Классификация и методы испытания прочности клеевого соединения
Наиболее распространенным методом оценки качества соединения является измерение прочности сцепления. Характеристика характеристик клея часто требует предоставления данных о прочности, поскольку прочность сцепления является критически важным показателем в клеевых технологиях. Она имеет важное значение для выбора клеев, разработки новых клеевых составов, проектирования соединений, улучшения процессов склеивания и правильного нанесения клеевых конструкций.
1. Определение прочности связи
Прочность сцепления — это напряжение, необходимое для разрушения на границе раздела между клеем и склеиваемыми элементами или в прилегающих областях склеиваемой конструкции под действием внешних сил. Прочность сцепления также называют адгезионной прочностью.
Прочность сцепления — это напряжение, необходимое для разрушения клеевой системы. Ее величина зависит не только от силы сцепления, механических свойств клея и природы склеиваемых материалов, но и от конструкции соединения, условий нагружения (тип, величина, направление, частота), факторов окружающей среды (температура, влажность, давление, среда), а также условий испытаний и экспериментальных методов. Таким образом, сила сцепления является лишь одним из критических факторов, определяющих прочность сцепления. Следовательно, прочность сцепления и сила сцепления — это два совершенно разных понятия, которые не следует путать.
2. Виды напряжений в клеевых соединениях
Силы, действующие на клеевой слой в клеевом соединении под воздействием внешних нагрузок, можно разделить на четыре типа: сдвиг, растяжение, неравномерное растяжение (расщепление) и отслаивание.
(1) Сдвиг
Силы равны по величине и противоположны по направлению, по существу параллельны поверхности соединения и равномерно распределены по всей площади соединения.
(2) Растяжение
Также называемое равномерным натяжением, оно включает в себя противодействующие растягивающие силы, действующие перпендикулярно поверхности соединения и равномерно распределенные по ней.
(3) Неравномерное натяжение
Также известное как расщепление, это явление, при котором направление внешней силы перпендикулярно поверхности соединения, но распределено неравномерно.
(4) Очистка
Направление внешней силы образует угол с поверхностью склеивания и в основном сосредоточено вдоль прямой линии на поверхности склеивания.
В одной и той же адгезионной системе вполне возможно одновременное сосуществование нескольких из этих сил, причем основное различие заключается в том, какая из сил преобладает.
3. Классификация прочности сцепления
В зависимости от напряженного состояния клеевого соединения прочность сцепления может быть классифицирована следующим образом: прочность на сдвиг, прочность на растяжение, прочность на неравномерное растяжение, прочность на отслаивание, прочность на сжатие, ударная прочность, прочность на изгиб, прочность на кручение, прочность на усталость и прочность на ползучесть, а также другие показатели.
(1) Прочность на сдвиг
Прочность на сдвиг — это сила сдвига на единицу площади склеивания, которую клеевое соединение может выдержать до разрушения, измеряемая в мегапаскалях (МПа).
В зависимости от метода нагружения при испытаниях прочность на сдвиг подразделяется на прочность на растяжение, сжатие, кручение и изгиб, а также на другие виды прочности.
Прочность на сдвиг варьируется в зависимости от свойств клея. Как правило, прочные клеи обладают большей прочностью на сдвиг, чем гибкие. Многочисленные испытания показали, что более тонкие слои клея приводят к большей прочности на сдвиг.
Наиболее влиятельными условиями испытаний являются температура окружающей среды и скорость испытаний. С повышением температуры прочность на сдвиг уменьшается; с замедлением скорости испытаний прочность на сдвиг также уменьшается. Это указывает на эквивалентную зависимость между температурой и скоростью: повышение температуры испытаний эквивалентно снижению скорости нагружения.
(2) Предел прочности на растяжение
Предел прочности на растяжение, также известный как равномерный предел прочности на растяжение или нормальный предел прочности на растяжение, обозначает силу растяжения на единицу площади, которую может выдержать клеевое соединение при разрушении, и измеряется в мегапаскалях (МПа).
Поскольку растягивающие силы распределяются гораздо равномернее, чем сдвиговые, прочность на растяжение большинства клеев значительно выше, чем их прочность на сдвиг. В реальных испытаниях из-за большей деформации клея по сравнению с склеиваемыми материалами и потенциального смещения приложенных сил может возникать сдвиговое напряжение наряду с поперечным сжатием. В результате при разрушении могут наблюдаться смешанные режимы разрушения. Увеличение длины образца и уменьшение площади склеивания могут смягчить последствия отслаивания при разрушении, что приводит к более равномерному распределению напряжений. Влияние модуля упругости, толщины клеевого слоя, температуры испытаний и скорости нагружения на прочность на растяжение в целом аналогично их влиянию на прочность на сдвиг.
(3) Прочность на отслаивание
Прочность на отслаивание — это максимальная нагрузка на единицу ширины, которую может выдержать клеевое соединение при заданных условиях отслаивания, измеряемая в килоньютонах на метр (кН/м).
Способы отслаивания сильно различаются и, как правило, подразделяются на L-образное, U-образное, T-образное и отслаивание с изогнутой поверхностью, как показано на рисунке ниже.
По мере изменения угла отслаивания изменяется и способ отслаивания. Если угол отслаивания меньше или равен 90°, это классифицируется как L-образное отслаивание; если он больше 90° или равен 180°, это классифицируется как U-образное отслаивание. Эти два способа подходят для отслаивания между жесткими и гибкими материалами. Т-образное отслаивание используется для отслаивания между двумя гибкими материалами.
На прочность на отслаивание влияют такие факторы, как ширина и толщина образца, толщина клеевого слоя, прочность на отслаивание и угол отслаивания.
(4) Неравномерная прочность на растяжение
Неравномерная прочность на растяжение относится к максимальной нагрузке, которую может выдержать клеевое соединение при неравномерных растягивающих усилиях. Поскольку нагрузка в основном сосредоточена на одном или обоих краях клеевого слоя, прочность измеряется на единицу длины, а не на единицу площади, в единицах кН/м.
(5) Ударная прочность
Ударная вязкость — это максимальная работа, затрачиваемая на единицу площади склеивания при разрушении клеевого соединения под воздействием ударной нагрузки, измеряемая в кДж/м².
В зависимости от конфигурации соединения и метода нагружения ударная прочность подразделяется на ударную прочность при изгибе, ударную прочность при сжатии и сдвиге, ударную прочность при растяжении и сдвиге, ударную прочность при кручении и ударную прочность при отслаивании Т-образного типа, а также другие виды ударной прочности.
Ударная прочность зависит от таких факторов, как вязкость клея, толщина клеевого слоя, тип склеиваемых материалов, размеры образца, угол удара, влажность окружающей среды и температура испытаний. Чем выше вязкость клея, тем выше ударная прочность. При более низком модуле упругости клея ударная прочность увеличивается с толщиной клеевого слоя.
(6) Долгосрочная сила
Долговременная прочность — это максимальная нагрузка на единицу площади склеивания, которую может выдержать клеевое соединение после длительного воздействия статических нагрузок, измеряемая в мегапаскалях (МПа).
Долговременная прочность зависит от приложенного напряжения и температуры испытаний. С увеличением приложенного напряжения и температуры долговременная прочность снижается.
(7) Усталостная прочность
Предел усталостной прочности — это максимальное напряжение, которое может быть многократно приложено к клеевому соединению в течение определенного количества циклов без разрушения. Как правило, предел усталостной прочности определяется как предел усталостной прочности при 10⁷ циклах.
Как правило, клеи с высокой прочностью на сдвиг демонстрируют более низкую прочность на отслаивание, изгиб и удар, в то время как клеи с высокой прочностью на отслаивание часто показывают более высокую прочность на удар и изгиб. Различные типы клеев также демонстрируют значительные различия в своих прочностных характеристиках.
Ниже приведено краткое описание методов испытаний на прочность при растяжении и ударную вязкость при сдвиге.