温度对单组分聚氨酯胶粘剂接头强度的影响研究

刘 玉

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

温度对单组分聚氨酯胶粘剂接头强度的影响研究

刘 玉

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

研究温度对单组分聚氨酯类胶粘剂接头强度的影响规律。利用准静态拉伸试验分别测试了7个温度测点下胶粘剂的剪切破坏应力,得到了胶粘剂剪切强度随温度升高而逐渐降低的变化规律，并且利用最小二乘法对该变化规律进行了曲线拟合，选定了二次多项式函数表达式作为理想表达式；然后通过35种不同温度测点组合下拟合曲线的拟合精度对比，得到了影响胶粘剂剪切强度随温度变化规律的3个最主要的温度测点；最后提出了修正系数的概念，使得胶粘剂温度-强度拟合曲线可应用于指导轨道车辆粘接结构的工程设计。

单组分聚氨酯；胶粘剂；温度；剪切强度；轨道车辆

近年来，随着轨道车辆制造技术的快速发展以及“节能环保、低碳高效”设计理念的不断加深与重视，各种新型轻质材料如镁、铝合金材料[1，2]， 复合材料[3]等在轨道车辆中的使用越来越广泛。传统的材料连接技术如焊接、铆接等受到了很大的限制。在此情况下，粘接技术由于其适用材料广泛、可实现异种材料连接、减轻结构质量、密封性好等优点，在轨道车辆新材料结构的连接工艺中占据越来越重要的地位[4～9]。

胶粘剂作为一种温度敏感型材料，其接头强度与环境温度之间具有直接的影响关系[10～12]。轨道车辆在实际运营过程中会面临零下低温，也会经历酷热高温，所承受的温度变化梯度较大，导致其粘接结构的连接强度也发生相应的变化。粘接强度在不同温度下的差异性促使在轨道车辆车体结构的初始设计阶段应充分考虑温度因素的影响，以保证在各种使用温度环境下粘接接头的可靠性与安全性。

1 实验材料及方法

1.1 粘接原料

单组分聚氨酯胶粘剂sikaflex-265，工业级，Sika公司；6005A型铝合金试棒，形状尺寸如图1所示。

1.2 实验仪器

WDW3100型电子万能拉伸试验机，长春科新试验仪器有效公司；WSH-GD-080型高低温湿热试验箱，浙江韦斯实验设备有限公司；制备粘接试件的工装夹具，自制。

图1 粘接试件结构示意图Fig.1 Dimension of bonding specimen（单位：mm）

1.3 性能测试

剪切强度是评价粘接结构接头连接强度的一项重要参数，根据GB/T 7124—2008制备试验试件并测试其剪切强度。每组试件数量为15个。根据胶粘剂的使用环境温度，选取温度测点为：-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、25℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃。试件2端通过万向节与实验机相连，以保证实验力沿着试件轴线通过，消除非轴向作用力，加载速率为5 mm/min。测试前试件需放置在实验箱内30 min以上，以保证胶体内部达到预定实验温度。

2 结果与讨论

2.1 剪切强度随温度变化规律

选择破坏类型为内聚破坏的粘接试件，剔除其余破坏类型粘接试件的实验数据以保证实验数据的准确性与可靠性，得到如图2所示的胶粘剂破坏应力随温度的变化曲线。

图2 胶粘剂剪切强度-温度曲线Fig.2 Shear strength-temperature curve of adhesive

从图2可知，随着温度的增加，胶粘剂的平均剪切应力逐渐下降，最大下降幅度约为71.4%。温度越低时，胶粘剂的破坏应力下降越明显，随着温度的升高，其下降幅度逐渐趋于平缓。

轨道车辆粘接结构所面临的环境温度非常复杂，因而有必要研究胶粘剂在任意温度下的剪切强度变化值。为此，采用最小二乘法对图2中所示的实验数据进行曲线拟合。

2.2 最小二乘法拟合曲线

首先假定x代表温度，y代表胶粘剂的剪切应力，则图3中所示的7个实验数据点可以表示为。此外，假设拟合曲线的基本表达形式为式（1）：

根据最小二乘法的原理，可得式（5）：

根据多元函数取极值的必要条件，可得式（6）：

则由（3）式可得式（8）

又由（6）式可得式（9）：

这样就得到用矩阵表示的拟合曲线系数，即式（10）：

根据图2实验数据的分布规律，选取的拟合曲线的基本函数表达式为式（11）所示的多项式函数、式（12）所示的指数函数与式（13）所示的倒数函数。

图3 不同函数拟合曲线及其函数表达式Fig.3 Three fitting curves and their function expressions

表1 3种不同函数表达式的残差平方和与拟合优度Tab.1 Sum of squares of residuals and goodness of fit for three function expressions

从表1可以看出，以上3条拟合曲线的残差平方和值都比较小，拟合优度值也都非常接近于1，因此以上3种函数表达式均具有比较高的拟合精度。其中，多项式函数的拟合精度更优于另外2种函数表达式，且函数表达式更简便，因此多项式函数表达式可作为该单组分聚氨酯胶粘剂剪切强度随温度变化的理想表达式。

2.3 三点拟合

二次多项式的拟合最少仅需3个数据点即可。若能在图2所示的7个温度测点中找到3个温度测点，且实验数据所拟合出的曲线能够比较准确地反映胶粘剂剪切强度随温度的变化规律，则可减少温度测点数目，提高工作效率。

从7个温度测点中任意选出3个有35种不同的组合形式，为提高研究效率，本文编写了FORTRAN语言程序，用于计算不同温度测点组合下的拟合曲线表达式，并且统计7个温度测点的实验数据与每条拟合曲线中的对应数据的残差平方和，以便于比较各条曲线的拟合精度，如表2所示。

表2 35条拟合曲线的残差平方和值Tab.2 Sum of squares of residuals for different fitting curves

从表2可以看出，温度测点组合为[-40 0 90]时，拟合曲线的残差平方和最小，拟合曲线及其表达式如图4所示。温度测点组合分别为 [-40 -20 90]、 [-40 25 90]、 [-40 50 90]、[-40 70 90]时，拟合曲线的残差平方和也较小，可见，单组分聚氨酯胶粘剂的2个临界工作温度测点对于拟合曲线的精度非常重要。

图4 温度测点组合为[-40 0 90]的拟合曲线及其表达式Fig. 4 Fitting curve and its expression for [-40 0 90]temperature measuring point combination

理论上，当第3个温度测点越靠近温度范围的中心点，即[-40 25 90]的温度测点组合时曲线拟合应该越精确，然而，根据图2所示的变化规律：低温时粘接强度随温度的变化幅度更大一些，因此温度较低的测点数据则更容易决定拟合曲线的走势，由此可解释[-40 0 90]的测点组合比[-40 25 90]的拟合曲线更为精确这一现象。

温度测点组合为[-40 -20 0]、[-20 0 25]、 [25 50 70]、 [25 50 90]、 [0 25 50]、[-40 0 25]时，拟合曲线的残差平方和较大。可知，当温度测点较为集中，曲线的拟合精度较差。因此，对于该单组分聚氨酯类胶粘剂，应该尽量避免出现将温度测点集中在某一局部温度段范围内的现象。

2.4 曲线修正

由图4可见，部分实验数据点仍分布于拟合曲线的下方，即部分粘接试件的测试破坏应力值小于通过拟合曲线所得到数据值。因此，需要选取一个修正系数对该拟合曲线进行修正，以确保在任意温度下胶粘剂的许用应力都不大于其破坏应力。

因该修正系数的取值无相关文献资料与标准可查，故本文初步拟定了修正系数的计算方法，即将7个温度测点下的全部可用实验数据值与拟合曲线上的该温度测点所对应的数据值相比，取最小比值为修正系数，如表3所示。

表3 不同温度测点下实验数据与拟合数据的最小比值Tab.3 Minimum ratio of test data/fitting data at different temperature measuring point

由表3可见，7个温度测点下最小比值中的最小值为0.85，根据该修正系数对图4所示的曲线进行修正，如图5所示，得到修正后的曲线可用于指导轨道车辆粘接结构的工程设计。

图5 修正后的拟合曲线及其表达式Fig.5 Revised fitting curve and its expression

3 结语

1）单组分聚氨酯类胶粘剂Sikaflex-265的剪切强度随温度升高而逐渐降低。

2）利用最小二乘法对胶粘剂剪切强度-温度曲线进行拟合，通过3种函数表达式的对比分析，选定二次多项式函数表达式作为胶粘剂工作温度范围（-40℃至90℃）内剪切强度随温度变化的近似表达式。

3）通过35种不同温度测点组合的对比分析，得到了影响胶粘剂剪切强度随温度变化规律的3个最主要的温度测点，即-40 ℃、0℃、90 ℃。

4）初步提出拟合曲线修正系数计算方法，得到修正后的胶粘剂强度-温度曲线，可用于指导轨道车辆粘接结构的设计工作。

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Effect of temperature on joint strength of one component polyurethane adhesive

LIU Yu
(CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun, Jilin 130062, China)

The effect of temperature on the joint strength of the one component polyurethane adhesive was studied.The quasi-static tensile tests were conducted to obtain the variation law of adhesive shear failure stresses at seven temperatures. It can be found that the adhesive shear strength gradually decreased as increasing the temperature and the quadratic polynomial expression obtained by the least square fitting method could represent the variation law very well.Then three main temperature testing points were obtained from the comparison of the fitting curves for different combinations of testing temperature. Finally, a simple method for determining the correction coefficient was proposed, and it can make the fitting curve of adhesive shear strength vs. temperature help the engineering designment of bonding structure in railway vehicles.

one component polyurethane; adhesive; temperature; shear strength; railway vehicle

TQ433.4+32

A

1001-5922（2017）11-0044-05

2017-07-06

刘玉（1989-），男，博士研究生，工程师，主要研究方向为：轨道车辆轻量化设计及粘接结构强度研究，相关研究成果曾获吉林省级优秀博士论文。E-mail：460645576@qq.com。

国家重点研发计划资助（2016YFB1200504）。