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技術(shù)文章

軟粘合系統(tǒng)在剪切保持下的反直覺(jué)延遲失效

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軟膠粘結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用,但其在靜態(tài)載荷下出現(xiàn)的延遲失效現(xiàn)象常被忽視。尤其在剪切位移保持(宏觀松弛過(guò)程中無(wú)額外能量輸入)條件下的反常延遲失效機(jī)制尚不明確。本研究采用含時(shí)內(nèi)聚力模型(CZM)表征位移保持過(guò)程中軟膠粘的粘彈性行為,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)兩種膠接體系(硬被粘體-硬基體-軟膠粘HSH,軟被粘體-硬基體-軟膠粘SSH)進(jìn)行研究。CZM通過(guò)HSH的單搭接剪切實(shí)驗(yàn)(單調(diào)加載、恒力保持、位移保持)驗(yàn)證。通過(guò)粒子追蹤法觀測(cè)SSH在保持過(guò)程中軟被粘體的變形場(chǎng),發(fā)現(xiàn)延遲失效歸因于裂紋前沿軟膠粘的局部蠕變,盡管宏觀上表現(xiàn)出松弛現(xiàn)象。研究探討了模量比、粘彈性及加載條件對(duì)延遲失效的影響,為提升軟膠粘結(jié)構(gòu)性能提供指導(dǎo)。

1. 引言

與傳統(tǒng)硬膠粘結(jié)構(gòu)不同,軟膠粘結(jié)構(gòu)(如水凝膠、壓敏膠)具有大變形回復(fù)與能量耗散能力,廣泛應(yīng)用于軟體驅(qū)動(dòng)器、超級(jí)電容器、應(yīng)變傳感器及組織修復(fù)等領(lǐng)域。此類結(jié)構(gòu)常面臨沖擊、剝離、循環(huán)拉伸等載荷,當(dāng)達(dá)到特定載荷水平后可能進(jìn)入剪切位移保持狀態(tài)(如體內(nèi)傳感貼片需長(zhǎng)期附著)。延遲失效可分為恒力保持與位移保持兩類,現(xiàn)有研究多集中于恒力下的蠕變機(jī)制,而位移保持下無(wú)額外能量輸入?yún)s發(fā)生延遲失效的反?,F(xiàn)象機(jī)制尚待揭示。

2. 位移保持下延遲失效機(jī)制

本研究聚焦于剪切位移保持下單搭接軟膠粘結(jié)構(gòu)的延遲失效機(jī)制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法分析兩種典型體系:

  • HSH體系:硬被粘體模量遠(yuǎn)高于軟膠粘,可視為剛體約束,膠層變形均勻。

  • SSH體系:軟被粘體與軟膠粘模量相近,變形協(xié)調(diào)更復(fù)雜。

研究表明,在位移保持過(guò)程中,盡管整體結(jié)構(gòu)宏觀力松弛,但SSH中裂紋前沿的軟膠粘因局部應(yīng)力集中發(fā)生蠕變變形,持續(xù)積累內(nèi)稟應(yīng)變能,直至達(dá)到臨界值引發(fā)失效。這源于軟被粘體儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能釋放,驅(qū)動(dòng)膠粘層局部蠕變。

3. 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值驗(yàn)證

采用3M雙面膠帶(厚度0.06 mm)作為軟膠粘材料,PMMA作為硬基體與被粘體。通過(guò)單搭接剪切試驗(yàn)(單調(diào)加載、恒力保持、位移保持)驗(yàn)證含時(shí)CZM的準(zhǔn)確性。有限元模擬采用Abaqus實(shí)現(xiàn),膠粘層用CZM描述,PMMA設(shè)為剛體。結(jié)果表明,CZM能準(zhǔn)確捕捉不同加載速率下的峰值力與失效能,且能模擬恒力下的蠕變失效過(guò)程。在HSH位移保持實(shí)驗(yàn)中,未觀察到延遲失效,因膠層受均勻約束。

4. SSH體系的延遲失效分析

SSH試樣以PDMS為被粘體,通過(guò)粒子追蹤法原位觀測(cè)變形場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)位移保持過(guò)程中,PDMS的剪切滯后長(zhǎng)度隨時(shí)間增加(因膠粘模量粘彈性下降),整體結(jié)構(gòu)呈宏觀松弛。同時(shí),裂紋前沿膠粘局部伸長(zhǎng)持續(xù)增加,表現(xiàn)出明顯蠕變行為,最終引發(fā)脫粘。能量分析顯示,局部膠粘的內(nèi)稟應(yīng)變能在蠕變中積累至臨界值,導(dǎo)致失效。

5. 延遲失效影響因素

通過(guò)有限元分析探討以下因素對(duì)SSH延遲失效的影響:

  1. 模量比:降低被粘體模量可延長(zhǎng)延遲時(shí)間、減小脫粘長(zhǎng)度,模量比過(guò)高可能直接導(dǎo)致一次性失效。

  2. 粘彈性:增加膠粘的粘彈性模量或特征時(shí)間會(huì)線性延長(zhǎng)延遲時(shí)間,但不影響最終脫粘長(zhǎng)度。

  3. 加載條件:存在失效相圖(無(wú)失效、延遲失效、一次性失效)。降低位移保持水平或提高拉伸速率可延緩失效;但位移水平超過(guò)臨界值時(shí)延遲失效仍不可避免。

6. 結(jié)論

本研究揭示了位移保持下軟膠粘結(jié)構(gòu)延遲失效的局部蠕變機(jī)制。通過(guò)含時(shí)CZM與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,闡明了軟被粘體彈性應(yīng)變能釋放驅(qū)動(dòng)膠粘局部蠕變的核心機(jī)理。研究表明,通過(guò)降低位移保持水平、提高拉伸速率、選用低模量被粘體等措施可延緩或避免延遲失效。研究結(jié)果為軟膠粘結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與耐久性提升提供了重要參考。


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