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厚复合材料层压板胶粘接头疲劳性能及局部应力研究郭岗，王佳茜，李沙（中联重科股份有限公司，湖南长沙410205）［摘要］针对不同胶粘长度、不同形状、不同材料的胶粘接头进行疲劳试验，得到最大施加载荷和疲劳循环次数的曲线。
运用有限元法研究胶粘层的最大施加载荷与疲劳寿命，发现所有复合材料接头破坏的疲劳次数与最大载荷密切相关。
研究表明所有测点的最大剪应力和破坏疲劳次数都分布在一个小范围内，具有较低的分散度，而与接头的形状和粘胶长度无关。
表明可以把胶粘层的最大弹性应力作为一种设计准则。
［关键字］复合材料；胶粘接头；疲劳；局部应力［中图分类号］TB333 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2015）03-0067-05Local stress analysis of fatigue performance of adhesively bondedthick composite laminatesGUO Gang，WANG Jia-qian，LI Sha工程机械臂式结构中厚碳纤维复合材料层压板得到了广泛应用。
在实际设计制造时，为了实现模块化生产，通过将较小的结构件胶粘，得到比较复杂的结构。
模块化生产方式提高了复合材料层压板结构的生产效率，降低了生产成本，但也产生了大量胶粘接头。
因此，研究厚复合材料层压板胶粘接头的疲劳性能非常重要。
众所周知，不能简单依靠标准试件的加载-寿命曲线进行复合材料胶粘接头的疲劳设计。
文献［1］表明胶粘接头的承载能力不能用平均应力衡量，也即不能用施加载荷除以接头的面积［2，3］。
层合板胶粘的案例中，重叠部分的边缘经常会产生应力集中，胶粘界面内也会产生应力奇点，而这些点的应力与平均应力并不呈比例关系［4］。
因此，将标准件的疲劳试验结果应用到实际结构时，需要具体问题具体分析。
目前常用的方法可以分成三大类：基于局部应力分布的方法［5］；基于断裂力学的方法［6-8］；采用广义应力强度因子概念的方法［9，10］。
复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究张阿盈【摘要】胶接是复合材料结构主要连接方法之一，对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。
在初步设计阶段，一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。
针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头，在Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）基础上，提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法，该方法考虑了被胶接件的剪切变形，认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形，剪应力沿该半厚度呈线性分布。
算例分析结果表明：本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果，可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。
%Adhesively bonding is an important joint method in composite structures. The stress analysis of adhe sively bonded joint is the key to guarantee safety and durability of composites. Currently, in structure initial design stage, joint stress analysis and parametric study are normally performed with analytical methods. Based on the theoretical solution of Tsai, et al （TOM method）, an improved theoretical solution for adhesively bonded single-lap and double-lap joints is proposed, the shear effect in adhesive layer is considered. It is assumed that shear strain only exists in the half thickness of the adhesive layer. The results of improved analytical solution are compared with simulation results of finite element method as well as other existing methods, and show that the improved solutions are more close to numerical results than that of other existing theoretical ones for composite laminates. The proposed method caneffectively estimate shear stress distributions of adhesively bond composite lap joint.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2012(003)002【总页数】7页(P167-173)【关键词】复合材料;胶接接头;双搭接;单搭接;胶层;剪应力【作者】张阿盈【作者单位】中国飞机强度研究所,西安710065【正文语种】中文【中图分类】V214.80 引言胶接是复合材料结构主要连接方法之一，由于其结构轻、连接效率高、耗时少、成本低、疲劳性、密封性能好等优点，在航空结构上得到了越来越广泛的应用。
复合材料胶接、缝合连接设计研究XX：1671-7597（20XX）17-0117-011 概述根据复合材料的自身特点及其破坏的机理，存复合材料连接中，胶接、缝合连接、混合连接已被广泛的运用。
合理的胶接、缝合连接、混合连接设计，不但能够满足使用要求，减轻结构重量，提高可靠性，还可以延长结构的使用寿命。
本文针对复合材料的胶接、缝合连接、混合连接方法进行探讨。
2 胶接连接胶接连接是借助胶粘剂将复合材料、金属材料零件连接成不可拆卸整体的连接方法。
2.1 胶接连接优点1）胶接连接受力均衡，接触为面接触，承载能力强，不同于机械连接的点接触。
2）没有钻孔引起的应力集中和分层，连接可靠性好，结构重量轻。
3）胶接连接能获得光滑的气动外形，外形美观。
4）抗疲劳性、密封性、减振性能好。
5）不同材料连接时，有隔离的作用，无电偶腐蚀问题，相容性好。
6）有阻止裂纹扩展的作用。
2.2 胶接连接缺点1）胶接的质量操纵比较困难。
2）胶接强度分散性大，剥离强度低。
3）胶接的工艺要求严格。
4）胶接性能受湿热效应、介质等环境的因素影响大，胶粘剂存在老化的问题。
5）如果需要加温加压就需要专门的设备，成本高。
2.3 胶接连接参数胶接连接主要参数包括胶接件的厚度t、胶层厚度h、胶接件的搭接长度L等（见图1数值为本文推举）。
1）胶接件的厚度t。
胶接件的厚度由其所传递载荷P的大小确定。
图1 胶接连接的参数图2 缝合连接的参数2）胶层厚度h。
胶层厚度h对连接强度有很大影响，增加胶层厚度，可减少应力集中，提高连接强度。
胶层厚度过厚，会产生胶层厚度偏差、气孔等缺陷；胶层厚度过薄，不能满足连接强度的要求。
因此，胶层厚度一般取0.1～0.4 mm。
胶接件的搭接长度L。
胶接件的搭接长度与胶接件的厚度（载荷p的大小）有关，因此，胶接件的搭接长度应尽可能的大，来满足连接的可靠性要求。
胶接件的搭接长度L≥8 mm。
3 缝合连接缝合连接是借助缝合线将复合材料连接在一起，经过固化使缝合线与复合材料成为不可拆卸的整体的连接方法。
摘要复合材料结构的连接形式主要分为胶接和机械连接，随着复合材料在航空航天领域的广泛应用，胶接因其在复合材料结构连接中的优良特性日益受到结构设计人员的青睐，具有连接效率高、结构轻、抗疲劳、密封性好等优点。
然而胶接设计也具有很大的挑战性，在结构强度计算中，胶接连接接头部位一般为危险部位，需要重点校核。
所以，对复合材料胶接接头的设计分析是十分必要的。
本选题利用成熟的有限元商用软件ABAQUS，使用XFEM（扩展有限元法）对胶层和复合材料层的应力场等进行分析。
通过分析计算这些应力，同时应用相应的失效准则，进而可预测初始裂纹的扩展与否及扩展的长度，为胶接接头设计的选择提供必要的依据。
在文章中，讨论了胶接长度、胶层厚度和初始裂纹的位置对裂纹扩展的影响。
通过对仿真结果的分析，提出了减小胶接长度和胶层厚度的观点，指出裂纹易于产生及扩展的区域，对胶接接头的设计进行了优化。
胶接接头的优化设计对拓宽复合材料在飞机结构上的应用范围，进一步减轻结构重量、提高疲劳性能和降低制造成本具有重要的工程使用价值。
关键词:复合材料板胶接接头扩展有限元裂纹扩展AbstractThe joint methods of composite structure contain cementing and mechanical connection.. With the use of composite in the field of aviation increased a lot in recent years for its high strength and lightness, the cementing is increasingly favored by the structure design staff for its excellent characteristics in the connection field of composite structure. The characteristics are high ligation efficiency, light structure, antifatigue and good sealing. However, glued design also has a great challenge. In the structural strength calculations, glued joints are generally connected to dangerous parts and need to focus on checking. Therefore, the design and analysis of composite bonded joint is very necessary.The topic use the sophisticated and commercial software -ABAQUS, in the field of finite element, and use XFEM ( extended finite element method ) as the foundation to analysis the stress field of bonding layers and composite layers. By analyzing and calculating these stresses, while applying the appropriate failure criterion, we can predict the initial crack extension and the length of the expansion. In this way, it can provide the necessary basis for the design of bonding joints. In the article, we discussed the impact of the bonding length, layer thickness and initial crack location on crack propagation. Through the analysis of simulation results, we presented two standpoints of reducing the length of bonding joint and the thickness of adhesive. Besides, we pointed the areas where cracks are easy to generate and expand. Optimal design of adhesive joints in composite materials has important engineering value to broaden the scope of application of the aircraft structure and further reduce the structural weight, improve the performance of fatigue and reduce manufacturing costs.Keywords:Composite plates, Adhesive joints, XFEM, Crack extension目录摘要 (I)Abstract ....................................................... I I 目录.......................................................... I II 第一章引言.. (1)1.1导言 (1)1.2胶接连接 (2)1.2.1 简介 (2)1.2.2胶接连接应当注意的问题 (3)1.2.3胶接连接研究现状 (3)1.3 胶接接头 (4)1.3.1胶接接头简介 (4)1.3.2胶接接头的基本形式 (5)1.3.3胶接接头的破坏模式 (6)1.3.4胶接接头处可能出现的裂纹及其影响 (7)第二章复合材料损伤和胶接连接的力学模型 (8)2.1导言 (8)2.2复合材料层板强度预测 (8)2.3复合材料和胶层断裂准则 (10)第三章利用ABAQUS建立复合材料胶接接的有限元模型 (13)3.1扩展有限元方法和工程软件ABAQUS简介 (13)3.1.1传统有限元方法 (13)3.1.2扩展有限元方法及基本原理 (14)3.1.3ABAQUS简介 (15)3.2利用ABAQUS建立复合材料板胶接模型的过程 (16)3.2.1几何模型的建立和约束条件 (16)3.2.2材料属性 (17)3.2.3定义接触 (19)3.2.4 对于XFEM定义 (19)第四章基于裂纹扩展分析的单面搭接接头设计 (21)4.1复合材料胶接接头在纵向载荷下的受力分析 (21)4.2不同搭接长度下胶接接头的裂纹扩展情况 (23)4.2.1搭接长度为15mm的情况 (23)4.2.2搭接长度为10mm的情况 (25)4.2.3搭接长度为20mm的情况 (26)4.2.4不同搭接长度下裂纹情况的对比及结论 (28)4.3不同胶层厚度下胶接接头的裂纹扩展情况 (29)4.3.1胶层厚度为0.1mm的情况 (29)4.3.2胶层厚度为0.2mm的情况 (31)4.3.3胶层厚度为0.3mm的情况 (33)4.3.4不同胶层厚度下裂纹情况的对比及结论 (34)带五章基于裂纹扩展的斜面搭接接头设计 (37)5.1斜面搭接接头在纵向载荷下的受力分析 (37)5.2不同裂纹位置下胶接接头的裂纹扩展情况 (38)5.2.1选取的三种不同裂纹位置 (39)5.2.2裂纹的扩展情况 (40)5.2.3三种情况对比及结论 (42)5.3单面搭接和斜面搭接情况的对比 (43)第六章全文总结及展望 (46)6.1全文总结 (46)6.2展望 (47)致谢辞 (49)参考文献 (50)第一章引言1.1导言复合材料作为一种新材料，在最近的半个多世纪中飞速发展，由于复合材料采用纤维加强结构，使得复合材料具有比重小、比强度和比模量大的特点，并且由于采用的是铺层结构，制造过程简单，容易成型。
材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析1. 引言1.1 背景介绍胶接接头是工程中常见的连接方式，通过使用胶粘剂将材料粘结在一起，可以实现高强度的连接。
胶接接头的性能受到材料特性的影响，不同的材料具有不同的力学性质，会影响胶接接头的应力分布和弯矩因子。
研究材料特性对胶接接头的影响具有重要意义。
胶接接头的设计和优化需要考虑材料的性质，通过有限元分析方法可以模拟胶接接头在受力情况下的应力分布和弯矩因子。
了解材料特性与胶接接头性能之间的关系，有助于指导工程实践中胶接接头的设计和应用。
1.2 研究目的胶接接头是工程结构中常用的连接方式，其弯矩和应力分布对结构的稳定性和强度有着重要影响。
材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响却鲜有深入研究。
本研究旨在通过有限元分析，探讨不同材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响规律，为工程结构设计提供更加精准的参考依据。
具体目的包括：1. 分析不同材料特性对胶接接头应力分布的影响规律，寻找最优材料组合以获得最小的应力集中区域；2. 探讨材料特性对胶接接头弯矩因子的影响机制，为提高接头的抗弯强度提供理论依据；3. 确定影响应力分布和弯矩因子的关键参数，为工程实践中的胶接接头设计提供可靠的参考指导。
本研究旨在深化对胶接接头力学行为的认识，为提高工程结构的可靠性和安全性提供新的思路和方法。
1.3 研究意义胶接接头在工程实践中被广泛应用，而材料特性对胶接接头的性能起着至关重要的作用。
通过有限元分析研究材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响，不仅可以深入了解胶接接头的力学性能，还可以为工程设计提供重要参考依据。
2. 正文2.1 胶接接头的特性胶接接头是一种常见的连接方式，通过将两个或多个材料通过胶水进行粘接，形成一个整体结构。
胶接接头具有以下特点：第一，胶接接头可以连接不同种类的材料，如金属、塑料、玻璃等，具有很好的通用性和适用性。
第二，胶接接头可以实现无孔隙、无融合、无位移等优点，具有优良的密封性和耐腐蚀性。
复合材料胶结结构拉伸试验及胶层应力分析任伟;张少锋;张博;胡乐瀚;胡琬婷【摘要】通过对复合材料双搭接胶结结构开展单向拉伸试验,并利用理论和数值仿真方法分析对结构在拉伸状态下的胶层剪切应力进行.研究结果表明:胶结件的破坏为胶层与搭接板间的脆性脱粘破坏,无胶层内聚破坏,复合材料搭接板局部有分层损伤产生;应力变化趋势的理论结果和仿真结果一致,数据吻合性好且误差小,剪切应力最大值发生在胶结端部,变化趋势从样件中部到端部先下降再上升;胶结接头的破坏是由于外载作用下胶层内部的剪切应力和拉应力共同作用的结果.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2017(035)002【总页数】5页(P54-58)【关键词】复合材料;胶接结构;断口分析;应力分析;仿真模拟【作者】任伟;张少锋;张博;胡乐瀚;胡琬婷【作者单位】海军驻广州七五〇厂军事代表室,广州 510000;工业和信息化部电子第五研究所,广州 510610;广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广州 510610;广东省工业机器人可靠性工程实验室,广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所,广州 510610;广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广州 510610;广东省工业机器人可靠性工程实验室,广州 510610【正文语种】中文【中图分类】V258复合材料具备轻质、高比刚度、高比强度及可设计性等优异特性，已在航空航天领域有广泛应用，由次承力结构逐渐向主承力结构转变。
为了实现载荷传递和结构的整体性，复合材料连接必不可少，目前研究的主要连接方式包括机械和胶结两种。
与机械连接相比，胶结结构具备不破坏纤维的连续性、无钻孔引起的应力集中、不削弱元件承载能力、连接效率高和结构轻等优势[1～4]，在飞行器复合材料结构连接中占有很大比重，在某些机体结构上，胶结面积甚至超过机身总面积的50 %。
然而，在服役过程中，有统计结果显示，复合材料连接部位是承载的薄弱环节，飞行器结构有70 %以上的破坏都发生在连接部位，因此，准确的计算连接结构的应力状态成为研究热点[5～8]，相关研究成果可为飞行器的安全可靠性服役保驾护航。
复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析沃西源 涂 彬 夏英伟 房海军(北京空间机电研究所,北京 100076)摘 要 复合材料胶接连接工艺已被人们所肯定,在实践应用中反映出复合材料胶接接头中内应力是影响其胶接性能和耐久性的重要因素之一,文中简述了胶接工艺特点和应具备的主要条件,胶接接头形成和胶接接头内应力分析等内容。
关键词 复合材料 胶接接头 内应力 分析Technics and I nternal Stress Analysis of Adhesive Bonding in Composite MaterialW o X iyuan Tu Bin X ia Y ing wei Fang Haijun(Beijing Institute of S pace Mechanics &E lectricity ,Beijing 100076)Abstract Adhesive bonding which used in manufacture of com posite material was widely accepted by people.In practice and applications ,we found internal stress was the m ost im portant factor which affect the performance of adhesive bonding joint.This paper introduced the characteristic of the technique and the conditions which must be provided of ad 2hesive bonding in briefly.The form of the bonding joint and the analysis of adhesive bonding were als o expounded in this article.K ey Words C om posite material Adhesive bonding joint Internal stress Analysis收稿日期:2007-11-281 引言复合材料是一种由多种性质极不相同的材料组成的多相材料。
复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析沃西源 涂 彬 夏英伟 房海军(北京空间机电研究所,北京 100076)摘 要 复合材料胶接连接工艺已被人们所肯定,在实践应用中反映出复合材料胶接接头中内应力是影响其胶接性能和耐久性的重要因素之一,文中简述了胶接工艺特点和应具备的主要条件,胶接接头形成和胶接接头内应力分析等内容。
关键词 复合材料 胶接接头 内应力 分析Technics and I nternal Stress Analysis of Adhesive Bonding in Composite MaterialW o X iyuan Tu Bin X ia Y ing wei Fang Haijun(Beijing Institute of S pace Mechanics &E lectricity ,Beijing 100076)Abstract Adhesive bonding which used in manufacture of com posite material was widely accepted by people.In practice and applications ,we found internal stress was the m ost im portant factor which affect the performance of adhesive bonding joint.This paper introduced the characteristic of the technique and the conditions which must be provided of ad 2hesive bonding in briefly.The form of the bonding joint and the analysis of adhesive bonding were als o expounded in this article.K ey Words C om posite material Adhesive bonding joint Internal stress Analysis收稿日期:2007-11-281 引言复合材料是一种由多种性质极不相同的材料组成的多相材料。
具有代表性的是聚合物基纤维增强材料复合材料(以下简称复合材料)。
它不仅具有比强度高、比刚度高、密度小、热膨胀系数小以及尺寸稳定性好等特点,而且还可以根据需要进行设计,合理地达到所要求的使用性能。
因此,复合材料在空间技术的发展中影响越来越大,应用也越来越广泛[1]。
随着航天技术的发展,胶接工艺技术得到日益广泛应用。
在航天产品中采用胶接连接取代传统的铆接、螺栓连接和焊接,可以减轻结构件质量,外形平整光滑,改善疲劳强度,兼能连接两种不同材料,并具有良好的抗化学腐蚀能力、最适宜连接薄壁夹层结构、胶接工艺简便和可缩短生产周期等特点。
当今胶接工艺技术不断发展,各种新颖的胶粘剂不断踊现,胶接工艺技术在航天产品中应用越来越多,对提高航天产品的质量和性能作出了一定的贡献,现已成为航天工艺中不可缺少的一种工艺技术。
实践表明,对复合材料结构件来说胶接工艺是一种较理想的连接方法,其胶接质量和性能好坏与许多因素有关。
本文着重对复合材料胶接接头的形成和胶接接头内应力分析等内容作较详细的阐述。
第29卷第1期2008年3月航天返回与遥感SPACECRAFT REC OVERY &RE MOTE SE NSI NG 63 64 航天返回与遥感2008年第29卷2 复合材料胶接工艺特点胶接连接工艺是复合材料结构件最普遍采用的一种连接方法。
这种方法是用胶粘剂将零件连接成不可拆卸的整体,是一种较实用有效的连接工艺技术,有时还能为研制生产解决关键性工艺技术。
胶接连接工艺的一系列优点,突出表现在以下几方面:1)整个胶接面都能承受载荷,因此机械强度较高。
如两块钢板之间的连接采用胶接连接工艺(其胶接面积为25.4mm×25.4mm),比铆接(铆钉直径为0.35mm)抗剪强度约高50%。
2)应力分布均匀,胶接连接结构承受载荷时应力分布在整个胶接面上,这就避免了高度的应力集中,特别是薄板的连接,如果采用铆接或点焊,由于应力集中在焊点和铆钉上,容易发生疲劳破坏。
3)减轻质量。
据资料介绍,对于飞行器结构用胶接连接代替铆接连接后重量可减轻约30%。
胶接结构表面光滑,有利于提高空气动力性能,这对于航天飞行器等高速飞行器具有重要的意义。
4)具有密封作用,且一般胶粘剂都是电绝缘体。
因此还能够防止金属发生电化学腐蚀。
5)胶接工艺能够连接各种不同种类的材料,甚至两种材料性能相差很大也可以用胶接连接工艺来连接。
然而事物都是一分为二的,胶接连接工艺也有一些缺点,主要缺点和问题可归纳为:1)胶接质量容易受很多因素影响,因此产品性能的分散性较大,胶接强度的分散性据统计一般在20%左右,而点焊约为15%,铆接只有8%左右。
2)被粘物的表面处理以及胶接工艺过程控制要求较为严格,且需特殊的工装夹具和热压罐固化设备。
3)对于胶接接头的力学性能和老化性能的研究不象金属材料那么成熟,因而使胶接工艺在一些高性能要求的特殊部位使用受到限制。
此外,由于胶粘剂以高分子物质为主体,高分子的力学性能对湿度的变化比较敏感,使其使用湿度范围受到一定限制。
随着胶粘剂产品发展和胶接工艺进展,这些缺点和问题今后一定会逐步得到解决。
只要我们充分了解胶接工艺的特点,发挥它的长处,避开它的不足之处,胶接工艺技术一定会在我们航天领域中发挥更大的作用。
3 胶接工艺应具备的主要条件胶接工艺主要包括胶粘剂选择及复验、胶接预装配、胶接表面处理、胶接装配、固化成型和清理修整等工序。
这里所指的胶接工艺应具备的主要条件包括为了确保胶接质量,对胶接装配环境条件和用于产品胶接装配的零件及所用工艺装备等提出的特殊要求。
3.1 对于环境条件的要求环境条件是保证胶接质量的基础,它主要指胶接装配室内温度、相对湿度和净化程度。
这三个因素不仅影响胶接工序的顺利进行,而且最终会影响复合材料结构件的质量。
比如,湿度太大就会由于水汽的存在而导致胶接强度的下降;空气净化程度不够,尘埃进入胶层也会导致胶接强度的下降。
国外从事复合材料成型和胶接工艺研究的部门早就重视这一问题,并制定了相应环境条件控制标准文件。
我国有关单位也已制定了这方面的标准文件,且正在逐步实施。
表1为胶接工艺厂房的环境要求。
3.2 对产品胶接零件的要求产品胶接的零件一般有板件(包括平板和曲板)、各种型材、蜂窝夹芯和加强用的或连接用的各种整体预埋块组件等。
对于上述各种胶接零件,必须强调胶接零件的相互配合间隙,它会直接影响复合材料产品的胶接质量。
根据实践积累的经验表明,胶接零件配合间隙不超过0.3mm 。
蜂窝夹芯的高度容差为+011mm 、预埋块组件的高度容差为-0.05mm ,其胶接质量是可以得到控制和保证的。
对于待胶接零件表面状态的要求,系指零件表面不得被含硅脱模剂和油脂等所污染。
这就要求零件在成型过程中不得采用含硅脱模剂,以确保复合材料制品的胶接连接质量。
3.3 对于产品胶接装配模具的要求一般来讲产品胶接装配与固化成型可共用一个模具。
模具工作面的型面必须精度准确,定位基准合理可行,以保证产品外形和零件的相互位置均能满足设计要求。
为适应固化成型要求,模具应保证密封。
整个模具上应有分布均匀、数量足够的抽真空接嘴和热电偶插孔。
在模具工作面上应留有足够的边距,以便铺贴真空袋密封胶条。
模具的热容量和热膨胀系数应尽可能小,最好采用复合材料结构模具或轻质金属结构模具[3]。
4 胶接接头的形成胶接是通过胶粘剂夹在中间把被粘物连接在一起,因此胶接接头的结构比机械连接复杂得多,如果把一个简单的胶接接头解剖开来看,它可包括下列各部分见图1所示,其中1,9是被粘物;2,8为被粘物的表层;3,7是被粘物与胶粘剂的界面;4,6是受界面影响的胶粘剂层;5是胶粘剂。
当胶接接头受到外力作用时,应力就分布在组成这个接头的每一部分中,而组成接头的任何一部分的破坏都将导致整个接头的破坏,因此一个胶接接头的机械强度与组成这个接头的每一部分的内聚力及互相之间的粘附力具有密切的关系[2]。
图1 胶接接头的结构示意图形成一个优良的胶接接头所需研究的各种物理化学问题归纳为被粘物的表面结构、胶粘剂对被粘物的浸润和胶粘剂的固化等。
4.1 被粘物的表面结构胶接工艺中涉及的被粘物为固体,被粘物的表面层是组成胶接接头的一部分,其表面的性质还同粘附强度有密切关系。
因此被粘物的表面结构是影响所形成的胶接接头的强度和耐老化性能的决定性因素之一。
材料表面层的性质同材料的加工成型条件和贮放条件有关,任何物体表面层的性质和它的内部都是不完全相同的。
例如金属材料的表面总是带一层氧化皮,氧化皮的性质又各不相同:如铁锈的结构疏松,强度颇差;铝的自然氧化膜结构比较紧密,但是胶接活性很低;非金属的表面层性质与其形态和成型条件等因素有关。
此外,材料在加工过程中难免带有油污,这种受到污染的表面是不利于胶接的,未经处理的表面进行胶接,往往由于表面层容易破坏而使胶接接头强度很低,Bikerman 把这种容易受到破坏的表面层成为薄弱表面层。
表面处理是胶接工艺的重要环节,通常采用溶剂或机械的方法进行表面处理,这仅能去除表面上不利于胶接的杂质,不能有效地改变表面的物理化学性质。
而对于航天产品胶接零件表面必须通过有效的表面处理方法进行活化来得到良好的胶接表面以此提高胶接性能。
各种胶接零件材质不同,其表面处理的方法亦不一样,这里就不一一赘述了。
第1期沃西源 等:复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析65 4.2 被粘物表面的浸润为了获得优良的胶接接头,要求胶粘剂与被粘物表面紧密地结合在一起,任何固体的表面微观上都是高低不平的,要使胶粘剂完全适合固体表面的“地貌”,在胶接过程中必须使胶粘剂变成液体,并且完全浸润固体的表面,完全浸润是获得高强度胶接接头的必要条件,如果浸润不完全,就会有许多气泡出现在界面中,在应力的作用下气泡周围就会发生应力集中,只是强度大大下降。
胶粘剂对被粘物表面的浸润情况与胶粘剂的性质,被粘物的表面状况以及胶接过程的工艺条件等因素有关。
胶粘剂和被粘物之间可能发生机械结合、物理吸附、形成化学键、互相扩散等作用,由于这些作用使胶粘剂和被粘物之间产生粘附力,但是各种作用力的贡献大小难以完全用试验方法鉴别,根据理论计算,任何原子一分子之间普遍存在的范德华力足以产生很高的粘附强度,但仅仅物理吸附对胶接强度做出贡献的胶接接头,对于应力集中和破坏性环境影响的抵抗能力难以满足实际要求。
