粘接技术

弱边界层理论 弱边界层（WBL）来自胶粘剂、被粘物、环境，或三者 之间任意组合。当发生破坏时，尽管多数发生在胶粘剂和被粘 物界面，但实际上是弱边界层的破坏。正是这些内聚强度较低 的物质存在，致使粘接强度会表现的比预期降低。 1）不良浸润，有空气泡或灰尘、油等杂质残留形成弱区； 2）溶于液态胶粘剂的不溶杂质，在固体化后形成另一相 3）内应力在被粘体与胶粘剂整体间产生弱界面层 4）聚合物中低分子量有机物 WBL除工艺因素外，在聚合物成网或熔体相互作用的成型 过程中，胶粘剂与表面吸附等热力学现象中产生界层结构的不 均匀性界面层也会有WBL出现。这种WBL的应力松弛和裂纹 的发展都会不同，因而极大地影响着材料和制品的整体性能。
平板接头的形式
几种接头相对强度比较
常用的几种接头形式 （2）
角接和T型接头形式
常用的几种接头形式 （3）
管材、棒材接头形式
常用的几种接头形式 （4）
复合连接形式 ①胶铆和胶螺
两种类型： (1)先胶后铆或螺。接头强度较高，但应选柔韧性较好的胶粘 剂。 (2)先钻好孔，粘接后再铆接，最后固化。这时不需另加压， 位置准确。但胶层的厚薄不易控制。
粘接技术
1.1 粘接的影响因素与破坏机理
化学因素 1.极性 2.分子量 3.侧链 4.pH值 5.交联 6.溶剂和增塑剂 7.填料 8.结晶性 9.分解 ：水解、热解 物理因素 1.表面粗糙度 2.表面处理 3.渗透 4.迁移 5.压力 6.胶层厚度 7.负荷应力 8.内应力 9.环境：热、水、光、氧气等
接头设计的基本原则 （1）
①胶粘剂的拉伸剪切强度较高，设计接头尽量承受拉伸和剪 切负载。板材搭接接头承受剪切负载的是比较理想的。 ②保证粘接面上应力分布均匀，尽量避免剥离和劈裂负载。 剥离和劈裂破坏通常是从胶层边缘开始，在边缘处采取局部 加强或改变胶缝位置的设计都是切实可行的。最理想的办法 是各种局部的加强。如平面粘接的防剥措施如图2．4所示。
胶黏剂的特点1-强度
胶粘剂 Epoxy环氧 酚醛树脂 氰基丙烯酸酯 有机硅树脂 热固+热塑（橡 胶） 抗剪 抗拉 剥离 绕曲 扭曲 冲去 蠕变 疲劳 0 0 0 * 0 # # # * 0 * * * # 0 * * * 0 0 * * * 0 0 * * * 0 0 0 0 0 * 0 * * * 0 0
0 良好， # 中等， * 差。
(1)增加橡胶型胶粘剂的强度，通常采用的办法是引入极 性基团或者加入极性较大的树脂。 例如，天然橡胶或丁苯橡胶胶粘剂可以通过橡胶的氯 化，使粘接强度大大提高；在氯丁橡胶胶粘剂中添加45 ％的叔丁基酚醛树脂后，对棉帆布的粘接强度可提高40 ％～270％。 (2)对酚醛树脂、环氧树脂等脆性胶粘剂来说，增加粘接 强度的办法是减小内应力，或者增加韧性。 例如 a、 改性环氧树脂柔韧性：环氧-聚硫>环氧-聚酰胺 >环氧-胺固化剂； b、 改性酚醛柔韧性：酚醛-聚酰胺>酚醛-聚醋酸乙 烯酯>酚醛-环氧； 橡胶改性酚醛因剥离强度高，很有使用价值，但剪 切强度相对低些。
二、胶粘剂的涂布
刷胶：方便，不精确，不能流水作业，最常用 滚胶：生产效率高 喷胶：均匀，薄层；黏度要低，有溶剂。 采用静电场喷涂可节省胶粘剂和改善劳动条件。 漏胶； 浸胶； 刮胶； 注胶 胶膜一般用手工敷贴，采用热压粘贴可以提高贴膜质量。 胶粉可撒在加热的被胶接表面上 注意控制：涂胶量和涂覆遍数，胶层厚度，均匀，适时粘接。
实验证明一般情况下，胶粘剂承受剪切和均匀扯离的 作用能力比承受不均匀扯离和剥离作用的能力大得多。
(1)剪切 外力平行于粘接面。这种受力形式的接头最常用， 因为它不但粘接效果好而且简单易行，易于推广应用。
(2)均匀扯离 有时也称为拉伸。作用力垂直作用在粘接平面， 应力均匀分配。高强度结构胶拉伸强度可达到58.8MPa。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
耐高温胶粘剂通常具有刚性的高分子结构，很 高的软化温度和稳定的化学基团。
胶黏剂的特点3-低温
超低温胶粘剂在液态氢和室温下的强度比较 胶粘剂类型 聚氨酯 尼龙—环氧胶模 拉伸剪切强度（Mpa） T—剥离强度（kN/M）
-253°C
51.7 24.8
室温
10.3 34.5
-253°C
12.3 0.70
常用的几种接头形式（4）
复合连接形式
②胶焊复合连接
复合连接方式其连接接头强度绝不是 两个连接强度的简单叠加。如图，点 焊试样比单纯点焊有更高的疲劳强度。 测试结果： 点焊44.1MPa 粘接63.7MPa 粘接点焊73.5MPa
两种类型： 先涂胶后点焊。对胶要求较低（用固化时无须加压的） 先点焊后灌胶。对胶的要求较苛刻（粘度低，又不能太低） 胶焊复合连接工艺近几年来发展很迅速，特别在航空工业更为 突出，由于这种工艺对胶粘剂的特殊要求，致使又发展了一类 新胶种-点焊胶。
接头设计的基本原则 （2）
③在允许的范围内，尽量增加粘接面的宽度(搭接)。增加 宽度能不增大应力集中系数的情况下增大粘接面积，提高 接头的承载力。
④木材或层压制品的粘接要防止层间剥离。 ⑤在承受较大作用力的情况下，如果采用粘掊，可采用复 式胶粘剂的选择 ⑥美观，利于加工
常用的几种接头形式 （1）
应用：避免弱边界层 粘接胶带隔离层通常是经过化学剪裁的弱边界层
粘接技术
在粘接技术中如果要获得良好的粘接 效果，首先要求如下的三个良好条件： 粘接接头的设计 胶粘剂的选用 粘接工艺的实施。
1 粘接接头的设计
接头在实际应用中的受力分析 一个好接头与粘接强度密切相关。首先是受力方向和接头之 间的关系，粘接接头在实际的工作状态中其受力主要有下列几 种基本类型：剪切、均匀扯离、不均匀扯离和剥离。
选择胶粘剂的因素
（1）被粘物材料的种类、性质、大小和硬度；
（2）被粘物的形状结构和工艺条件（致密/多孔，新/旧表 面，形状复杂）；
（3）胶接件使用环境（承受的负荷和形式，温湿度，酸碱， 光照，气体，耐久性）；一般热固性胶黏剂强度较高。
（4）特殊要求如导电、导热、耐高温和耐低温；
（5）成本（低档/尖端产品，强度件/功能件，机械化）
(3)不均匀扯离 均匀扯离在实际使用中是很难碰到的，一旦 外力方向偏斜，就产生严重的应力集中，主要集中在边缘的 区域内，接头容易破坏。这种类型的接头，其承载能力很低， 一般只有理想的均匀扯离强度的1／10左右。 (4)剥离或撕离 两种薄的软质材料受扯离作用时，称为撕离； 两种刚性不同的材料受扯离作用时，称为剥离。粘接试件受 扯离作用时，应力集中在胶缝的边缘附近，而不分布在整个 粘接面上，这种情况称为剥离或撕离。
室温
3.5—7.0 18.2
环氧-尼龙胶粘剂在-73°C的低温范围强度最高，尼龙柔性； 在液氮温度(-196°C)时，与聚氨酯相差很小； 在液态氢温度(-253°C)下，新型聚氨酯胶粘剂强度最高。 环氧-酚醛的低温强度和高温性能都相当好。 酚醛-缩醛胶粘剂低温强度较高，但其强度随温度降低而减小。
胶黏剂的特点4-湿气和浸水 湿气通过两种方式影响粘接强度。
被粘物材料的性质特点 （1） 金属：表面氧化膜处理后，容易胶接；线膨胀系数 相差大；胶接部位因水作用易产生电化学腐蚀。 （2） 橡胶、塑料：极性越大，胶接效果越好。表面往往 有脱模剂或其它游离出的助剂，妨碍胶接效果。 （3） 木材：属多孔材料，易吸潮，引起尺寸变化，可能 因此产生应力集中。抛光比表面粗糙的木材胶接性能好。 （4） 玻璃：微观表面是凹凸不平，胶粘剂湿润性要好； si-o-表面层易吸附水；玻璃极性强，极性胶粘剂易与表面 发生氢键结合，形成牢固粘接。玻璃易脆裂而且又透明。
胶接头的力学行为-应力集中 大多数合成胶粘剂的主要成分是非晶态高聚物。在 材料内部存在很多细小的缺陷，形成应力集中。当局 部应力超过局部强度时，缺陷就发展成为裂缝真正破 裂。因此内应力集中造成的破坏将降低粘接强度。
固体材料的强度与分子作用力的大小、材料中的缺 陷大小分布情况以及缺陷周围的应力分布有关。
胶黏剂的特点2-耐热
最高耐热 温度 800-1000 540 胶粘剂 无机 聚苯并咪唑 （短时） 最高耐 热温度 315 260 胶粘剂 有机硅 酚醛-环氧
480
400 360
聚酰亚胺 （短时）
酚醛树脂（短时） 聚苯并咪唑 聚酰亚胺
200
150 80
酚醛-丁晴 环氧-酸酐
环氧-胺 热熔型 环氧-尼龙
胶接头的力学行为-内力 内应力使胶接强度和耐久性下降。产生的原因： 1、收缩应力：胶粘剂固化时，因挥发、冷却和化学反应而体 积发生收缩，引起收缩应力。 2、热应力：胶粘剂和被粘物的热膨胀系数不同，温度的变化 将引起热应力。 3、在老化过程中胶层吸水而发生溶胀，在不连续处将产生内 应力。 降低内应力： （1）共聚或提高聚合物分子量以降低体系中官能团浓度。 （2）加入增韧剂，降低固化收缩应力。 （3）加入无机填料。 （4）胶接热膨胀系数大的材料时选择较低的固化温度。 （5）使胶粘剂的热膨胀系数接近于被粘物。 （6）选用弹性良好的胶粘剂。
2.2 胶粘剂的选择
不存在能满足所有材料，所有应用条件的万能胶粘剂。
判定哪些性能或条件是最重要的，哪些是不那么重要的。 只有了解粘接件所要求的全部信息以及粘接条件，才能决定 选哪种胶粘剂，或是设计和制造一种新胶粘剂，或是不能采 用胶粘剂。 当几种化学成分完全不同的胶粘剂，都可以满足一种粘接接 头的物理性质方面的要求时，要注意，额外的增益常常是牺 牲了另外性质的结果，或者增加了成本。 不要超规格使用有粘剂，因为片面的追求高指标，将有可能 导致粘合件的可靠性不足。 实践是检验真理的唯一标准
例子
高强度环氧胶实验 ①铝合金搭接接头，剪切强度很高，但横向负载能力不高。 这样接头就不能用在受横向负载较大的结构构件上。 ②粘接玻璃钢、板材，剪切强度比较低，搭接接头是不合适。
③粘接车刀、钻头等受力大的部件，采用简单的平面对接， 即使是高强度结构胶粘剂，剪切强度达49MPa，仍然要失败。 如改变接头形式，采用套接、嵌接等使应力的很大部分由金 属被粘物本身去承担，就可能成功。如图。
一、被粘接材料的表面处理
作用主要有三个方面：
去污及疏松质层；提高表面能；增加表面积。
具体包括：
表面清洗、机械处理、化学处理、偶联剂处理 等过程
根据要求，采取全过程，也可采取其中一、两 个。
表面清洗：除去油垢和灰尘等。金属粘接件常带有油层和污垢。 常用有机溶剂(汽油、丙酮等)清洗、或碱洗（金属铝镁）。 机械处理：喷砂、钢丝刷、砂纸打磨，对黏度高的胶黏剂有一 定程度不适合。 化学处理：强度要求高的情况，或者难粘的材料。 1）金属表面常用化学法（酸蚀去锈、铬酸氧化等）处理；重要 的铝质结构件的被粘表面，需用阳极氧化法处理； 2）氟塑料等难粘材料表面，可采用化学溶液侵蚀法、辐射接枝、 等离子法处理、火焰处理等。
胶粘剂或被粘材料破坏是理想的破坏形式，即 100%的内聚破坏，因为这种破坏在材料粘接时能 获得最大强度。
粘接破坏发生在接头最薄弱的地方，不一定总是 发生在界面上。说明粘接强度不仅与胶粘剂、被粘 物之间作用力有关，也与聚合物粘料分子之间的作 用力有关。高聚物分子的化学结构，以及聚集态都 强烈地影响胶接强度。
水解丧失强度和硬度，严重时液化，尤其是聚氨酯；
水还会渗入胶层，取代粘接界面的胶粘剂，普通存在。 水解的速率取决于胶粘剂基料的化学结构、催化剂类 型、用量、以及胶粘剂的柔性。 酯、氨酯、酰胺和脲，能被水解。酯键水解速率最快。 在大多数情况下，以酰胺固化的环氧树脂的水解稳定性比 酸酐固化的好。
2.3 粘接工艺 选定了合适的胶粘剂，制备了可靠的 粘接接头，还需有合理的粘接工艺，才能 实现最后的粘接目的。粘接工艺与粘接质 量关系极大，虽然比较简单，却是粘接成 败的关键。粘接工艺包括粘接件表面处理、 胶粘剂的调配、涂胶、固化、清理、检查 等步骤。
（1）减少材料的缺陷即提高分子量，形成结晶。 （2）加入增韧剂增加对裂缝扩展的抵抗力。
破坏现象 胶接件破坏的一般形式有四种（见图）： ①被粘物破坏，发生于粘接强度大于被粘物强度时； ②内聚破坏，胶粘剂破坏，强度取决于胶粘剂内聚力； ③界面破坏（粘附破坏），破坏发生在被粘物与胶粘剂的界 面（胶粘界面完整脱离），此时粘接强度决定于粘附力； ④混合破坏，既有内聚破坏，又有界面破坏。