北化涂料与胶粘剂3

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1、第四章 胶粘剂基本性能及测试,nianheji2013,涂料与胶粘剂 （Coatings and Adhesives）,张 军 营,东区 教321室 3-11 周,2014-09-16, 2014-09-23, 2014-09-30, 2014-10-7, 2014-10-14 2014-10-21, 2014-10-28, 2014-11-4, 2014-10-11, (考试),第四章 胶粘剂基本性能及测试,胶接接头(joint)的主要作用是传递应力(stress),其力学性能是重要指标。力学性能由被粘物(adherend)和胶粘剂的性能特性所决定。主要取决于固化后胶粘剂的力学性能和胶接界面

2、粘附性能。,2012.9.18,拉伸,拉伸剪切,压缩,剥离或劈裂,垂直于胶接面,平行于胶接面,压缩剪切,扭转剪切,adhesive,接头头承受外力的形式,静态力,静态力,拉伸压缩交变,垂直于胶接面,平行于胶接面,动态力,动态力,动态力,4.1 描述力学性质的基本物理量应力和应变,应变(strain)：当材料受到外力作用,而材料所处的条件使它不能产生惯性移动时,它的几何形状(shape)和尺寸(dimension)将发生变化。 应力(stress)：材料发生宏观变形时,其内部分子之间以及分子内原子之间的相对位置和距离就要发生变化,在原子和分子之间产生附加的内力。这种内力抵抗着外力,力图使材料恢复

3、原状。当达到平衡时,内力与外力大小相等,方向相反。单位面积(area)上的附加内力被定义为应力,其值与单位面积上的外力相等,力 的大小是斜率 F=dU/dL,4.1.1 拉伸(tensile)应变和应力,大小相等,方向相反,作用于同一直线上 张应变的定义是 =(ll0)/l0=l/l0 张应变也简称为应变或伸长率(elongation)。 张应力的定义是 =F/Ao 真实应力=F/A,F,F,l0,l,4.1.2 剪切(shear)应力和剪切应变,大小相等,方向相反,作用于非一直线上 切应变的定义是 =tan 切应力的定义是 s=F/Ao,4.1.3 压缩(compress)应变,当材料受到均

4、匀压力P的作用时,材料发生体积收缩。材料的均匀压缩应变被定义为 =V/Vo,4.1.4 弹性模量（elastic modulus）,对于服从虎克定律的理想弹性体,应力与应变成正比,其比例常数被称为弹性模量。 E=/=(F/Ao)/(l/lo) 杨氏模量 G=s/=F/(Aotan) 切变模量 B=P/(V/Vo)=PVo/V 体积模量 E=2G(1+)=3B(1-2) 式中是泊松比 =-(m/m)/(l/l)=-t/ 法国数学家 Simeom Denis Poisson 为名。 在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长

5、伴随着横向收缩(反之亦然)，而横向应变 e 与轴向应变 e 之比称为泊松比 V。材料的泊松比一般通过试验方法测定。,4.2 聚合物的性能特点,4.2.1 玻璃化转变 聚合物性能随温度变化划为三种力学状态-玻璃态、高弹态和粘流态。玻璃态与高弹态之间的转变,称为玻璃化转变,对应的温度为Tg。高弹态与粘流态 之间的转变温 度称为粘流温 度，f表示。,4.2.2 聚合物的高弹性（）,高弹态： 弹性形变大,可达1000%,而一般材料的弹性形变不超过1%。 弹性模量小,只有0.11兆帕,而一般材料的弹性模量可达10 10 3兆帕。 高弹性材料的弹性模量随温度的增加而增加,金属材料的弹性模量随温度的增加而减

6、少。 在快速拉伸时(绝热过程),聚合物温度升高,而金属材料则相反 (5)熵弹性:f=-T(S/l)T,V,4.2.3 聚合物的粘弹性(viscoelasticity),理想的弹性固体的弹性服从虎克定律,在形变不大时,应力与应变成正比;理想的粘性液体的粘性服从牛顿定律,应力正比于应变速率。 聚合物材料的力学行为强烈地依赖于温度和外力作用的时间。在外力作用下,聚合物材料的形变性质介于弹性材料和粘性材料之间,应力同时依赖于应变和应变速率。聚合物的这种兼有固体弹性和液体粘性的行为被称为粘弹性。,4.2.3.1 聚合物的蠕变(creep)现象,在一定温度、湿度和一定应力的持续作用下,聚合物材料的形变随时

7、间的增加而增加,最后达到平衡。如果在一定时间后,将应力除去,形变随时间变化的现象叫做蠕变恢复。 J(t)=J0+J(t)+t/ 式中J0为普弹柔量;J为平衡态柔量;为本体粘度;(t)为蠕变函数。,蠕变曲线,蠕变对胶粘剂的影响,固化后的胶粘剂的蠕变试验通常是在拉伸或剪切应力作用下进行的。在一定的温度和湿度条件下,对粘接的拉伸或剪切试件施加一定的荷载,测量形变和断裂时间,对结构胶粘剂来说可以测得持久(long term )强度;对压敏胶粘剂来说可以测得持粘(holding)时间。 蠕变寿命,4.2.3.2 聚合物的应力松弛,应力松弛是粘弹性材料表现出的另一种现象。它是将一应力作用于试样上,使试样瞬

8、时产生一定应变,然后维持这个应变不变,即维持应变为一个阶梯函数 ，观察到的应力随时间而降低的现象。,应力松驰曲线,应力松驰模量与的关系,4.2.4 聚合物的冲击(impact)强度,材料的冲击强度是在高速冲击状态下对材料的韧性或材料抵抗断裂能力的度量。与材料的其它性能不同,它是指某一标准试件在冲击断裂时,单位面积上所需要的能量,而不是通常所指的“断裂应力”。冲击强度不是材料的基本参数,而是一定几何形状的试件在特定试验条件下韧性的一个指标。 温度的影响较大，对于热固胶粘剂，影响较小,（1）拉伸 （2）剪切,（3）剥离(peel) (2）劈开(Crack),4.3 粘接接头的应力 分析和性能测试,

9、4.3.1 搭接接头的应力分析 和剪切 强度的测试,t,E,A,L,B,单位：MPa10kgf/cm2142psi,P,P,(1)单搭接拉伸剪切强度测试方法,4.3.1.2 搭接(lap)接头在剪切力作用下的应力分布(distribution),(1)应力的不均匀分布影响 一般金属被粘物与聚合物胶粘剂的弹性模量相差悬殊,在负荷下应变差异很大, 搭接接头在剪切力作用下的应力分布不均匀。 三种应力： 被粘物上存在着平行于外力的拉伸应力f; 胶粘剂层中存在着平行于外力的剪切应力; 在胶粘剂和被粘物的胶接面上存在着垂直于胶接面的剥离应力,该应力是由于外力作用的不同心而引起的。,应力集中系数 n =最大

10、 /平均 被粘物上的应力集中(宽:B,厚:t,力:P）（了解即可） =P/Bt+KM0z/I =P/Bt+6KPz/Bt2（了解即可） 如果不发生塑性变形，K1， n为4 胶粘剂层上的应力集中 剪切：L(1+3K)(cothL/2t)/8t+3(1-K)/4 剥离:K(sinh2-sin2)/(sinh2+sin2) +2K(cosh2+cos2)/(sinh2+sin2 ),搭接长度的影响 对某一特定的被粘物与胶粘剂都有一个特定的LM值。当L=LM时,搭接接头中央的应力为零;当LLM时,L的增加仅增加搭接中央应力为零的部分，破坏负荷维持不变。,(2)温度的影响 随着温度的增加,固化胶粘剂的内

11、聚强度下降,造成剪切强度下降;同时,固化胶粘剂的模量也下降,使接头的应力集中系数下降,造成接头剪切强度增高。这两种因素共同作用的结果,使接头的剪切强度随温度的变化出现一个极大值,4.3.1.4 压缩剪切强度的测试,单位：MPa10kgf/cm2142psi,若胶粘剂在发生破坏时可以看作是符合虎克定律的弹性体,则扭转剪切强度 d=16daMd/(da4-db4) 若胶粘剂在发生破坏时有塑性变形,则扭转剪切强度 d=12Md/(da4-db4),4.3.1.5 扭转torsion剪切强度的测试,4.3.2 拉伸强度的测试和影响粘接接头 拉伸强度的因素,菌形试件,圆形试件,方形试件,十形试件,P,4

12、.3.2.1 拉伸强度的测试,=P/a 同剪切强度 单位：MPa10kgf/cm2142psi,4.3.2.2 影响粘接接头拉伸强度的因素（PASS）,在粘接面的边缘有应力集中 边缘应力集中系数的大小与被粘物半径、被粘物模量、胶层厚度等因素有关。粘接头的拉伸强度也必然受这些因素的影响。由于方形试件边缘到中心的距离不同,其应力分布更不均匀,所以用方形试件只能测得“近似”的正拉强度。,4.3.3 剥离强度和劈裂强度的测试 粘接接头 “线受力”时的应力分布,劈开破坏,剥离破坏,4.3.3.1 剥离与劈裂,.胶层上的应力分布不均匀,应力集中在端部非常狭窄的区域内; .受力区域的宽度与胶粘剂和被粘物的厚

13、度及模量有关; .破坏从端部开始。 随着被粘物厚度的增加,破坏负荷P也不断增加,而粘接接头的破坏功W则在被粘物的某一厚度时有一个极敏锐的跳跃,这个厚度被称为临界厚度tC。若被粘物厚度小于tC时,这时受载,被粘物将明显的发生塑性变形,然后粘接接头就发生剥离破坏;厚度大于tC时就发生劈裂破坏,被粘物厚度与剥离强度和破坏功的关系,4.3.3.2 剥离强度和劈裂强度的测试,.“T”型剥离，强度单位为Ncm; .180背剥离,强度单位为N/cm; .“Bell”剥离,强度单位为N/cm; .爬高园鼓剥离简称爬鼓剥离。强度单位为J/cm。,(1)剥离强度的测试方法,(2)劈裂强度的测试方法,拉伸速率:30

14、00NS-1 单位Ncm-1 其它剥离强度测试方法 不均匀扯离强度测试和弯曲折断试验,4.3.3.3 粘接接头“线受力”时的应力分布,假定胶粘剂和被粘物都是理想弹性体,被粘物A发生弯曲变形所造成的应力应与胶粘剂相应的拉伸应力相平衡。胶层在x点的拉伸形变为 y=(exp(-x)/2 EI) (Pcosx+M(cosx-sinx) E为模量，I为转动惯量，M为力矩 若接头破坏的最大负荷为P0,胶层最大伸长为y0,最大的相对伸长为0=y0/t,则 y/y0=(exp(-x)/P0) (Pcosx+M(cosx-sinx) 当L=0时,可化简为 y/y0=exp(-x)cosx 当L=时,可化简为 y

15、/y0=exp(-x)(cosx-sinx),应力分布曲线有负值,即有压缩应力存在。 波形的振幅下降得很快,就连第二个波形处的应力也可以忽略不计。 应力分布曲线的形状,与负荷的大小无关。 应力分布的宽度取决于力学因子,而是与被粘物和胶粘剂的模量和厚度有关。 =(Ea/4EId)1/4 应力分布曲线的形状与力臂L有关,L=0时胶层承受负荷的面积是L=时的二倍。 随L的增加,破坏接头所需的外力逐渐减小,L=0时,破坏接头所需的外力最大,4.3.3.4 影响剥离强度和劈裂强度的因素（*PASS）,(1)剥离角度对剥离强度的影响 很明显,剥离角度增加,剥离强度迅速下降,当剥离角度达90以上时,剥离强度的变化趋于平稳。 (2)被粘物的性质和厚度的影响,4.3.4 冲击强度,粘接部件进行整体装配、校形以及以后的使用和维修过程中经常受到冲击作用，所以测定粘接接头的抗冲击强度也是具有重要的实际意义的,4.3.4.1 测试方法,试件形状 冲击强度(0-)/,4.3.4.2 影响冲击强度的因素（PASS）,冲击强度的方法只是一种近似的方法。其中包括被粘物的塑性变形所吸收的冲击功，它不仅与试件大小、材料种类、冲击角等有关，而且还与胶粘剂的韧性有关。胶层韧性越大，破坏试件所吸收的冲击功也越大，因而也越容易使被粘物发生塑性变