胶接原理与工艺

数差值越大，固化后胶接接头内的残余内应力也越大，
工作中对接头的破坏也越严重。
5.形成胶接力 形成胶接力是建立胶接接头的一个因素，固化后胶层或被 胶接物本身的内聚强压是建立胶接接头的另一个因素。胶 粘剂在液相时内聚强度接近等于零。因此，液相胶裂剂必 须通过蒸发(溶剂或分散介质)、冷却、聚合或其它各种交 联方法固化以提高内聚弛度。
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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作：徐世伟 指导教师：刘耀东
第十章
胶接原理与工艺
胶接是用胶粘剂将被胶接物表面联接在一起的过程。胶 枯剂亦称粘接剂，俗称“胶”。凡是能形成一薄膜层，并通 过这层薄膜将一物体与另一物体的表面紧密联接起来，起着
传递应力的作用，而且满足一定的物理、化学性能要求的媒
学相溶性。
影响两种物质相互扩散的因素有物质的溶解度参数、 胶粘剂的相对分子质量大小和界而张力等。胶粘剂与被胶
接物两者的溶解度参数值相差越小，相溶性越好，越有利
于扩散作用的产生，其胶接体系的胶接力越高，适当降低 胶粘剂的相对分子质量有助于提高分子的扩散。界面张力
越小，温度越高，表面张力越小，相溶性越好，扩散效果
上的内应力，可采用在胶粘剂中加人增韧剂，使柔性链节
移动，逐渐减少或消除内应力;在胶粘剂中加入无机填料， 调节热膨胀系数，降低内应力。
4.弱界面层
被胶接物体和胶粘剂在无外界因素影响的条件下，胶 接力大小主要取决于两界面的润湿程度和胶接特性。当被 胶接物体、胶粘剂及环境中的低分子物或杂质，通过渗析、 吸附及聚集过程，在部分或全部界而内产生了这些低分子 物的富集区，在拉应力的作用下会在低分子物和杂质富集 区产生破坏，这个区就称弱界面层。 例如，用聚乙烯胶接铝，实验结果证明，其胶接后的 接头强度仅为聚乙烯本身拉伸强度的百分之几。如果除去
的接头强度。那么被胶接物体表面充分的浸润和胶接力是
如何形成的呢?
1. 胶接剂对被胶接物体必须具有浸润性 当一滴液体与固体表面接触后，接触面自动增大的过
程称为浸润。浸润的程度可由液体与固体的接触角来判
一断。而接触角的大小是由液体和固体的界面张力所决 定的，对液体称为界面张力，固体则称为界面能。图
10—1为液体与固体表面接触角的关系图，θ 为接触角。
不能解释胶粘剂与被胶接物之间的胶接力有时大于胶粘剂 本身强度和极性胶粘剂在非极性表面上胶接等问题。
2. 扩散理论
扩散理论是以胶粘剂与被胶接物在界面处相互扩散溶
解为依据提出的。认为高分子材料胶接时，由于胶枯剂分
子或链段与被胶接物表层的分子或链段能够相互扩散，这 种扩散是通过胶粘剂和被胶接物的界面相互深人到对方内
解释。
1.吸附理论
吸附理论是20世纪40年代末提出来的，也是应用最 普遍的理论。吸附理论是以表面能为基础，认为粘附作用
主要来源是胶粘剂分子和被胶接物分子问的作用力。
吸附理沦认为，胶粘剂分子与被胶接物表面分子产生 的胶接力，首先是胶粘剂中的大分子通过链段与分子链的
运动逐渐相互靠近，达到胶粘剂分子由微布朗运动向被胶
面的分子接触的密度越大，吸附引力越大。
3.固体表面的粗糙化。
胶接主要发生在固体和液体表面薄层，固体表面的
特征对胶接接头强度有着直接的影响。在被胶接物表面 适当地进行粗糙处理或增加人为的缝隙，可增大胶粘剂
与被胶接物体接触的表面积，提高胶接强度。界面有了
缝隙，可将缝隙视为毛细管，表面产生毛细现象对浸润 是非常有利的。 4.被胶接物和胶粘剂膨胀系数差要小。 胶粘剂本身的膨胀系数与胶层和被胶接物的膨胀系
1.被胶接物表面的清洁度 物体的胶接主要发生在被胶接物表而和胶粘剂的界
面，界面存在油脂、污染物、氧化物等将显著影响胶接的
强度。 例如，金属的表面易形成氧化膜，氧化膜吸水性强，
如果膜是Fe2O3，此膜很疏松，强度极低;如果膜是
Cr2O3，其胶接活性很差，胶接强度低等，这些杂质的存 在都会阻碍胶粘剂的充分浸润，降低胶接强度。 2.被胶接物的表面粗糙度和表面形态 适当增加被胶接物的表面粗糙度、就相当于增加了
热应力产生的原因:由于被胶接物和胶粘剂的热膨胀 系数不同，在固化过程和使用时遇到温度变化就会在胶接 界面产生热应力。热膨胀系数相差越大、温度变化越大， 热应力就越大。此外，材料的物理状态和弹性模量对热应
力也有不同程度的影响。
这两种应力的存在必然会降低胶接强度，甚至当内 应力大子胶接力时，胶接接头会自动脱开。为了减少界面
氢键，有热量放出，如果放出的热量能破坏晶格的束缚，
就可促进溶解;此外高聚物的分子的链越长，溶解性也越 差，这是因为链越长，相对分子质量越大，聚合物分子间
的内聚力越大的缘故等。
3.静电理论 静电理论是由前苏联科学家B.B.Raruch等提出的，
后由科学家进一步完善，其理论认为高分子胶粘剂与被胶 接物金属相互接触时，组成一种电子的接受体和供给体的
接物表面扩散;当胶粘剂与被胶接物两种分子间的距离小 于5×10-10m时，分子间就产生了范德华力或氢键的结
合，胶粘剂高分子被吸附，形成胶接。在这个过程中对胶
接接头进行加热、施加压力和降低胶粘剂的粘度等都有利 于胶粘剂的扩散。
产生胶接力的最主要的力是分子间作用力。吸附理论正确
地把胶接现象与分子间力的作用联系起来。但用吸附理论
组合形式。在胶粘剂和金属界面两侧产生接触电势，并形
成了双电层，双电层电荷的性质相反，从而产生了静电引 力。但是，静电力仅存在于某些特殊胶接体系，该理论有
很大的局限性。
§ 10.2 影响胶接强度的因素
除了以上理论对胶接强度有影响外，还有许多 因素对胶接强度有显著的影响。其中胶接过程的物 理作用、化学作用以及胶接过程中的工艺条件和被 胶接物表面的性质等，与胶接强度有着密切的联系。
10.2
10.3
10.4
§ 10.1 胶接接头的形成机理
胶接过程是一个比较复杂的物理、化学过程。胶接质
量的好与坏用胶接力来衡量。胶接力的大小主要与胶粘剂 的技术状态、被胶接物表面特征和胶接过程的工艺条件等 有关。
10.1.1 实现胶接的条件
两个被胶接物表面实现胶接，必要条件是胶粘剂应与
被胶接物表面紧密地结合在一起，也就是通过胶粘剂能充 分地浸润物体表面，并形成足够的胶接力，就可得到满意
华力。
10.1.2 胶接具备的条件 1.胶粘剂必须容易流动。 流动是高分子链段在熔体空穴之间协同运动的结果， 并受链缠结、分子间力、增强材料的存在和交联等因素所
制约。从物理化学的观点看，胶粘剂的粘度越低越有利于
界面区分子的接触。 2.液体对固体表面的湿润。 当液体与被胶接物在表面上接触时浸润能够自动均匀 地展开，液体与被胶接物体的表面浸润得越完全，两个界
接触的表面积，接触的表面积越大，胶接的强度越高。
被胶接物表面在能良好润湿的前提下，胶接前采用 喷砂、机械或化学等方法对其进行适当粗化处理，增加表 面积，同时，使被胶接物表面生成有极性、结构致密、结 合牢固的产物，提高被胶接物的表面能，有利于形成低能 量的结合，提高胶接强度。 但过于粗糙会在胶接面产生
此外，当胶接接头承受单纯的拉应力、压缩或剪切时，
胶层越薄强度越高，对脆、硬的胶粘剂更为明显。对受冲
击负荷小，而弹性模量小的胶来说，胶层稍厚则冲击强度 高;弹性模量大的胶，冲击强度与胶层厚度无关。
确定胶层的厚度要根据胶种和实际的条件经过实验来确定。
除了以上因素影响胶强度外，还有环境作用、胶粘 剂本身的粘度等。
பைடு நூலகம்
溶解，体型的高聚物由于网络接点的束缚只能溶胀，不能
溶解，其主要原因是结点密度大，溶剂分子不易进人。
链段的运动可增加扩散，扩散能力越大、溶解得越 好。高聚物大分子链扩散能力差，是因为高聚物分子链的 体积大，运动困难，不能及时向溶剂中分散，其溶解只能 靠链段的逐渐运动进行，因此，它必须先经过溶胀，后缓 慢分散溶解。柔顺的高聚物分子链运动和扩散，有助于溶 解。聚乙烯醇和纤维素分子与水的亲和性差不多，但聚乙 烯醇溶于水，是因为它是柔性链，而纤维素分于是刚性链， 所以不溶于水。强极性高聚物与强极性溶剂作用可能形成
图10一1液体与固体表面接触兔的关系
接触角θ是通过固一液一气三相交点所作液体曲面切
线与液滴接触一侧固体平面的夹角。当θ= 00 时，说明 固体表面完全浸润;当 0<θ<900叮时，固体表面呈浸润 状态;θ>900时，固体表面不浸润;当θ=1800时，固体 表面绝对不浸润。 界面张力小的液体能良好地浸润在界面张力大的固体 表面。表10.1 中给出了部分常用材料的界面张力。 金属及其氧化物、无机盐的界面张力一般都比较大，
介物质统称胶接剂。 其主要优点是操作简单、生产率高;工艺灵活、快速、
简便;接头可靠、牢固、美观产品结构和加工工艺简单;省材、
省力、成本低、变形小。容易实现修旧利废接技术可以有效 地应用于不同种类的金属或非金属之间的联接等。
Contents
10.1
胶接接头的形成机理 影响胶接强度的因素 胶粘剂的组成与分类 胶接工艺
而固体聚合物、胶粘剂、有机物、水等的界面张力比较小，
所以，金属及其氧化物、无机盐很容易被胶粘剂浸润。 影响浸润的因素除了胶粘剂与被胶接物的界面张力外， 还与工艺条件、环境温度等因素有关。
2. 胶接力的形成 被胶接物体表面涂胶后，胶粘剂通过流动、浸润、 扩散、和渗透等作用，当间距小于5×10-10m时，被胶 接物体在界面上就产生了物理和化学的结合力。它包括化 学键、氢键、范德华力等。化学键是强作用力，范德华力 是弱作用力。其中结合力大小顺序为化学键>氢键>范德
10.2.2 化学因素的影响
1.聚合物的极性 物质中原子在构成分子时，若正负电荷中心不重合， 则分子存在两极(偶极)，即为极性结构;若正负电荷 重合，分子的电性为中性， 即为非极性结构， 分子偶极中的电荷 e和两极之间距离L 的乘积称为偶极矩 μ= e ×L，见图105（a）。
部进行的。扩散结果粘附界面形成交织网络，界面消失产
生了过渡区，形成了牢固的接头。
（1）扩散与相溶性 从热力学角度来说，相溶性是指任何比例混合后所 形成均相休系的能力;从工艺角度来说，相溶性是指两种 聚合物之间容易相互分散而得到性能稳定的混合物的能力。 两种聚合物的混合过程和其它物化过程一样，均服从热力
越好。
聚合物的相互扩散速度主要与相溶性和聚合物相对
分子质量有关，相溶性越好，相对分子质量越小，扩散速 度越大。相对分子质量增大一个数量级，扩散系数可下降
两个数量
(2)影响溶解性的因素 高聚物的结构形态、链的长短、链的柔性、结晶性等 是影响溶解性的重要因素。 从高聚物的结构形态来看，线型或支化的高聚物可以
10.1.3 几种胶接现象的理论解释
胶接机理最早足从浸润角的热力学概念提出来的， 已有将近200年。19世纪初期，Dupr提出了平衡时最
大热力学粘附功与自由表面能的关系式。20世纪中期，
W.A.Zisman又提出浸润角与表面能的关系式。与此同 时，各派学者又提出了静电理论、扩散理论、弱界面层理
论等。20世纪40年代后期以来各国学者提出三种不同的
聚乙烯中的含氧杂质或低分子物，其胶接强度有明显的提
高。为防止弱界面层产生，可采用CASING法(在惰性气 体中活化交联)使聚乙烯表面的低分子物转化成高分子交
联结构，提高胶接强度。
5.胶层厚度
被胶接物的联接是由胶粘剂完成的。胶层的厚薄对胶接强
度均有一定的影响。胶层过厚，使胶层内形成气泡等缺陷 的倾向增大，同时胶层过厚使胶粘剂的热膨胀量增加，引 起的热应力也增加;当然胶层厚度也不是越薄强度越高。 因此，胶层厚度应根据胶粘剂的类型来确定，大多数合成 胶粘剂以0.05～0.10mm为宜，无机胶粘剂以0.1～ 0.2mm为宜。在实际操作时，可用涂胶量和固化时加压 来保证厚度要求。
胶层断裂或存有气泡，反而
影响了胶接强度。图10-4为 表面粗糙度对强度的影响。
对被胶接物表面不能润湿的
低能固体表面，粗糙化处理 是无效的。
图10一4表面粗糙度对胶接强度的 影响(酚醛一缩醛胶与硬铝胶接)
3. 内应力
内应力是影响胶接强度和耐久性的重要因素之一。内应力
包括收缩应力和热应力。 收缩应力产生原因:主要是胶粘剂在固化过程中伴随着溶 剂的挥发和化学反应中释放出挥发性低分子化合物，导致 发生了体积收缩产生收缩应力。例如，不饱和聚醋树脂固 化过程中因两个双键由范德华力结合转变为共价键结合， 原子间距离缩短，产生较大的体积收缩，其体积收缩率达 10%。