運動康復器械用高性能膠粘劑的粘接性能研究

摘 要：為了提高運動康復器械用膠粘劑的粘接性能，以線性T1膠粘劑和非線性Tc膠粘劑為原料對運動康復器械用鋼管和碳纖維增強基復合材料（CFRP）板進行了粘接，考察了膠粘劑厚度對粘接性能和破壞模式的影響，并采用計算模擬的方法對粘接強度進行了預測。結(jié)果表明，相較于線性T1膠粘劑，非線性Tc膠粘劑的拉伸強度和彈性模量相對較小，而最大應(yīng)變相對較大。無論是線性T1膠粘劑還是非線性Tc膠粘劑試樣，界面極限承載力試驗值與界面極限承載力計算值都較為相近；線性方程斜率為0.93，相關(guān)性系數(shù)R 2 =0.86?？梢圆捎媚z粘劑試樣的斷裂能公式對極限承載力進行預測。

關(guān)鍵詞：運動康復器械；線性T1膠粘劑；非線性Tc膠粘劑；粘接性能

中圖分類號：TQ437 + .9 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0031-04Study on the adhesive performance of high performanceadhesives for sports rehabilitation equipmentWANG Rui（Yan’an University，Yan’an 716000，Shaanxi China）

Abstract：In order to improve the bonding performance of adhesives for sports rehabilitation equipment，linear T1adhesive and nonlinear Tc adhesive were used as raw materials to bond steel pipes and carbon fiber reinforced com?posite（CFRP）plates for sports rehabilitation equipment. The influence of adhesive thickness on bonding perfor?mance and failure mode was investigated，and the bonding strength was predicted using computational simulationmethods. The results indicate that compared to linear T1 adhesive，the tensile strength and elastic modulus of non?linear Tc adhesive are relatively small，while the maximum strain is relatively large. Whether it is a linear T1 adhe?sive or a nonlinear Tc adhesive sample，the experimental values of interface ultimate bearing capacity and the calcu?lated values of interface ultimate bearing capacity are relatively similar；the slope of the linear equation is 0.93，andthe correlation coefficient R 2 =0.86. The fracture energy formula of adhesive specimens can be used to predict the ul?timate bearing capacity.

Key words：sports rehabilitation equipment；linear t1 adhesive；nonlinear tc adhesive；adhesive performance

運動康復器械是一種幫助患者開展被動運動和日?；顒?，以達到促進康復的設(shè)備。運動康復器械通常是由鋼、纖維復材等通過連接等生產(chǎn)工藝拼裝成的康復器械，傳統(tǒng)的運動康復器械采用焊接等方式實現(xiàn)連接，具有工藝復雜、會對原有基材造成損傷等情況 [1] ，而膠粘劑可以彌補這方面的缺陷，通過對運動康復器械用異種材料的粘接，可以具有良好的粘接強度和服役壽命。然而，在對運動康復器械進行粘接過程中，界面粘接往往是整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié) [2] ，有必要對界面粘接行為進行研究，并采用有效預測方法對極限承載能力進行預測，這方面的研究報道較少 [3-4] 。

為了提高運動康復器械用膠粘劑的粘接性能，以線性T1膠粘劑和非線性Tc膠粘劑為原料對運動康復器械用鋼管和碳纖維增強基復合材料（CFRP）板進行粘接，考察膠粘劑厚度對粘接性能和破壞模式的影響，并采用計算模擬的方法對粘接強度進行預測，結(jié)果將有助于運動康復器械用鋼管和碳纖維增強基復合材料膠粘劑的開發(fā)并推動其工業(yè)化應(yīng)用。

1 材料與方法

1. 1 原材料

試驗材料包括運動康復器械用鋼管（壁厚5 mm）和碳纖維增強基復合材料（CFRP）板（寬25 mm、厚1.5 mm），其中，鋼管的屈服強度為265 MPa、抗拉強度405MPa、斷后伸長率為 39%；CFRP 板的抗拉強度為 1 655 MPa、斷后伸長率1.02%、彈性模量175 GPa。

1. 2 粘接處理

采用市售線性T1膠粘劑和非線性Tc膠粘劑對運動康復器械用鋼管/CFRP板進行連接。預先對CFRP板進行表面處理，纖維表面打磨去除樹脂層，然后采用清水沖洗和丙酮超聲清洗后吹干；鋼管基體表面處理，砂紙打磨后依次采用清水和丙酮溶液清洗后吹干，在需要粘接的位置做好標記，在標記處進行噴砂處理，丙酮清洗干凈后吹干。在需要粘接的區(qū)域外粘貼膠帶，將攪拌均勻的膠粘劑涂抹在試樣表面，控制界面厚度為0.5、1.0和1.5mm，并將CFRP板和鋼管基體進行粘接，常溫固化5d+50℃，固化3d后得到粘接試樣。

1. 3 加載裝置和測試

參照ASTM/D638—1991 《塑料拉伸性能的標準試驗方法》，在INSTRON5500型萬能材料試驗機上進行拉伸速率為0.2mm/min的室溫拉伸性能測試；采用單面剪切試驗法 [5] ，在MTS電子萬能試驗機上進行膠粘試樣的剪切試驗，加載過程中通過位移加載的方式進行控制 [6] ，加載速率為0.1mm/min，并記錄荷載位移曲線。

2 結(jié)果與討論

2. 1 膠粘劑

圖1為運動康復器械用膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖1可知，線性T1膠粘劑、非線性Tc膠粘劑的拉伸強度分別為 52.92 MPa 和 39.81 MPa，彈性模量分別為 3.26 GPa 和 1.85 GPa，最大應(yīng)變分別為2.03×10 -2 με和6.35×10 -2 με?？梢姡蔷€性Tc膠粘劑的拉伸強度和彈性模量相對線性T1膠粘劑較小，而最大應(yīng)變相對較大。

2. 2 鋼管/CFRP板粘接試樣

表1為運動康復器械用鋼管/CFRP板粘接試樣的剪切性能測試結(jié)果。

由表1可知，每組膠粘劑粘接試樣都選取2組進行測試，從測試結(jié)果可見，2組試樣的界面極限承載力相差不大、界面破壞形式相同，表明粘接試樣較為穩(wěn)定，粘接工藝較為適宜 [7] 。此外，對比分析可知，在膠粘劑厚度相同時，如0.5、1.0和1.5 mm時，非線性Tc膠粘劑試樣的界面極限承載力相對線性T1膠粘劑較高。

圖2為運動康復器械用膠粘劑的荷載-位移曲線。

由圖2（a）可知，在加載初期，荷載會隨著位移增加而線性增大，當位移加載到一定程度時，荷載增加幅度減小，這主要是由于此時試件產(chǎn)生了剛度退化 [8] ；對比3條曲線的斜率可知，在加載過程中，曲線斜率從大至小順序為：Tc-0.5、Tc-1.0、Tc-1.5，這也說明隨著膠粘劑厚度增加，試樣的剛度不斷減?。淮送?，對比分析可知，發(fā)生破壞時3組試件的最大位移存在顯著差異，且Tc-1.0和Tc-1.5試樣的最大位移都明顯高于Tc-0.5，表明膠粘劑厚度增加有助于提升試樣的韌性。

由圖2（b）可知，在加載初期，荷載也會隨著位移增加而線性增大，當位移加載到一定程度時，荷載增加幅度減小，這主要是由于此時試件產(chǎn)生了剛度退化 [9] ；對比3條曲線的斜率可知，在加載過程中，3條曲線的斜率相當，這也說明隨著膠粘劑厚度增加，試樣的剛度不會發(fā)生明顯變化。

由圖2（c）可知，相同膠粘劑厚度時非線性Tc膠粘劑試樣的曲線斜率要大于線性T1膠粘劑試樣，表明前者的剛度相對更大 [10] 。此外，相同膠粘劑厚度時，非線性Tc膠粘劑試樣的最大位移明顯小于線性T1膠粘劑試樣，表明前者的韌性相對較小，這主要與非線性Tc膠粘劑具有較小的彈性模量和較高的韌性有關(guān) [11-13] 。

2. 3 界面粘接強度

根據(jù)運動康復器械用膠粘劑試樣的粘接-滑移曲線，結(jié)合碳纖維板寬度b、界面斷裂能G、碳纖維板彈性模量（E）和厚度（t），可計算得到界面粘接強度（P）[14-15] ：P=b 2GEt將膠粘劑試樣的粘接強度計算值與試驗值進行對比，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，無論是線性T1膠粘劑還是非線性Tc膠粘劑試樣，界面極限承載力試驗值與界面極限承載力計算值都較為相近。

圖3為運動康復器械用膠粘劑的極限承載力的計算值-試驗值擬合曲線。

由圖3可知，膠粘劑試樣的極限承載力試驗值與極限承載力預測值有較好的線性對應(yīng)關(guān)系 [16] ，線性方程斜率為0.93，相關(guān)性系數(shù)R 2 =0.86。由此可見，可以采用膠粘劑試樣的斷裂能公式對運動康復器械用膠粘劑的極限承載力進行計算，并對最終結(jié)果具有較好的預測性。

3 結(jié)語

（1）線性T1膠粘劑的拉伸強度為52.92 MPa、彈性模量為3.26 GPa、最大應(yīng)變?yōu)?.03%；非線性Tc膠粘劑的拉伸強度為39.81 MPa、彈性模量為1.85 GPa、最大應(yīng)變?yōu)?.35%；

（2）2組試樣的界面極限承載力相差不大、界面破壞形式相同，表明粘接試樣較為穩(wěn)定，粘接工藝較為適宜；

（3）無論是線性T1膠粘劑還是非線性Tc膠粘劑試樣，界面極限承載力試驗值與界面極限承載力計算值都較為相近；線性方程斜率為0.93，相關(guān)性系數(shù)R 2 =0.86。

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