韓 嘯，金 勇，楊 鵬

(1.大連理工大學(xué)運載工程與力學(xué)學(xué)部，遼寧大連 116024；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621900)

結(jié)構(gòu)膠接接頭濕熱環(huán)境耐久性研究概述

韓 嘯1，金 勇1，楊 鵬2

(1.大連理工大學(xué)運載工程與力學(xué)學(xué)部，遼寧大連 116024；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽 621900)

相比于傳統(tǒng)機械連接，如鉚接、焊接和螺栓連接，結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)有著諸多優(yōu)勢，近年來在很多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于膠黏劑本身具有高分子聚合物材料的特性，使得膠接接頭的環(huán)境耐久性成為關(guān)乎工程結(jié)構(gòu)連接可行性和長期服役可靠性的關(guān)鍵問題。在概述結(jié)構(gòu)膠接接頭濕熱環(huán)境耐久性研究工作的基礎(chǔ)上，分別從影響膠接結(jié)構(gòu)性能的環(huán)境濕度、溫度及其耦合作用等角度展開討論，介紹了國內(nèi)外研究人員取得的研究進(jìn)展和成果。指出了今后的研究方向：結(jié)合多種觀測尺度下的環(huán)境老化試驗和數(shù)值仿真方法，探究膠層吸濕、蠕變、熱膨脹和吸濕膨脹等環(huán)境老化行為，利用模型預(yù)測方法模擬其在多場耦合工況下的多種力學(xué)性能退化行為，從而為膠接結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計和應(yīng)用提供更加可靠的理論建模和試驗數(shù)據(jù)支持。

膠黏劑；膠接接頭；環(huán)境耐久性；內(nèi)聚力模型；濕熱老化

圖1 膠接接頭環(huán)境耐久性影響因素Fig.1 Factors affecting the environmental durability of adhesive joints

近年來，新型輕量化材料 (如輕質(zhì)合金、纖維增強復(fù)合材料和工程塑料等) 應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域，如航空航天、土木工程和載運工具等，使得異種材料之間滿足設(shè)計和服役性能要求的連接方法受到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)連接方法，如螺栓連接[1]、焊接[2]和鉚接等有其各自優(yōu)勢，同時也受制于其技術(shù)瓶頸。為了滿足異種材料連接工藝和服役性能的要求，結(jié)構(gòu)膠接成為一種應(yīng)用廣泛的連接技術(shù)。由于膠黏劑本身高分子聚合物材料的特性，使得膠接接頭的環(huán)境耐久性成為關(guān)乎工程結(jié)構(gòu)連接可行性和長期服役可靠性的關(guān)鍵問題，涉及化學(xué)、力學(xué)、物理等多個學(xué)科[3]。在膠接結(jié)構(gòu)服役過程中，由于膠接接頭長期暴露在復(fù)雜的環(huán)境因素下，因而會直接影響其主要力學(xué)行為[4]。這些環(huán)境因素主要分為5類，分別是溫度、濕度、輻射、化學(xué)和生物侵蝕。單個環(huán)境因素連續(xù)且無規(guī)律的作用，會引起膠接接頭力學(xué)性能的退化。暴露在實際服役環(huán)境中的膠接接頭容易受到這些因素的組合作用，因此接頭的環(huán)境退化行為是一個各種因素耦合作用的復(fù)雜退化過程。膠接接頭環(huán)境耐久性的諸多影響因素如圖1所示。

膠接接頭環(huán)境退化是一個長期過程，在相對較短的時間內(nèi)確定環(huán)境因素對接頭力學(xué)性能的影響需要在實驗室環(huán)境下采用加速老化或者人工老化的方法。膠接結(jié)構(gòu)的環(huán)境耐久性研究分為2個主要方向：極端環(huán)境下試驗室加速老化試驗和力學(xué)性能的建模預(yù)測[5]。本文分別從濕度、溫度和濕熱耦合環(huán)境對接頭性能影響的角度出發(fā)，對接頭環(huán)境耐久性的相關(guān)國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，包含試驗測定方法、理論和數(shù)值仿真預(yù)測等主要研究手段，以期對結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)的深入研究提供參考。

1 濕度對膠接接頭的影響研究

1.1 吸濕老化機理和水分?jǐn)U散理論

由于膠黏劑高分子聚合物的材料特性，在很多情況下水分和聚合物分子的相互作用會造成膠黏劑物理、化學(xué)和力學(xué)特性的改變。水分主要以3種形式影響膠接接頭[6]：1) 改變膠黏劑本身的性質(zhì)；2) 退化界面的黏接性能；3)退化基底性質(zhì)，引起接頭尺寸的改變。隨著在濕度環(huán)境條件下暴露時間的增加，膠接接頭的強度和楊氏模量會發(fā)生一定程度的退化。有研究指出，忽略不可逆的水解反應(yīng)以及由吸濕膨脹引起的微裂紋擴展，在膠層經(jīng)歷升溫環(huán)境使得其吸收的水分完全滲出后，接頭強度會完全恢復(fù)[7-8]。未經(jīng)歷環(huán)境老化的接頭主要失效模式為膠層的內(nèi)聚失效，而經(jīng)歷吸濕退化后的接頭失效模式則逐漸向界面失效轉(zhuǎn)變[9]。

水分吸收會引起膠層的增塑 (plasticisation) 現(xiàn)象，然而增塑作用的確切機制尚不完全清楚，但是有聚合物鏈間的氫鍵被水分子破壞和基于聚合物-稀釋液的概念這2種假說來解釋這一現(xiàn)象[10]，這些改變也會造成強度和彈性模量的降低[11]。對于不吸收水分的基底 (如金屬、玻璃等) 來說，膠接接頭中水分?jǐn)U散的途徑主要分為膠黏劑內(nèi)部擴散以及膠層和基底界面間的芯吸作用和膠層中微裂紋的毛細(xì)作用。擴散到膠層內(nèi)的水分會優(yōu)先遷移到黏接界面的區(qū)域，并在界面處代替膠黏劑本體材料。對于金屬基底來說，水分還會通過水合作用或者界面氧化層的腐蝕使其發(fā)生退化。常見的金屬(如鋁、鐵)氧化物，發(fā)生水合作用并形成凝膠狀的金屬水化物，此時形成的弱邊界層會削弱黏接性能。而對于吸收水分的基底 (如復(fù)合材料、木材等) 來說，水分的擴散除了上述途徑外，還包括基底自身的吸水過程[12]?；椎奈^程相對復(fù)雜，對于碳纖維增強復(fù)合材料來說，水分?jǐn)U散途徑除了樹脂和碳纖維本身，還包括碳纖維-樹脂界面的擴散。

膠黏劑的水分?jǐn)U散速率和最大吸水量也依賴于接頭所處的環(huán)境工況，如濕度、溫度、膠層厚度和應(yīng)力分布狀態(tài)等。近年來許多模擬聚合物中水分?jǐn)U散過程的模型被提出[13]，其中以描述單自由相擴散的Fickian定律使用得最為普遍[14-15]。通常認(rèn)為水分吸收與水分濃度無關(guān)，可以簡化為遵循Fickian第二定律的一維擴散模型[16-17]：

(1)

式中：c為水分濃度；D為擴散系數(shù)；t為時間；x為空間坐標(biāo)。水分吸收質(zhì)量分?jǐn)?shù)Mt(在時間t的總吸收質(zhì)量，表示為試樣初始質(zhì)量的百分?jǐn)?shù))可以通過對空間變量x積分得到：

(2)

式中：M∞為飽和時的最大吸水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即試樣在飽和時吸收水分質(zhì)量占初始質(zhì)量的比例；D為擴散速率；2h為樣品厚度。隨著溫度而變化的擴散系數(shù)滿足經(jīng)典的Arrhenius速率方程[18]：

(3)

式中：D0為常數(shù)；ΔH為擴散過程的活化能；R和T分別代表理想氣體常數(shù)和絕對溫度。

Fickian定律假設(shè)吸收的水分子與聚合物鏈之間沒有相互作用[16，19]，然而研究發(fā)現(xiàn)在一些玻璃態(tài)聚合物中水分的擴散是反常的 (anomalous moisture diffusion)，從而導(dǎo)致使用Fickian模型會過高估計水分濃度，因此需要更精細(xì)的擴散理論來再現(xiàn)實際的水分吸收過程。非Fickian擴散模型主要分為2類[20-21]：一類是基于對Fickian擴散模型的修正來描述水分在環(huán)氧樹脂中的反常擴散行為，例如雙Fickian擴散模型 (dual fickian diffusion model) 通過具有2種不同F(xiàn)ickian性質(zhì)的擴散機制共同作用，因此雙Fickian擴散模型可以看作是2個單Fickian模型的疊加[18，22]。Fickian定律也可以通過引進(jìn)時變擴散系數(shù) (time-varying diffusivity) 或者邊界條件 (time-varying boundary condition)來描述反常擴散[14，23]。其假設(shè)擴散系數(shù)或者邊界條件滿足Prony級數(shù)形式，從而考慮到粘彈性效應(yīng)，因為要求解多個系數(shù)和相應(yīng)的延遲時間。雖然這些模型對問題的自由度較高，但是求解相對較難且耗時。研究表明，環(huán)氧樹脂中的水分子存在自由和結(jié)合的2種狀態(tài)，因此另一類反常擴散模型則考慮到物理擴散和化學(xué)作用的組合效應(yīng)。CARTER等[24]使用Langmuir型兩相擴散模型模擬水分在環(huán)氧樹脂中水分的反常擴散，并且與實驗結(jié)果吻合度良好。

1.2 吸濕老化試驗

試件表面處理工藝關(guān)系著膠黏劑與被黏物基底連接的力學(xué)性能，直接影響著膠接接頭的環(huán)境耐久特性。對于金屬基底膠接接頭來說，黏接界面屬性在失效機制中作用顯著，因為大多數(shù)工程金屬表面會覆蓋一層氧化薄層，這使得接頭更容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕而導(dǎo)致性能退化。為了增強膠層/基底界面的抗腐蝕能力，通常需要對基底表面進(jìn)行化學(xué)、電化學(xué)或機械處理，如磷酸陽極化，采用底漆、蝕刻、噴丸和脫脂等表面處理工藝，來提高其黏接性能?；瘜W(xué)和電化學(xué)方法包括森林產(chǎn)品試驗室蝕刻 (forest products laboratory etch)、磷酸陽極氧化 (phosphoric acid anodisation)、鉻酸陽極氧化 (chromic acid anodisation) 和硫酸陽極氧化 (sulphuric acid anodisation)，而機械方法則包括使用噴砂機或者砂紙進(jìn)行噴砂或打磨[12]。

對鋁合金基底的表面處理可以參考CRITCHLOW等[25]撰寫的一篇綜述，而比較詳細(xì)的敘述可見WEGMAN等[26]研究的膠黏表面處理技術(shù)，以及EBNESAJJAD[27]的膠黏劑和表面處理手冊。表面預(yù)處理的效果可以通過掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscopy)或原子力顯微鏡 (atomic force microscopy)觀察，或者通過表面輪廓檢測 (Surface profilometry) 測量處理后的基底表面粗糙度。

為了表征膠層水分?jǐn)U散特性，需要進(jìn)行吸水試驗得到其相關(guān)擴散參數(shù)，常用的方法是重量分析法(gravimetric method)，通過定期測量液體或蒸汽進(jìn)入到聚合物帶來的質(zhì)量增加，得到各個試件在濕度環(huán)境下吸水質(zhì)量隨時間變化的離散數(shù)據(jù) (Mt,t) 以及飽和吸水量M∞和吸濕膨脹量[28]，然后采用合適的擴散模型擬合得到其相應(yīng)的擴散參數(shù)[29-30]。試驗設(shè)計可以參照標(biāo)準(zhǔn)ASTMD5229和D570或ISO62，通常濕度條件由完全浸入溶液或者放置在特定濕度環(huán)境2種方法來實現(xiàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)ASTME104和ASTMD5032介紹了如何控制相對濕度環(huán)境的方案，分別通過水和水甘油溶液保持環(huán)境相對濕度恒定。對于選定的水分?jǐn)U散模型，需要根據(jù)試驗測得的試件質(zhì)量隨時間變化的離散數(shù)據(jù)，利用優(yōu)化方法確定模型中未知參數(shù)的合適取值。BERINGHIE等[31]提出了一種新的快速確定復(fù)合材料水分?jǐn)U散系數(shù)的方法，這種方法使用數(shù)值參數(shù)適當(dāng)廣義分解，通常用于發(fā)生反常擴散或者擴散-反應(yīng)耦合的情況。GRACE等[32]根據(jù)一種新方法使用了重量分析法，用吸水試驗數(shù)據(jù)表征聚合物復(fù)合材料三維、各向異性水分的吸收過程。

膠層吸水后會發(fā)生一定程度的體積膨脹，吸濕膨脹的測定通常假設(shè)試件在各尺寸上具有相同的膨脹應(yīng)變，使用數(shù)顯千分尺或非接觸式方法測量其一維膨脹應(yīng)變，但是測量時需要注意測量方式不會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且排除溫度引起的膨脹應(yīng)變。吸收水分影響膠黏劑聚合物的移動性，從而對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有影響。為了測量Tg在老化前和老化后的變化，可以使用動態(tài)力學(xué)分析技術(shù) (dynamicmechanicalanalysis)[33]和差示掃描量熱儀 (differentialscanningcalorimeters)。ZHANG等[34]提出了一種基于DMA快速確定膠黏劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的方法。DSC測試方法可以參考標(biāo)準(zhǔn)ASTMD3418，測試過程中樣品經(jīng)歷玻璃化轉(zhuǎn)變的熱流量由DSC設(shè)備記錄，然后根據(jù)熱流量曲線計算Tg。

吸水老化后的結(jié)構(gòu)膠黏劑和膠接接頭，需要利用各種力學(xué)試驗定量評估其力學(xué)性能的退化程度，如拉伸剪切試驗、彎曲試驗、Ⅰ型/Ⅱ型斷裂能試驗和疲勞試驗等。而斷裂模式和機制、化學(xué)組成和表面形貌能夠定性描述濕度老化影響[35]，對于啞鈴型膠黏劑試件單向拉伸試驗可以參照標(biāo)準(zhǔn)ASTMD638。FERNANDES等[36]研究了濕度環(huán)境對復(fù)合材料膠接接頭在Ⅰ型和Ⅱ型加載條件下斷裂特性的影響，通過雙懸臂梁 (doublecantileverbeam) 和端部缺口彎曲 (endnotchedflexure) 試驗，評估3種不同濕度環(huán)境對Ⅰ型和Ⅱ型加載條件下接頭斷裂行為的影響。ARENAS等[37]分析了復(fù)合材料/鋁合金膠接接頭浸泡在水和引擎油環(huán)境下的性能退化現(xiàn)象，并且通過3點彎曲試驗定量地評估其力學(xué)特性的退化程度。LEGER等[38]在70 ℃水中對單搭接接頭進(jìn)行老化試驗，觀察其變形隨老化時間的變化。為了預(yù)測老化后單搭接接頭在拉伸載荷作用下的行為，使用有限元模型模擬水分在膠層中的擴散過程，得到了接頭的殘余強度。

1.3 吸濕老化過程數(shù)值模擬

圖2 膠接結(jié)構(gòu)環(huán)境退化響應(yīng)評估框架Fig.2 Evaluation framework of the environmental degradation response of adhesive structure

鑒于熱傳導(dǎo)與擴散方程在數(shù)學(xué)上的相似性，因而可以使用熱分析法進(jìn)行水分?jǐn)U散過程的模擬。CROCOMBE[39]提出了一種評估膠接結(jié)構(gòu)環(huán)境退化響應(yīng)的框架，該框架包含物理實驗和有限元建模，并且考慮了多種環(huán)境因素對膠層-基底界面和膠黏劑本體的弱化，通過退化的內(nèi)聚力模型對接頭老化后的殘余強度進(jìn)行評估 (見圖2)。該框架認(rèn)為載荷引起的應(yīng)力會影響膠層吸濕和界面水分的擴散，而水分會導(dǎo)致界面和膠層本體的退化。隨后定義了一個與局部吸濕量有關(guān)的膠層失效準(zhǔn)則，這一失效準(zhǔn)則的參數(shù)主要是通過對膠黏劑試件的吸濕和強度退化過程進(jìn)行相關(guān)環(huán)境老化特性試驗得到的?？紤]到膠層內(nèi)部的吸濕現(xiàn)象，利用退化的內(nèi)聚力模型對膠層在接頭拉伸過程中的裂紋擴展過程進(jìn)行了模擬，從而對吸濕老化后接頭的殘余強度進(jìn)行預(yù)測。MUBASHAR等[40-41]通過循環(huán)濕度擴散，發(fā)現(xiàn)膠層吸濕是一個非Fickian過程，水分吸收依賴于濕度歷史，而解吸過程是Fickian過程，使用ABAQUS UMAT子程序引進(jìn)依賴濕度歷史的自定義材料，實現(xiàn)循環(huán)濕度預(yù)測模型。李智等[42]通過建立膠黏劑吸濕本構(gòu)模型，使用彈塑性有限元法研究了聚丙烯酸酯膠層吸濕程度對單搭接接頭上膠層中應(yīng)力分布的影響。發(fā)現(xiàn)膠層吸濕程度影響接頭的承載模式，由膠瘤承載轉(zhuǎn)變成中部膠層承載，且膠層會發(fā)生溶脹現(xiàn)象引起脫黏失效。

2 溫度對膠接接頭的影響研究

2.1 溫度影響機理

非常溫環(huán)境會引起膠黏劑物理和力學(xué)性質(zhì)的變化，暴露在高溫環(huán)境中較短時間，由于后固化 (post-curing) 作用，也會使接頭的性質(zhì)得到提高，然而暴露足夠長的時間后，其屈服應(yīng)力和楊氏模量等性質(zhì)開始下降，并且由于熱膨脹系數(shù)的差異，溫度變化會引起膠層和基底之間應(yīng)力不匹配[43]。溫度變化還會影響膠接接頭的斷裂性能，并且在接近或大于Tg時，斷裂韌性會發(fā)生突變[44-45]。Tg不僅依賴于膠黏劑種類，還依賴于其溫度歷程，會影響膠黏劑在高溫時的性能。BANEA等[46]通過雙懸臂梁試驗，評估溫度對高溫環(huán)氧樹脂膠黏劑Ⅰ型斷裂韌性的影響，使用雙線性內(nèi)聚力模型模擬試件斷裂行為，并預(yù)測膠黏劑載荷-位移曲線隨溫度變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的韌性是溫度的函數(shù)，高于Tg時Ⅰ型斷裂韌度急劇下降，而在Tg以下則變化不大。WALANDER等[47]研究了低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的情況下溫度對內(nèi)聚力模型的影響，推導(dǎo)出在準(zhǔn)靜態(tài)加載的條件和-30 ℃≤T≤80 ℃ 溫度范圍內(nèi)Ⅰ型和Ⅱ型的內(nèi)聚力模型。CHARALAMBOUS等[48]研究了溫度對碳纖維/環(huán)氧樹脂材料的混合模態(tài)層間斷裂韌性和疲勞分層增長率的影響。

2.2 溫度影響試驗研究

膠層和基底熱膨脹系數(shù)的差異，使得接頭受到高低溫引起的溫度應(yīng)力一般是不可忽略的，通常使用應(yīng)變片或者雙材料曲梁測量材料的熱膨脹系數(shù)[49]。YU等[50]基于Timoshenko梁理論和經(jīng)典層合板理論，通過優(yōu)化雙材料系統(tǒng)的幾何尺寸，來提高膠黏劑熱膨脹系數(shù)的測量精度。LOH等[51]基于雙材料曲梁測量熱膨脹系數(shù)的方法，使用線性可變差動變壓器 (linear variable differential transformer) 測量曲梁的擾度，然后得到膠黏劑的熱膨脹系數(shù)。PERETZ等[52]利用直接在試件表面粘貼應(yīng)變片的方法，得到環(huán)氧樹脂膠黏劑的熱膨脹系數(shù)。鄭小玲等[53]使用應(yīng)變片測量單搭接膠接接頭中膠層在室溫固化時產(chǎn)生的收縮應(yīng)變和固化結(jié)束后因環(huán)境溫度波動所引起的縱橫向應(yīng)變，通過對基底-膠層界面的內(nèi)應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)膠層中存在的交變應(yīng)力可能是導(dǎo)致界面提前破壞的主要原因之一。

陳煊等[54]采用Hopkinson拉桿實驗技術(shù)研究了板厚、溫度和速度對單搭接膠接接頭強度的影響，運用有限元方法分析剝離應(yīng)力對接頭強度的作用。曹蕾蕾等[55]利用有限元法對膠接接頭承受熱載荷時的溫度場和熱應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。王玉奇等[56]通過單搭接接頭在不同溫度下的拉伸實驗以及對膠層等效應(yīng)力的有限元仿真，研究了高溫對單搭接接頭強度的影響。韓嘯等[57]對鋼/鋁基底非平衡膠接接頭在循環(huán)溫度場下的強度退化進(jìn)行了老化試驗以及仿真模擬，發(fā)現(xiàn)循環(huán)溫度會使膠接區(qū)域邊緣處的膠層內(nèi)部剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力更加集中。

高溫時由于膠黏劑的高分子聚合物材料特性，因而會發(fā)生鏈的移動和改變，這時膠黏劑會表現(xiàn)出黏彈性和蠕變等力學(xué)行為。通常模擬膠黏劑的蠕變行為不僅要考慮其彈性變形，還要考慮到黏性變形。一般使用一個或更多帶有彈簧和阻尼組件的單元串聯(lián)或者并聯(lián)模擬，其中彈簧表述彈性行為，阻尼代表黏性[58]。蠕變測試通常是耗時且昂貴的，可以參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1780和D2293。MIZAH等[59]設(shè)計了一個夾具，可以同時測試多個試件，減少了試驗時間和成本。

對于溫度對膠接接頭影響的模擬，一般是通過試驗得到相應(yīng)溫度老化后接頭的力學(xué)參數(shù)，輸入到滿足三角形或梯形等拉伸分離定律的有限元模型中，最后將試驗得到的一些數(shù)據(jù)與老化接頭仿真進(jìn)行對比[44-46]。

3 濕熱環(huán)境耦合影響研究

圖3 膠接接頭環(huán)境耐久性評估模型框架Fig.3 Concept framework of the environmental durability assessment of adhesive joint

溫度和濕度工況對膠接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有著顯著影響，其聯(lián)合作用工況下的耦合退化機制則更加復(fù)雜，值得進(jìn)行更加深入的研究。通過對受到濕度和外加載荷物理場下膠接接頭的研究發(fā)現(xiàn)，膠層中的水分?jǐn)U散與其應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。一般來說，順序耦合分析先分析膠接接頭的水分吸收，然后根據(jù)依賴于濕度分布的膠層的性質(zhì)計算接頭的力學(xué)行為。然而膠層的水分吸收依賴于其應(yīng)力分布，并且真實的接頭受到各種應(yīng)力的作用，因此要實現(xiàn)對接頭環(huán)境退化行為的真實模擬和殘余強度的有效預(yù)測，需要一個更為復(fù)雜的完全耦合分析方法 (即各個環(huán)境老化行為同時進(jìn)行，相互影響)，其中膠層中的應(yīng)力狀態(tài)和水分分布是相互耦合的[60]。膠接接頭環(huán)境耐久性評估框架如圖3所示[28]，主要包括3個階段：從擴散和熱分析中確定接頭中的濕度和溫度分布；在濕度-溫度-載荷分析中評估濕度、溫度和施加載荷的組合效應(yīng)；通過對力學(xué)模型應(yīng)用失效準(zhǔn)則，可以對膠接接頭濕熱環(huán)境的耐久性進(jìn)行預(yù)測。

HAN等[61-62]研究了恒定應(yīng)力作用下膠接接頭在濕度環(huán)境的退化行為，并預(yù)測了其殘余強度，采用以下2個步驟進(jìn)行分析：1)通過完全耦合分析方法，模擬膠接接頭在溫度-濕度-載荷服役工況下的長期老化過程，利用水分?jǐn)U散和熱傳導(dǎo)物理過程的相似性，在膠層中使用溫度-位移耦合單元，根據(jù)von Mises應(yīng)力來表述依賴水分吸收的應(yīng)力；2)使用內(nèi)聚力模型模擬老化后的膠接接頭準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載過程，膠層的性質(zhì)是步驟1)中定義的場變量的函數(shù)。LILJEDAHL等[63]使用完全耦合擴散-應(yīng)力分析方法，預(yù)測了膠接接頭環(huán)境退化過程中的物理和力學(xué)行為，其中膠黏劑依賴濕度的力學(xué)性質(zhì)和擴散系數(shù)，分別由在各種濕度環(huán)境下的膠黏劑試樣測試和重力分析法實驗獲得。

DAI等[64]從理論上分析了碳纖維-金屬膠接接頭的熱傳導(dǎo)和濕度擴散耦合過程，利用熱傳質(zhì)Luikov方程建立熱量和濕度耦合擴散系統(tǒng)。WANG等[65]使用單邊切口彎曲試件，研究了濕熱環(huán)境對固化前后鋁合金膠接接頭疲勞裂紋擴展的影響，發(fā)現(xiàn)固化后試件的抗疲勞裂紋擴展性受環(huán)境影響較大，經(jīng)歷環(huán)境老化后接頭的疲勞裂紋擴展對加載速率更敏感。鄭祥明等[66]分析了膠接接頭環(huán)境耐久性的影響因素，指出水對接頭退化的重要作用，同時對比了超聲法和振動法檢測膠接接頭耐久性的效果，說明可靠的耐久性評價機制必須建立在探究退化機理和精確建模的基礎(chǔ)之上。

VIANA等[58]從膠黏劑本身和膠接接頭角度，分別介紹了濕度和溫度單獨和耦合作用對其性能退化的影響，還系統(tǒng)地介紹了預(yù)測老化后膠接接頭力學(xué)行為的方法，以及一些能夠?qū)δz接接頭設(shè)計有用的預(yù)測模型。LIU等[67]研究了濕熱環(huán)境對雙搭接碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料剪切接頭力學(xué)行為的影響，通過試驗方法評估了膠黏劑依賴濕熱性質(zhì)和接頭在各種環(huán)境條件下的靜態(tài)響應(yīng)。環(huán)境效應(yīng)如溫度和濕度對膠接接頭疲勞性能的退化作用，可見COSTA等發(fā)表的綜述文章[68]。

4 結(jié) 論

國內(nèi)外研究人員圍繞膠接接頭濕熱環(huán)境的耐久性開展了大量且卓有成效的試驗和建模研究工作，采用實驗室加速老化方法和有限元數(shù)值仿真手段，探究膠接接頭在高溫、高濕和濕熱耦合工況下的性能退化行為及其老化機理，并對其經(jīng)歷長期復(fù)雜服役工況后殘余強度和服役壽命的評估提出了多種有效的預(yù)測方法。隨著結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，長期復(fù)雜服役工況下膠接結(jié)構(gòu)服役性能的有效評估手段將是今后研究的焦點?？紤]到膠層中裂紋和氣泡等微小缺陷的存在，要深入探究其濕熱環(huán)境下的力學(xué)行為退化機理，還需要了解其微/細(xì)觀尺度下的老化機理，為相關(guān)預(yù)測建模工作提供更為真實的材料參數(shù)。今后的研究工作可以結(jié)合多種觀測尺度下的環(huán)境老化試驗和數(shù)值仿真方法，更加深入地探究膠層吸濕、蠕變、熱膨脹和吸濕膨脹等環(huán)境老化行為，利用模型預(yù)測方法模擬其在多場耦合工況下的多種力學(xué)性能退化行為，從而為膠接結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計和應(yīng)用提供更加可靠的理論建模和試驗數(shù)據(jù)支持。

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Review of research on the hygrothermal environmental durability of structural adhesively bonded joints

HAN Xiao1， JIN Yong1， YANG Peng2

(1.Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China; 2. Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900, China)

In recent years, structural adhesive bonding technology has been widely used in many industrial fields, with many advantages over traditional mechanical connection methods, such as riveting, welding and bolt connection. Due to the adhesive characteristics of polymer materials, the environmental durability of adhesive joint becomes the key problems in engineering structure connection feasibility and long-term service reliability. On the basis of the review of the research of the hot-humid environmental durability of structural adhesive joints, the effects of temperature, moisture and coupled condition on the structural mechanical behaviour are discussed, introducing the published research progress and results both at home and abroad. The prospects are provided: the future research work can be combined with a variety of observation scales of environmental aging test and numerical simulation method, delve into sub hygroscopic, creep, thermal expansion and hygroscopic expansion aging behavior, such as the environment of model prediction method simulation in more than a variety of mechanical performance degradation behavior of coupling conditions, and provide more reliable theoretical modeling and experimental data for engineering design and application of cementing structure.

adhesive; adhesive joint; environmental durability; cohesive zone model; hygrothermal aging

1008-1542(2017)03-0209-09

10.7535/hbkd.2017yx03001

2017-01-09；

2017-04-12；責(zé)任編輯：張士瑩

國家自然科學(xué)基金(51605072)；中國博士后科學(xué)基金(2015M581327)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2015109)

韓 嘯(1987—)，男，山東濟南人，講師，博士，主要從事結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)及其環(huán)境耐久性方面的研究。

E-mail:hanxiao@dlut.edu.cn

TQ436.2；TG491

A

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