抗疲勞粘接
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-19
抗疲勞粘接的實例教程
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 這些聚合物具有很高的韌性、強度和抗疲勞性能。聚合物浸入水中后，膨脹至平衡狀態，形成的水凝膠具有低滯后、低摩擦和高耐磨性。
圖1 一種凝膠或彈性體，其中糾纏的數量遠遠超過交聯。
圖2 完全膨脹水凝膠的力學行為。
圖3 摩擦和磨損。
圖4 高度糾纏的彈性體。
高糾纏聚合物是理想的承重材料：它們解決了剛性-韌性的沖突，同時實現了高韌性和低遲滯。它們是強壯的，抗疲勞的，透明的。在膨脹時，摩擦系數低，耐磨性高。研究者采用兩種材料系統，說明了高糾纏聚合物的行為。采用類似的方法，研究者還合成并測試了聚丙烯酸水凝膠。高糾纏聚合物的潛在應用包括：耐膨脹凝膠、耐疲勞膠粘劑、低摩擦涂層和透明離子導體等。
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在使用名義應力法時，該標準寫明要以材料的S-N曲線為基礎，然而焊接結構的疲勞試驗數據已經表明：焊接接頭母材的S-N曲線數據不能代替焊接接頭的S-N曲線數據，其原因也是它們具有不同的力學破壞機理。
在評估疲勞壽命時，該標準使用的是考慮應力比R的“修正Goodman圖”，即認為疲勞強度隨不同的R值變化。后來鐵道部又頒布《200km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》，然而在這個新的規定中依然將用于金屬材料疲勞的理論與方法用于焊接結構。事實上，英國焊接研究所的疲勞試驗數據早已證明，修正的Goodman圖用來處理焊接結構的疲勞問題是不恰當的，理由是由于焊接殘余應力的存在，平均應力對焊接接頭壽命的影響基本看不到，而金屬材料的疲勞則不是這樣。
正是由于理論認識上的誤導，國內軌道車輛制造工廠的有些設計人員或者決策部門在力圖提高焊接結構的抗疲勞能力時，常傾向于選用屈服強度高的母材，他們誤認為提高屈服強度母材的焊接接頭的抗疲勞能力也必然高。對于金屬疲勞問題，這個觀點是成立的，例如文獻《抗疲勞設計——方法與數據》中曾用試驗數據證明了“材料的疲勞強度與材料的抗拉強度之間有著較好的相關性”，甚至給出了一個近似估算公式。然而對于焊接結構來說，該觀點是不成立的。英國標準BS76081993《鋼結構疲勞設計與評估實用標注》已經用數據明確證明，標準中所提供的S-N曲線數據對屈服強度低于700MPa,例如屈服強度為345MPa的Q345鋼與屈服強度為435MPa的Q435鋼，它們的S-N曲線數據是沒有區別的。關于這一點，國際焊接學會在2008年的標準中，甚至將這個屈服強度范圍提高到960MPa。
展開 而且，汽車輪載在橋梁使用壽命（≥100年）內的作用次數很多，一旦產生裂紋，又直接導致橋面鋪裝層的損傷，故而，正交異性鋼橋面板的疲勞問題備受關注。
正交異性鋼橋面板裂紋種類
我國正交異性鋼橋面板的應用起步較晚但發展勢頭迅猛。已采用正交異性鋼橋面板的大跨度鋼橋有南京二橋、虎門大橋、軍山大橋等。目前，正交異性鋼橋面板的鋼橋梁中已觀察到不同程度的病害。根據近五年鋼橋梁病害維修加固項目不完全統計，正交異性板焊縫裂紋占鋼箱梁總病害比例36%，正交異性板母材裂紋占鋼箱梁總病害40%，其他病害占鋼箱梁總病害18%。正交異性板疲勞裂紋占鋼箱梁病害之高，對其維修加固方法及措施引起廣泛的關注。
鋼橋面板疲勞裂紋加固原則主要有以下幾點：
● 鋼橋面疲勞損傷修復的復雜性、零散性、困難性，目前尚沒有通用的修復方法；
● 鋼橋面板疲勞損傷修復應恢復結構的耐久性外，還需改善橋面板的剛度，以利于提升橋面鋪裝層的抗裂性；
● 修復應避免附近產生新的疲勞裂紋；
● 成橋處于受力狀態，發生裂紋后，可能使結構或連接產生變位、錯位，應借助構件支撐等方法，使之復位，并盡可能使局部修復部位處于無應力或低應力狀態。
常見鋼橋面板疲勞裂紋產生的原因及修復方法
U肋母材裂紋
U肋母材裂紋一般萌生橫隔板上過焊孔U肋側焊縫端部（圖1）或者萌生橫隔板弧形切口焊縫端部（圖2）。
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抗疲勞粘接的最新內容
在凝膠和彈性體中，纏結對變形的作用已經被研究過，但它們對斷裂、疲勞和摩擦的影響還不太清楚。在此，來自美國哈佛大學的鎖志剛院士等研究者，合成了纏結比交聯數量多得多的聚合物。相關論文以題為“Fracture, fatigue, and friction of polymers in which entanglements greatly outnumber cross-links”發表在Science
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
孫工讀書筆記及一些想法，文章比較長。
1. 焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
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焊縫材料抗疲勞斷裂的可靠性計算方法.pdf
摘 要:以焊縫材料疲勞斷裂前裂紋長度為輸出參數,根據金屬材料疲勞斷裂的過程理論,利用可靠性技術中的漂移設計原理,對焊縫材料在一定循環次數下的失效率或給定不失效率的循環次數的可靠性計算方法進行了探討。結合實例,對在給定循環次數和可靠度的條件下,對焊縫材料抗疲勞斷裂強度進行了可靠性設計。
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汽車結構抗疲勞設計
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