粘接质量评价最常用的方法就是测定力学性能，强度是最重要的力学性能参数，因此表征环氧胶黏剂的性能都要给出强度数据。不言而喻，粘接强度是一项重要指标，对于确定环氧胶黏剂配方、考查原材料质量、选用胶黏剂、研制新品种、进行接头设计、改进粘接工艺、正确应用粘接技术颇有指导意义。
粘接强度是指胶粘体系破坏时所需要的应力，目前主要是通过破坏试验测得，当然还有无损检验方法，只是目前尚不很成熟。
了解粘接强度的基本概念、熟悉粘接破坏的类型、研究粘接强度的影响因素、掌握粘接强度的测定方法，对于成功应用环氧胶粘接技术很有必要。
一、粘接强度的基本概念
粘接强度又称胶接强度、胶粘强度，是指在外力作用下，使粘接件中的胶黏剂与被粘物界面或其邻近处发生破坏所需要的应力。
诚然，粘接要有粘接力，但通常评价粘接体系力学性能的指标是粘接强度而不是粘接力，因为粘接力无法以破坏的形式测得。粘接强度是粘接体系破坏时所需的应力，其大小不仅取决于粘接力、胶黏剂的性能、被粘物的性质、粘接工艺，而且还与接头形式、受力情况（种类、大小、方向、频率）、环境因素（温度、湿度、应力、介质）和测试条件、实验技术等有关。由此可见，粘接力只是决定粘接强度的重要因素之一，所以粘接强度和粘接力是两个意义完全不同的概念，绝不能混为一谈，更不可相提并论。
根据粘接接头受力情况的不同，粘接强度具体可分为剪切强度、拉伸强度、不均匀扯离强度、剥离强度、压缩强度、冲击强度、弯曲强度、扭转强度、疲劳强度、抗蠕变强度等。在静态力学性能中最重要的是剪切强度和剥离强度。
（1）剪切强度 剪切强度是指粘接件破坏时，单位粘接面积所能承受的剪切力，其单位可用MPa表示。
剪切强度按测试时的受力方式又分为拉伸剪切、压缩剪切、扭转剪切和弯曲剪切强度等。
通常给出的剪切强度数据都是单搭接拉伸剪切强度。压缩剪切多用于较厚材料粘接强度的测定。扭转剪切只发生完全的剪切，而无扯离力，受试样大小和胶层厚度的影响很小，比拉伸剪切和压缩剪切优越得多，宜用于代替螺接和螺栓固定的强度测定。
（2）拉伸强度 拉伸强度又称均匀扯离强度、正拉强度，是指粘接件受力破坏时，单位面积所承受的拉伸力，单位为MPa。
因为拉伸比剪切受力均匀得多，所以一般胶黏剂的拉伸强度都比剪切强度高得很多。在实际测定时，试样在外力作用下，由于胶层的变形比被粘物大，加之外力作用的不同轴性，很可能产生剪切，也会有横向压缩，因此，在扯断时就不可能出现同时断裂。若能增加试样的长度和减小粘接面积，便可降低扯断时剥离的影响，使应力作用分布更为均匀。弹性模量、胶层厚度、试验温度和加荷速度对拉伸强度的影响基本与剪切强度相似。
（3）剥离强度 剥离强度是在规定的剥离条件下，使粘接件分离时单位宽度所能承受的最大负荷，其单位用kN/m表示。
剥离的形式多种多样，一般可分为L形剥离、U形剥离、T形剥离和曲面剥离。
随着剥离角的改变，剥离形式也变化。当剥离角小于或等于90°时为L形剥离，大于90°或等于180°时为U形剥离。这两种形式适合于刚性材料和挠性材料粘接的剥离。T形剥离用于两种挠性材料粘接时的剥离。
剥离强度受试样宽度和厚度、胶层厚度、剥离速度、剥离角度等的影响。金属试样的宽度对剥离强度无影响，而挠性材料则不同，例如橡胶伸长变形较大，相当于剥离界面处的宽度减少，会引起边缘应力集中，而使剥离强度降低。为了避免这种影响可将橡胶衬布。试验表明，衬布比不衬布测得的剥离强度要高，在橡胶薄的试样中表现更为明显。这是因为橡胶衬布伸长变形减小，有效剥离宽度较大，剥离界面力的分布比较均匀。所以衬布能够比较准确地反映剥离强度的真实结果。
（4）不均匀扯离强度 不均匀扯离强度表示粘接接头受到不均匀扯离力作用时所能承受的最大负荷，因为负荷多集中于胶层的两个边缘或一个边缘上，故是单位长度而不是单位面积受力，单位是kN/m。
（5）冲击强度 冲击强度意指粘接件承受冲击负荷而破坏时，单位粘接面积所消耗的最大功，单位为kJ/㎡或J/m。冲击强度实际上是断裂能，而不是强度，这是一种习惯误称。
按照接头形式和受力方式的不同，冲击强度又分为弯曲冲击、压缩剪切冲击、拉伸剪切冲击、扭转剪切冲击和T形剥离冲击等。
冲击强度的大小受胶黏剂韧性、胶层厚度、被粘物种类、试样尺寸、冲击角度、环境湿度、测试温度等影响。胶黏剂的韧性越好，冲击强度越高。当胶黏剂的模量较低时，冲击强度随胶层厚度的增加而提高。
（6）持久强度 持久强度就是在一恒定温度下。在规定时间内，单位粘接面积所能持续承受的最大静负荷，单位为MPa。通常又把在10000h的持久强度称为持久强度极限。
持久强度受加荷应力和试验温度的影响，随着加荷应力和温度的提高持久强度下降。
（7）疲劳强度 疲劳强度是指对粘接接头重复施加一定负荷至规定次数不引起破坏的最大应力。通常把在107次时的疲劳强度称为疲劳强度极限。
一般来说，剪切强度高的胶黏剂，其剥离、弯曲、冲击等强度总是较低的；而剥离强度大的胶黏剂，它的冲击、弯曲强度较高。不同类型的环氧胶黏剂，各种强度特性也有很大差异。
二、粘接的破坏类型
粘接与破坏是两个相反的过程，但它们彼此之间却有一定的关系，从粘接的质量可以预示破坏的难易，从破坏的类型可以分析粘接的好坏。因此，研究与鉴别粘接破坏的类型，将为如何提高粘接强度探明途径。
粘接接头在外力与内力作用下，当超过本身的强度时，便会发生破坏，按其破坏发生的部位，破坏大致可以分为4种类型，即胶层破坏、被粘物破坏、界面破坏和混合破坏（见图9-1）。
 （1）胶层破坏胶黏剂本身发生破坏，此时粘接强度取决于胶黏剂的力学性能。
（2）被粘物破坏有些强度较低的被粘材料。如木材、纸张、织物、皮革、橡胶、塑料等本身发生破坏。这说明胶黏剂的粘接强度已足够了。
（3）界面破坏胶层和被粘物界面处发生的目视可见的破坏现象，即胶层全部与被粘物脱开，其原因是胶黏剂与被粘物界面未能形成足够的黏附力，因此也把界面破坏又称为黏附破坏。
（4）混合破坏 胶层破坏、被粘物破坏与界面破坏同时存在或兼而有之。
胶层或被粘物破坏可以统称为内聚破坏。
粘接的破坏类型不仅与胶黏剂、被粘物和粘接工艺有关，而且还受测试与使用条件的影响。同时，破坏类型也不是固定不变的，它随测试和使用条件的不同而变化。如果胶黏剂对被粘物表面湿润不良或被粘物表面处理不当，则最容易出现界面破坏。在测试时，具有内聚破坏特征的粘接，当试验速度加快时便会转变为混合破坏，若试验速度再快，就会导致界面破坏。有的结构粘接件经过一段时间的浸水或湿热老化，也会由原来的内聚破坏变为界面破坏。
当发生界面破坏时，不仅粘接强度很低，而且测试数据波动很大，因此，粘接最讨厌界面破坏，应当尽量设法避免。内聚破坏固然很好，但对于高强胶层和被粘物的内聚破坏也是不多的，故以内聚破坏为主的混合破坏，可以说是更为实际，又比较理想。
三、粘接强度的影响因素
按照理论计算，界面的黏附强度F=2.06（γL/r），假定作用力的距离r=3×10-10m，θ=0（完全湿润），已知环氧胶黏剂的表面张力γL=45mN/m，计算的结果F约为300MPa。这说明只要环氧胶黏剂完全湿润被粘物表面，就能获得很高的黏附强度，而不会呈现界面破坏。但实测粘接强度至少比理论强度小一个数量级，这种显著的差异表明粘接强度受多种因素的影响。
具体而言，影响粘接强度的因素有环氧胶黏剂性能、被粘物性质、胶层厚度、内应力、粘接工艺、接头尺寸与形状、温度、外力、介质、测试条件等。
（1）环氧胶黏剂性能的影响 粘接必须要求胶层具有足够的内聚强度，它由环氧胶黏剂的力学性能决定。胶黏剂的力学性能主要取决于所组成的环氧树脂力学性能，这与环氧树脂相对分子质量、相对分子质量分布、极性、支化、交联、取向、接枝、共聚、结晶性、玻璃化温度、弹性模量、热膨胀系数等结构和物性有关。当然也不能忽视固化剂、增韧剂、填充剂、偶联剂等的影响。
一般来说，相对分子质量高、极性强、结晶度大、交联或取向，其结果是胶层的内聚强度高。玻璃化温度高、弹性模量大，剪切和拉伸强度均高，但剥离、冲击、弯曲强度都低，所以评价胶黏剂的力学性能时不能脱离其结构的实际情况。不同品种环氧胶黏剂的内聚强度差别很大，其粘接强度迥然不同。
（2）被粘物性质的影响 粘接作用主要发生在界面，被粘物的表面状态对粘接强度有很大影响。被粘物表面难免会有灰尘、油污、水分、氧化膜、脱模剂等异物，妨碍环氧胶黏剂对被粘物的良好湿润，有时甚至起着隔离剂的作用，无法进行粘接，即使勉强粘接，往往强度很低。因此，在粘接之前对被粘物表面进行适当处理，可以大幅度提高粘接强度。然而采用不同的处理方法，将会有不同的粘接效果。
被粘物的模量和厚度越大，应力集中系数越小，则剪切强度越高。
（3）胶层厚度的影响 黏度强度随胶层厚度增加而降低，这是因为厚胶层内部缺陷较多，固化后内应力也大。也有人认为剥离强度随胶层厚度增加而提高，而且很可能是有一定的范围。
胶层厚度不仅影响粘接强度，还会引起破坏类型的改变，随着胶层厚度的增加，胶层内聚破坏的可能性增大。实际上也不是胶层越薄越好，胶层太薄容易造成缺胶，而使粘接强度降低，通常胶层厚度0.08～0.15mm为宜。在保证不缺胶的情况下，薄而均匀的胶层，会获得较高的粘接强度。
（4）内应力的影响 内应力是接头在未受到外力作用时，内部所具有的应力，有的可能是永久性的，如收缩应力；有的可能是暂时性的，如热应力。收缩应力是由于在粘接过程中因溶剂挥发、聚合成键、生成副产物等引起体积收缩所产生的应力，它将保留在粘接体系之中，因此，是一种永久性的内应力。
热应力是固化和使用过程中，因胶黏剂与被粘物热膨胀系数的差异随温度变化所引起的应力。热应力的产生是弛豫过程引起的，其大小与加热或冷却速度有关，快速冷却时内应力要比慢速时大2倍。
通常而言，内应力的存在会使粘接强度下降，并使粘接接头的耐久性降低。当内应力最低时粘接强度最大。
（5）接头形式与尺寸 接头的形式和尺寸对粘接强度也有不可忽视的影响，例如简单的搭接，若其末端削斜或挖槽都可减小应力集中，提高剪切强度。剪切强度随搭接长度的增加而降低，特别是对弹性模量大的被粘物影响更大。
（6）粘接工艺的影响 粘接强度与粘接工艺密切相关，由于粘接工艺不当而造成粘接质量变差，如出现裂纹、气孔、缺胶、脱粘、裂缝、欠固化或过固化等，都会使粘接强度大为降低。因此，对于粘接来说且勿只重视胶黏剂的高性能，而忽视粘接工艺的重要性。
（7）温度的影响 粘接强度与温度关系很大，从理论上讲，温度升高，强度下降，但实际上经常是初始时随温度升高，粘接强度反而增加，在一定温度以上时，强度才开始下降。也就是说，粘接强度随温度的变化会出现最大值，这是因为固化温度不够时，升高温度又补充了固化，从而使粘接强度提高。
（8）加荷速度的影响 粘接强度还与力的作用时间有关，加荷速度的变化会使胶黏剂处于不同的力学状态，所表现出的粘接强度当然不同。另外，加荷速度也会改变粘接的破坏类型，当加荷速度提高时，内聚破坏会变成混合破坏或界面破坏。一般而言，剪切强度、剥离强度、拉伸强度都随加荷速度的增加而提高。
四、粘接强度的测试方法
粘接强度对于研制、对比和选用胶黏剂是重要的指标，也是粘接前首要关心的数据。
由于粘接强度受测试方法的影响，必须按照国家规定的标准进行测定。
（一）拉伸剪切强度的测定方法
金属与金属粘接剪切强度的测试金属对金属拉伸剪切强度的测试执行GB/T 7124-1986标准。相当于ASTM D1002-92标准。
（1）原理试样为单搭接结构，在试样的搭接面上施加纵向拉伸剪切力，测定试样能承受的最大负荷。搭接面上的平均剪应力为胶黏剂的金属对金属搭接的拉伸剪切强度。
（2）装置
a.试验机。使用的试验机应使试样的破坏负荷在满标负荷的15%～85%之间。试验机的力值示值误差不应大于1%。试验机应配备一副自动调心的试样夹持器，使力线与试样中心线保持一致。试验机应保证试样夹持器的移动速度在（5±1）mm/min内保持稳定。
b.量具。测量试样搭接面长度和宽度的量具精度不低于0.05mm。
c.夹具。胶接试样的夹具应能保证胶接的试样符合要求。在保证金属片不破坏的情况下，试样与试样夹持器也可用销、孔连接的方法。但不能用于仲裁试验。
（3）试样
a.除非另有规定，试样应符合图9-2的形状和尺寸。标准试样的搭接长度是（12.5±0.5）mm，金属片的厚度是（2±0.1）mm［ISO 4587规定的厚度为（1.6±0.1）mm］。试样的搭接长度或金属片的厚度不同对试验结果会有影响。
b.建议使用LY12-CZ铝合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢、45碳钢、T2铜等金属材料。
c.常规试验，试样数量不应少于5个。仲裁试验试样数量不应少于10个。
 对于高强度胶黏剂，测试时如出现金属材料屈服或破坏的情况，则可适当增加金属片厚度或减小搭接长度。两者中选择前者较好。
测试时金属片所受的应力不要超过其屈服强度σa，金属片的厚度t可按下式计算：
 式中 t———金属片厚度，mm；
L———试样搭接长度，mm；
τ———胶黏剂拉伸剪切强度，MPa；
σs———金属材料屈服强度，MPa。
（4）试样制备
a.试样可用不带槽（图9-3）或带槽（图9-4）的平板制备，也可单片制备。
 b.胶接用的金属片表面应平整，不应有弯曲、翘曲、歪斜等变形。金属片应无毛刺，边缘保持直角。
c.胶接时，金属片的表面处理、胶黏剂的配比、涂胶量、涂胶次数、晾置时间等胶接工艺以及胶黏剂的固化温度、压力、时间等均按胶黏剂的使用要求进行。
d.制备试样都应使用夹具，以保证试样正确地搭接和精确地定位。
e.切割已胶接的平板时，要防止试样过热，应尽量避免损伤胶接缝。
（5）试验条件 除非另有规定，试样的停放时间和试验环境应符合下列要求。
a.试样制备后到试验的最短时间为16h，最长时间为1个月。
b.试验应在温度为（23±2）℃的环境中进行。仲裁试验或对温度、湿度敏感的胶黏剂应在温度为（23±2）℃、相对湿度为45%～55%的环境中进行。
c.对仅有温度要求的测试，测试前试样在试验温度下停放时间不应少于半小时；对有温度、湿度要求的测试，测试前试样在试验环境下的停放时间一般不应少于16h。
（6）试验步骤
a.用量具测量试样搭接面的长度和宽度，精确到0.05mm。
b.把试样对称地夹在上下夹持器中，夹持处至搭接端的距离为（50±1）mm。
c.开动试验机，在（5±1）mm/min内，以稳定速度加载。记录试样剪切破坏的最大负荷。记录胶接破坏的类型（内聚破坏、黏附破坏、金属破坏）。
（7）试验结果
a.对金属搭接的胶黏剂拉伸剪切强度按下式计算：
 式中 τ———胶黏剂拉伸剪切强度，MPa；
P———试样剪切破坏的最大负荷，N；
B———试样搭接面宽度，mm；
L———试样搭接面长度，mm。
b.试验结果以剪切强度的算术平均值、最高值、最低值表示。取3位有效数字。
结构胶黏剂扭转剪切强度的测定参照ASTM E229-97。 环氧树脂 - www.epoxy8.com -(责任编辑：admin) |