粘接界面
關注創建者：Dicok-小巖 創建時間：2019-03-21
粘接界面的實例教程
1引言
粘接界面具有不同于兩側固體介質的力學性質，一般來說位錯或微裂紋等微缺陷很容易在界面處形成。研究顯示，對于固體火箭發動機，其粘接界面的失效是決定其壽命的關鍵因素之一。
當前，國內外學者對于推進劑/襯層粘接界面的研究主要集中于宏觀力學性能測試。隨著對粘接界面問題研究的不斷深入，學者們的研究領域已從宏觀深入到細觀層次，吳豐軍探索了粘接界面細觀力學性能、結構與破壞方式的內在關聯，初步提出了推進劑/襯層粘接界面失效模式。引入數字圖像處理方法對粘接界面細觀破壞進行分析，獲得界面位移場。利用掃描電鏡，發現三元乙丙橡膠絕熱層與進劑基體間細小缺陷是導致界面力學性能下降的原因。運用X射線光電子能譜-XPS(X-rayPhotoelectronSpectroscopy)對推進劑/襯層粘接界面的化學組成和老化歷程進行表征，證明N活性基團的含量降低以及硝基分解是粘接界面失效的主要原因。姜愛民采用二維粘彈性有限元方法發現中間相模量大、厚度小會引起明顯的應力集中。邱欣利用CCD(ChargeCoupledDevice)光學顯微鏡觀察端羥基聚丁二烯(HTPB)推進劑拉伸斷裂過程，證明靠近襯層附近的高氯酸銨顆粒與襯層脫濕是影響該推進劑粘接性能的主要因素，受試驗手段的限制，對于推進劑/襯層粘接界面拉伸過程的細觀破壞過程沒有詳盡的描述，特別是粘接界面拉伸的宏觀力學性能與其細觀變形破壞過程關系的相關報道較少。
本研究應用掃描電鏡(SEM)原位拉伸試驗系統，對HTPB推進劑小試件的推進劑/襯層粘接界面試件進行拉伸試驗，通過拉伸應力-應變曲線與不同應變條件下試件拉伸過程的高倍放大圖片，分析其拉伸過程宏觀力學變化下粘接界面的細觀破壞形式，以及顆粒脫濕尺寸的變化規律。
展開 聚合物之間（含與非金屬或金屬之間）黏接等都存在聚合物基料與不同材料之間界面黏接問題。黏接是不同材料界面間接觸后相互作用的結果，靠分子間吸引力而黏接東西。被黏物與黏料的界面張力、表面自由能、界面間反應等都影響黏接。黏接不同于涂層和印刷，是綜合性強，影響因素復雜的一類技術，目前行業界有吸附理論、化學鍵形成理論、弱界層理論、擴散理論、靜電理論、機械作用力理論等從各個層面詮釋黏接原理。
為達到良好的黏接，吸附理論有兩個條件滿足。一是黏接劑要能很好的潤濕被黏物表面；液體黏接劑向被黏表面擴散，逐漸潤濕被黏物表面并滲入表面微孔中，由點接觸變成面接觸。二是黏接劑與被黏物之間有較強的相互作用力；產生吸附作用形成次價鍵或主價鍵。從圖1中看出，表面張力大，潤濕能力差，表面張力小，潤濕能力好。聚合物是表面張力小容易浸潤黏合界面附著力好，表面張力大會讓膠水呈蠟滴狀圓球不擴散。
圖1 表面張力與潤濕性能關系示意圖
在粘接過程中，潤濕是一個至關重要的環節，它直接影響到粘接強度和粘接效果。潤濕程度通常用接觸角來表示，而楊氏方程則是描述接觸角與界面張力之間關系的重要公式。
一、潤濕與接觸角
潤濕是液體在固體表面鋪展的現象，是液體分子與固體分子間相互作用的結果。在粘接過程中，良好的潤濕意味著液體膠黏劑能夠充分鋪展在被粘接物的表面，形成緊密的接觸。接觸角是描述潤濕程度的一個直觀指標，它表示液滴在固體表面上形成的夾角。當接觸角較小時，說明液體對固體的潤濕性好；當接觸角較大時，則潤濕性差。
二、表面自由能基本理論
著名的楊氏方程描述了固-液-氣三相接觸的平衡。
展開 摘要：界面內聚力模型用于黏結劑粘接強度仿真 是一個非常好的建模方法。這種內力模型的材料參數比較容易通過試驗方法 反向獲取。即通過測拉伸強度、剪切強度、雙臂梁測試的獲取載荷與位移關系，在反向優化材料參數。 如果你閑麻煩，有些膠水的內力模型的材料參數文獻上也可以找到。 另外，這種建模方法比其他損傷建模方法，對計算資源消耗不是很大。
整個文檔框架：1.簡要介紹內聚力模型
2. 基于COMSOL 的玻璃與不銹鋼的粘結結構建模
3 調研的幾種環氧樹脂 界面內力模型的材料參數
1. 簡要介紹內聚力模型
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展開 利用粘合劑完成材料表面的高效粘接是日常生活中常見的材料加工方式之一，同時也是實現材料仿生設計、器件集成研究等的重要手段。相對于焊接或榫卯結構而言，粘接處理更為方便、溫和，能夠極大地提升工作效率和降低成本。就其粘接過程而言，一方面借助粘合劑內可反應基團（環氧、氰基丙烯酸酯、不飽和聚酯、活化酯等）或超分子相互作用實現材料間的快速粘接。另一方面，其粘接性能依賴于粘接劑本身的力學強度和韌性、與表面相互作用力大小以及界面處的應力耗散效率。眾多研究發現韌性聚合物水凝膠是用作界面粘合的理想材料之一，不過要實現任意非選擇性表面的快速、高強與耐疲勞粘接仍然是一個值得思考的問題，特別是如何完成復雜2D/3D材料或器件之間的高效粘接對發展生物與柔性電子等有著重要的參考意義。
針對上述問題，西北大學于游課題組報道了一種新的任意表面高效粘接策略，所用粘合劑綜合性能優于普通商業產品（502、ergo等），成本僅為其二十五分之一。借助快速正交化的化學反應途徑，粘合劑在自身固化為韌性聚合物凝膠的同時，可進一步與表面通過共價鍵合的方式形成強粘附作用，僅需5到50秒即可實現任意表面的高效強粘接 (~3,000 J m-2)。粘接界面在數千次大形變過程中仍然保持良好的耐疲勞特性(600 J m-2)、力學與電學穩定性等。同時其還適用于水下操作以及各種破損的及時修復，可在-200到150攝氏度范圍內正常使用。另外，該類粘合劑具有一定的化學穩定性和固化可控性，可通過涂覆/打印等方式實現更為復雜的結構設計和界面強粘附。該策略豐富了高性能聚合物凝膠研究內容，也為理解和發展界面高效粘接提供了參考路線。
展開 特別是當封裝微電子器件組裝到印刷電路板上時更容易發生，該階段器件需要承受高的回流溫度，會導致塑封料界面分層或者破裂。
4.1 分層
如上一節所述，分層是指塑封材料在粘接界面處與相鄰的材料分離。可能導致分層的外部載荷和應力包括水汽、濕氣、溫度以及它們的共同作用。
在組裝階段常常發生的一類分層被稱為水汽誘導（或蒸汽誘導）分層，其失效機理主要是相對高溫下的水汽壓力。在封裝器件被組裝到印刷電路板上的時候，為使焊料融化溫度需要達到220℃甚至更高，這遠高于模塑料的玻璃化轉變溫度（約110~200℃）。
在回流高溫下，塑封料與金屬界面之間存在的水汽蒸發形成水蒸氣，產生的蒸汽壓與材料間熱失配、吸濕膨脹引起的應力等因素共同作用，最終導致界面粘接不牢或分層，甚至導致封裝體的破裂。無鉛焊料相比傳統鉛基焊料，其回流溫度更高，更容易發生分層問題。
吸濕膨脹系數（CHE），又稱濕氣膨脹系數（CME）
濕氣擴散到封裝界面的失效機理是水汽和濕氣引起分層的重要因素。濕氣可通過封裝體擴散，或者沿著引線框架和模塑料的界面擴散。研究發現，當模塑料和引線框架界面之間具有良好粘接時，濕氣主要通過塑封體進入封裝內部。
但是，當這個粘結界面因封裝工藝不良（如鍵合溫度引起的氧化、應力釋放不充分引起的引線框架翹曲或者過度修剪和形式應力等）而退化時，在封裝輪廓上會形成分層和微裂縫，并且濕氣或者水汽將易于沿這一路徑擴散。
更糟糕的是，濕氣會導致極性環氧黏結劑的水合作用，從而弱化和降低界面的化學鍵合。
表面清潔是實現良好粘結的關鍵要求。
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粘接界面的最新內容
圖11 高速相機拍攝拉伸過程（55℃-12000mm/s）
表2 膠粘接頭在不同拉伸速率和溫度下的抗拉強度
圖12 不同溫度和拉伸速率下的對接抗拉強度
界面失效模式分析
對接樣品在不同溫度以及拉伸速率測試后的失效模式如圖13~15所示，其中常溫12000mm/s和120mm/s測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生了破壞
塑料之間（含與其他材料）黏接是塑件二次加工中必不可少的環節。聚合物之間（含與非金屬或金屬之間）黏接等都存在聚合物基料與不同材料之間界面黏接問題。黏接是不同材料界面間接觸后相互作用的結果，靠分子間吸引力而黏接東西。被黏物與黏料的界面張力、表面自由能、界面間反應等都影響黏接。黏接不同于涂層和印刷，是綜合性強，影響因素復雜的一類技術，目前行業界有吸附理論、化學鍵形成理論、弱界層理論、擴散理論、靜電理論、
D.超聲回轉象相差技術該方法所測信號為粘接界面反射回來的單音脈沖相位和輻值。根據波在多層介質中的傳播特性與界面強度的關系，可推導出粘接質量參數，它與拉伸強度有較好的線性關系
E.超聲頻譜檢測利用超聲波頻譜技術測量膠層的厚度和模量，共振頻率對膠層厚度及模量變化很敏感。超聲波頻譜分析對粘接接頭特性的敏感性十分有用，很有發展潛力。
可在常或高溫下固化，粘接界面可為金屬或塑料，該膠水常應用于新能源汽車中模組的粘接方案，如刀片電池的粘接、CTP方案、CTC方案等，1:1室溫下使用，無溶劑揮發，產品具有良好的絕緣耐壓特性和熱穩定性，使用安全、可靠。
導熱硅凝膠的密著力性能主要與膠體的黏性和本體強度相關，膠體的黏性決定了其在粘接界面上的粘接強度的大小，本體強度則決定了膠體本身被破壞時所需要的力，即通常所說的膠體的內聚力。密著力大小取決于膠體產生的界面粘接力與本體內聚力中較小者。
封裝工藝導致的不良粘接界面是引起分層的主要因素。界面空洞、封裝時的表面污染和固化不完全都會導致粘接不良。其他影響因素還包括固化和冷卻時收縮應力與翹曲。在冷卻過程中，塑封料和相鄰材料之間的CTE不匹配也會導致熱-機械應力，從而導致分層。
封裝工藝導致的不良粘接界面是引起分層的主要因素。界面空洞、封裝時的表面污染和固化不完全都會導致粘接不良。其他影響因素還包括固化和冷卻時收縮應力與翹曲。在冷卻過程中，塑封料和相鄰材料之間的CTE不匹配也會導致熱-機械應力，從而導致分層。
粘接界面在數千次大形變過程中仍然保持良好的耐疲勞特性(600 J m-2)、力學與電學穩定性等。同時其還適用于水下操作以及各種破損的及時修復，可在-200到150攝氏度范圍內正常使用。另外，該類粘合劑具有一定的化學穩定性和固化可控性，可通過涂覆/打印等方式實現更為復雜的結構設計和界面強粘附。
通過這些添加劑來改進玻纖和樹脂之間的界面相容性，提高分散相和連續相的均勻性，增加界面粘接強度，減少玻纖與樹脂的分離，從而改善玻纖外露現象，其中有的使用效果較好。
但是大多價錢不菲，增加了生產成本，而且對材料的力學性能也會有影響，例如較常用的液體硅烷偶聯劑，就存在加入后難以分散，塑料容易結塊成團的問題，會造成設備喂料不均勻，玻纖含量分布不均勻，進而導致制品的力學性能不均勻。
當該水凝膠復合補片被用于組織創口之上，特別是承受著較大應力的組織上時，外科補片作為骨架將應力均勻分散在較大的粘接界面之上（圖1B）。與之相比，縫線會在創口周邊組織中產生顯著的應力集中（圖1C）；而水凝膠材料自身較低的面內剛度，使其在組織承受應力時易于發生大變形，從而不利于創口的閉合（圖1D）。
