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结构胶胶接接头耐久性的研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-04-08  浏览次数:644
核心提示:结构胶胶接接头耐久性的研究进展李洪江,白雪峰 (黑龙江省科学院石油化学研究院,黑龙江哈尔滨,150040)

                                  结构胶胶接接头耐久性的研究进展
                                               李洪江,白雪峰
          (黑龙江省科学院石油化学研究院,黑龙江哈尔滨,150040)
    摘要:结构胶是胶黏剂中具有高强度、耐高温、高耐久特性的一类胶黏剂的总称,主要用于部件中承受载荷的胶接连接。胶接接头的耐久性能是结构胶应用中的一个重要指标。主要从影响胶接接头耐久性的内在因素和外在因素以及实验室研究方法对结构胶胶接接头耐久性的研究进展进行综述。
    关键词:结构胶;胶接接头;耐久性;环境试验
    中图分类号:TQ 436.2 文献标识码:A 文章编号:1001-0017(2014)01-0050-05
    前言
    胶接作为一种连接方式具备许多其他连接方式所不具备的优点,有着广泛的应用前景。近些年来,新材料的不断发展与应用也使结构胶得到了更大的发展空间。特别是在航空航天领域,新材料和胶接接头的应用极大地降低了各种结构件的重量,提高了比强度、比模量等性能。结构胶是胶黏剂中应用于结构胶接,具有高强度、高耐久、耐高温特性的一类胶黏剂的总称。结构胶在胶接结构中起到加固、锚固、连接、修补等承受较大载荷的作用。作为结构件中重要组成部分的结构胶胶接接头,必须保证其性能在结构件的使用寿命期间内满足要求,即接头须具备比结构件寿命更长的耐久性。因此,任何一种结构胶要想得到广泛的应用都必须经过严格的胶接接头耐久性试验[ 1 ]。
    许多结构胶的耐久性已经过长期的使用和试验得到了证实。但是,并不能因此就完全确定这种结构胶在更长的使用期内能满足要求,也不能确定今后的每一批次都能够具备相同的耐久性。如何通过短期、简单的试验测试方法,建立起合理、可靠地推断胶接接头耐久性的准确评价方案,对新研发的结构胶以及新型胶接接头的耐久性预测和评定至关重要[ 2 ]。
    影响胶接接头耐久性的因素十分复杂,涉及到胶接接头的制作和应用的各个方面,本文主要从影响胶接接头耐久性的内在因素和外在因素以及实验室研究方法进行综述,为今后工作提供参考。
    1· 影响胶接接头耐久性的内在因素
    这方面主要是指胶接接头的整个制作过程的各种影响因素,包括被粘表面的制备、胶黏剂、施胶及固化工艺、环境。这些影响因素直接体现在得到的胶接接头的胶接质量上,通常可以通过一定的方法来表征。
    1.1 被粘表面对胶接接头耐久性的影响
    被粘材料的表面应当在施工和应用条件下具备可粘接性,表面制备得到的粘接表面通常会改善粘接效果。被粘表面发生的物理、化学变化甚至是污染都会对粘接质量产生影响。
    Brockmann 等人[ 3 ]分别对不同的胶接接头进行了耐久性试验,结果表明:通过适当的表面制备获得的胶接接头耐久性也得到了改善。Comrie 等人[ 4 ]进行了不同的表面制备方法的铝- 环氧胶接接头湿热老化试验对比,研究表明在较低的温度下几种表面制备方法都表现出较好的耐久性,温度升高后差异就越来越明显了。Rider 等人[ 5 ]对胶接表面亲水氧化膜的孔隙率及形态对胶接接头的影响做了研究,发现被粘表面发生的物理、化学变化对胶接接头的影响非常显著。Kinloch 等人[ 6 ]研究了纤维复合材料表面性质对胶接接头的影响,认为对于给定的纤维复合材料粘接前首先要确定是否预处理,以及处理方法、程度,这些都会对胶接接头的耐久性及强度产生影响。Bardis 等人[ 7 ]采用双悬臂梁试验方法研究了胶接接头的表面处理对接头耐久性的影响,结果表明喷砂处理后的胶接接头具有更高的强度和耐久性。Molitor 等人[ 8 ]研究了钛合金- 复合材料胶接接头的表面处理方法,结果表明不同的表面处理方法会不同程度的使被粘表面发生不同程度的物理、化学变化,进而对粘接强度及耐久性产生影响,只有适当的表面处理才会产生对粘接强度和耐久性有利的影响。
    事实上所有被粘材料(包括上述材料)在粘接前经过适当的表面处理,都能够获得更加有利于提高胶接接头强度及耐久性的粘接表面,这种表面的物理及化学性质也能够通过现代的分析测试手段表征出来。如何确定被粘表面性质与胶接接头的强度和耐久性之间的关系,是今后研究工作的一个重点方向。
    1.2 胶黏剂对胶接接头耐久性的影响
    不同材料体系的胶黏剂制作的胶接接头会有耐久性的差异,主要原因是聚合物分子链结构与大小的不同以及多组分胶混合的不均匀度造成的,胶接接头的胶接面积越大,这种差异就越小,从宏观上可以认为同一种胶接接头具有相同的性能。
    马满珍等人[ 9 ]对不同增韧机理的胶黏剂进行耐热水环境评价,结果表明:不同增韧机理对胶黏剂的耐久性有不同影响。王志平[ 10 ]研究了不同体系的环氧胶黏剂微观结构的变化对耐久性的影响,认为了解胶接体系的微观结构及固化机理对胶黏剂的改性及耐久性非常重要。伯斯宁等人[ 11 ]研究了共轭单体对聚合物体系耐久性的贡献,发现加入微量萘苯的聚酯薄膜产生了纤维状聚合体,从而显著提高了聚合物的粘附强度和耐久性。Davis 等人[ 12 ]则对憎水剂对胶黏剂的耐久性影响进行了深入研究,结果表明微量的憎水剂能够改变铝合金表面氧化膜的耐水性,提高胶接接头的耐久性能。
    研究证明:胶黏剂对胶接接头耐久性的影响主要包括胶黏剂的体系、结构、组成及添加剂等几个方面,研发适合特定环境条件的胶黏剂,可以提高胶接接头的粘接性能及耐久性。
    1.3 胶接接头施胶及固化工艺、环境对胶接接头耐久性的影响
    施胶及固化时的温度、湿度以及施胶的均匀程度对胶接接头均会产生影响。
    Brockmann 等人[ 3 ]对硅烷偶联剂的作用进行了研究,结果显示,使用不同种类及用量的硅烷偶联剂在不同处理方法处理过的试片上得到的胶接接头,耐久性有显著差异。Frantzis[ 13 ]对水下环境制作的胶接接头进行了研究,结果表明:水下环境制作的胶接接头强度和耐久性远低于空气环境中制作的胶接接头。郑勇等人[ 14 ]对比了磷化处理前后的胶接接头性能变化,发现Q235 结构钢粘接前进行磷化处理可显著提高粘接强度,处理液中各组分的浓度也会对粘接效果产生影响。蔡武峰[ 15 ]对几类提高胶黏剂耐久性的方法进行了探讨,认为使用偶联剂、改进被粘表面处理方法、添加缓蚀剂等方法都能够提高胶接接头的耐久性。
    施胶及固化产生的内应力也是影响胶接接头耐久性的重要因素,胶层内应力的消除通常依靠的是胶黏剂分子间的相对运动以及分子链的形态变化,过高的内应力也会使分子链断裂或使分子发生相对滑移而导致接头强度下降,甚至产生银纹或微裂纹影响胶接强度。在一定的范围内,较高的环境温度和较低的湿度可以获得较好的接头强度,但对接头的耐久性影响不大。厚度均匀的胶层通常比薄厚不均的胶层具有更好的耐环境性能。另外,被粘表面制备时间、粘接助剂、加热等也都对制备的胶接接头耐久性有着不同程度的影响。
    2· 影响胶接接头耐久性的外在因素
    外在的影响因素主要是胶接接头所处的应用环境的影响,包括环境的温度、湿度、应力、气氛、光照、化学品、霉菌、辐射等,其中对结构胶胶接接头耐久性影响较大的因素主要是温度、湿度、应力、气氛、化学品等,这些也是考察结构胶胶接接头耐久性的主要方面[ 16 ]。姜作义等人[ 17 ]对胶接楔子试验进行研究,结果表明:影响胶接接头强度及耐久性的最显著因素是温度,其次是湿度。
    2.1 温度对胶接接头耐久性的影响
    温度是和时间一样的环境物理量,任何物质及其运动都与之息息相关。而构成结构胶基体树脂的主要成分是热固型树脂。这类树脂作为高分子材料,其性能受温度的影响十分显著,胶接接头耐久性也和温度有着密不可分的关系。研究结构胶及其胶接接头的耐久性,温度条件是必要条件之一,贯穿于每一次试验考察之中。苏什捷尔宗等人[ 18 ]考察温度对木材胶接接头的影响,认为在一定范围内,温度的作用主要是因为被粘材料与胶黏剂的热膨胀系数差异而产生的。
    温度对胶接接头的作用是多方面的。首先是胶黏剂随温度变化物理、化学性质发生变化;其次被粘材料与胶黏剂的物理、化学性质差异导致胶接接头变化;还有环境物质热运动及化学活性的变化也会产生影响,等等。
    2.2 水分(湿度)对胶接接头耐久性的影响
    水是自然环境中最常见的化学物质,它对胶接接头的作用主要表现为渗透作用和水解作用。高分子的长链堆积的时候会产生许多孔隙,一旦孔隙的条件满足水分渗透的最基本要求,水分的渗透就会发生。胶黏剂本体内部发生的渗透会改变分子间的作用力;或者发生化学反应改变分子结构,进而改变分子间的作用力。这种作用通常导致胶黏剂内聚强度下降,耐久性降低。而发生在胶接界面的渗透会改变界面的自由能从而使接头强度下降,耐久性降低[ 16 ]。上述两种作用通常同时存在,不同程度的影响胶接接头的耐久性,进行破坏试验时接头的破坏发生在剩余强度最低的部分。
    丁佩琴等人[ 19 ]对铜- 环氧胶接接头的研究主要通过湿热老化的试验方法考察了铜- 环氧- 玻璃布体系的表面处理、偶联剂、粘接工艺等条件与接头耐久性的关系。马满珍等人[ 9,20,21 ]对84-1 环氧胶黏剂的耐久性研究,以及[ 22 ]对AG-80/DDS、环氧- 聚砜、环氧- 丁腈胶黏剂的研究,通过各种环境试验对比认为湿度(水汽)是影响胶接接头耐久性的主要因素。王超等人[ 23 ]对湿热老化与胶黏剂含水率的规律的研究表明高湿度环境下碳- 碳复合材料胶接接头的玻璃化转变温度、吸水率及老化温度之间存在一定的数学关系。Zohairy 等人[ 24 ]研究了胶黏剂亲水基团对耐久性的影响,通过对6 种方式制作的胶接接头进行湿热老化试验发现亲水基团的含量会显著降低胶接接头的耐久性。金洛克等人[ 25 ]从热力学和连续力学的角度对湿热老化的胶接接头进行耐久性评价,证明了水在胶接接头中的扩散是影响其耐久性的重要因素。Rider 等人[ 26 ]对环氧-铝胶接接头中氢氧根对耐久性的影响进行了研究,发现存在于胶接表面的氢氧根会对胶接接头的耐久性产生负面影响。詹茂盛等人[ 27 ]研究了复合材料热老化和湿热老化后Tg 的变化规律,发现由于受热产生的后固化会导致Tg 升高,而水的塑化作用会导致Tg 下降且作用更加明显。
    一般情况下,胶接接头的强度随着老化时间的推移会持续下降直至破坏。有时候胶接接头的强度会在短时间内升高然后开始下降直至破坏,这可能是由于短时间内胶黏剂进一步交联使内聚强度提高产生的结果,但从长时间来看胶接接头的强度是逐渐下降的。在这一过程中,胶黏剂的含水率一般会增加,而耐高温性能则会下降,Tg 通常也会逐渐降低。
    2.3 其他因素对胶接接头耐久性的影响
    应力、气氛和化学品对胶接接头的作用通常表现在其能够使之发生一系列的物理和化学变化,进而导致胶接接头发生某些可逆的或不可逆的变化,各种性能发生改变,影响其耐久性。
    结构胶接接头所承受的应力载荷通常可分为两大类:静态载荷和动态载荷,其中动态载荷又可分为周期变化的和无规变化的。静态载荷通常会导致胶接层发生蠕变;动态载荷则会导致疲劳现象发生。考察应力作用对胶接接头耐久性的影响的实验方法也相应的分为静态和动态两大类,包括静态的蠕变、松弛试验和动态的疲劳试验。
    曲春艳等人[ 28 ]通过对J-116 胶黏剂的疲劳试验等方法研究了其在应力环境下的性能变化,证实该胶黏剂具备了抗裂纹扩展、耐持久应力的性能。侯婷婷[ 29 ]则从物理老化的角度对高聚物在应力环境中的表现进行了研究,推导聚合物的蠕变和应力松弛模型获得了较为理想的结果。Geiss[ 30 ]以及朱志鹏等人[ 31 ]通过蠕变和松弛试验对高聚物的性能变化进行了研究,认为胶黏剂(聚合物)在应力条件下发生的变化在实际应用中应当得到重视并充分考虑。
    气氛和化学品对结构胶接接头的影响通常是不可逆的。自然环境中对胶接接头影响最大的气体是空气中的氧,而影响最大的化学品一般认为是盐(NaCl)。在对胶接接头进行耐久性考察时,经常采用的也就是热氧老化和盐雾试验来考察气氛及化学品的影响,有时候也会特定的使用海水、油、溶剂等特定的介质进行恒温浸泡试验进行特异性耐化学品考察。
    高岩磊等人[ 32 ]研究了盐水浸泡环境环氧- 铝合金胶接接头的性能变化,结果表明:环氧- 铝胶接接头在盐水环境下比纯水环境下失效得更快,失效的主要原因是盐水能促进胶黏剂的水解。
    蔡武峰等人[ 33 ]研究了三种导电胶在应力、介质、气氛、辐射、光照、电场等条件下的性能变化,发现这些胶黏剂只在湿热条件下剪切强度下降较快,加入适量的偶联剂还会有所改善;其导电性能再外加交流电场时保持稳定,而在320V 直流电场下有的导电胶很快就失去了导电性能。事实上影响胶黏剂耐久性能的外在因素远不止这些,通过有针对性和深入的研究能够更好的掌握这些规律,对于开发研制新型胶黏剂和对现有胶黏剂的改进以及应用都有重要意义。
    3· 胶接接头耐久性的研究方法
    对于胶黏剂及胶接接头进行耐久性研究的目的是为了能够获得其相关的性能数据,并以其为依据采取相应的措施提高耐久性或进行适当的接头设计使其符合结构件整体的耐久性要求。根据获得数据所采用的试验方法的不同大致可将试验分为两类,自然暴露法和环境模拟法[ 34~35 ]。
    3.1 自然暴露法
    自然暴露法就是将制备好的胶接接头试验件暴露在结构件实际应用的环境中,定期或不定期的对样品取样测试,检验其性能变化实际测得其使用寿命,并依此得出耐久性评价结果。其优点是评价结果准确可靠,缺点是环境条件不具有普遍适用性和可重复性,且试验周期长难以重复,消耗的人力物力也很大。通常只有在非常重要的应用情况下才会采用这种试验方法,倪晓雪等人[ 36 ]对目前国内外的各种环境试验方法进行了分析总结,认为两类试验方法各有优缺点,目前仍没有办法建立两者之间的联系。王云英等人[ 37 ]对一种不饱和树脂进行了自然老化和人工老化,结果显示:两者之间存在着某种联系,有些指标有相同的变化规律。
    3.2 环境模拟法
    目前大多数的胶接接头进行耐久性评价采用的还是实验室仪器模拟环境的方法[ 38~44 ],就是采用相应的仪器设备模拟胶接接头的实际应用条件进行试验,根据试验结果对耐久性进行评价的方法。这些方法包括前面提到的各种力学和环境试验,还有许多特殊的条件试验,例如阳光曝晒试验、介质浸泡(淋洗)试验、霉菌试验、射线辐射试验等等。
    环境模拟法的特点是将自然环境的一种或几种自然条件用仪器进行模拟,通过短时间快速的获得胶接接头性能的变化趋势,再依据多种环境模拟试验的结果进行分析判断得到胶接接头可能具备的耐久性能。优点是能够用较短的时间获得比较准确的结果,而且能够模拟极端的环境条件对胶接接头进行试验。缺点就是模拟试验相对于真实环境过于理想化,存在大量的主观因素,不能完全表征实际情况。同时由于模拟环境试验与自然环境试验之间目前还没有准确的关联方法,因此环境模拟法在有些情况下并不能取代自然暴露法[ 17,28,36,37 ]。
    3.3 胶接接头耐久性的表征方法
    胶接接头耐久性通常是指胶接接头的力学强度在实际应用中随时间推移所发生的变化规律。了解这种规律可以更加准确的判断胶接接头在某一时间点的强度及预期使用寿命,可以针对性的选择胶接接头以实现特定的功能。能够表征这一规律的方法很多,比较常用的有力学性能表征(包括常温和高温力学性能);热力学性能表征(如TG、DSC、DMA 等);组成及化学结构分析(如IR、XPS 等);外观及物理结构变化(如比色法、显微照相等)。无论采用哪种方法进行表征,最终都要归结到实际应用中胶接接头的力学性能的变化规律上来,这样的耐久性研究才具有实际应用的价值[ 45~52 ]。
    4· 结论
    结构胶胶接接头的耐久性是其实际应用中的一个重要性能指标,对于准确的判断结构胶胶接接头的强度及预期寿命至关重要[ 53~54 ]。通过环境模拟法试验并采用适当的方式对胶接接头的变化进行表征能够发现胶接接头强度的变化规律,这一规律对于分析判断胶接接头的耐久性具有重要的作用。
    参考文献:略

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