藝術裝飾復合材料的膠接工藝研究*

白 瑩

(咸陽師范學院,陜西咸陽 712000)

藝術裝飾行業近年來在國內得到了迅猛發展,且在未來很長一段時間內還將作為國家的重要發展規劃來服務于人民。藝術裝飾復合材料在日常生活中扮演著非常重要的作用,且目前藝術裝飾正朝著輕量化和安全性方向發展,所使用的材料也逐漸從傳統鋼鐵向碳纖維、鋁合金等輕質材料演變,而作為藝術裝飾用復合材料的連接一直是制約其應用的關鍵[1],這主要是因為碳纖維和鋁合金的膠接存在膠接強度低、膠接質量差等問題[2],如何進一步通過膠接工藝改善來提升碳纖維/ 鋁合金異種材料的膠接是值得研究的問題,然而,目前這方面的研究報道較少[3-5]。本文創新性的在碳纖維/ 鋁合金膠接過程中引入超聲振動,研究了膠接工藝參數對碳纖維/鋁合金膠接強度的影響,并對膠接工藝參數進行了優化,結果將有助于藝術裝飾用復合材料的膠接工藝優化和膠接質量改善。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

藝術裝飾用鋁板(西南鋁業有限責任公司生產的T6態7075 鋁合金,尺寸為101.6mm×25.4mm ×1.5mm,激光切割加工而成)和碳纖維板(無錫威盛新材料科技有限公司提供的3K-T700 系列碳纖維,尺寸為101.6mm×25.4mm×2.5mm,數控機床高精度加工),粘結劑為深圳市戈埃爾科技有限公司提供的3MDP460型環氧樹脂膠粘劑。

1.2 試驗儀器與設備

膠接試驗裝置,自制；MTS-810 型液壓伺服萬能材料試驗機,美國MTS 公司；SS-550 型掃描電鏡,日本島津公司。

1.3 試驗制備

膠接試樣尺寸按照ASTM D5868-01《纖維增強塑料 (FRP) 粘結劑的邊緣剪切粘著性的標準試驗方法》要求進行,藝術裝飾復合材料膠接試樣示意圖如圖1 所示,兩端分別配有長×寬為30mm×25.4mm的墊塊。

圖1 藝術裝飾復合材料膠接試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite bonding sample for art decoration

圖2 為復合材料膠接試驗裝置及示意圖,其中,圖2(a)的膠接裝置配備有超聲振動工作臺；圖2(b)的示意圖中可見該套系統包含超聲波發生器、超聲波換能器和超聲振動工具頭等[6]。在對藝術裝飾復合材料進行膠接過程中,可以通過該套系統控制振動頻率、振動時間、振動壓力、振動位置和振幅等。

圖2 復合材料膠接試驗裝置及示意圖Fig.2 Composite bonding test device and schematic diagram

1.4 測試

藝術裝飾復合材料膠接試樣的膠接強度測試采用MTS-810 型液壓伺服萬能材料試驗機進行測試,溫度為室溫,拉伸剪切速率為5mm/min,膠接強度τ可以用式(1)表示[7]:

式(1)中,P、B和L分別表示最大荷載(N)、膠接寬度(mm)和長度(mm)。膠接試樣的斷面形貌采用SS-550 型掃描電鏡進行觀察。

2 結果與分析

2.1 振動頻率優化

表1 為藝術裝飾復合材料膠接件拉伸性能測試結果,其中,振動壓力為0.25MPa、振動時間為13s,振動位置為30mm。對比分析可知,當振動頻率為15kНz 時,膠接件的拉伸荷載和膠接強度要高于振動頻率20kНz 和25kНz的試件,此外,采用前者所獲得的膠接件在不同振幅下的膠接強度都較為穩定,因此,后續試驗過程中優選振動頻率為15kНz。

表1 膠接件拉伸性能測試結果Table 1 Test results of tensile properties of composite adhesive joint

續表1

2.2 正交試驗優化

采用4 因素5 水平的正交試驗法對藝術裝飾復合材料膠接工藝進行優化,4 因素5 水平的正交試驗表見表2,影響因素包括振動時間、振動壓力、振動位置和振幅。

表2 4 因素5 水平正交試驗表Table 2 Four factor and five level orthogonal test table

表3 為正交試驗結果,列出了不同膠接影響因素和水平因子下復合材料膠接試驗結果,表4 列出了不同影響因素下膠接試驗的均值相應結果。表4 中極差大小表示影響藝術裝飾復合材料膠接強度的強弱,如果極差越大則相應的因素對膠接強度的影響越大,反之,如果極差越小則對膠接強度的影響越小[8-9]。通過極差分析結果可知,對藝術裝飾復合材料膠接強度影響從大至小順序為:振動時間>振幅>振動壓力>振動位置。可見,在對藝術裝飾復合材料進行膠接過程中,影響最大的是振動時間,其次為振幅,而振動位置的影響相對較小。通過對膠接工藝進行正交試驗優化,可以得到最佳膠接工藝參數為A3B5C3D5,即振動時間21s、振動壓力0.35MPa、振動位置35mm 和振幅57μm 時取得膠接強度最大值。

通過表3的正交試驗和表4的均值響應表可知,藝術裝飾復合材料最優膠接工藝并未在表3 中列出,因此進一步對振動時間21s、振動壓力0.35MPa、振動位置35mm 和振幅57μm 時的試件進行了膠接強度測試,此優化工藝下試樣稱為優化組,而基礎組為傳統未經優化的試件。表5 為基礎組和優化組的膠接性能測試結果,對比分析可知,經過正交優化后藝術裝飾復合材料的優化組膠接強度相較于基礎組提高了41.59%。

表3 正交試驗結果Table 3 Orthogonal test results

表4 均值響應表Table 4 Mean response table

表5 基礎組和優化組的膠接性能測試結果Table 5 Bonding performance test results of basic group and optimization group

圖3 為基礎組和優化組膠接試樣膠層斷面的掃描電鏡顯微形貌。可見,基礎組試樣的斷裂發生在膠層與碳纖維的膠接界面處,且在界面處存在明顯的裂縫；優化組試樣的斷裂并未沿著碳纖維與膠層的界面處開裂,且界面處未存在明顯裂縫。在對藝術裝飾復合材料進行膠接過程中,優化工藝下的膠粘劑在膠接區域的流動性更好、填充和浸潤更加完善[10],在凝固后可以獲得更加緊密的粘結結構,粘結劑與藝術裝飾復合材料之間的界面結合更好[11],膠接強度會相較于傳統基礎組試樣得到明顯提升。從表3的正交試驗結果可知,藝術裝飾膠接過程中,膠接工藝參數如振動時間、振幅和振動壓力等的改變會對粘結劑的流動和填充產生明顯影響[12],優化工藝下的膠粘劑在流動性、均勻分布和填充上更有利于提升藝術裝飾復合材料的膠接強度。

圖3 藝術裝飾復合材料膠層斷面的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of cross section of composite adhesive layer for art decoration

3 結論

(1)當振動頻率為15kНz 時,藝術裝飾復合材料膠接件的拉伸荷載和膠接強度要高于振動頻率20kНz 和25kНz的試件。

(2)通過極差分析結果可知,對藝術裝飾復合材料膠接強度影響從大至小順序為:振動時間>振幅>振動壓力>振動位置。可見,在對藝術裝飾復合材料進行膠接過程中,影響最大的是振動時間,其次為振幅,而振動位置的影響相對較小。通過對藝術裝飾復合材料的膠接工藝進行正交試驗優化,可以得到最佳膠接工藝參數為A3B5C3D5,即振動時間21s、振動壓力0.35MPa、振動位置35mm 和振幅57μm 時取得膠接強度最大值。

(3)基礎組和優化組的平均最大拉伸荷載分別為4.735kN 和6.730kN,對應的膠接強度分別為7.43MPa和10.52MPa。經過正交優化后藝術裝飾復合材料的優化組膠接強度相較于基礎組提高了41.59%。