室內(nèi)裝飾設(shè)計用膠接接頭的力學(xué)性能研究

樊 璟

（西安翻譯學(xué)院，陜西西安710000）

城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展和綜合經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，使得國內(nèi)建筑工業(yè)呈現(xiàn)井噴發(fā)展態(tài)勢，作為建筑裝飾的基本承載部件，懸臂梁承載著輕量化、安全化和穩(wěn)定化多重指標(biāo)的考核與要求[1]。實(shí)際應(yīng)用過程中，室內(nèi)裝飾結(jié)構(gòu)件中不可避免地需要進(jìn)行膠接處理以實(shí)現(xiàn)各自功能化模塊的連接，其中，應(yīng)用較為廣泛的是鋁合金結(jié)構(gòu)件的膠接處理[2]。6061鋁合金作為室內(nèi)裝飾中常用的鋁合金材質(zhì)，由于具有密度輕、比強(qiáng)度高和耐蝕等優(yōu)點(diǎn)而受到建筑裝飾行業(yè)的普遍青睞，尤其是隨著近年來含鉺鋁合金的開發(fā)與成功應(yīng)用，含鉺6061鋁合金的生產(chǎn)、開發(fā)與連接應(yīng)用等系列課題逐漸成為大家研究的重點(diǎn)[3]。在長期濕熱、輻照等環(huán)節(jié)下，室內(nèi)裝飾用膠接接頭的力學(xué)性能會發(fā)生不同程度退化，而目前室內(nèi)裝飾結(jié)構(gòu)件的連接行為研究還多集中在焊接、螺栓連接和鉚接等方面，對膠接接頭的力學(xué)性能及其影響因素方面的報道較少[4-6]。本文以室內(nèi)裝飾用含鉺6061鋁合金材料為研究對象，考察含鉺6061鋁合金試件在不同膠層厚度下的力學(xué)性能變化并探討了其斷裂模式，結(jié)果有助于結(jié)構(gòu)件的膠接工藝改善及應(yīng)用性能提升。

1 試驗(yàn)材料與方法

室內(nèi)裝飾基材為含鉺6061鋁合金，主要元素化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.27Cu、0.15Mn、0.93Mg、0.25Zn、0.12Cr、0.12Ti、0.52Si、0.16Fe、0.15Er、0.10Zr， 余量為Al；物性參數(shù)為：彈性模量68.89GPa、泊松比0.33、屈服強(qiáng)度189MPa、抗拉強(qiáng)度325MPa。6061+Er鋁合金采用DP125型雙組分環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行粘結(jié)并形成膠接接頭試樣，膠粘劑的物性參數(shù)為：彈性模量1.86GPa、泊松比0.33、剪切模量0.55GPa、剪切強(qiáng)度18.0MPa、固化溫度60℃、固化時間2h。

根據(jù)ISO 25217《粘結(jié)劑 雙懸臂梁和錐形雙懸臂梁試樣測定結(jié)構(gòu)膠粘劑的Ⅰ式粘結(jié)斷裂力》和ASTM D3433《粘結(jié)接頭中膠粘劑的斷裂強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》制備圖1所示的雙懸臂梁試件，其中，加載塊尺 寸l1、l2、l3、r和R分 別 為6mm、10mm、7mm、2mm和3mm，試件尺寸L、B和H分別為160mm、25mm和3mm，膠層厚度t分別為0.2mm、0.5mm和1.0mm。試件在專用固化模具中固定，并在熱壓機(jī)中進(jìn)行60℃/2MPa的固化處理。

圖1 室內(nèi)裝飾設(shè)計用膠接接頭試件示意圖Fig. 1 Schematic diagram of adhesive joint specimen for interior decoration design

在試件上預(yù)置初始裂紋并粘結(jié)加載塊，在MTS-810型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行荷載-位移曲線測試，記載速率為2mm/min。采用ABAQUS軟件進(jìn)行雙懸臂梁試件膠層斷裂過程的有限元模擬，有限元模型如圖2所示，其中，基底和膠層分別采用4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元（網(wǎng)格尺寸0.4×0.4 mm）和4節(jié)點(diǎn)內(nèi)聚力單元模型（網(wǎng)格尺寸0.2×0.2 mm）[7]。

圖2 膠接接頭試件的有限元模型Fig. 2 Finite element model of adhesive joint

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 為膠接接頭試件的力-位移曲線，表1中列出了相應(yīng)地膠接接頭試件的峰值載荷試驗(yàn)值和模擬值。當(dāng)膠層厚度為0.2mm時，峰值荷載試驗(yàn)值為98.48N、峰值荷載-模擬值為105.49N，相對誤差為7.12%；當(dāng)膠層厚度為0.5mm時，峰值荷載試驗(yàn)值為111.68N、峰值荷載-模擬值為120.03N，相對誤差為7.48%；當(dāng)膠層厚度為1.0mm時，峰值荷載試驗(yàn)值為53.21N、峰值荷載-模擬值為61.74N，相對誤差為16.03%?？梢姡S著膠層厚度增加，雙懸臂梁膠接接頭試件的峰值荷載試驗(yàn)值和峰值荷載模擬值都呈現(xiàn)先增加后減小特征，在膠層厚度為0.5mm時取得最大值，相應(yīng)的試驗(yàn)值和模擬值的相對誤差呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。

圖3 膠接接頭試件的力-位移曲線Fig. 3 Force displacement curve of adhesive joint specimen

表1 膠接接頭試件的峰值載荷試驗(yàn)值和模擬值Table 1 Peak load test value and simulation value of adhesive joint specimen

圖4 為膠接接頭試件的試驗(yàn)力-位移曲線，分別列出了試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的試驗(yàn)力-位移曲線。當(dāng)膠層厚度為0.2mm時，5組0.2mm膠層厚度試件的試驗(yàn)力-位移試驗(yàn)曲線與試驗(yàn)力-位移仿真曲線基本吻合，表明采用本文設(shè)定的ABAQUS軟件分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性；當(dāng)膠層厚度增加至0.5mm和1.0mm時，不同膠層厚度試件的試驗(yàn)力-位移試驗(yàn)曲線與試驗(yàn)力-位移仿真曲線也基本吻合。這也就說明，ABAQUS軟件分析結(jié)果不會因?yàn)槟z層厚度變化而發(fā)生明顯偏差，可以采用ABAQUS軟件對室內(nèi)設(shè)計用膠接接頭進(jìn)行載荷荷載預(yù)測[8]。

圖4 膠接接頭試件的試驗(yàn)力-位移曲線Fig. 4 Test force displacement curve of adhesive joint specimen

圖5 為膠接接頭試件的應(yīng)變能釋放率-等效裂紋長度曲線（R曲線），表2中列出了相應(yīng)地膠接接頭試件的斷裂能試驗(yàn)值和斷裂能模擬值。當(dāng)膠層厚度為0.2mm時，斷裂能試驗(yàn)值為0.96N/mm、峰值荷載-模擬值為0.92N/mm，相對誤差為4.17%；膠層厚度為0.5mm時，斷裂能試驗(yàn)值為1.25N/mm、峰值荷載-模擬值為1.24N/mm，相對誤差為0.80%；膠層厚度為1.0mm時，斷裂能試驗(yàn)值為0.41N/mm、峰值荷載-模擬值為0.43N/mm，相對誤差為4.89%?？梢?，隨著膠層厚度增加，雙懸臂梁膠接接頭試件的裂能試驗(yàn)值和斷裂能模擬值都呈現(xiàn)先增加后減小特征，在膠層厚度為0.5mm時取得最大值，此時的試驗(yàn)值和模擬值的相對誤差最小，僅為0.8%。此外，對比分析不同膠層厚度膠接接頭試件的應(yīng)變能釋放率-等效裂紋長度曲線可知，在開始階段，應(yīng)變能釋放率呈現(xiàn)快速增加的趨勢，此時裂紋并沒有擴(kuò)展；當(dāng)應(yīng)變能釋放率呈現(xiàn)波動狀態(tài)時，對應(yīng)進(jìn)入“平臺階段”[9]。

圖5 膠接接頭試件的應(yīng)變能釋放率-等效裂紋長度曲線Fig. 5 Strain energy release rate-equivalent crack length curve of adhesive joint specimen

表2 膠接接頭試件的斷裂能試驗(yàn)值和模擬值Table 2 Experimental and simulated values of fracture energy of bonded joint specimens

圖6 為膠接接頭試件的斷裂形貌，分別列出了膠層厚度0.2mm、0.5mm和1.0mm試件的斷裂形貌。對比分析可知，當(dāng)膠層厚度為0.2mm時，膠接接頭試件呈現(xiàn)內(nèi)聚斷裂失效特征，表現(xiàn)為膠層本體發(fā)生破壞，且裂紋擴(kuò)展主要在膠層內(nèi)部；當(dāng)膠層厚度增加至0.5mm時，膠接接頭試件呈現(xiàn)混合斷裂失效特征，表現(xiàn)為內(nèi)聚斷裂失效耦合界面斷裂失效（基底與膠層間發(fā)生裂紋擴(kuò)展[10]）；當(dāng)膠層厚度增加至1.0mm時，膠接接頭試件的斷裂模式與膠層厚度為0.5mm時相似，都表現(xiàn)為混合斷裂失效特征。結(jié)合圖6和表2的測試結(jié)果可知，膠層厚度不僅會對膠接接頭試件的斷裂能產(chǎn)生明顯影響，還會影響膠接接頭的斷裂模式。

圖6 膠接接頭試件的斷裂形貌Fig. 6 Fracture morphology of adhesive joint specimen

3 結(jié)論

（1）隨著膠層厚度增加，膠接接頭試件的峰值荷載試驗(yàn)值和峰值荷載模擬值都呈現(xiàn)先增加后減小特征，在膠層厚度為0.5mm時取得最大值，相應(yīng)的試驗(yàn)值和模擬值的相對誤差呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。

（2）當(dāng)膠層厚度為0.2mm時，斷裂能試驗(yàn)值為0.96N/mm、峰值荷載-模擬值為0.92N/mm，相對誤差為4.17%；膠層厚度為0.5mm時，斷裂能試驗(yàn)值為1.25N/mm、峰值荷載-模擬值為1.24N/mm，相對誤差為0.80%；膠層厚度為1.0mm時，斷裂能試驗(yàn)值為0.41N/mm、峰值荷載-模擬值為0.43N/mm，相對誤差為4.89%。

（3）當(dāng)膠層厚度為0.2mm時，膠接接頭試件呈現(xiàn)內(nèi)聚斷裂失效特征，表現(xiàn)為膠層本體發(fā)生破壞，且裂紋擴(kuò)展主要在膠層內(nèi)部；當(dāng)膠層厚度增加至0.5mm時，膠接接頭試件呈現(xiàn)混合斷裂失效特征，表現(xiàn)為內(nèi)聚斷裂失效耦合界面斷裂失效（基底與膠層間發(fā)生裂紋擴(kuò)展）；當(dāng)膠層厚度增加至1.0mm時，膠接接頭試件的斷裂模式與膠層厚度為0.5mm時相似，都表現(xiàn)為混合斷裂失效特征。