在上销的“X”轴上施加零位移限制。机器的拉动运动由施加在上销上的等于1.4mm的垂直位移来表示。

而内聚区模型通过在材料中预先存在的局部裂纹导致损伤开始增长之前确定粘合剂的最大抵抗载荷，以此来预测粘合剂的行为。

CZM是基于应力和相对位移之间的关系，连接对应节点的内聚单元来模拟弹性行为和材料的后期逐渐降解直至其失效。

温度对结构粘合剂性能的影响

每个温度下的DCB试验曲线如图6所示。随着温度的升高，可以观察到最大负载显著降低。考虑到每种情况下的最大负载，相对于室温下的负载，50°C下的负载可能会降低14%。

在80°C下测试的样品中观察到了相同的趋势，其中相对于室温下的最大载荷，最大载荷降低了26%。对于位移情况可以看出，温度升高会导致位移增加。

模式I中的临界能量断裂确定了的DCB有限元模拟。图7显示了室温、50℃和80℃下的实验R曲线示例。在这种情况下，需要注意的是，一旦发生故障，将会有一个区域倾向于保持恒定，而不是有一个不受干扰的下降。

图8显示了温度对实验的影响。根据研究结果，地震震级的相似性对于在室温和50℃下测试的样品变化很小，在这样的温度下，粘合剂仍然远离玻璃化转变温度，因此它保持其机械性能而不降低其粘合特性。

在80°C时，粘合剂可以观察到大约30%的形变。这可以通过以下事实来解释，随着温度升高，接近粘合剂的Tg，强度降低，但延展性增加，在裂纹尖端产生额外的塑性变形，因此韧性增加。

在图9中DCB试件的主要破坏是可以理解的。在观察破坏时，可以验证在室温和50℃下测试的样品中出现的内聚破坏类型的相似性。具体来说，这些测试样品之间的起伏变化最小(图9a，b)，这是由于在这些温度下产生的低塑性。

然而，对于80°C时样品中显示的故障情况(图9C)时，我们可以观察到延性破坏，通常表现为由于接近Tg的高温产生的塑性增加。

图10显示了室温下DCB建模的结果。在该图中，我们可以用图形显示DCB测试的各个阶段，以确定粘合剂的特性。点A位于代表粘合剂弹性变形的线性区域。当用有限元建模时，粘合材料的内聚破坏从峰值载荷开始。

预测力的准确性取决于所选择的CZM类型，实验中我们用指数CZM得到了最佳的实验曲线拟合。使用这种损伤模型可以确定裂纹扩展，因为裂纹扩展直接取决于实验获得的断裂能。

关于应力的分布和大小，我们观察到对于粘附材料，它们没有超过对应于用于制备样品的钢的屈服强度。

此外，在整个断裂过程中，这两种粘附体的应力分布是对称的。在室温和所述的测试条件下，样品在断裂过程中获得了稳定性，这允许本实验更精确地模拟粘合性能。

因此，趋势P-δ模型中的曲线与实验结果相似(图11)，在裂纹开始之前，强调弹性区的差异是很重要的。这种差异可能是由万能试验机在DCB试验过程中的部件公差造成的。

本研究的主要目的是评估温度对结构粘合剂的影响，该粘合剂用于制造用于采矿业的酸雾捕集系统。DCB测试开发了一个实验测试，以确定P-δ显示粘附行为的曲线。

此外，我们还开发了一个有限元模拟，其中包括一个内聚区模型，该模型可以预测粘合剂中的应力分布和损伤扩展，并通过验证P-δ室温下的曲线来确定损伤范围。

对于所获得的结果，我们可以得出以下结论：粘合剂中温度的逐渐升高导致最大载荷降低，而位移逐渐增加。考虑相对于a的断裂能环氧树脂，可以看到在故障产生后，有一个区域保持不变。

这可能是由于裂纹尖端的额外塑性变形增加了延性。热条件变化产生的影响导致粘合剂改变其粘合性能，直接影响剥离载荷下的强度。

在现代工程领域，粘合剂作为关键的连接技术在各种应用中扮演着不可或缺的角色。了解粘合剂的机械性能、断裂行为以及温度对其性能的影响，对于确保材料和结构的可靠性至关重要。

本研究为工程领域的粘合剂应用提供了有价值的信息，促进了工程领域的发展，并为相关工程项目提供了指导和参考。通过持续的研究和实验，我们可以进一步深化对粘合剂性能的理解，为未来的工程创新和发展做出贡献。