胶接技术中力学问题浅谈

许巍 杨森

     提起“胶接”，不少人可能不以为然，那不简单吗？用胶水把信封封口贴封起来，用乳胶把木板粘接成一个盒子，用502胶把开裂的皮鞋恢复一新，如此等等而已，难道还有高深的科学问题吗？当然，这些日常生活中的“胶接”活儿只要细心些就ok了。但是你知道吗？在许多高新制造工艺中也离不开胶接技术，其中就涉及到不少的力学问题呢!

    一般而言，“胶接”专指一种用胶黏剂来实现构件连接和固持的方法。它是焊接、铆接、螺栓连接等传统机械连接方法的重要补充，在机械、建筑、电子、航空航天等领域均占有十分重要的地位。与其它连接形式相比较，胶接具有如下优点：(1)胶接采用的胶黏剂密度较小，可以有效地降低连接件的重量，满足构件的轻质的要求；(2)采用胶接手段时不需要在构件上预留孔洞，从而避免构件在使用过程中由于应力集中而产生破坏，延长构件的使用寿命；(3)胶接在工艺上更加简便，更易实现。最初人类用的胶黏剂大多为天然橡胶，随着现代高分子化工的飞速发展，新型合成胶黏剂不断涌现，使得粘结技术取得了重大进展。比如硅橡胶、聚氨酯橡胶、异戊橡胶等都是合成胶粘剂。与天然胶黏剂相比较，合成胶黏剂的品种更多，它们具有更强的胶接强度、更好的耐久性和更广的适用性。

    在高新技术中，胶黏剂在实际使用过程中除了要实现构件结合这个基本的功能以外，还需要满足一些特定的功能，例如用来实现密封、绝热、导电、吸能减振等等。这样就促使了各种用途的专业胶黏剂的产生和发展，其中应用最为广泛的胶黏剂被称为结构胶，这类胶黏剂的特点是具有高模量和高强度，能够有效的传递应力并承担结构载荷。按照力学的术语，“应力”是指由于载荷、温度、湿度等因素引起物体内部某一点处单位截面上的内力，也就是受力物体截面上内力的集度；“强度”指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力；“模量”在一般情况下是指弹性模量，即材料在弹性变形阶段时应力和应变比值。从这里，我们就不难看出，胶接技术的确和力学有不解之缘呢!

    如上所说，通过结构胶的使用，可以有效地实现各种构件的结合。通过胶黏剂而粘结而成的组件统称“胶接接头”，“被粘物”泛指胶接接头中除胶黏剂外的固体材料，“粘结”则指被粘物所承受的载荷通过胶黏剂传递到胶接接头的现象。胶接接头不但可以实现不同材质构件的结合，还可实现不同几何形态构件的结合，图1给出了板材搭接、管材搭接和对接、型材对接等常见几何形态构件的胶接接头形式，其中板材搭接形式在工程中最为常见。

   图1 不同形式的胶接接头(红色为胶黏剂，灰色为被粘部件)

       除了实现构件的连接外，结构胶还可用于各种新型材料的构造。其中，轻质夹层板就是一种在航空航天、轨道交通和船舶工业领域中广泛使用的新型结构材料，比如飞机机舱、高铁的车厢等。它们的基本结构是在上下面板之间设置一个轻质芯体，从而具有了轻质、高强韧、耐撞击、隔热和降噪等多种功能特点。而胶接是这类材料在制备过程中的必要环节，图2给出了轻质夹层板的结构示意图，其中粘结层是实现面板和内部芯体结合的重要组成部分，无论是泡沫芯体还是蜂窝芯体，都必须通过胶接工艺实现与上下面板的结合，从而构造成轻质夹层板。

     图1所介绍的胶接接头和图2中所介绍的夹层板材都可以看成是粘结构件，它们在实际服役期需承受多种不同形式的载荷。当载荷超过一定的容许范围时，构件将可能发生破坏，而粘结界面通常是整个构件中最为薄弱的环节，破坏最容易从这里发生。为了提高粘结构件的整体可靠性，就需要对粘结界面在受载状态下的力学行为有着清晰的认识，以便为提高构件承载能力相关的优化设计提供理论依据。特别是对粘结界面的破坏规律开展研究，具有重要意义。这里涉及到的力学问题就更多了!图3给出了飞机机身中粘结体系的使用情况，图4则示出了粘结界面失效破坏的一个例子。

   (a) 泡沫芯

   (b) 蜂窝芯

   图2  轻质夹层板的构造(灰色为面板，红色为胶黏剂，黄色为芯体)

     
   图3  飞机机身中粘结体系的使用

   图4  粘结界面的失效破坏

       关于粘结界面破坏的研究，在各个历史时期具有不同的特点。早期工作主要是基于实际使用过程中各种经验数据的积累，通过记录粘结构件的实际使用情况来研究粘结体系的具体性能，但缺乏相应的控制和优化手段。近年来，随着实验技术的改进，特别是各类专业力学测试设备的发展，针对粘结构件力学性能的实验研究逐步开展，其中包括有关疲劳性能和冲击动力学性能这一类难度较大的实验研究。大量实验结果的出现促进了这一领域的蓬勃发展。但是，实验自身需耗费大量的人力物力资源，实验参数的改变意味着大量实验需要重复进行，而且在目前的实验条件下有些研究甚至难以进行。因此，针对胶接体系开展理论建模研究日益受到重视。在初期，相关的研究集中于分析模型(或称解析模型)，主要依靠建立严格的数学关系式来描述胶接体系的受力状态，并试图寻求数学上的封闭解(解析解)。尽管取得了不少的进展，但是由于实际应用中的胶接体系不但具有几何上的复杂性，在受力状态上也具有相当的复杂性，所以很难通过建立严格的数学关系寻求其封闭解。现代计算机技术和数值计算方法的快速发展，为粘结构件力学性能的研究提供了崭新的手段。特别需要指出的是，有限单元法及其商业化的数值计算软件(例如ANSYS和ABAQUS)的产生和发展，为解决绝大多数相关问题提供了有效途径。在进行计算机模拟过程中，需要对模型进行验证以及一些材料参数的确定，这个时候依然需要一些针对性的实验，这样的实验规模就变得较小了。比如在使用粘聚力单元进行模拟时，需要知道粘接剂的一些本征参数(临界位移、分离强度等)，它们都是通过实验来测定的。在测定粘结剂参数的实际试验中，使用的粘接结构一般是比较简单的，比如SLJ、DCB结构(参见图5)。在这些实验中，人们会对待测的粘结结构施加外力(如图中P所示)，观测其变形和破坏历程。

     这里，让我们举一个例子来说明力学实验是如何进行的吧。胶层厚度是一个非常重要的参数。如果对粘接没有任何研究的话，在使用粘接剂时，会以为是“多多益善”，也就是涂抹得越多越牢固。然而大量的力学实验表明，在粘接面积一定的情况下，放置的粘接剂越厚，强度越低，能承载的力越小。图6给出了基于SLJ结构的一些实验结果:随着粘接厚度t的增加，整个结构所承载的最大强度σ不断减小，最后趋于稳定，这个稳定的值等于粘接剂本身的宏观强度。更为有趣的现象是，在厚度较小的时候，整个结构所承载的最大强度可以比粘接剂本身的宏观强度大很多，可以是很多倍的情况(如图6所示)。

   (a) SLJ结构示意图

   (b) DCB结构图

   图5  用于测试粘结剂性能参数的一些简单结构

   图6  SLJ结构破坏强度与粘接厚度以及粘接剂宏观剪切强度实验结果

    当然，粘结界面力学的理论和实验研究，在诸多方面仍然面临挑战。首先，对粘结界面的形成及界面破坏的微细观物理机理还不能全面认识和把握，这主要是由于胶黏剂材料的种类繁多，粘结界面的形成过程较为复杂，缺乏统一的理论来解释界面粘结的实验现象和物理机理。其次，对粘结层材料自身物理模型的描述仍需进一步完善，尽管目前可采用某些界面模型来描述界面的相关属性，但这些模型尚不能准确描述特殊环境(如极端温度)和特殊载荷条件(如冲击、侵彻)下的界面性能。人们只能通过模型相关参数与实验数据的拟合实现间接描述，因此需要进一步发展能够直接描述特殊环境、混合加载及动态载荷条件下的界面本构模型。最后，亟需进一步建立并完善粘结界面的跨尺度力学理论和方法。因为近年来，除了在航空航天、交通运输等工程领域中广泛应用的大型粘结构件，还有在微机电系统的微纳器件中广泛应用的小尺度构件，粘结界面在尺度上的差异必然会导致其在力学性能上的差异，从而需要进一步寻找相关规律。在这类研究中，更需从方法论上有所发展，除了采用宏观理论和连续介质方法对粘结界面的力学行为进行表征，还应该从微观尺度出发，利用分子动力学、第一性原理等模拟手段探究粘结界面力学行为的微观机理。

   所以，在胶接技术中，还有许多力学问题在等待着人们去探索呢!

（作者单位：中国科学院力学研究所，通讯邮箱：xuwei@lnm.imech.ac.cn）