界面粘合
關注創建者：匿名 創建時間：2022-09-16
界面粘合的實例教程
碳纖維和環氧樹脂基體之間的界面粘合對于復合材料的整個機械性能至關重要，因為出色的界面可以確保應力均勻傳遞并防止進一步的裂紋擴展。然而，碳纖維表面光滑，且呈化學惰性，導致纖維與基質之間的吸附和潤濕性差，并且應力不能確保從基質均勻地轉移至碳纖維，導致復合材料的界面強度弱。
目前，國內外研究人員為了更有效的提高碳纖維/樹脂基體的界面粘合性能，通常選擇支鏈大分子(PAMAM，POSS，APS)與納米粒子(GO，CNTs)相結合的方法，在碳纖維表面構筑“柔性-剛性”多尺度增強結構。然而，存在以下科學問題：(1)支鏈大分子的位阻效應導致納米粒子在碳纖維表面的接枝密度低，從而限制了碳纖維和環氧樹脂之間的機械嚙合作用、化學鍵合作用和相容性。(2)納米粒子的模量遠高于基體，難以及時徹底地消除界面區域的應力。通常，碳纖維和基體之間的最佳模量匹配有利于提高碳纖維復合材料的界面粘合強度。然而，很少有工作闡述多級梯度模量中間層以及它們如何對碳纖維復合材料的界面性能產生有益影響。
基于上述背景，
青島大學材料科學與工程學院馬麗春副教授課題組
利用氧化石墨烯和PA在碳纖維表面構筑了具有“剛性-柔性”分層增強的多級梯度模量界面層，如圖1所示。此研究是通過簡單高效的酯化反應接枝氧化石墨烯，然后利用CF-GO表面的活性基團酰氯化，再通過己內酰胺陰離子聚合反應生成PA?？梢灶A期的是，在纖維-基體界面上具有梯度模量的分層增強結構可以起到斷裂能量傳遞的作用，并改變裂紋的傳播路徑，從而獲得高性能的碳纖維增強聚合物基復合材料。
圖1 CF-GO-PA多尺度增強體的制備示意圖.
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 隨著基于凝膠的柔性電子學、生物醫學器件、傷口敷料、藥物輸送和水凝膠離子電子學的發展，凝膠和凝膠，凝膠和彈性體、無機物等界面的粘合尤為重要。除此在外，在其他應用場景中，部分凝膠在發揮作用以后需要在不損傷被粘附表面的情況下剝離。如何實現粘合劑的高強粘附與溫和剝離這個看似矛盾的問題，一直是研究的熱點。
哈佛大學鎖志剛教授領導的研究團隊采用了一種“拓撲粘合”的技術。選用兩片共價聚合物網絡凝膠，選取的凝膠和凝膠之間沒有強相互作用力，保證凝膠自身的粘附較弱，這里采用的聚丙烯酰胺凝膠（PAAm）。研究人員開發出一種雙組分膠水，分別是含有“縫合線”—聚丙烯酸高分子鏈的水溶液，以及鐵離子和檸檬酸溶液。首先在被粘附物表面涂布聚丙烯酸（PAA）水溶液，在一段時間后，PAA擴散到PAAm基體內部形成互穿網絡。之后涂布鐵離子和檸檬酸溶液并給與一定的壓力，使得聚丙烯酸上的羧基和Fe3+發生配位交聯，實現凝膠之間的高強度粘附。
那么如何實現溫和、不損傷被粘附物的剝離呢？其實很簡單，將粘合后的兩塊凝膠暴露在紫外光下，Fe3+被還原成Fe2+，使配位作用減弱，從而達到輕松剝離的目的，實現光剝離粘合過程。
相關工作以《Photodetachable Adhesion》為題目，發表在Advanced Materials上。第一作者為Gao Yang。
圖文速遞
圖1.強粘合及光剝離粘合機理。采用兩片共價聚合物網絡凝膠作為被粘物，聚合物鏈水溶液作為粘結劑。（a）為了使兩片凝膠緊密地粘接，這里的粘結劑--“縫合”聚合物鏈與界面兩側的鏈段發生拓撲纏結，在原位形成網絡。（b）為了使兩片凝膠易于剝離，特定頻率范圍的光破壞“縫合”聚合物鏈網絡。
圖2.兩片聚丙烯酰胺（PAAm）的光剝離粘合。
展開 01 背景
通過虛擬裂紋閉合技術（VCCT）的裂紋擴展，以及使用界面元素的內聚區模型的損傷演化，研究了厚復合材料結構中的分層問題。復合材料有四層，在第3層和第4層之間有一個初始缺陷。結構承受壓縮載荷，導致零件在初始缺陷處屈曲。
VCCT模型通過“粘接失效”選項定義初始缺陷。缺陷處的節點應定期接觸（以避免穿透）。通過將它們識別為“粘接失效”區域的一部分，告訴程序讓它們進行常規接觸，即使它們是粘合界面的一部分。
在VCCT情況下，兩個部件剛性連接，直到出現裂紋擴展。通過界面元件，在部件之間存在彈性層。
使用VCCT，零件具有完美的結合，直到出現裂紋擴展。用戶輸入裂紋擴展阻力（Gc）以指示裂紋何時應擴展，此處（Gc）被視為裂紋性質，粘性區模型在界面中使用彈性層，這也會影響結構在發生任何損壞之前的變形。為內聚材料定律輸入的內聚能量（也稱為Gc）被視為界面元素的材料性質，在VCCT情況下，這種內聚能與裂紋擴展阻力之間的關系是，兩者都與分裂材料所需的能量有關。
02設置
圖1顯示了識別出不同接觸體的模型，頂部具有更精細的網格，以便準確描述缺陷區域并允許裂紋擴展。
圖1 VCCT計算模型
在圖2中，顯示了頂部的底面，膠失活區域和裂縫前緣。
圖2 模型底面
可以在Mentat中找到“粘接失效”設置，如下所示：
圖3 接觸區域屬性菜單
裂縫的產生方式如下。在這里，選擇要VCCT的應用程序，并在VCCT裂紋擴展屬性菜單中填寫裂紋擴展的設置（見圖4）。我們確保將初始裂紋擴展模式設置為“直接”，將裂紋擴展方法設置為“釋放約束”，并輸入裂紋擴展阻力（Gc=7×106 N/m），以確定何時應出現裂紋擴展。
展開 01 背景
通過虛擬裂紋閉合技術（VCCT）的裂紋擴展，以及使用界面元素的內聚區模型的損傷演化，研究了厚復合材料結構中的分層問題。復合材料有四層，在第3層和第4層之間有一個初始缺陷。結構承受壓縮載荷，導致零件在初始缺陷處屈曲。
VCCT模型通過“粘接失效”選項定義初始缺陷。缺陷處的節點應定期接觸（以避免穿透）。通過將它們識別為“粘接失效”區域的一部分，告訴程序讓它們進行常規接觸，即使它們是粘合界面的一部分。
在VCCT情況下，兩個部件剛性連接，直到出現裂紋擴展。通過界面元件，在部件之間存在彈性層。
使用VCCT，零件具有完美的結合，直到出現裂紋擴展。用戶輸入裂紋擴展阻力（Gc）以指示裂紋何時應擴展，此處（Gc）被視為裂紋性質，粘性區模型在界面中使用彈性層，這也會影響結構在發生任何損壞之前的變形。為內聚材料定律輸入的內聚能量（也稱為Gc）被視為界面元素的材料性質，在VCCT情況下，這種內聚能與裂紋擴展阻力之間的關系是，兩者都與分裂材料所需的能量有關。
02 設置
圖1顯示了識別出不同接觸體的模型，頂部具有更精細的網格，以便準確描述缺陷區域并允許裂紋擴展。
圖1 VCCT計算模型
在圖2中，顯示了頂部的底面，膠失活區域和裂縫前緣。
圖2 模型底面
可以在Mentat中找到“粘接失效”設置，如下所示：
圖3 接觸區域屬性菜單
裂縫的產生方式如下。在這里，選擇要VCCT的應用程序，并在VCCT裂紋擴展屬性菜單中填寫裂紋擴展的設置（見圖4）。我們確保將初始裂紋擴展模式設置為“直接”，將裂紋擴展方法設置為“釋放約束”，并輸入裂紋擴展阻力（Gc=7×106 N/m），以確定何時應出現裂紋擴展。
展開 
界面粘合的最新內容
通過將它們識別為“粘接失效”區域的一部分，告訴程序讓它們進行常規接觸，即使它們是粘合界面的一部分。
在VCCT情況下，兩個部件剛性連接，直到出現裂紋擴展。通過界面元件，在部件之間存在彈性層。
使用VCCT，零件具有完美的結合，直到出現裂紋擴展。
通過將它們識別為“粘接失效”區域的一部分，告訴程序讓它們進行常規接觸，即使它們是粘合界面的一部分。
在VCCT情況下，兩個部件剛性連接，直到出現裂紋擴展。通過界面元件，在部件之間存在彈性層。
使用VCCT，零件具有完美的結合，直到出現裂紋擴展。用戶輸入裂紋擴展阻力（Gc）以指示裂紋何時應擴展，此處（Gc）被視為裂紋性質，粘性區模型在界面中使用彈性層，這也會影響結構在發生任何損壞之前的變形。
漢高開發經理YM Bae表示，作為汽車行業的專家合作伙伴，漢高正在與原始設備制造商和零部件制造商密切合作，開發新的熱界面材料和粘合劑，以滿足最苛刻、安全關鍵應用的需求，同時提高效率和多功能性。漢高最新一代的間隙填充劑提供了強大的點膠、高可靠性和各種導熱選項的無與倫比的組合。Bergquist 間隙填充劑 TGF 4400LVO 推出后，將推出更多產品，以滿足汽車制造領域不斷變化的廣泛需求。
這種基質組合 在界面內提供了粘合性能[104] 。所獲得的顆粒的不同百分比用于剎車片材料混合物中，例如10%和30%。這些顆粒可能已被用作填料來提高剎車片的性能或作為傳統填料的可持續替代品[105]。椰殼纖維在干燥條件下表現出非常高的界面粘合力。當其用于剎車片應用時，粘合性能很重要，因此必須測試不同的老化解決方案[106]。
這樣做時，由于熱處理過程中形成的界面相具有粘合特性，SSB在使用壽命結束時變得難以回收。迫切需要固態電解質，其特性有利于SSB的制造以及使用壽命結束時的解構和回收，同時在使用階段提供可持續的SSB性能。
通過將它們識別為“粘接失效”區域的一部分，告訴程序讓它們進行常規接觸，即使它們是粘合界面的一部分。
在VCCT情況下，兩個部件剛性連接，直到出現裂紋擴展。通過界面元件，在部件之間存在彈性層。
使用VCCT，零件具有完美的結合，直到出現裂紋擴展。
通過將它們識別為“粘接失效”區域的一部分，告訴程序讓它們進行常規接觸，即使它們是粘合界面的一部分。
在VCCT情況下，兩個部件剛性連接，直到出現裂紋擴展。通過界面元件，在部件之間存在彈性層。
使用VCCT，零件具有完美的結合，直到出現裂紋擴展。
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。
PPCA 水凝膠的凝膠化和粘附機制示意圖
生物相容性和降解
粘附特性
由于多肽和 MEPP 基團提供了在共聚物鏈和粘合劑界面之間形成 H 鍵的可行性，我們檢查了 PPCA 在不同材料上的粘合性能。如圖6A所示，水凝膠與鋼、玻璃、聚丙烯、特氟龍、石頭、木材、骨骼和皮膚之間可以形成牢固的粘附。
碳纖維和環氧樹脂基體之間的界面粘合對于復合材料的整個機械性能至關重要，因為出色的界面可以確保應力均勻傳遞并防止進一步的裂紋擴展。然而，碳纖維表面光滑，且呈化學惰性，導致纖維與基質之間的吸附和潤濕性差，并且應力不能確保從基質均勻地轉移至碳纖維，導致復合材料的界面強度弱。
