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【通用連接技術基礎】膠接技術簡介

來源:本站   發布時間: 2022-01-17 10:15:23   瀏覽:17次  字號: [大] [中] [小] [收藏]
又到了我們的小課堂時間了,這次我們介紹的是膠接技術

膠接的起源
人類使用膠黏劑有著悠久的歷史,是一門古老而又年輕的技術。所謂古老,是指它在使用上歷史悠久,可追溯到古代;所謂年輕,是指它在理論上,特別是膠接機制、膠接強度以及其計算上還研究的不夠,對膠接機制的研究是近百年來才開始的,Young通過對表面張力的研究,提出了著名的Young方程,到了20世紀40年代相繼有了幾種學說,主要的理論包括:20世紀40年代A.D.Mclaren等提出的吸附理論、Deryaguin等提出的靜電理論、Voyutskii等提出擴散理論,60年代前后建立并逐步完善的化學鍵理論、弱界面層理論、機械結合理論和膠黏劑流變學理論等。
隨著合成材料的出現,開辟了膠黏劑工業發展的新局面,膠接技術近年來發展迅猛,用用面廣,涉及各行各業,已成為促進國民經濟發展的重要技術手段之一,起到越來越重要的作用。
 
膠接的特點
膠接連接方法與傳統的連接方法相比有其獨特的優點,特定條件下,可以根據設計要求提供所需的功能,一般具有如下特點:
1.膠接連接能最充分地利用被膠接材料的強度。由于膠接不需要鉚接和螺栓連接中的過孔,因此不會減少材料的有效橫截面接;膠接操作溫度低,可避免焊接時高溫引起的結構變形和金相組織的變化,或者涂層、退火狀態的變化,因此,膠接能夠充分利用各種材料,尤其是高強度材料的全部強度
2.膠接能提高接頭的疲勞壽命。膠接時膠黏劑均勻分布于膠接面上,無螺紋和焊縫,不會形成應力集中,提高了接頭的疲勞壽命,而且膠接構件中,疲勞裂紋的擴展速度很慢,這一點使膠接連接在飛機制造中獲得了廣泛的應用。美國沃特公司研制的翼盒分段件,可以使其常規使用壽命延長2倍以上
3.膠接構件有效地減輕了質量。由于不使用鉚釘、螺栓而減輕了接頭的質量;膠接件受力均勻,可采用薄壁結構,極大地減輕了接頭的質量。據報道,某飛機機身采用膠接連接,結構質量減輕15%,總費用節約25%-30%;一架重型轟炸機用膠接代替鉚接,質量減少了34%;一臺大型雷達采用膠接結構,可減輕質量20%
4.膠接接頭可根據使用要求,選取相應的膠黏劑,賦予膠接接頭以特定的功能。常見的導電、導磁、密封、抗特定介質腐蝕功能的膠接接頭
5.膠接適用的材料范圍廣。它可用于金屬材料之間或非金屬材料之間的連接,也可用于金屬與非金屬材料之間的連接,木質纖維材料的膠接,適用范圍十分廣
6.膠接接頭耐環境應力強。由幾種金屬材料構成的接頭,采用膠接連接可避免金屬接觸電偶產生的電化學腐蝕;膠接本身也不存在化學腐蝕;膠接連接對水、空氣及其他介質有良好的密封性能,減少了介質對接頭的腐蝕,從而增強了接頭的耐環境應力
7.膠接工藝簡單。對操作的熟練程度要求低,生產易于自動化,生產效率高,成本低

 
膠接的缺點
說了這么多優點,并不是膠接只有優點沒有缺點,在連接上也會有一些不足
1.膠接強度低,遠不如金屬材料
2.使用溫度也比較低,一般在-50 ~ 150℃,只有耐高溫膠黏劑才可長期工作在250℃,或者短期工作于350 ~ 400℃
3.膠接接頭強度的影響因素多,對材料、工藝條件和環境應力極為敏感
4.接頭性能的重復性差
5.使用壽命有限
6.膠黏劑對材料的膠接不如鉚接和螺栓連接那么普遍,有的材料難以或無法用膠黏劑連接
以上的這些缺陷,在一定程度上限制了膠接連接應用范圍

膠接的作用力
膠接界面的作用力與膠接強度直接相關,一般認為界面上作用力有三類:
1.靜力:“投錨”作用和摩擦作用等產生的力,理論上對界面膠接強度的貢獻可以達到1.4 ~ 7.0 MPa
2.界面分子間作用力:由倫敦色散、偶極與氫鍵等作用產生的力,理論上對膠接強度的貢獻可達到7.0 x 10² ~ 7.0 x 10³ MPa
3.化學鍵力:化學反應形成化學鍵,理論上對膠接強度的貢獻可達到7.0 x 10³ ~ 7.0 x 104 MPa
這三種作用力對于一個膠接體系可能同時存在,但起的作用大小隨情況而異,一般來說,分子間作用力對膠接強度的貢獻占較大的比例,但抗介質和水腐蝕能力主要決定于化學鍵力。在實際應用上,膠接強度只能達到理論值的極少一部分,其主要原因是膠接過程中分子間不良接觸導致膠接界面上留有微孔缺陷,減少了膠接面積,引起應力集中,促使其早期破壞,另外,由于界面存在殘余熱應力和收縮應力也促使強度損失

理想的膠接是當兩個表面彼此緊密接觸之后,分子間產生相互作用,達到一定程度而形成膠接鍵,最后達到熱力學平衡的狀態。由于沒有考慮實際因素,理想的膠接實際是不存在的,而且理想的膠接強度比實際的膠接強度要大幾個數量級,但是理想的膠接有一定的理論意義,通過對機理的分析,對實際的膠接過程有重要的指導意義
實際的膠接,大多數都需要使用膠黏劑,才能使兩個固體通過表面結合起來。由于膠黏劑的流動性和較小的表面張力,對被粘物表面產生了濕潤作用,使界面與膠黏劑分子緊密接觸,膠黏劑分子通過自身的運動,與界面達到吸附平衡,之后再對被粘物表面進行跨界面的擴散作用,形成擴散界面區,進行膠黏劑分子與被粘物界面的緊密接觸,形成以次價力或化學鍵為主的膠接鍵
膠接接頭的幾種基本形式
1.搭接接頭(Lap Joint):由兩個被膠接部分的疊合,膠接在一起所形成的接頭

2.面接接頭(Surface Joint):兩個被膠接物主表面膠接在一起所形成的接頭

3.對接接頭(Butt Joint):被膠結物的兩個端面與被膠結物主表面垂直

4.角接接頭(Angle Joint):兩被膠結物的主表面端部形成一定的角度的膠接接頭

受力分析
接頭膠層在外力作用時,有4種受力情況
1.正拉:外力與膠接面垂直,且均勻分布于整個膠接面

2.剪切:外力與膠接面平行,且均勻分布于整個膠接面上

3.剝離:外力與膠接面形成一定角度,并集中分布在膠接面的某一線上

4.劈開:外力垂直于膠接面,但不均勻分布在整個膠接面上

一般為了便于分析,會將上面的4種應力簡化為拉應力和剪切力兩大類
 
影響膠接作用的因素
1.膠黏劑
絕大多數固體表面從微觀上來講都是凹凸不平的,這樣的表面疊合起來的時候,只有很小的點面可以互相接觸,因此分子的總吸引力很小,很容易被分開,膠黏劑通過填補不規則的粗糙表面提高分子的接觸,提高膠接強度
膠黏劑主要有以下幾種品種:
-  溶劑型膠黏劑:通過溶劑的蒸發或擴散、滲透而固化
-  熱熔型膠黏劑:通過降低溫度而固化
-  化學反應型膠黏劑:在一定的溫度(通常是升溫)下,通過內部產生聚合或縮聚反應而固化
2.粘度
液體的粘度主要受分子量影響,一般來說,隨著溫度的升高,粘度下降,熱熔膠的熔融粘度受溫度的影響更為明顯。粘度低,膠黏劑較容易濕潤鋪展,可得到較高的膠接強度,但是過低的粘度會導致流淌,內聚強度降低,當溶劑蒸發時,收縮會太大,應力集中較嚴重,膠接強度反而會降低,在調制或選擇膠黏劑時要考慮各種影響,設計最佳的粘度。膠黏劑在低粘度狀態的時間久一些,可以增加接觸的程度和膠接強度
3.表面能
實踐證明,凡是液體或膠黏劑表面張力低于集體表面張力,就會表現出良好的濕潤鋪展效果,而且分子接觸比較緊密,會出現較高的膠接強度,非極性聚合物,如聚乙烯和聚四氟乙烯的表面能和臨界表面張力較小,濕潤與膠接效果均不好,需要進行表面改性,才能夠滿足膠接要求
4.弱邊界層
邊界層主要是指與固體、液體、氣體緊密接觸的邊緣部分,如果邊界層里存在低強度區域,則稱為弱邊界層。造成弱邊界層的原因,可能為以下幾種:
-  聚合過程中帶入的雜質影響,例如混入了低分子量的有機雜質,如潤滑油
-  聚合過程未全部轉化的參與低分子量尾料
-  儲存運輸過程中,不慎混入的雜質
-  加入的抗氧化劑、增塑劑、紫外光吸收劑、潤滑劑等低分子量助劑的影響
-  成型加工過程中帶入的雜質,如脫模劑的影響
 
目前的重點研究課題
以下是部分目前的重點研究課題:
1.納米膠黏劑:納米材料是一種新材料,是由納米量級的晶態或非晶態超細材料構成的固態物質,由于尺寸小,使其具有高強度、高韌性、高比熱、高導電、高導磁性等特點,在環氧樹脂膠黏劑中加入8%的納米金剛石粉,膠層的耐磨性提高2倍多,拉伸強度能提高27.5%
2.環保:環保壓力越來越大,需要研究出不污染環境的膠黏劑,例如天然膠黏劑
3.膠接理論的深入研究,形成膠接科學學說
4.找出膠接強度的普適表達式,實現膠接強度的無損檢測
5.開發直接能夠膠接低能表面的膠黏劑
6.開發固化更快,效率更高,成本更低,材料更省,能源更省的膠黏劑
7.各種特殊功能的膠黏劑,如耐高溫的有機膠黏劑,微電子行業用的膠黏劑等

 

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