溫度對單組分聚氨酯膠粘劑接頭強(qiáng)度的影響研究

劉 玉

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

溫度對單組分聚氨酯膠粘劑接頭強(qiáng)度的影響研究

劉 玉

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

研究溫度對單組分聚氨酯類膠粘劑接頭強(qiáng)度的影響規(guī)律。利用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)分別測試了7個(gè)溫度測點(diǎn)下膠粘劑的剪切破壞應(yīng)力,得到了膠粘劑剪切強(qiáng)度隨溫度升高而逐漸降低的變化規(guī)律，并且利用最小二乘法對該變化規(guī)律進(jìn)行了曲線擬合，選定了二次多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式作為理想表達(dá)式；然后通過35種不同溫度測點(diǎn)組合下擬合曲線的擬合精度對比，得到了影響膠粘劑剪切強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律的3個(gè)最主要的溫度測點(diǎn)；最后提出了修正系數(shù)的概念，使得膠粘劑溫度-強(qiáng)度擬合曲線可應(yīng)用于指導(dǎo)軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)。

單組分聚氨酯；膠粘劑；溫度；剪切強(qiáng)度；軌道車輛

近年來，隨著軌道車輛制造技術(shù)的快速發(fā)展以及“節(jié)能環(huán)保、低碳高效”設(shè)計(jì)理念的不斷加深與重視，各種新型輕質(zhì)材料如鎂、鋁合金材料[1，2]， 復(fù)合材料[3]等在軌道車輛中的使用越來越廣泛。傳統(tǒng)的材料連接技術(shù)如焊接、鉚接等受到了很大的限制。在此情況下，粘接技術(shù)由于其適用材料廣泛、可實(shí)現(xiàn)異種材料連接、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，在軌道車輛新材料結(jié)構(gòu)的連接工藝中占據(jù)越來越重要的地位[4～9]。

膠粘劑作為一種溫度敏感型材料，其接頭強(qiáng)度與環(huán)境溫度之間具有直接的影響關(guān)系[10～12]。軌道車輛在實(shí)際運(yùn)營過程中會面臨零下低溫，也會經(jīng)歷酷熱高溫，所承受的溫度變化梯度較大，導(dǎo)致其粘接結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度也發(fā)生相應(yīng)的變化。粘接強(qiáng)度在不同溫度下的差異性促使在軌道車輛車體結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮溫度因素的影響，以保證在各種使用溫度環(huán)境下粘接接頭的可靠性與安全性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 粘接原料

單組分聚氨酯膠粘劑sikaflex-265，工業(yè)級，Sika公司；6005A型鋁合金試棒，形狀尺寸如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

WDW3100型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，長春科新試驗(yàn)儀器有效公司；WSH-GD-080型高低溫濕熱試驗(yàn)箱，浙江韋斯實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；制備粘接試件的工裝夾具，自制。

圖1 粘接試件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Dimension of bonding specimen（單位：mm）

1.3 性能測試

剪切強(qiáng)度是評價(jià)粘接結(jié)構(gòu)接頭連接強(qiáng)度的一項(xiàng)重要參數(shù)，根據(jù)GB/T 7124—2008制備試驗(yàn)試件并測試其剪切強(qiáng)度。每組試件數(shù)量為15個(gè)。根據(jù)膠粘劑的使用環(huán)境溫度，選取溫度測點(diǎn)為：-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、25℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃。試件2端通過萬向節(jié)與實(shí)驗(yàn)機(jī)相連，以保證實(shí)驗(yàn)力沿著試件軸線通過，消除非軸向作用力，加載速率為5 mm/min。測試前試件需放置在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)30 min以上，以保證膠體內(nèi)部達(dá)到預(yù)定實(shí)驗(yàn)溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律

選擇破壞類型為內(nèi)聚破壞的粘接試件，剔除其余破壞類型粘接試件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，得到如圖2所示的膠粘劑破壞應(yīng)力隨溫度的變化曲線。

圖2 膠粘劑剪切強(qiáng)度-溫度曲線Fig.2 Shear strength-temperature curve of adhesive

從圖2可知，隨著溫度的增加，膠粘劑的平均剪切應(yīng)力逐漸下降，最大下降幅度約為71.4%。溫度越低時(shí)，膠粘劑的破壞應(yīng)力下降越明顯，隨著溫度的升高，其下降幅度逐漸趨于平緩。

軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)所面臨的環(huán)境溫度非常復(fù)雜，因而有必要研究膠粘劑在任意溫度下的剪切強(qiáng)度變化值。為此，采用最小二乘法對圖2中所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。

2.2 最小二乘法擬合曲線

首先假定x代表溫度，y代表膠粘劑的剪切應(yīng)力，則圖3中所示的7個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以表示為。此外，假設(shè)擬合曲線的基本表達(dá)形式為式（1）：

根據(jù)最小二乘法的原理，可得式（5）：

根據(jù)多元函數(shù)取極值的必要條件，可得式（6）：

則由（3）式可得式（8）

又由（6）式可得式（9）：

這樣就得到用矩陣表示的擬合曲線系數(shù)，即式（10）：

根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，選取的擬合曲線的基本函數(shù)表達(dá)式為式（11）所示的多項(xiàng)式函數(shù)、式（12）所示的指數(shù)函數(shù)與式（13）所示的倒數(shù)函數(shù)。

圖3 不同函數(shù)擬合曲線及其函數(shù)表達(dá)式Fig.3 Three fitting curves and their function expressions

表1 3種不同函數(shù)表達(dá)式的殘差平方和與擬合優(yōu)度Tab.1 Sum of squares of residuals and goodness of fit for three function expressions

從表1可以看出，以上3條擬合曲線的殘差平方和值都比較小，擬合優(yōu)度值也都非常接近于1，因此以上3種函數(shù)表達(dá)式均具有比較高的擬合精度。其中，多項(xiàng)式函數(shù)的擬合精度更優(yōu)于另外2種函數(shù)表達(dá)式，且函數(shù)表達(dá)式更簡便，因此多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式可作為該單組分聚氨酯膠粘劑剪切強(qiáng)度隨溫度變化的理想表達(dá)式。

2.3 三點(diǎn)擬合

二次多項(xiàng)式的擬合最少僅需3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可。若能在圖2所示的7個(gè)溫度測點(diǎn)中找到3個(gè)溫度測點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所擬合出的曲線能夠比較準(zhǔn)確地反映膠粘劑剪切強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，則可減少溫度測點(diǎn)數(shù)目，提高工作效率。

從7個(gè)溫度測點(diǎn)中任意選出3個(gè)有35種不同的組合形式，為提高研究效率，本文編寫了FORTRAN語言程序，用于計(jì)算不同溫度測點(diǎn)組合下的擬合曲線表達(dá)式，并且統(tǒng)計(jì)7個(gè)溫度測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與每條擬合曲線中的對應(yīng)數(shù)據(jù)的殘差平方和，以便于比較各條曲線的擬合精度，如表2所示。

表2 35條擬合曲線的殘差平方和值Tab.2 Sum of squares of residuals for different fitting curves

從表2可以看出，溫度測點(diǎn)組合為[-40 0 90]時(shí)，擬合曲線的殘差平方和最小，擬合曲線及其表達(dá)式如圖4所示。溫度測點(diǎn)組合分別為 [-40 -20 90]、 [-40 25 90]、 [-40 50 90]、[-40 70 90]時(shí)，擬合曲線的殘差平方和也較小，可見，單組分聚氨酯膠粘劑的2個(gè)臨界工作溫度測點(diǎn)對于擬合曲線的精度非常重要。

圖4 溫度測點(diǎn)組合為[-40 0 90]的擬合曲線及其表達(dá)式Fig. 4 Fitting curve and its expression for [-40 0 90]temperature measuring point combination

理論上，當(dāng)?shù)?個(gè)溫度測點(diǎn)越靠近溫度范圍的中心點(diǎn)，即[-40 25 90]的溫度測點(diǎn)組合時(shí)曲線擬合應(yīng)該越精確，然而，根據(jù)圖2所示的變化規(guī)律：低溫時(shí)粘接強(qiáng)度隨溫度的變化幅度更大一些，因此溫度較低的測點(diǎn)數(shù)據(jù)則更容易決定擬合曲線的走勢，由此可解釋[-40 0 90]的測點(diǎn)組合比[-40 25 90]的擬合曲線更為精確這一現(xiàn)象。

溫度測點(diǎn)組合為[-40 -20 0]、[-20 0 25]、 [25 50 70]、 [25 50 90]、 [0 25 50]、[-40 0 25]時(shí)，擬合曲線的殘差平方和較大?？芍?dāng)溫度測點(diǎn)較為集中，曲線的擬合精度較差。因此，對于該單組分聚氨酯類膠粘劑，應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)將溫度測點(diǎn)集中在某一局部溫度段范圍內(nèi)的現(xiàn)象。

2.4 曲線修正

由圖4可見，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)仍分布于擬合曲線的下方，即部分粘接試件的測試破壞應(yīng)力值小于通過擬合曲線所得到數(shù)據(jù)值。因此，需要選取一個(gè)修正系數(shù)對該擬合曲線進(jìn)行修正，以確保在任意溫度下膠粘劑的許用應(yīng)力都不大于其破壞應(yīng)力。

因該修正系數(shù)的取值無相關(guān)文獻(xiàn)資料與標(biāo)準(zhǔn)可查，故本文初步擬定了修正系數(shù)的計(jì)算方法，即將7個(gè)溫度測點(diǎn)下的全部可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值與擬合曲線上的該溫度測點(diǎn)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)值相比，取最小比值為修正系數(shù)，如表3所示。

表3 不同溫度測點(diǎn)下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的最小比值Tab.3 Minimum ratio of test data/fitting data at different temperature measuring point

由表3可見，7個(gè)溫度測點(diǎn)下最小比值中的最小值為0.85，根據(jù)該修正系數(shù)對圖4所示的曲線進(jìn)行修正，如圖5所示，得到修正后的曲線可用于指導(dǎo)軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)。

圖5 修正后的擬合曲線及其表達(dá)式Fig.5 Revised fitting curve and its expression

3 結(jié)語

1）單組分聚氨酯類膠粘劑Sikaflex-265的剪切強(qiáng)度隨溫度升高而逐漸降低。

2）利用最小二乘法對膠粘劑剪切強(qiáng)度-溫度曲線進(jìn)行擬合，通過3種函數(shù)表達(dá)式的對比分析，選定二次多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式作為膠粘劑工作溫度范圍（-40℃至90℃）內(nèi)剪切強(qiáng)度隨溫度變化的近似表達(dá)式。

3）通過35種不同溫度測點(diǎn)組合的對比分析，得到了影響膠粘劑剪切強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律的3個(gè)最主要的溫度測點(diǎn)，即-40 ℃、0℃、90 ℃。

4）初步提出擬合曲線修正系數(shù)計(jì)算方法，得到修正后的膠粘劑強(qiáng)度-溫度曲線，可用于指導(dǎo)軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。

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Effect of temperature on joint strength of one component polyurethane adhesive

LIU Yu
(CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun, Jilin 130062, China)

The effect of temperature on the joint strength of the one component polyurethane adhesive was studied.The quasi-static tensile tests were conducted to obtain the variation law of adhesive shear failure stresses at seven temperatures. It can be found that the adhesive shear strength gradually decreased as increasing the temperature and the quadratic polynomial expression obtained by the least square fitting method could represent the variation law very well.Then three main temperature testing points were obtained from the comparison of the fitting curves for different combinations of testing temperature. Finally, a simple method for determining the correction coefficient was proposed, and it can make the fitting curve of adhesive shear strength vs. temperature help the engineering designment of bonding structure in railway vehicles.

one component polyurethane; adhesive; temperature; shear strength; railway vehicle

TQ433.4+32

A

1001-5922（2017）11-0044-05

2017-07-06

劉玉（1989-），男，博士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)椋很壍儡囕v輕量化設(shè)計(jì)及粘接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究，相關(guān)研究成果曾獲吉林省級優(yōu)秀博士論文。E-mail：460645576@qq.com。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2016YFB1200504）。