影響膠粘劑膠接性能的因素分析

陳征輝，趙宏飛，鐘進(jìn)，馮光亮

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 引言

目前，復(fù)合材料的連接方式主要有膠接、鉚接、螺接等，鉚接、螺接等機(jī)械連接工藝簡單，連接可靠，但緊固件等增加了一部分的重量，且很多結(jié)構(gòu)要求兩面表面光滑，很多部位限制其應(yīng)用。復(fù)合材料膠接作為一種效率較高，減重效果明顯的連接方式，應(yīng)用越來越廣泛[1,2]。

膠接使用材料可分為膠膜和糊狀膠，膠膜由于膠接性能良好，常用于航空航天復(fù)合材料，糊狀膠由于其使用方便，固化靈活，使用也越來越廣泛。影響糊狀膠的膠接強(qiáng)度的因素眾多，膠接前的表面處理能顯著提高膠接強(qiáng)度[3-5]。劉宇婷等[6]研究了不同的可剝布對膠接性能的影響，可剝布可以改善表面潤濕性，提高表面能，但只有表面能值處在合適的范圍內(nèi)才能對膠接質(zhì)量產(chǎn)生有利影響。徐喻瓊[7]對膠接結(jié)構(gòu)中的膠瘤效應(yīng)進(jìn)行了綜述，闡明了膠瘤能明顯降低膠接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力峰值及位置，提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力。Gtlhekin K[8]研究了增大搭接長度或者寬度，是提高整體承載性能的有效方法。本文通過糊狀膠粘劑J-133與中溫環(huán)氧基碳纖維板材的粘接試驗(yàn)，研究不同膠接厚度、加壓方式對膠接性能的影響，從而制定適合工程應(yīng)用的膠接工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料及儀器設(shè)備

中溫環(huán)氧基碳纖維預(yù)浸料：EM103/HFW193PA/38，江蘇恒神股份有限公司；糊狀膠粘劑：J-133C，黑龍江石油化學(xué)研究所。

固化爐：美國ASC；電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)：AG-X plus 250kn。

1.2 不同膠層厚度的試驗(yàn)板制備

選取EM103/HFW193/PA38碳纖維層壓板，并對其進(jìn)行砂紙打磨→丙酮清洗→干燥30 min后按圖1施加膠粘劑膠接固化，膠層厚度按表1，膠層厚度通過使用同等厚度的金屬墊片控制。

圖1 試樣示意圖

序號T1T2T3T4T5厚度/mm0.10.20.30.40.5

1.3 不同加壓方式的試驗(yàn)板制備

膠層厚度采用0.2 mm，加壓方式分別采用真空袋加壓和點(diǎn)加壓。真空袋加壓通過控制不同的真空度制備試樣，真空度分別為-0.09 MPa、-0.07 MPa、-0.05 MPa、-0.03 MPa、-0.01 MPa、0 MPa。點(diǎn)加壓采用C型夾夾持試驗(yàn)件兩端，如圖2所示，設(shè)定不同的夾持距離驗(yàn)證，夾持距離分別為50 mm、100 mm、200 mm、250 mm、300 mm。

圖2 試樣示意圖

1.4 拉伸剪切試樣制備

按照GBT 7124—2008，制備拉伸剪切試樣，試樣結(jié)構(gòu)如圖3所示，試樣切割完后在萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試?yán)旒羟袕?qiáng)度。

圖3 拉伸剪切試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 不同膠層厚度對膠接性能的影響

糊狀膠膠接過程中，膠層厚度的控制是很關(guān)鍵的質(zhì)量控制點(diǎn)，膠層過薄有可能造成局部缺膠，膠層過厚又很容易造成脫粘，氣孔等缺陷。通過不同膠層厚度的試樣的拉伸剪切強(qiáng)度測試結(jié)果可以表征膠層厚度對膠接性能的影響。不同厚度的拉伸剪切強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 不同膠層厚度的剪切強(qiáng)度

圖5 拉伸剪切試樣

由于膠接工藝的受力和破壞主要作用和發(fā)生在復(fù)合材料的膠接面，與材料內(nèi)部性質(zhì)變化并無太多關(guān)聯(lián)。該試驗(yàn)觀察試樣破壞后的照片(圖5)發(fā)現(xiàn)所有的試樣均為界面破壞，說明膠層厚度均符合膠接要求。0.1 mm膠層厚度的試驗(yàn)有局部是分散的空白點(diǎn)，沒有膠粘劑，而0.5 mm膠層厚度的有局部微小氣泡存在。從圖4可以看出，膠層厚度從0.1 mm增加至0.3 mm，拉伸剪切強(qiáng)度逐漸增大，隨后隨著膠層厚度的增加慢慢減小，這與膠膜的厚度影響膠接質(zhì)量結(jié)果一致[9]。糊狀膠膠接時，一方面復(fù)合材料層壓板在表面處理階段控制配合間隙保證在0.2 mm以下，因此膠層厚度在低于0.2 mm時會容易出現(xiàn)局部缺膠現(xiàn)象，而且隨著膠層厚度的降低，應(yīng)力集中也逐漸增大，降低了膠接性能，因此膠接厚度不宜過薄。當(dāng)膠層厚度大于0.3 mm時，應(yīng)力集中反而減小，但是由于膠層厚度越大，膠接區(qū)域端部載荷的偏心越大，反而因?yàn)槠妮d荷導(dǎo)致膠接變形過早，而且膠層厚度的增加會使膠層孔隙率越來越大，膠接性能越來越低。

2.2 袋壓法對膠接性能的影響

圖6 不同真空度的剪切強(qiáng)度

真空度是指處于真空狀態(tài)下的氣體稀薄程度，真空度為-0.09 MPa代表了袋內(nèi)的壓力比袋外的空氣壓力小0.09 MPa，相當(dāng)于袋內(nèi)的零件受到了0.09 MPa的壓力。

從圖6可以看出，隨著真空度的增加，拉伸剪切強(qiáng)度先逐漸增加，當(dāng)真空度大于0.03 MPa時，拉伸剪切強(qiáng)度開始逐漸減少。膠接開始時，膠粘劑分子通過布朗運(yùn)動，向膠接表面擴(kuò)散，使兩者的極性基團(tuán)或分子鏈段相互靠近。在此過程中，向粘接表面施加壓力，可以使膠粘劑更容易充滿被粘物膠接表面上的坑洞，進(jìn)而增大膠接強(qiáng)度。而且膠粘劑在固化前是有一定的黏度，隨著壓力的增大，會使更多的膠流出膠接界面，一定量的流膠形成的膠瘤可以改善應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中，增加膠接性能。當(dāng)壓力大于0.03 MPa時，會導(dǎo)致膠接界面的膠粘劑大量的流出，導(dǎo)致膠接厚度越來越薄，甚至出現(xiàn)缺膠現(xiàn)象，膠接性能反而越來越低。而且隨著壓力的增大，膠接層板容易出現(xiàn)相對滑移，導(dǎo)致膠接界面減小，膠接性能降低。

2.3 夾持距離對膠接性能的影響

工程應(yīng)用上很多時候由于零件、工裝等限制，無法實(shí)現(xiàn)真空加壓或均壓板加壓，所以我們設(shè)計一組通過點(diǎn)加壓的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

從圖7可以看出，隨著夾持距離的降低，拉伸剪切強(qiáng)度逐漸增加；夾持距離從300 mm開始減少時，能顯著提高膠接性能；夾持距離低于150 mm，減少夾持距離，膠接性能略微提高。夾持處相當(dāng)于對試樣進(jìn)行點(diǎn)加壓，由于膠接層板有一定的剛度，壓力會進(jìn)行傳遞一段距離，所以隨著夾持距離的減少，膠接區(qū)域受壓的范圍會逐步增大，當(dāng)夾持距離減少到一定程度，使膠接區(qū)域受壓范圍全面覆蓋時，再減少夾持距離，起到的作用就非常小了。

圖7 不同夾持距離的膠接強(qiáng)度

3 結(jié)論

(1)膠層厚度對膠接強(qiáng)度有影響。隨著膠層厚度的增加，膠接強(qiáng)度逐步增加，膠層厚度在0.3 mm時膠接強(qiáng)度最大，可達(dá)到22.8 MPa，之后隨著膠層厚度的增加反而降低。

(2)膠接過程中抽真空會影響膠接強(qiáng)度。膠接強(qiáng)度在真空度為-0.03 MPa時最高，之后隨著真空度的提高，膠接強(qiáng)度反而降低。

(3)膠接時通過點(diǎn)加壓的方式也能提高膠接強(qiáng)度，而且隨著夾持距離的減少，膠接強(qiáng)度越來越高。

(4)復(fù)合材料的表面處理方式、表面潔凈度、表面自由能、膠接環(huán)境等都對膠接質(zhì)量有直接的影響。