粘接質量評價最常用的方法就是測定力學性能，強度是最重要的力學性能參數，因此表征環氧膠黏劑的性能都要給出強度數據。不言而喻，粘接強度是一項重要指標，對于確定環氧膠黏劑配方、考查原材料質量、選用膠黏劑、研制新品種、進行接頭設計、改進粘接工藝、正確應用粘接技術頗有指導意義。
粘接強度是指膠粘體系破壞時所需要的應力，目前主要是通過破壞試驗測得，當然還有無損檢驗方法，只是目前尚不很成熟。
了解粘接強度的基本概念、熟悉粘接破壞的類型、研究粘接強度的影響因素、掌握粘接強度的測定方法，對于成功應用環氧膠粘接技術很有必要。
一、粘接強度的基本概念
粘接強度又稱膠接強度、膠粘強度，是指在外力作用下，使粘接件中的膠黏劑與被粘物界面或其鄰近處發生破壞所需要的應力。
誠然，粘接要有粘接力，但通常評價粘接體系力學性能的指標是粘接強度而不是粘接力，因為粘接力無法以破壞的形式測得。粘接強度是粘接體系破壞時所需的應力，其大小不僅取決于粘接力、膠黏劑的性能、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、應力、介質）和測試條件、實驗技術等有關。由此可見，粘接力只是決定粘接強度的重要因素之一，所以粘接強度和粘接力是兩個意義完全不同的概念，絕不能混為一談，更不可相提并論。
根據粘接接頭受力情況的不同，粘接強度具體可分為剪切強度、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。在靜態力學性能中最重要的是剪切強度和剝離強度。
（1）剪切強度 剪切強度是指粘接件破壞時，單位粘接面積所能承受的剪切力，其單位可用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。
通常給出的剪切強度數據都是單搭接拉伸剪切強度。壓縮剪切多用于較厚材料粘接強度的測定。扭轉剪切只發生完全的剪切，而無扯離力，受試樣大小和膠層厚度的影響很小，比拉伸剪切和壓縮剪切優越得多，宜用于代替螺接和螺栓固定的強度測定。
（2）拉伸強度 拉伸強度又稱均勻扯離強度、正拉強度，是指粘接件受力破壞時，單位面積所承受的拉伸力，單位為MPa。
因為拉伸比剪切受力均勻得多，所以一般膠黏劑的拉伸強度都比剪切強度高得很多。在實際測定時，試樣在外力作用下，由于膠層的變形比被粘物大，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，在扯斷時就不可能出現同時斷裂。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、試驗溫度和加荷速度對拉伸強度的影響基本與剪切強度相似。
（3）剝離強度 剝離強度是在規定的剝離條件下，使粘接件分離時單位寬度所能承受的最大負荷，其單位用kN/m表示。
剝離的形式多種多樣，一般可分為L形剝離、U形剝離、T形剝離和曲面剝離。
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形剝離，大于90°或等于180°時為U形剝離。這兩種形式適合于剛性材料和撓性材料粘接的剝離。T形剝離用于兩種撓性材料粘接時的剝離。
剝離強度受試樣寬度和厚度、膠層厚度、剝離速度、剝離角度等的影響。金屬試樣的寬度對剝離強度無影響，而撓性材料則不同，例如橡膠伸長變形較大，相當于剝離界面處的寬度減少，會引起邊緣應力集中，而使剝離強度降低。為了避免這種影響可將橡膠襯布。試驗表明，襯布比不襯布測得的剝離強度要高，在橡膠薄的試樣中表現更為明顯。這是因為橡膠襯布伸長變形減小，有效剝離寬度較大，剝離界面力的分布比較均勻。所以襯布能夠比較準確地反映剝離強度的真實結果。
（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負荷，因為負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/m。
（5）沖擊強度 沖擊強度意指粘接件承受沖擊負荷而破壞時，單位粘接面積所消耗的最大功，單位為kJ/㎡或J/m。沖擊強度實際上是斷裂能，而不是強度，這是一種習慣誤稱。
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形剝離沖擊等。
沖擊強度的大小受膠黏劑韌性、膠層厚度、被粘物種類、試樣尺寸、沖擊角度、環境濕度、測試溫度等影響。膠黏劑的韌性越好，沖擊強度越高。當膠黏劑的模量較低時，沖擊強度隨膠層厚度的增加而提高。
（6）持久強度 持久強度就是在一恒定溫度下。在規定時間內，單位粘接面積所能持續承受的最大靜負荷，單位為MPa。通常又把在10000h的持久強度稱為持久強度極限。
持久強度受加荷應力和試驗溫度的影響，隨著加荷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負荷至規定次數不引起破壞的最大應力。通常把在107次時的疲勞強度稱為疲勞強度極限。
一般來說，剪切強度高的膠黏劑，其剝離、彎曲、沖擊等強度總是較低的；而剝離強度大的膠黏劑，它的沖擊、彎曲強度較高。不同類型的環氧膠黏劑，各種強度特性也有很大差異。
二、粘接的破壞類型
粘接與破壞是兩個相反的過程，但它們彼此之間卻有一定的關系，從粘接的質量可以預示破壞的難易，從破壞的類型可以分析粘接的好壞。因此，研究與鑒別粘接破壞的類型，將為如何提高粘接強度探明途徑。
粘接接頭在外力與內力作用下，當超過本身的強度時，便會發生破壞，按其破壞發生的部位，破壞大致可以分為4種類型，即膠層破壞、被粘物破壞、界面破壞和混合破壞（見圖9-1）。
 （1）膠層破壞膠黏劑本身發生破壞，此時粘接強度取決于膠黏劑的力學性能。
（2）被粘物破壞有些強度較低的被粘材料。如木材、紙張、織物、皮革、橡膠、塑料等本身發生破壞。這說明膠黏劑的粘接強度已足夠了。
（3）界面破壞膠層和被粘物界面處發生的目視可見的破壞現象，即膠層全部與被粘物脫開，其原因是膠黏劑與被粘物界面未能形成足夠的黏附力，因此也把界面破壞又稱為黏附破壞。
（4）混合破壞 膠層破壞、被粘物破壞與界面破壞同時存在或兼而有之。
膠層或被粘物破壞可以統稱為內聚破壞。
粘接的破壞類型不僅與膠黏劑、被粘物和粘接工藝有關，而且還受測試與使用條件的影響。同時，破壞類型也不是固定不變的，它隨測試和使用條件的不同而變化。如果膠黏劑對被粘物表面濕潤不良或被粘物表面處理不當，則最容易出現界面破壞。在測試時，具有內聚破壞特征的粘接，當試驗速度加快時便會轉變為混合破壞，若試驗速度再快，就會導致界面破壞。有的結構粘接件經過一段時間的浸水或濕熱老化，也會由原來的內聚破壞變為界面破壞。
當發生界面破壞時，不僅粘接強度很低，而且測試數據波動很大，因此，粘接最討厭界面破壞，應當盡量設法避免。內聚破壞固然很好，但對于高強膠層和被粘物的內聚破壞也是不多的，故以內聚破壞為主的混合破壞，可以說是更為實際，又比較理想。
三、粘接強度的影響因素
按照理論計算，界面的黏附強度F=2.06（γL/r），假定作用力的距離r=3×10-10m，θ=0（完全濕潤），已知環氧膠黏劑的表面張力γL=45mN/m，計算的結果F約為300MPa。這說明只要環氧膠黏劑完全濕潤被粘物表面，就能獲得很高的黏附強度，而不會呈現界面破壞。但實測粘接強度至少比理論強度小一個數量級，這種顯著的差異表明粘接強度受多種因素的影響。
具體而言，影響粘接強度的因素有環氧膠黏劑性能、被粘物性質、膠層厚度、內應力、粘接工藝、接頭尺寸與形狀、溫度、外力、介質、測試條件等。
（1）環氧膠黏劑性能的影響 粘接必須要求膠層具有足夠的內聚強度，它由環氧膠黏劑的力學性能決定。膠黏劑的力學性能主要取決于所組成的環氧樹脂力學性能，這與環氧樹脂相對分子質量、相對分子質量分布、極性、支化、交聯、取向、接枝、共聚、結晶性、玻璃化溫度、彈性模量、熱膨脹系數等結構和物性有關。當然也不能忽視固化劑、增韌劑、填充劑、偶聯劑等的影響。
一般來說，相對分子質量高、極性強、結晶度大、交聯或取向，其結果是膠層的內聚強度高。玻璃化溫度高、彈性模量大，剪切和拉伸強度均高，但剝離、沖擊、彎曲強度都低，所以評價膠黏劑的力學性能時不能脫離其結構的實際情況。不同品種環氧膠黏劑的內聚強度差別很大，其粘接強度迥然不同。
（2）被粘物性質的影響 粘接作用主要發生在界面，被粘物的表面狀態對粘接強度有很大影響。被粘物表面難免會有灰塵、油污、水分、氧化膜、脫模劑等異物，妨礙環氧膠黏劑對被粘物的良好濕潤，有時甚至起著隔離劑的作用，無法進行粘接，即使勉強粘接，往往強度很低。因此，在粘接之前對被粘物表面進行適當處理，可以大幅度提高粘接強度。然而采用不同的處理方法，將會有不同的粘接效果。
被粘物的模量和厚度越大，應力集中系數越小，則剪切強度越高。
（3）膠層厚度的影響 黏度強度隨膠層厚度增加而降低，這是因為厚膠層內部缺陷較多，固化后內應力也大。也有人認為剝離強度隨膠層厚度增加而提高，而且很可能是有一定的范圍。
膠層厚度不僅影響粘接強度，還會引起破壞類型的改變，隨著膠層厚度的增加，膠層內聚破壞的可能性增大。實際上也不是膠層越薄越好，膠層太薄容易造成缺膠，而使粘接強度降低，通常膠層厚度0.08～0.15mm為宜。在保證不缺膠的情況下，薄而均勻的膠層，會獲得較高的粘接強度。
（4）內應力的影響 內應力是接頭在未受到外力作用時，內部所具有的應力，有的可能是永久性的，如收縮應力；有的可能是暫時性的，如熱應力。收縮應力是由于在粘接過程中因溶劑揮發、聚合成鍵、生成副產物等引起體積收縮所產生的應力，它將保留在粘接體系之中，因此，是一種永久性的內應力。
熱應力是固化和使用過程中，因膠黏劑與被粘物熱膨脹系數的差異隨溫度變化所引起的應力。熱應力的產生是弛豫過程引起的，其大小與加熱或冷卻速度有關，快速冷卻時內應力要比慢速時大2倍。
通常而言，內應力的存在會使粘接強度下降，并使粘接接頭的耐久性降低。當內應力最低時粘接強度最大。
（5）接頭形式與尺寸 接頭的形式和尺寸對粘接強度也有不可忽視的影響，例如簡單的搭接，若其末端削斜或挖槽都可減小應力集中，提高剪切強度。剪切強度隨搭接長度的增加而降低，特別是對彈性模量大的被粘物影響更大。
（6）粘接工藝的影響 粘接強度與粘接工藝密切相關，由于粘接工藝不當而造成粘接質量變差，如出現裂紋、氣孔、缺膠、脫粘、裂縫、欠固化或過固化等，都會使粘接強度大為降低。因此，對于粘接來說且勿只重視膠黏劑的高性能，而忽視粘接工藝的重要性。
（7）溫度的影響 粘接強度與溫度關系很大，從理論上講，溫度升高，強度下降，但實際上經常是初始時隨溫度升高，粘接強度反而增加，在一定溫度以上時，強度才開始下降。也就是說，粘接強度隨溫度的變化會出現最大值，這是因為固化溫度不夠時，升高溫度又補充了固化，從而使粘接強度提高。
（8）加荷速度的影響 粘接強度還與力的作用時間有關，加荷速度的變化會使膠黏劑處于不同的力學狀態，所表現出的粘接強度當然不同。另外，加荷速度也會改變粘接的破壞類型，當加荷速度提高時，內聚破壞會變成混合破壞或界面破壞。一般而言，剪切強度、剝離強度、拉伸強度都隨加荷速度的增加而提高。
四、粘接強度的測試方法
粘接強度對于研制、對比和選用膠黏劑是重要的指標，也是粘接前首要關心的數據。
由于粘接強度受測試方法的影響，必須按照國家規定的標準進行測定。
（一）拉伸剪切強度的測定方法
金屬與金屬粘接剪切強度的測試金屬對金屬拉伸剪切強度的測試執行GB/T 7124-1986標準。相當于ASTM D1002-92標準。
（1）原理試樣為單搭接結構，在試樣的搭接面上施加縱向拉伸剪切力，測定試樣能承受的最大負荷。搭接面上的平均剪應力為膠黏劑的金屬對金屬搭接的拉伸剪切強度。
（2）裝置
a.試驗機。使用的試驗機應使試樣的破壞負荷在滿標負荷的15%～85%之間。試驗機的力值示值誤差不應大于1%。試驗機應配備一副自動調心的試樣夾持器，使力線與試樣中心線保持一致。試驗機應保證試樣夾持器的移動速度在（5±1）mm/min內保持穩定。
b.量具。測量試樣搭接面長度和寬度的量具精度不低于0.05mm。
c.夾具。膠接試樣的夾具應能保證膠接的試樣符合要求。在保證金屬片不破壞的情況下，試樣與試樣夾持器也可用銷、孔連接的方法。但不能用于仲裁試驗。
（3）試樣
a.除非另有規定，試樣應符合圖9-2的形狀和尺寸。標準試樣的搭接長度是（12.5±0.5）mm，金屬片的厚度是（2±0.1）mm［ISO 4587規定的厚度為（1.6±0.1）mm］。試樣的搭接長度或金屬片的厚度不同對試驗結果會有影響。
b.建議使用LY12-CZ鋁合金、1Cr18Ni9Ti不銹鋼、45碳鋼、T2銅等金屬材料。
c.常規試驗，試樣數量不應少于5個。仲裁試驗試樣數量不應少于10個。
 對于高強度膠黏劑，測試時如出現金屬材料屈服或破壞的情況，則可適當增加金屬片厚度或減小搭接長度。兩者中選擇前者較好。
測試時金屬片所受的應力不要超過其屈服強度σa，金屬片的厚度t可按下式計算：
 式中 t———金屬片厚度，mm；
L———試樣搭接長度，mm；
τ———膠黏劑拉伸剪切強度，MPa；
σs———金屬材料屈服強度，MPa。
（4）試樣制備
a.試樣可用不帶槽（圖9-3）或帶槽（圖9-4）的平板制備，也可單片制備。
 b.膠接用的金屬片表面應平整，不應有彎曲、翹曲、歪斜等變形。金屬片應無毛刺，邊緣保持直角。
c.膠接時，金屬片的表面處理、膠黏劑的配比、涂膠量、涂膠次數、晾置時間等膠接工藝以及膠黏劑的固化溫度、壓力、時間等均按膠黏劑的使用要求進行。
d.制備試樣都應使用夾具，以保證試樣正確地搭接和精確地定位。
e.切割已膠接的平板時，要防止試樣過熱，應盡量避免損傷膠接縫。
（5）試驗條件 除非另有規定，試樣的停放時間和試驗環境應符合下列要求。
a.試樣制備后到試驗的最短時間為16h，最長時間為1個月。
b.試驗應在溫度為（23±2）℃的環境中進行。仲裁試驗或對溫度、濕度敏感的膠黏劑應在溫度為（23±2）℃、相對濕度為45%～55%的環境中進行。
c.對僅有溫度要求的測試，測試前試樣在試驗溫度下停放時間不應少于半小時；對有溫度、濕度要求的測試，測試前試樣在試驗環境下的停放時間一般不應少于16h。
（6）試驗步驟
a.用量具測量試樣搭接面的長度和寬度，精確到0.05mm。
b.把試樣對稱地夾在上下夾持器中，夾持處至搭接端的距離為（50±1）mm。
c.開動試驗機，在（5±1）mm/min內，以穩定速度加載。記錄試樣剪切破壞的最大負荷。記錄膠接破壞的類型（內聚破壞、黏附破壞、金屬破壞）。
（7）試驗結果
a.對金屬搭接的膠黏劑拉伸剪切強度按下式計算：
 式中 τ———膠黏劑拉伸剪切強度，MPa；
P———試樣剪切破壞的最大負荷，N；
B———試樣搭接面寬度，mm；
L———試樣搭接面長度，mm。
b.試驗結果以剪切強度的算術平均值、最高值、最低值表示。取3位有效數字。
結構膠黏劑扭轉剪切強度的測定參照ASTM E229-97。 環氧樹脂 - www.ytfilter.com -(責任編輯：admin) |