CN113029942B - 单界面粘接强度评价测试方法 - Google Patents

Abstract

一种单界面粘接强度评价测试方法，通过将胶粘固化后的试样平放于测试装置上方，设置压头速度对试样进行缓慢类弯曲加载，在此过程中利用位移传感器和压力传感器采集压头位移和压头载荷的变化数据；将压头载荷开始出现增长时的压头位置作为试样竖直位移的起始点，以实验停止时的压头位置作为试样竖直位移的结束点，并以此绘制试样竖直位移和压头载荷的变化曲线，实验停止前的压头载荷即为胶粘剂和试样之间单界面粘接强度的评价指标。本发明能够准确控制胶层尺寸与厚度均匀性，可有效评价测试胶层与试样的单界面粘接强度大小。

Description

单界面粘接强度评价测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种粘接检测领域的技术，具体是一种单界面粘接强度评价测试方法。

背景技术

胶接是一种利用胶粘剂通过物理、化学或机械的方式使得两个原本分离的零件结合在一起的工艺，现有粘接强度的测试方法有GB/T2791-1995《胶粘剂T剥离强度试验方法》和HB5164—1981《金属胶接拉伸剪切强度试验方法》，均在两个试样之间制备一定厚度的胶层，固化后进行拉伸实验，在切应力的作用下胶层与试样发生脱离，以脱离时夹头载荷评价粘接强度。但现有的T剥离强度试验方法和剪切强度试验方法制样困难，胶粘剂在凝固前的流动性较强，在压力作用下产生侧向流动，从而难以保证胶层的厚度和均匀性，在此过程中胶层厚度的差异会导致强度测试产生较大误差，从而影响强度测试。

与此同时，T形剥离方法和拉伸剪切方法都是通过“三明治结构”将胶层涂覆在两个试样之间，制样时胶层上下粘接界面难以保持高度一致，所以无法预估胶粘剂与试样的单界面粘接强度。

发明内容

本发明针对现有测试固体材料粘接强度的方法往往受限于胶接面的面积以及胶层的厚度，误差较大的同时不能反映单界面粘接强度的问题，提出一种单界面粘接强度评价测试方法，能够准确控制胶层尺寸与厚度均匀性，可有效评价测试胶层与试样的单界面粘接强度大小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过将胶粘固化后的试样平放于测试装置上方，设置压头速度对试样进行缓慢类弯曲加载，在此过程中利用位移传感器和压力传感器采集压头位移和压头载荷的变化数据；将压头载荷开始出现增长时的压头位置作为试样竖直位移的起始点，以实验停止时的压头位置作为试样竖直位移的结束点，并以此绘制试样竖直位移和压头载荷的变化曲线，实验停止前的压头载荷即为胶粘剂和试样之间单界面粘接强度的评价指标。

所述的胶粘固化是指：将涂胶辅助工装与试样对齐后叠放固定，将胶粘剂均匀涂覆在试样一侧的中心区域以及涂胶辅助工装中间的槽中，待胶粘剂基本固化后将涂胶辅助工装轻轻移开。

所述的涂胶辅助工装，预先根据试样尺寸制作且与试样等长等宽、与胶层等厚度，该工装的中间位置切割出用于灌注胶粘剂的镂空槽，所切割的区域与胶层相匹配。为确保加载过程中试样与胶粘剂之间的粘结力为拉应力，胶层厚度要小于试样厚度。

所述的试样，采用长方形结构。

所述的试样和涂胶辅助工装的表面优选预先经清洗处理，去除表面油污。

所述的类弯曲加载，试样无胶层的一侧正对压头，确保压头两侧等距后用夹具固定试样。

所述的类弯曲加载，优选当出现胶层脱离、脱落或起裂时立即停止加载，根据停止时刻的压头载荷数值可判断试样与胶粘剂之间单界面粘接强度的大小。

所述的粘接强度，即压头载荷反映了试样与胶层之间单界面粘接强度的大小。加载过程中在压力P的作用下，试样与胶层之间的粘结力使得二者变形过程中不分离，同时试样和胶层的粘接界面上存在界面切应力τ；随着载荷的增大，界面切应力τ也不断增大，当界面切应力τ增大到一定程度时，会使得胶层出现脱粘，脱离试样或胶层表面产生裂纹。压头载荷越大，说明界面粘结力越大，即试样与胶层之间单界面粘接强度越大。

技术效果

本发明整体解决了现有无法控制胶层尺寸和均匀性，且无法反映胶层与试样单界面粘接强度的不足；

与现有技术相比，本发明可以保证胶层长度、宽度及厚度尺寸，避免粘接过程中气泡和胶粘剂不均匀分布等现象的产生，确保实验结果的准确性的同时，在加载的过程中可以实时观察胶层与试样的分离情况，从而更好地评价测试胶层与试样的单界面粘接强度。此外，本发明每次实验只需要一个粘接基体试样，且能通过粘接的面积预估胶粘剂的用量，综合减少试样的数量，避免胶粘剂的浪费，更加符合环保的理念。

附图说明

图1为粘接完成后样品正视图；

图中：试样1、固化后的胶层2；

图2为加载过程中胶层脱粘原理图；

图3为本发明加载装置示意图；

图中：压头3、夹头部件4、底座5；

图4为实施例中粘接试样示意图；

图中：涂胶辅助工装6、镂空槽7；

图5为实施例加载过程中四种粘结剂试样竖直位移和压头载荷的变化曲线。

具体实施方式

本实施例通过将胶粘固化后的试样平放于测试装置上方，设置压头速度对试样进行缓慢类弯曲加载，在此过程中利用位移传感器和压力传感器采集压头位移和压头载荷的变化数据；将压头载荷开始出现增长时的压头位置作为试样竖直位移的起始点，以实验停止时的压头位置作为试样竖直位移的结束点，并以此绘制试样竖直位移和压头载荷的变化曲线，实验停止前的压头载荷即为胶粘剂和试样之间单界面粘接强度的评价指标。

如图3所示，所述的测试装置包括：相对设置的压头3以及夹头部件4，其中：带有固化后的胶层2的试样1两端固定于夹头部件4上，夹头部件4设置于底座5上，胶层2位于试样1的向下一侧。

如图1所示，胶粘固化过程中将胶层2均匀涂在试样1的中心区域，固化后将试样1平放在夹头部件4上。通过调节左右两端的距离，使得压头1位于试样1中心的正上方，调节好距离后用夹头固定试样1。

如图3所示，类弯曲加载过程中，压头3向下加载，使得试样1和胶层2发生变形，加载速度控制在2～3mm/min。

如图4所示，所述的涂胶辅助工装6与试样1等长等宽，厚度与胶层2的厚度相同。在涂胶辅助工装6的中心切割与胶层2等长等宽的镂空槽7，粘接过程中将胶粘剂涂满整个凹槽并去除表面余胶。待胶粘剂接近凝固时移开涂胶辅助工装6，固化后就能得到稳定且尺寸精确的胶层2。

在实施例中选择长100mm、宽25mm、厚1.8mm的铝合金试样，选择四种粘结剂。设定胶粘剂长度50mm、宽度12.5mm和厚度1mm，按照该尺寸设定涂胶辅助工装。涂胶辅助工装与试样等长等宽，厚度为1mm，在其中间位置切割长度50mm、宽度12.5mm的镂空槽用于涂覆胶粘剂。

本实施例具体步骤包括：

步骤一：制备上述尺寸的铝合金试样和涂胶辅助工装，长、宽和高的尺寸都精确到0.1mm。

步骤二：用酒精擦拭试样表面，清理干净后在温度25℃，湿度小于70％的条件下进行试样与胶粘剂的粘接。首先将试样和涂胶辅助工装整齐叠放，而后将胶粘剂均匀涂满中心的凹槽内，此过程注意控制涂敷速度，避免产生气泡。随后，使用纸片刮去表面余胶，当胶粘剂即将完全固化前移走涂胶辅助工装，制备后的样品如图1所示。根据胶粘剂的种类分别以相同的方式制备四组实验样品，最后统一在25℃左右的温度下固化16小时。

步骤三：在室温下进行实验，之前将试样在实验温度下放置1个小时。而后，将试样平放在夹具上，试样无胶层的一侧正对压头，设定两夹头之间的距离为60mm，确保压头两侧约为30mm。最后用夹具固定试样，防止加载过程中夹具阻碍试样变形，发生翘曲。

步骤四：设定压头加载速度为2mm/min，调节压头位置于试样上方2mm后开始实验。加载过程中观察记录胶层与试样的分离情况，当出现胶层脱落、脱离或表面开裂时停止实验。

步骤五：以上述步骤分别对四组试样进行实验，观察四组实验过程中胶层脱落情况，并记录压头位移和压头载荷的变化数据，最后绘制试样竖直位移和压头载荷的变化曲线。

实验过程中，4号胶粘剂表面出现了裂纹；1号胶粘剂的胶层与试样整体脱离；2号和3号胶粘剂的胶层边缘脱落。

如图5所示，为四种胶粘剂试样竖直位移和压头载荷的变化曲线，记录实验停止前压头载荷的数值，得到实验结果为：

胶粘剂种类	1号胶粘剂	2号胶粘剂	3号胶粘剂	4号胶粘剂
					压头载荷/N	763.31	1223.22	1143.69	697.04

实验停止前2号胶粘剂粘接的试样受到的压头载荷要大于其他三种胶粘剂，说明该胶粘剂与试样之间单界面粘接强度最大，其次是3号、1号和4号胶粘剂。

为进一步说明该方法的准确性，使用相同的试样和胶粘剂根据HB5164—1981《金属胶接拉伸剪切强度试验方法》进行拉伸剪切实验加以证明。在两试样搭接区域制备一定厚度的胶层，室温条件下固化完成后安装至试验机夹头。设置试验机夹头的移动速度，试样破坏后立刻读取破坏载荷值，利用最大载荷值评价粘接强度的大小。

得到实验结果为：

胶粘剂种类	1号胶粘剂	2号胶粘剂	3号胶粘剂	4号胶粘剂
					最大载荷/N	1778.45	5350.82	4971.47	1240.52

最大载荷值越大，试样与胶粘剂之间的粘接强度越大。从表中可以看出，2号胶粘剂的粘接强度最大，其次是3号、1号和4号胶粘剂4，与本方法测试的结果一致，验证了单界面粘接强度评价测试方法的有效性。

经过具体实际实验，在室温环境下通过类弯曲加载，以胶层脱落、脱落或断裂前的压头载荷来评价测试单界面粘接强度的大小，得到的具体实验数据从大到小依次为：1223.22N，1143.69N，763.31N和697.04N。压头载荷越大，胶层与试样界面切应力τ越大，则说明粘接强度越大。相比之下，2号胶粘剂与试样的单界面粘接强度最大。

与现有技术相比，本方法通过加载过程中的压头载荷间接评价测试胶粘剂与试样的单界面粘接强度大小，强度计算过程相比传统方法更为简化，且可以准确控制胶层尺寸和均匀性，减小测试产生的误差。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种单界面粘接强度评价测试方法，其特征在于，通过将胶粘固化后的试样平放于测试装置上方，设置压头速度对试样进行缓慢类弯曲加载，在此过程中利用位移传感器和压力传感器采集压头位移和压头载荷的变化数据；将压头载荷开始出现增长时的压头位置作为试样竖直位移的起始点，以实验停止时的压头位置作为试样竖直位移的结束点，并以此绘制试样竖直位移和压头载荷的变化曲线，实验停止前的压头载荷即为胶粘剂和试样之间单界面粘接强度的评价指标；

所述的类弯曲加载，试样无胶层的一侧正对压头，确保压头两侧等距后用夹具固定试样；

所述的测试装置包括：相对设置的压头以及夹头部件，其中：带有固化后的胶层的试样两端固定于夹头部件上，夹头部件设置于底座上，胶层位于试样的向下一侧；

所述的粘接强度，即压头载荷反映试样与胶层之间单界面粘接强度的大小；加载过程中在压力P的作用下，试样与胶层之间的粘结力使得二者变形过程中不分离，同时试样和胶层的粘接界面上存在界面切应力τ；随着载荷的增大，界面切应力τ也不断增大，当界面切应力τ增大到一定程度时，会使得胶层出现脱粘，脱离试样或胶层表面产生裂纹；

所述的测试方法具体包括：

步骤一：制备长100mm、宽25mm、厚1.8mm的铝合金试样和与试样等长等宽，厚度为1mm，在其中间位置切割长度50mm、宽度12.5mm的涂胶辅助工装，长、宽和高的尺寸都精确到0.1mm；

步骤二：用酒精擦拭试样表面，清理干净后在温度25℃，湿度小于70％的条件下进行试样与胶粘剂的粘接；首先将试样和涂胶辅助工装整齐叠放，而后将胶粘剂均匀涂满中心的凹槽内，此过程注意控制涂敷速度，避免产生气泡；随后，使用纸片刮去表面余胶，当胶粘剂即将完全固化前移走涂胶辅助工装；根据胶粘剂的种类分别以相同的方式制备四组实验样品，最后统一在25℃左右的温度下固化16小时；

步骤三：在室温下进行实验，之前将试样在实验温度下放置1个小时；而后，将试样平放在夹具上，试样无胶层的一侧正对压头，设定两夹头之间的距离为60mm，确保压头两侧约为30mm；最后用夹具固定试样，防止加载过程中夹具阻碍试样变形，发生翘曲；

步骤四：设定压头加载速度为2mm/min，调节压头位置于试样上方2mm后开始实验；加载过程中观察记录胶层与试样的分离情况，当出现胶层脱落、脱离或表面开裂时停止实验，记录压头位移和压头载荷的变化数据，最后绘制试样竖直位移和压头载荷的变化曲线。

2.根据权利要求1所述的单界面粘接强度评价测试方法，其特征是，所述的胶粘固化是指：将涂胶辅助工装与试样对齐后叠放固定，将胶粘剂均匀涂覆在试样一侧的中心区域以及涂胶辅助工装中间的槽中，待胶粘剂基本固化后将涂胶辅助工装轻轻移开。

3.根据权利要求2所述的单界面粘接强度评价测试方法，其特征是，所述的涂胶辅助工装，预先根据试样尺寸制作且与试样等长等宽、与胶层等厚度，该工装的中间位置切割出用于灌注胶粘剂的镂空槽，所切割的区域与胶层相匹配。

4.根据权利要求1所述的单界面粘接强度评价测试方法，其特征是，所述的类弯曲加载，当出现胶层脱离、脱落或起裂时立即停止加载，根据停止时刻的压头载荷数值可判断试样与胶粘剂之间单界面粘接强度的大小。

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