現代飛機的基礎與目標是實現結構的低重量、高強度與高效率。這些特性通過使用先進材料（如高強度鋁合金、碳纖維增強復合材料）以及開發特殊結構方案來獲得。其中一種方案是用膠接接頭替代機械連接件（如緊固件、鉚釘等）。膠接接頭的主要優點是與機械連接件相比重量更輕。然而，使用膠接接頭也帶來了新的困難，無論是在生產、測試還是飛機結構建模方面。準確測試膠粘劑的力學性能，特別是剪切模量，對于飛機結構的有效設計至關重要。

在膠粘劑性能機械測試中出現的問題可分為宏觀與微觀兩類。最突出的宏觀問題是膠接材料表面處理（打磨、化學蝕刻等）對膠接接頭性能以及生產技術方面（工藝時間、所需專用設備等）的巨大影響。在膠粘劑測試的微觀方面，特別是在剪切模量測試中，最重要的是接頭中應力分布的均勻性以及膠粘劑/被粘物界面的粘附性。過去常假設加載接頭中的應力均勻分布。如今，得益于有限元分析，這種假設被認為不可信。這種新方法的其中一個影響，在ASTM D5656試驗中，表現為引入了剪切模量計算的修正因子，以考慮應力分布的非均勻性。使用這些修正的主要問題是它們尚未被標準委員會正式批準，因此其使用可能受到質疑。

除了提到的D5656試驗（厚被粘物剪切試驗，TAST）外，還可以通過多種其他方法測量膠粘劑的剪切強度，包括原位試驗（澆注膠粘劑樣品）以及膠接接頭試驗。原位試驗（如本體扭轉試驗）由于樣品制造困難（特別是薄膜膠粘劑）以及扭轉試驗需要施加扭矩的試驗機，因此未廣泛使用。因此，通常使用膠接接頭試驗，例如 butt torsion 試驗（圖1a）、napkin ring 試驗（圖1b）或單搭接剪切試驗，1?2"搭接剪切試驗（圖1c）及其改進版本厚被粘物剪切試驗（圖1d）。由于 butt torsion 和 napkin ring 試驗具有相同的局限性，因此本體扭轉試驗和單搭接剪切試驗成為評估膠粘劑剪切強度與模量的默認試驗。1?2"搭接剪切試驗的主要優點——其簡單性——也是其主要缺點：試樣易于制造和測試，但其極低的剛度導致接頭中應力分布不均勻，限制了該試驗僅用于開發與對比試驗。唯一一種可以（相對）容易地確定膠粘劑剪切強度與模量的試驗是ASTM D5656方法及其改進版本ISO 11003試驗。

圖1. 不同膠粘劑剪切試驗方法示意圖：a – butt torsion，b – napkin ring，c – 1?2"搭接剪切，d – 厚被粘物剪切試驗，作者繪制

D5656試驗方法相對復雜，且受多種因素影響。試樣制備過程需要高精度的切割與鉆孔——安裝孔位置偏差將導致試樣加載不均，進而引起接頭中應力分布不均勻。D5656試驗中最具挑戰性的問題，也是膠粘劑剪切測試中的普遍問題，是準確測量接頭中的剪切應變。D5656原始方法引入了KGR-1型引伸計，用于測量接頭剪切應變（圖2）。在此，引伸計測量膠接被粘物之間的相對位移。這種測量方法存在兩個主要問題：試驗后期引伸計銷釘打滑，以及引伸計測量的并非膠粘劑本身的應變，而是膠粘劑與引伸計接觸點之間金屬層的應變。因此需要進行應變修正。修正方法為：在某一載荷下，測量具有模擬膠層厚度的純鋁試樣的應變（假設材料中應力均勻分布）。然后將獲得的金屬應變從試驗中測得的應變中減去。

圖2 KGR-1型引伸計

KGR-1引伸計價格昂貴，因此一些研究人員嘗試通過將標準線性引伸計改裝為接頭應變測量裝置。然而，這種測量仍需要對金屬位移進行修正，以及計算修正以考慮接頭內部應力分布的非均勻性。數字圖像相關（DIC）方法是標準應變測量的有前景替代方案，但尚未標準化，因此其使用僅限于科研目的。

1. 方法

研究了2017A鋁合金表面處理對3M AF163-2K薄膜膠粘劑（面密度293g/m2，厚度0.24mm）剪切強度與模量的影響。表面處理方法為：1）僅使用粒徑60μm的氧化鋁噴砂；2）噴砂后再進行鉻酸蝕刻，即FPL蝕刻。FPL工藝按膠粘劑制造商指南進行，蝕刻溶液成分見表1。

表1. FPL溶液成分（每升）

為進行工藝控制，每種表面處理方法制備5個試樣，按D1002標準（1?2"搭接剪切試驗）測試。厚被粘物剪切試樣同樣方式測試，每系列4個試樣，采用改進的D5656方法。剪切應變測量未使用KGR-1，而是采用改裝的標準線性引伸計，如圖3所示。改裝包括采用4個接觸銷釘（而非標準3個）并在試樣側面鉆安裝孔，顯著減少試驗中引伸計打滑。用于剪切應變修正的鋁位移在4464N載荷下為0.00365mm。

試驗中金屬位移（d?）按公式1計算：

d? = (p - t)/t × M × L/4464

其中：p – 引伸計兩側接觸點距離，mm；t – 膠粘劑厚度，mm；M – 在4464N載荷下的金屬位移，mm；L – 當前載荷，N。

剪切應變（γ?）按公式2計算：

γ? = (d? - d?)/t

其中：d? – 接頭位移，mm；d? – 金屬位移，mm；t – 膠粘劑厚度，mm。

剪切應力按以下公式計算：

δ? = F? / (l × w)

其中：F? – 載荷，N；l – 接頭長度，mm；w – 接頭寬度，mm。

剪切模量Gc按公式4計算：

Gc = (δ? - δ?)/(γ? - γ?)

其中：δ?, δ? – 應力-應變曲線線性段上1、2點的應力；γ?, γ? – 對應點的膠粘劑應變。

為測試準確性，采用兩種不同的計算修正應用于按公式4計算的剪切模量。第一種基于文獻，用于修正試驗中金屬位移以考慮接頭應變非均勻性：

Fc = -Cf × t_sim + 1.065

其中：Fc – 修正因子；Cf – 常數，膠粘劑厚度以英寸表示時為1.73，以毫米表示時為0.0683；t_sim – 純鋁試樣中模擬膠粘劑厚度，mm。修正方法為將公式1中的鋁位移乘以系數Fc。

第二種修正旨在修正膠粘劑應變的非均勻性。該修正基于接頭剪切的有限元分析，由兩個系數組成：

C? = 1.03 × t^0.068

C? = -0.000483 + 0.073 × e^(-3.29t)

剪切模量修正按以下公式進行：

G_rec = C? × G_ASTM + C?

其中：G_ASTM – 按D5656標準計算的剪切模量。

2. 試驗結果

2.1 1?2"搭接剪切試驗結果

按D1002標準測試單搭接剪切強度。表2結果顯示表面處理方法對接頭強度有顯著影響。

表2. 1?2"搭接剪切試驗結果

僅噴砂處理的鋁接頭平均剪切強度為14.5MPa，而噴砂后再進行FPL處理的為19.6MPa，即FPL工藝使接頭強度提高了35%。FPL工藝處理后試樣的變異系數更低，表明接頭質量更均勻、可重復性更好。

2.2 厚被粘物剪切試驗結果

主要按ASTM D5656標準進行厚被粘物剪切試驗。接頭剪切分為兩個階段：1）線性階段，膠粘劑應變為彈性，應力-應變關系為線性（剪切模量）；2）塑性階段，剪切應變非彈性，應力增長遠低于彈性階段。圖3為典型厚被粘物剪切試驗的應力-應變曲線，具有三個特征點：LL點為線性極限（彈性階段結束），KN點為應力-應變曲線拐點，UL點為極限應力點。試驗結果見表3與表4。

表3. 噴砂處理后ASTM D5656剪切試驗結果

圖3 典型厚被粘物剪切試驗的應力-應變曲線

表4. FPL處理后ASTM D5656剪切試驗結果

  

比較兩組試驗，FPL工藝對膠粘劑剪切強度與模量有顯著影響。FPL處理后，平均LL點應力提高了40%（從16.18MPa增至22.68MPa），KN點應力提高了37%（從22.68MPa增至31.06MPa）。極限剪切強度也提高了48%。這表明僅噴砂處理不足以獲得高強度接頭。與D1002試驗類似，FPL處理后所有性能的變異系數更低。圖4為兩組試樣應力-應變曲線對比。FPL處理后平均剪切模量提高了26%，但兩組試驗的變異系數均較大，表明測量值范圍較大。僅噴砂試樣的剪切模量介于254至540MPa之間，FPL處理試樣為376至663MPa。結合LL點應變值的較大離散性，表明引伸計安裝位置及接觸點間隙可能對模量測量結果有影響。

圖4. 兩組試樣應力-應變曲線對比

圖5總結了試驗結果，顯示兩種試驗方法中，FPL表面處理均提高了剪切強度。D5656試驗中強度提高了48%，D1002試驗中提高了35%。另一現象為無論鋁表面如何處理，D5656方法測得的剪切強度均更高。對于僅噴砂試樣，D5656試驗剪切強度比D1002方法高91%；FPL處理后，這一差異增至109%。這與D5656試驗中使用的試樣厚度更大有關，更大厚度提供更高剛度，減少了試驗中接頭的彎曲與扭轉，有利于膠層中剪切狀態更均勻。

圖5. 兩種鋁表面處理方法制備的接頭剪切強度對比，分別采用D5656與D1002方法測試

此處需考慮不同的剪切模量計算修正因子。表5為按公式5（修正因子1）與公式6、7、8（修正因子2）修正后的模量結果。

表5. 兩組試樣采用上述修正后的剪切模量對比

按修正因子1計算的模量與僅按D5656標準計算的結果相近。僅噴砂試樣平均模量提高了1.7%，FPL處理后提高了2.5%。而修正因子2使模量值分別降低了6.1%與7.3%。應用修正因子會改變結果，可能導致試驗與應用性能之間的差異。修正因子尚未被D5656標準認可，因此僅按該標準計算的值被普遍接受。然而，部分研究人員使用修正因子，表明該領域仍在發展。

3. 結論

膠粘劑剪切試驗結果驗證了以下結論：

（1）噴砂與FPL工藝聯合作為鋁表面處理手段，對膠接剪切強度有積極影響。相比僅噴砂，FPL處理后，D1002與D5656試驗測得的剪切強度分別提高了35%與48%。

（2）FPL處理提高了接頭均勻性。兩種試驗中，FPL處理試樣的剪切強度變異系數更低——D5656試驗中為2.13%，而僅噴砂為5.94%。

（3）對比D1002與D5656試驗方法，后者所得值更高，更接近膠粘劑理論剪切強度。對于僅噴砂試樣，D5656方法剪切強度比D1002高91%；FPL處理后，這一差異達109%。D5656試樣鋁厚度更大是主要原因，更大厚度提供更高剛度，減少接頭彎曲，使膠層剪切狀態更均勻。

（4）不同計算方法與修正因子得到的剪切模量值存在差異，表明D5656試驗方法需修訂，以納入試驗結果與有限元模擬。

INTRODUCTION

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