胶接结构破坏模式及失效机理

马海全，王倩妮，钱 雷，陶春虎，刘新灵

(北京航空材料研究院，北京100095)

0 引言

随着胶接科学和胶接技术的发展，胶黏剂在航空航天领域的应用日益广泛。自1943年英国在“大黄蜂”飞机金属结构上第一次采用胶接连接以来，至今已有100多种飞机采用结构胶黏剂制造飞机构件。可以说，现代飞机已离不开采用结构胶黏剂制造的胶接结构件［1］。胶接结构比起机械紧固件结构的主要优点是减轻质量和改善疲劳性能［2］。这2个特点对航空航天工业来说都是很关键的，对促进胶接在该领域的广泛应用具有重要的推进作用。胶接结构中的胶黏剂属于高分子材料，它在使用和存储过程中，受不同环境因素光照、氧、温度、化学介质、生物活泼性介质)等作用下，或材料自身因素(化学成分、相结构、分子结构以及官能团)作用下，引起的材料表面或材料物理化学性质和力学性能的改变，最终丧失工作能力，这种变化通常称为材料的失效［3-5］。对于高可靠性的产品，如果采用自然环境条件来研究，通常需要多年的时间，在工程上难以实现，因此，加速老化试验就显得尤为重要［3-11］。

以金属板－板胶接结构为研究对象，以胶黏剂最为敏感的温度和湿度作为加速老化试验条件，对胶接结构的破坏模式及失效机理进行研究，对保证胶接结构的使用和存储具有重要实用价值。

1 试验材料和方法

胶接结构采用板－板胶接的方式，胶黏剂选用SY－24C/SY－D9体系，该体系由SY－24C胶膜和SY－D9抑制腐蚀底胶组成。被黏物选用铝合金材料，材料牌号为2A12。

1.1 拉伸剪切试样制备

拉伸剪切试样依据GB/T 7124—2008进行加工，其形状和尺寸见图1。试样的制备流程为:1)将铝合金试片表面按HB/Z197进行磷酸阳极化;2)经表面处理后的试片在4 h内按Z9/Z－2408《SY－D9中温固化底胶使用工艺说明书》规定喷涂SY－D9底胶;3)用天津市中环实验电炉有限公司生产的DH－201BS型干燥箱蒸发掉铝合金表面的水分;4)按待胶接表面尺寸裁减胶膜，贴实后的胶接件放到保温箱固化，固化温度120℃，固化时间 2.5 h，固化压力为 0.3 MPa，固化完成后，胶接件随炉降温至60℃卸压取出。

图1 拉伸剪切试样的形状和尺寸Fig.1 Shape and size of the specimen for tensile shear test

1.2 力学性能试验

根据GB/T 7124—2008胶黏剂拉伸剪切强度测定方法(金属对金属)，拉力试验机试件的破坏负荷在满标负荷的15% ～85%，加载速率应将剪切力变化速率设定为8.3～9.8 MPa/min。

胶接结构拉伸剪切强度计算公式:

式中:τ为胶接结构拉伸剪切强度，MPa;P为试样剪切破坏的最大负荷，N;B为试样搭接面宽度，mm;L为试样搭接面长度，mm。

1.3 扫描电镜分析

利用日本电子JEOL扫描电镜(SEM)对经老化处理后的拉伸剪切试样断口进行观察，通过低倍观察来判断胶接结构的破坏模式，研究其中的破坏模式变化过程。通过高倍观察来确定胶接结构的断裂性质，通过破坏模式和断裂性质研究胶接结构的失效机理。

2 试验结果与分析

2.1 拉伸剪切强度分析

将4组拉伸剪切试样放入恒温恒湿箱，分别将温度、湿度设为 85℃、95%，75℃、95%，85℃、85%，75℃、85%这4种条件下进行加速湿热老化试验，加速老化不同时间后进行拉伸剪切试验，将得到的拉伸剪切强度数据用Origin Pro 7.5进行拟合，得到相同湿度不同温度下拉伸剪切强度与老化时间的曲线图(图2)，由图可知，在相同湿度下，温度越高其拉伸剪切强度值下降越明显，且拉伸剪切强度随着老化时间最终趋于恒定时的强度值，温度高的条件下比温度低的条件下要小。

图2 相同湿度不同温度下拉伸剪切强度与老化时间关系图Fig.2 Relationship between tensile shear strength and aging time at different temperature

相同温度不同湿度下的拉伸剪切强度与老化时间的关系见图3，可知，在相同温度下，湿度越大，其拉伸剪切强度值下降越明显，拉伸剪切强度随着老化时间最终趋于恒定时的强度值，湿度高条件下要比湿度低条件下要小。

图3 相同温度不同湿度下拉伸剪切强度与老化时间关系曲线图Fig.3 Relationship between tensile shear strength and aging time at different humidity

2.2 胶接结构断口破坏模式分析

一般说来，金属－金属胶接结构的破坏有内聚破坏、界面破坏和混合破坏3种情况［5］。内聚破坏分为胶黏剂的内聚破坏和被黏物的内聚破坏。前者是胶黏剂胶层自身发生破坏，后者是被黏物发生破坏。界面破坏是指胶层与被黏物在界面处整个脱开而形成的一种破坏。混合破坏也叫交替破坏，包括一部分内聚破坏和一部分界面破坏，即破坏通过胶黏剂在两界面处交替进行。

图4分别给出了85℃、95%条件下不同老化时间的拉伸剪切试样断口，可见，随着老化时间的增加，拉伸剪切试样由内聚破坏慢慢转变为内聚破坏+界面破坏，且界面破坏的面积随着老化时间的增加而增大。

图4 不同老化时间拉伸剪切试样断口Fig.4 Micro-appearance of the fracture surfaces of tensile shear specimens after different aging time

通过其他3个湿热老化条件下的拉伸剪切试样断口进行观察，发现其破坏模式也均与85℃、95%条件下的破坏模式一致，均为随着老化时间的增加，拉伸剪切试样由内聚破坏慢慢转变为内聚破坏+界面破坏，且界面破坏的面积随着老化时间的增加而增大。

2.3 胶接结构断口微观分析

为判断该胶接结构的断裂性质，利用日本电子JEOL扫描电镜(SEM)对胶接结构断口放大500倍进行观察，其形貌见图5，从图中可以看出，断口呈现撕裂棱特征，即韧性断裂。

图5 拉伸剪切试样微观断口Fig.5 Micro-appearance of the fracture surface of tensile shear specimen

2.4 胶接结构失效机理分析

4种条件下加速老化试验后的拉伸剪切强度对比如图6所示。

对于75℃、95%，85℃、85%条件下其拉伸剪切强度值在开始时的下降速度:75℃、95%＜85℃、85%，而随着老化时间的增加下降速度75℃、95%＞85℃、85%。

对这种现象进行分析，原因为胶接结构老化试验在试验前期时，温度对拉伸剪切强度起主要作用，这是因为胶黏剂遇热后将会发生物理变化和化学变化，物理变化表现为在外力作用下有变形。化学变化主要表现为热分解，在有氧气存在时将发生氧化裂解。随着老化时间的增加，湿度对胶接结构性能的影响较大，这是因为水对胶接结构的影响一方面为大量水分子沿着亲水性的被粘物表面很快地渗透到整个胶接界面后，取代了胶黏剂分子原先在铝合金表面上的物理吸附，从而引起胶接强度大幅度下降。另一方面，水对胶层的作用为水能够渗入几乎所有的聚合物本体，并和聚合物本身发生2种类型的作用:水分子可以破坏聚合物分子之间的氢键和其它次价键，使聚合物发生增塑作用，并引起力学强度及其它物理性能的下降，水还可以断裂高分子键，引起聚合物的化学降解。

图6 4种条件下的拉伸剪切强度对比示意图Fig.6 Tensile strength curves under different conditions

3 结论

1)对胶接结构断口利用扫描电镜(SEM)进行低倍图像观察发现，4种老化条件下的破坏模式均为由内聚破坏向内聚破坏+界面破坏的模式转变，且随着老化时间的增加，界面破坏的面积也相应的增大。

2)通过对胶接结构断口中选取胶黏剂部分进行高倍形貌图像观察，发现4种老化条件下的断口均呈现撕裂棱特征，因此，胶接结构的断裂性质为韧性断裂。

3)通过对相同温度、不同湿度和相同湿度、不同温度条件下的拉伸剪切强度下降规律进行观察发现，相同温度下，湿度越高，拉伸剪切强度下降越明显;相同湿度下，温度越高，拉伸剪切强度下降越明显。

4)拉伸剪切强度下降速率和断口宏微观图像观察结果均表明，在老化前期温度占主导作用，在老化后期湿度占主要的作用。

［1］李公淳.高温结构胶黏剂现状与发展［J］.化学与粘合，1999，2:87 －90.

［2］常化申，张昕，彭家安.复合材料和金属胶接结构失效的检测研究［J］.科技风，2009，12:45 －49.

［3］徐凤玲，魏然振.人工加速老化试验中常见问题分析［J］.化学建材，2008，24(1):29 －33.

［4］朱春芽，赵晴，孟江燕.不饱和聚酯玻璃钢人工加速老化研究［J］.失效分析与预防，2008，3(3):12 －16.

［5］刘建华，曹东，张晓云，等.树脂基复合材料T300/5450的吸湿性能及湿热环境对力学性能的影响［J］.航空材料学报，2010，30(4):75 －80.

［6］李晓骏，陈新文.复合材料加速老化条件下的力学性能研究［J］.航空材料学报，2003，23(增刊):286.

［7］许凤和，李晓骏，陈新文.复合材料自然老化与使用老化之间的关系［C］.第十一届全国复合材料学术会议，2000.

［8］孟江燕，王云英，赵晴，等.通用不饱和聚酯加速老化失效机理研究［J］.失效分析与预防，2009，4(2):65－70.

［9］Wang Y Y，Meng J Y，Zhao Q，et al.Accelerated ageing tests for evaluations of a durability performance durability performance of glass-fiber reinforcement polyester composites［J］.Journal of Material Science and Technology，2009(6):572 －576.

［10］Bullions T A，Mcgrath J E，Loos A C.Thermal-oxidative aging effects on the properties of a carbon fiber-reinforced phenylethynylterminated poly(etherimide)［J］.Composites Science and Technology，2003，63(12):1737 －1748.

［11］王云英，刘杰，孟江燕，等.纤维增强聚合物基复合材料老化研究进展［J］.材料工程，2011(7):85－89.