鋁/丁羥膠粘接強度的率相關特性研究

韋震等

摘要：參照試驗標準設計了用于測量鋁與端羥基聚丁二烯（丁羥膠）粘接強度的單軸拉伸試驗，通過變換拉伸速率獲得了粘接強度與拉伸速率的關系，隨著拉伸速率的增大粘接強度不斷升高。同時進行了丁羥膠片的單軸拉伸試驗并獲得了200%應變范圍內的應力-應變曲線。結果發現，丁羥膠作為鋁板的膠粘劑的粘接強度明顯大于丁羥膠片自身的強度，且粘接時丁羥膠的伸長率明顯下降。

關鍵詞：粘接強度；鋁/丁羥膠粘接件；率相關

丁羥膠（HTPB）復合推進劑是一種具有高固體顆粒填充比的高能復合材料，研究膠粘劑基體（丁羥膠）與固體顆粒（鋁）間的界面粘接狀況對于研究復合推進劑的力學性能具有重要意義。顆粒之間的粘接與單軸拉伸試件之間的粘接在粘接機理上具有一定的相同之處，而且Gyoo-Dong Jung[1，2]等人將膠體與AP平板之間的宏觀粘接剝離試驗獲取的粘接性能參數直接用于細觀損傷本構模型中，獲得了與試驗非常吻合的仿真結果，因此，可以認為基于宏觀試驗方法對Al顆粒與丁羥膠（HTPB）粘接界面的研究是可行的。

丁羥膠是一種典型的黏超彈性材料，同時具有黏彈特性和超彈特性。丁羥膠既可以作為一種類似橡膠的膠體，也可以像丁羥推進劑中一樣作為膠粘劑。對于丁羥膠體的黏彈特性和超彈特性[3]的研究已經比較廣泛，但是對拉伸速率與粘接強度的關系研究卻很少，大多數研究都集中在影響粘接強度的一些物理化學因素上，如被粘表面處理[4]、膠粘劑配方和固化時間[5，6]等。因此，進行丁羥膠粘接界面強度的率相關研究，揭示粘接強度隨拉伸速率的變化規律十分必要。

本文通過拉伸速率的變化，獲得了丁羥膠片不同速率的應力—應變曲線和鋁/丁羥膠粘接件不同速率的粘接強度，分析了2者的率相關特性，并對丁羥膠作為膠粘劑和作為膠片2種狀態下的力學特性進行了比較。通過數字圖像采集系統獲得了粘接層變化的顯微圖片，并結合試驗曲線分析了拉伸過程的典型特征。

1 實驗試件設計及制備

本實驗中采用工業用丁羥膠（HTPB），固化劑選擇異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），嚴格按照工業丁羥膠固化過程實施。粘接試驗參照美國行業標準ASTM中關于粘接試件拉伸試驗的標準 [7]完成。被粘接件采用純鋁加工而成，長、寬、厚分別為70、25和10 mm。

將經預處理的丁羥膠分為2部分：一部分作為粘接劑用于粘接鋁制試件，保持粘接層厚度為（0.2±0.1）mm，并清除多余丁羥膠；另一部分澆注到預先涂硅橡膠作為脫模劑的模具中制成丁羥膠片。將2種試件放入真空保溫箱中充分固化。丁羥膠片尺寸為100 mm×10 mm×8 mm。

2 實驗部分

2.1 粘接件拉伸試驗

本文采用微機控制電子萬能材料試驗機并結合數字圖像采集系統進行拉伸試驗，拉伸速率分別為0.1、1和10 mm/min。 圖1所示為粘接界面單軸拉伸試驗典型的載荷-時間曲線。結合圖2所示的顯微圖片，可以將整個斷裂過程分為3個階段：試驗起始階段（圖2（A））；損傷開裂階段（圖2（B）和（C））；卸載后的平臺段（圖2（D））。在損傷開裂階段粘接層先出現膠體的黏性流動，隨后載荷達到了最大值，即界面的粘接強度值。之后，粘接層的變形急劇增加，空隙急速變大，載荷瞬間卸載，但是并沒有完全卸載，粘接層基本失效。卸載后的平臺段是因為丁羥膠具有黏超彈特性，膠體在完全斷裂前可以發生很大的變形，因此產生這種特有的現象。此時粘接界面已經可以認為基本失效，處于對膠體的拉伸過程，說明鋁/丁羥膠粘接界面的斷裂屬于內聚破壞。

從表1可以看出，隨著加載速率的增加，粘接強度相應增大，具有明顯的率相關性。

2.2 丁羥膠片單軸拉伸試驗

在以上同樣的實驗條件下完成了丁羥膠片單軸拉伸試驗，拉伸速度分別為1、10和100 mm/min。丁羥膠片不同加載速率下的名義應力-應變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，在拉伸的初始階段應力上升較快，隨著應變的增加材料開始軟化，彈性模量明顯減低。丁羥膠片具有超彈特性，可在外力作用下產生遠大于其彈性極限應變量的應變，最大伸長率在300%以上。試驗后發現，膠片可以完全恢復其形貌，幾何尺寸沒有顯著變化。丁羥膠片還具有明顯的黏彈特性，從圖3可以看出，在不同拉伸速率下，應力-應變曲線具有顯著的率相關特性，即隨著拉伸速率的增加而增大。

2.3 丁羥膠不同狀態性能比較

作為膠粘劑的丁羥膠與作為彈性體的丁羥膠片力學性能發生了一定程度的變化。通過對數字圖像采集系統獲得的粘接層圖片進行圖像處理，可以發現，在粘接界面達到臨界強度時，粘接層的臨界厚度為初始厚度的2～4倍，即粘接層的應變為200%～300%。對比不同速率下丁羥膠的粘接強度與丁羥膠片的拉伸強度可以發現，在相同的應變水平下，丁羥膠粘接強度明顯大于丁羥膠體的應力水平，這與文獻[8，9]的研究結果相似。由于丁羥膠的超彈特性以及試驗設備的限制，本文并沒有得到丁羥膠體的斷裂強度和斷裂伸長率，但是常武軍[3]的研究表明丁羥膠體的最大伸長率在500%以上，因此可以斷定，丁羥膠粘接層的伸長率比丁羥膠片明顯下降。但是也不排除這樣一種可能：丁羥膠片的斷裂強度與粘接強度基本相同，只是斷裂時不在同一應變水平。丁羥膠在2種不同狀態下的力學性能的差異可能是由于在固化過程中作為膠粘劑的丁羥膠與鋁材料發生了一些物理化學反應引起的，但這一點有待進一步研究。

3 結論

通過Al/HTPB粘接強度測試，揭示了粘接強度隨著加載速率的增加而快速增大的趨勢，具有明顯的率相關特性。界面在拉伸變形過程中具有黏性流動特性，且界面失效后會出現平臺段，這都是黏超彈材料特有的表現。通過不同加載速率下的單軸拉伸試驗，獲得了丁羥膠片的率相關應力-應變曲線，發現在相同的應變水平下，丁羥膠粘接強度明顯大于丁羥膠體的應力水平。

參考文獻

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[2]Gyoo-Dong Jung，Sung-Kie Youn，Bong-Kyu Kim.A three-dimen sional nonlinear viscoelastic constitutive model of solid propellant[J].International Journal of Solids and Structures，2000，37：4715-4732.

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