金屬圓棒膠粘接頭在高拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

國(guó)高材高分子材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心

2026年2月23日 11:01

背景

在汽車(chē)、飛機(jī)、航空航天及高鐵等現(xiàn)代高速運(yùn)載裝備的制造中，膠粘劑因其卓越的輕量化與高效連接特性，已成為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性能不可或缺的技術(shù)。在實(shí)際嚴(yán)苛的服役環(huán)境下，這類(lèi)膠粘結(jié)構(gòu)不僅承受靜態(tài)載荷，更持續(xù)面臨碰撞、沖擊、劇烈振動(dòng)等高應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)載荷，以及從極寒到高溫的廣闊溫域考驗(yàn)。這些復(fù)雜工況會(huì)顯著改變膠粘劑的微觀力學(xué)響應(yīng)與宏觀失效機(jī)制，而接頭一旦失效則直接關(guān)乎整體結(jié)構(gòu)的完整性與生命安全。

因此，精準(zhǔn)表征膠粘劑在高拉伸速率及不同溫度環(huán)境下的粘接強(qiáng)度，對(duì)于深刻揭示其動(dòng)態(tài)失效機(jī)理、評(píng)估并保障運(yùn)載工具在碰撞安全、硬著陸、高速交會(huì)等極端工況下的絕對(duì)可靠性，具有至關(guān)重要的意義。本研究針對(duì)這一核心工程需求，系統(tǒng)開(kāi)展了膠粘對(duì)接接頭在高拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度測(cè)試，重點(diǎn)探究了拉伸速率與測(cè)試環(huán)境對(duì)粘接性能的影響規(guī)律，旨在為上述高端裝備領(lǐng)域膠粘結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與安全評(píng)價(jià)提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。

對(duì)接拉伸測(cè)試簡(jiǎn)介

膠粘對(duì)接接頭的拉伸強(qiáng)度測(cè)試是評(píng)定膠粘劑在正拉應(yīng)力下粘接性能的關(guān)鍵方法，核心原理為將基材對(duì)粘，沿粘接面軸向施加拉力，直至試樣粘接層或基材失效，如圖1所示。該測(cè)試可精準(zhǔn)復(fù)刻對(duì)接結(jié)構(gòu)件承受垂直于粘接面拉力的實(shí)際工況。通過(guò)公式（1）計(jì)算抗拉強(qiáng)度 σ（MPa），其中Fmax為最大破壞載荷（N），A為粘接面積（mm²）。

（1）

圖1 對(duì)接樣品結(jié)構(gòu)和受力示意圖

根據(jù)破壞發(fā)生的位置，膠粘接頭的失效模式可分為4種，如圖2所示，（a）為內(nèi)聚破壞：膠粘劑層內(nèi)部破壞，失效后兩個(gè)被粘基材表面均覆蓋一層膠粘劑；（b）為界面破壞：膠粘劑與基材之間的界面破壞；（c）為混合破壞：內(nèi)聚破壞與界面破壞結(jié)合；（d）為基材破壞：被粘基材本身斷裂、撕裂或塑性變形而膠粘界面完好。

圖2 膠粘接頭典型失效模式

測(cè)試目的

本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比相同膠粘對(duì)接接頭在不同溫度和不同拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度以及失效模式，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示，同時(shí)結(jié)合客戶的關(guān)注點(diǎn)（曲線的異常分析，抗拉強(qiáng)度的重復(fù)性，失效模式的分析等）對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 對(duì)接高速拉伸測(cè)試方案

測(cè)試方案

4.1 測(cè)試設(shè)備

高速拉伸試驗(yàn)機(jī)（上拉式），該設(shè)備最高可實(shí)現(xiàn)20m/s的拉伸速度。高速相機(jī)，拍攝視頻，分析樣品的失效過(guò)程。

圖3 國(guó)高材分析測(cè)試中心高速拉伸試驗(yàn)機(jī)配備高速相機(jī)

4.2 測(cè)試流程

1）樣品調(diào)節(jié)：測(cè)試前，樣品在相應(yīng)測(cè)試溫度的環(huán)境箱中放置至少2個(gè)小時(shí)，使樣品溫度達(dá)到測(cè)試溫度并均勻分布。

2）夾持樣品：樣品夾持有2種方式可供選擇，圖4（a）為楔形夾具直接夾持，圖4（b）通過(guò)基材與夾具上的穿孔用插銷(xiāo)固定，后者可以避免樣品在測(cè)試過(guò)程中打滑。在夾持時(shí)，應(yīng)保證樣品與夾具的對(duì)中，使受力沿軸線位置，夾持間距為80mm。

圖4 對(duì)接拉伸樣品夾持方式

3）調(diào)整相機(jī)：調(diào)整相機(jī)位置，調(diào)整光圈大小與焦距，使其聚焦到對(duì)接樣品的膠粘區(qū)域，如圖5所示。根據(jù)測(cè)試速度選擇合適的圖像采集頻率，本試驗(yàn)中使用10kHz的采集頻率。

圖5 高速相機(jī)拍攝畫(huà)面

結(jié)果分析

5.1 拉伸載荷-位移曲線及粘接強(qiáng)度

對(duì)接樣品在不同溫度以及拉伸速率下的載荷-位移曲線如圖7~9所示，曲線的斜率代表了對(duì)接樣品的整體剛度，由膠粘劑的拉伸模量、被粘基板的拉伸剛度、粘接面積等因素決定，可以看到，曲線初始階段力值隨位移緩慢增加，隨后曲線斜率增大，圖7（a）（b）（c），圖8（a）（c）更為明顯，這與如圖10所示高速相機(jī)拍攝的拉伸過(guò)程對(duì)應(yīng)。

大部分測(cè)試樣品力值在達(dá)到峰值后迅速下降，少量樣品力值下降速度較平緩，如圖9（a）（c），這主要是因?yàn)榈竭_(dá)載荷峰值后上下基板未完全分離，還伴隨著膠粘劑本體的變形，如圖11所示。提取曲線峰值，按照公式（1）計(jì)算膠粘接頭的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如表2和圖12所示，相同測(cè)試溫度下，隨著拉伸速率的減小，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，12000mm/s到200mm/s的強(qiáng)度降幅較大，200mm/s和120mm/s的強(qiáng)度相差較小，高溫下接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)拉伸速率更為敏感，從12000mm/s到200mm/s的抗拉強(qiáng)度下降了約62%，而相同速率變化，常溫和低溫抗拉強(qiáng)度則分別下降了31%和22%。相同拉伸速率下，常溫下的接頭粘接性能最好，低溫和高溫環(huán)境中接頭抗拉強(qiáng)度均有不同程度的降低。

圖7 室溫下高速拉伸載荷-位移曲線

圖8 低溫下高速拉伸載荷-位移曲線

圖9 高溫下高速拉伸載荷-位移曲線

圖10 高速相機(jī)拍攝拉伸過(guò)程（25℃-200mm/s）

圖11 高速相機(jī)拍攝拉伸過(guò)程（55℃-12000mm/s）

表2 膠粘接頭在不同拉伸速率和溫度下的抗拉強(qiáng)度

圖12 不同溫度和拉伸速率下的對(duì)接抗拉強(qiáng)度

界面失效模式分析

對(duì)接樣品在不同溫度以及拉伸速率測(cè)試后的失效模式如圖13~15所示，其中常溫12000mm/s和120mm/s測(cè)試中以混合失效模式為主，即膠粘劑本體、膠粘劑與基材的粘接界面均發(fā)生了破壞，而200mm/s的失效模式則出現(xiàn)了①界面分層（4號(hào)和5號(hào)樣品），②混合破壞（1號(hào)樣品），③基材本身的破壞和混合破壞同時(shí)出現(xiàn)（2號(hào)和3號(hào)樣品）等不同的失效模式。低溫下的失效模式也以混合破壞為主。高溫測(cè)試中，12000mm/s拉伸失效以混合破壞為主，200mm/s和120mm/s以界面失效為主。

圖13 室溫下高速拉伸后失效情況

圖14 低溫下高速拉伸后失效情況

圖15 高溫下高速拉伸后失效情況

總結(jié)

本案例進(jìn)行了膠粘對(duì)接接頭在高拉伸速率下的粘接強(qiáng)度測(cè)試，分析了拉伸速率和溫度對(duì)粘接強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠粘接頭在不同溫度下的抗拉強(qiáng)度均具有較明顯的速度敏感性，拉伸速率越大，抗拉強(qiáng)度約大。相同拉伸速率下，低溫和高溫環(huán)境均會(huì)使膠粘強(qiáng)度退化。不同環(huán)境和拉伸速率下，接頭的失效模式也不同。

* 本文案例為國(guó)高材分析測(cè)試中心原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。