室內裝飾設計用膠接接頭的力學性能研究

樊 璟

（西安翻譯學院，陜西西安710000）

城鎮化建設的快速發展和綜合經濟水平的不斷提升，使得國內建筑工業呈現井噴發展態勢，作為建筑裝飾的基本承載部件，懸臂梁承載著輕量化、安全化和穩定化多重指標的考核與要求[1]。實際應用過程中，室內裝飾結構件中不可避免地需要進行膠接處理以實現各自功能化模塊的連接，其中，應用較為廣泛的是鋁合金結構件的膠接處理[2]。6061鋁合金作為室內裝飾中常用的鋁合金材質，由于具有密度輕、比強度高和耐蝕等優點而受到建筑裝飾行業的普遍青睞，尤其是隨著近年來含鉺鋁合金的開發與成功應用，含鉺6061鋁合金的生產、開發與連接應用等系列課題逐漸成為大家研究的重點[3]。在長期濕熱、輻照等環節下，室內裝飾用膠接接頭的力學性能會發生不同程度退化，而目前室內裝飾結構件的連接行為研究還多集中在焊接、螺栓連接和鉚接等方面，對膠接接頭的力學性能及其影響因素方面的報道較少[4-6]。本文以室內裝飾用含鉺6061鋁合金材料為研究對象，考察含鉺6061鋁合金試件在不同膠層厚度下的力學性能變化并探討了其斷裂模式，結果有助于結構件的膠接工藝改善及應用性能提升。

1 試驗材料與方法

室內裝飾基材為含鉺6061鋁合金，主要元素化學成分（質量分數，%）為：0.27Cu、0.15Mn、0.93Mg、0.25Zn、0.12Cr、0.12Ti、0.52Si、0.16Fe、0.15Er、0.10Zr， 余量為Al；物性參數為：彈性模量68.89GPa、泊松比0.33、屈服強度189MPa、抗拉強度325MPa。6061+Er鋁合金采用DP125型雙組分環氧樹脂膠粘劑進行粘結并形成膠接接頭試樣，膠粘劑的物性參數為：彈性模量1.86GPa、泊松比0.33、剪切模量0.55GPa、剪切強度18.0MPa、固化溫度60℃、固化時間2h。

根據ISO 25217《粘結劑 雙懸臂梁和錐形雙懸臂梁試樣測定結構膠粘劑的Ⅰ式粘結斷裂力》和ASTM D3433《粘結接頭中膠粘劑的斷裂強度的標準試驗方法》制備圖1所示的雙懸臂梁試件，其中，加載塊尺 寸l1、l2、l3、r和R分 別 為6mm、10mm、7mm、2mm和3mm，試件尺寸L、B和H分別為160mm、25mm和3mm，膠層厚度t分別為0.2mm、0.5mm和1.0mm。試件在專用固化模具中固定，并在熱壓機中進行60℃/2MPa的固化處理。

圖1 室內裝飾設計用膠接接頭試件示意圖Fig. 1 Schematic diagram of adhesive joint specimen for interior decoration design

在試件上預置初始裂紋并粘結加載塊，在MTS-810型萬能試驗機上進行荷載-位移曲線測試，記載速率為2mm/min。采用ABAQUS軟件進行雙懸臂梁試件膠層斷裂過程的有限元模擬，有限元模型如圖2所示，其中，基底和膠層分別采用4節點平面應變單元（網格尺寸0.4×0.4 mm）和4節點內聚力單元模型（網格尺寸0.2×0.2 mm）[7]。

圖2 膠接接頭試件的有限元模型Fig. 2 Finite element model of adhesive joint

2 試驗結果與分析

圖3 為膠接接頭試件的力-位移曲線，表1中列出了相應地膠接接頭試件的峰值載荷試驗值和模擬值。當膠層厚度為0.2mm時，峰值荷載試驗值為98.48N、峰值荷載-模擬值為105.49N，相對誤差為7.12%；當膠層厚度為0.5mm時，峰值荷載試驗值為111.68N、峰值荷載-模擬值為120.03N，相對誤差為7.48%；當膠層厚度為1.0mm時，峰值荷載試驗值為53.21N、峰值荷載-模擬值為61.74N，相對誤差為16.03%。可見，隨著膠層厚度增加，雙懸臂梁膠接接頭試件的峰值荷載試驗值和峰值荷載模擬值都呈現先增加后減小特征，在膠層厚度為0.5mm時取得最大值，相應的試驗值和模擬值的相對誤差呈現逐漸增大趨勢。

圖3 膠接接頭試件的力-位移曲線Fig. 3 Force displacement curve of adhesive joint specimen

表1 膠接接頭試件的峰值載荷試驗值和模擬值Table 1 Peak load test value and simulation value of adhesive joint specimen

圖4 為膠接接頭試件的試驗力-位移曲線，分別列出了試驗結果與仿真結果的試驗力-位移曲線。當膠層厚度為0.2mm時，5組0.2mm膠層厚度試件的試驗力-位移試驗曲線與試驗力-位移仿真曲線基本吻合，表明采用本文設定的ABAQUS軟件分析結果與試驗結果具有較好的一致性；當膠層厚度增加至0.5mm和1.0mm時，不同膠層厚度試件的試驗力-位移試驗曲線與試驗力-位移仿真曲線也基本吻合。這也就說明，ABAQUS軟件分析結果不會因為膠層厚度變化而發生明顯偏差，可以采用ABAQUS軟件對室內設計用膠接接頭進行載荷荷載預測[8]。

圖4 膠接接頭試件的試驗力-位移曲線Fig. 4 Test force displacement curve of adhesive joint specimen

圖5 為膠接接頭試件的應變能釋放率-等效裂紋長度曲線（R曲線），表2中列出了相應地膠接接頭試件的斷裂能試驗值和斷裂能模擬值。當膠層厚度為0.2mm時，斷裂能試驗值為0.96N/mm、峰值荷載-模擬值為0.92N/mm，相對誤差為4.17%；膠層厚度為0.5mm時，斷裂能試驗值為1.25N/mm、峰值荷載-模擬值為1.24N/mm，相對誤差為0.80%；膠層厚度為1.0mm時，斷裂能試驗值為0.41N/mm、峰值荷載-模擬值為0.43N/mm，相對誤差為4.89%。可見，隨著膠層厚度增加，雙懸臂梁膠接接頭試件的裂能試驗值和斷裂能模擬值都呈現先增加后減小特征，在膠層厚度為0.5mm時取得最大值，此時的試驗值和模擬值的相對誤差最小，僅為0.8%。此外，對比分析不同膠層厚度膠接接頭試件的應變能釋放率-等效裂紋長度曲線可知，在開始階段，應變能釋放率呈現快速增加的趨勢，此時裂紋并沒有擴展；當應變能釋放率呈現波動狀態時，對應進入“平臺階段”[9]。

圖5 膠接接頭試件的應變能釋放率-等效裂紋長度曲線Fig. 5 Strain energy release rate-equivalent crack length curve of adhesive joint specimen

表2 膠接接頭試件的斷裂能試驗值和模擬值Table 2 Experimental and simulated values of fracture energy of bonded joint specimens

圖6 為膠接接頭試件的斷裂形貌，分別列出了膠層厚度0.2mm、0.5mm和1.0mm試件的斷裂形貌。對比分析可知，當膠層厚度為0.2mm時，膠接接頭試件呈現內聚斷裂失效特征，表現為膠層本體發生破壞，且裂紋擴展主要在膠層內部；當膠層厚度增加至0.5mm時，膠接接頭試件呈現混合斷裂失效特征，表現為內聚斷裂失效耦合界面斷裂失效（基底與膠層間發生裂紋擴展[10]）；當膠層厚度增加至1.0mm時，膠接接頭試件的斷裂模式與膠層厚度為0.5mm時相似，都表現為混合斷裂失效特征。結合圖6和表2的測試結果可知，膠層厚度不僅會對膠接接頭試件的斷裂能產生明顯影響，還會影響膠接接頭的斷裂模式。

圖6 膠接接頭試件的斷裂形貌Fig. 6 Fracture morphology of adhesive joint specimen

3 結論

（1）隨著膠層厚度增加，膠接接頭試件的峰值荷載試驗值和峰值荷載模擬值都呈現先增加后減小特征，在膠層厚度為0.5mm時取得最大值，相應的試驗值和模擬值的相對誤差呈現逐漸增大趨勢。

（2）當膠層厚度為0.2mm時，斷裂能試驗值為0.96N/mm、峰值荷載-模擬值為0.92N/mm，相對誤差為4.17%；膠層厚度為0.5mm時，斷裂能試驗值為1.25N/mm、峰值荷載-模擬值為1.24N/mm，相對誤差為0.80%；膠層厚度為1.0mm時，斷裂能試驗值為0.41N/mm、峰值荷載-模擬值為0.43N/mm，相對誤差為4.89%。

（3）當膠層厚度為0.2mm時，膠接接頭試件呈現內聚斷裂失效特征，表現為膠層本體發生破壞，且裂紋擴展主要在膠層內部；當膠層厚度增加至0.5mm時，膠接接頭試件呈現混合斷裂失效特征，表現為內聚斷裂失效耦合界面斷裂失效（基底與膠層間發生裂紋擴展）；當膠層厚度增加至1.0mm時，膠接接頭試件的斷裂模式與膠層厚度為0.5mm時相似，都表現為混合斷裂失效特征。