韋震等

摘要：參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了用于測(cè)量鋁與端羥基聚丁二烯（丁羥膠）粘接強(qiáng)度的單軸拉伸試驗(yàn)，通過變換拉伸速率獲得了粘接強(qiáng)度與拉伸速率的關(guān)系，隨著拉伸速率的增大粘接強(qiáng)度不斷升高。同時(shí)進(jìn)行了丁羥膠片的單軸拉伸試驗(yàn)并獲得了200%應(yīng)變范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丁羥膠作為鋁板的膠粘劑的粘接強(qiáng)度明顯大于丁羥膠片自身的強(qiáng)度，且粘接時(shí)丁羥膠的伸長率明顯下降。

關(guān)鍵詞：粘接強(qiáng)度；鋁/丁羥膠粘接件；率相關(guān)

丁羥膠（HTPB）復(fù)合推進(jìn)劑是一種具有高固體顆粒填充比的高能復(fù)合材料，研究膠粘劑基體（丁羥膠）與固體顆粒（鋁）間的界面粘接狀況對(duì)于研究復(fù)合推進(jìn)劑的力學(xué)性能具有重要意義。顆粒之間的粘接與單軸拉伸試件之間的粘接在粘接機(jī)理上具有一定的相同之處，而且Gyoo-Dong Jung[1，2]等人將膠體與AP平板之間的宏觀粘接剝離試驗(yàn)獲取的粘接性能參數(shù)直接用于細(xì)觀損傷本構(gòu)模型中，獲得了與試驗(yàn)非常吻合的仿真結(jié)果，因此，可以認(rèn)為基于宏觀試驗(yàn)方法對(duì)Al顆粒與丁羥膠（HTPB）粘接界面的研究是可行的。

丁羥膠是一種典型的黏超彈性材料，同時(shí)具有黏彈特性和超彈特性。丁羥膠既可以作為一種類似橡膠的膠體，也可以像丁羥推進(jìn)劑中一樣作為膠粘劑。對(duì)于丁羥膠體的黏彈特性和超彈特性[3]的研究已經(jīng)比較廣泛，但是對(duì)拉伸速率與粘接強(qiáng)度的關(guān)系研究卻很少，大多數(shù)研究都集中在影響粘接強(qiáng)度的一些物理化學(xué)因素上，如被粘表面處理[4]、膠粘劑配方和固化時(shí)間[5，6]等。因此，進(jìn)行丁羥膠粘接界面強(qiáng)度的率相關(guān)研究，揭示粘接強(qiáng)度隨拉伸速率的變化規(guī)律十分必要。

本文通過拉伸速率的變化，獲得了丁羥膠片不同速率的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和鋁/丁羥膠粘接件不同速率的粘接強(qiáng)度，分析了2者的率相關(guān)特性，并對(duì)丁羥膠作為膠粘劑和作為膠片2種狀態(tài)下的力學(xué)特性進(jìn)行了比較。通過數(shù)字圖像采集系統(tǒng)獲得了粘接層變化的顯微圖片，并結(jié)合試驗(yàn)曲線分析了拉伸過程的典型特征。

1 實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)及制備

本實(shí)驗(yàn)中采用工業(yè)用丁羥膠（HTPB），固化劑選擇異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），嚴(yán)格按照工業(yè)丁羥膠固化過程實(shí)施。粘接試驗(yàn)參照美國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM中關(guān)于粘接試件拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn) [7]完成。被粘接件采用純鋁加工而成，長、寬、厚分別為70、25和10 mm。

將經(jīng)預(yù)處理的丁羥膠分為2部分：一部分作為粘接劑用于粘接鋁制試件，保持粘接層厚度為（0.2±0.1）mm，并清除多余丁羥膠；另一部分澆注到預(yù)先涂硅橡膠作為脫模劑的模具中制成丁羥膠片。將2種試件放入真空保溫箱中充分固化。丁羥膠片尺寸為100 mm×10 mm×8 mm。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 粘接件拉伸試驗(yàn)

本文采用微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)并結(jié)合數(shù)字圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率分別為0.1、1和10 mm/min。 圖1所示為粘接界面單軸拉伸試驗(yàn)典型的載荷-時(shí)間曲線。結(jié)合圖2所示的顯微圖片，可以將整個(gè)斷裂過程分為3個(gè)階段：試驗(yàn)起始階段（圖2（A））；損傷開裂階段（圖2（B）和（C））；卸載后的平臺(tái)段（圖2（D））。在損傷開裂階段粘接層先出現(xiàn)膠體的黏性流動(dòng)，隨后載荷達(dá)到了最大值，即界面的粘接強(qiáng)度值。之后，粘接層的變形急劇增加，空隙急速變大，載荷瞬間卸載，但是并沒有完全卸載，粘接層基本失效。卸載后的平臺(tái)段是因?yàn)槎×u膠具有黏超彈特性，膠體在完全斷裂前可以發(fā)生很大的變形，因此產(chǎn)生這種特有的現(xiàn)象。此時(shí)粘接界面已經(jīng)可以認(rèn)為基本失效，處于對(duì)膠體的拉伸過程，說明鋁/丁羥膠粘接界面的斷裂屬于內(nèi)聚破壞。

從表1可以看出，隨著加載速率的增加，粘接強(qiáng)度相應(yīng)增大，具有明顯的率相關(guān)性。

2.2 丁羥膠片單軸拉伸試驗(yàn)

在以上同樣的實(shí)驗(yàn)條件下完成了丁羥膠片單軸拉伸試驗(yàn)，拉伸速度分別為1、10和100 mm/min。丁羥膠片不同加載速率下的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，在拉伸的初始階段應(yīng)力上升較快，隨著應(yīng)變的增加材料開始軟化，彈性模量明顯減低。丁羥膠片具有超彈特性，可在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，最大伸長率在300%以上。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，膠片可以完全恢復(fù)其形貌，幾何尺寸沒有顯著變化。丁羥膠片還具有明顯的黏彈特性，從圖3可以看出，在不同拉伸速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有顯著的率相關(guān)特性，即隨著拉伸速率的增加而增大。

2.3 丁羥膠不同狀態(tài)性能比較

作為膠粘劑的丁羥膠與作為彈性體的丁羥膠片力學(xué)性能發(fā)生了一定程度的變化。通過對(duì)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)獲得的粘接層圖片進(jìn)行圖像處理，可以發(fā)現(xiàn)，在粘接界面達(dá)到臨界強(qiáng)度時(shí)，粘接層的臨界厚度為初始厚度的2～4倍，即粘接層的應(yīng)變?yōu)?00%～300%。對(duì)比不同速率下丁羥膠的粘接強(qiáng)度與丁羥膠片的拉伸強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，在相同的應(yīng)變水平下，丁羥膠粘接強(qiáng)度明顯大于丁羥膠體的應(yīng)力水平，這與文獻(xiàn)[8，9]的研究結(jié)果相似。由于丁羥膠的超彈特性以及試驗(yàn)設(shè)備的限制，本文并沒有得到丁羥膠體的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率，但是常武軍[3]的研究表明丁羥膠體的最大伸長率在500%以上，因此可以斷定，丁羥膠粘接層的伸長率比丁羥膠片明顯下降。但是也不排除這樣一種可能：丁羥膠片的斷裂強(qiáng)度與粘接強(qiáng)度基本相同，只是斷裂時(shí)不在同一應(yīng)變水平。丁羥膠在2種不同狀態(tài)下的力學(xué)性能的差異可能是由于在固化過程中作為膠粘劑的丁羥膠與鋁材料發(fā)生了一些物理化學(xué)反應(yīng)引起的，但這一點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過Al/HTPB粘接強(qiáng)度測(cè)試，揭示了粘接強(qiáng)度隨著加載速率的增加而快速增大的趨勢(shì)，具有明顯的率相關(guān)特性。界面在拉伸變形過程中具有黏性流動(dòng)特性，且界面失效后會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)段，這都是黏超彈材料特有的表現(xiàn)。通過不同加載速率下的單軸拉伸試驗(yàn)，獲得了丁羥膠片的率相關(guān)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)在相同的應(yīng)變水平下，丁羥膠粘接強(qiáng)度明顯大于丁羥膠體的應(yīng)力水平。

參考文獻(xiàn)

[1]Gyoo-Dong Jung，Sung-Kie Youn.A nonlinear viscoelastic constitutive model of solid propellant[J].International Journal of Solids and Structures，1999，36：3755-3777.

[2]Gyoo-Dong Jung，Sung-Kie Youn，Bong-Kyu Kim.A three-dimen sional nonlinear viscoelastic constitutive model of solid propellant[J].International Journal of Solids and Structures，2000，37：4715-4732.

[3]常武軍，鞠玉濤，胡少青.HTPB 固化膠片的超彈性本構(gòu)模型[J].推進(jìn)技術(shù)，2012，33（5）：795-798.

[4]陳明安，張新明，蔣志軍，等.鋁及鋁合金表面處理后的表面特征和粘接特性[J].化學(xué)與粘合，2001（6）：262-267.

[5]尹華麗，王清和.界面粘接性能的影響因素[J].固體火箭技術(shù)，1998，21：40-46.

[6]楊士山，潘清，皮文豐，等.襯層預(yù)固化程度對(duì)襯層/推進(jìn)劑界面粘接性能的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2010，33（3）：88-90.

[7]ASTM D2095- Standard Test Method for Tensile Strength of Adhesives by Means of Bar and Rod Specimens[M].Philadelphia，PA，USA：American Society for Testing and Material，1996 （Reapproved 2002）.

[8] Campilho R D S G，Banea M D， Neto J A B P，et al.Modelling of single-lap joints using cohesive zone models：Effect of the cohesive parameters on the output of the simulations[J].The Journal of Adhesion，2012，88：513-533.

[9]Gefu Ji，Zhenyu Ouyang，Guoqiang Li，et al.Effects of adhesive thickness on global and local Mode-I interfacial fracture of bonded joints[J].International Journal of Solids and Structures，2010，47：2445-2458.