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第十一章 胶接件设计基础

1、各类胶粘剂的化学成分与力学性能(室温搭接剪切强度/MPa-psi)(剥离强度/Kn/m-piw):
压敏类   0.01-0.07(2-10) 0.18-0.88(1-5)
淀粉类   0.07-0.7(10-100) 0.18-0.88(1-5)
纤维素类  0.35-3.5(50-500) 0.18-1.8(1-10)
橡胶类   0.35-3.5(50-500) 1.8-7(10-40)
配方类热熔胶粘剂 0.35-4.8(50-700) 0.88-3.5(5-20)
合成类热熔胶粘剂 0.7-6.9(100-1000) 0.88-3.5(5-20)
PVAc乳液(白乳胶) 1.4-6.9(200-1000) 0.88-1.8(5-10)
氰基丙烯酸酯类  6.9-13.8(1000-2000) 0.18-3.5(1-20)
蛋白质类  6.9-13.8(1000-2000) 0.18-1.8(1-10)
厌氧丙烯酸类  6.9-13.8(1000-2000) 0.18-1.8(1-10)
橡胶改性丙烯酸类 13.8-24.1(2000-35000) 1.8-8.8(10-50)
改性酚醛树脂类  13.8-27.6(2000-4000) 3.6-7(20-40)
未改性环氧树脂类 10.3-27.6(1500-4000) 0.35-1.8(2-10)
双马来酰亚胺类  13.8-27.6(2000-4000) 0.18-3.5(1-20)
聚酰亚胺类  13.8-27.6(2000-4000) 0.18-0.88(1-5)
橡胶改性环氧树脂类 20.7-41.4(3000-6000) 4.4-14(25-80)
以上只是一个指南,并不是严格确定,而且相关强度还取决于被粘物的化学组成和厚度;
2、在使用载荷下各类胶粘剂的耐高温顺序:(依次递增)
非硅氧烷类压敏胶粘剂
淀粉类
配方类热熔胶粘剂
合成类热熔胶粘剂
橡胶类
纤维素类
PVAc乳液(白乳胶)
固化型热熔胶粘剂
氰基丙烯酸酯类
蛋白质类
聚氨酯类
橡胶改性丙烯酸类
厌氧丙烯酸类
橡胶改性环氧树脂类
未改性环氧树脂类
改性酚醛树脂类
硅氧烷类PSA
双马来酰亚胺类
聚酰亚胺类
以上是胶粘剂处于高温时的强度保持性(retention of strength),而不是在高温时的实际强度。
3、各类胶粘剂的固化及使用条件
压敏胶粘剂    无,只需指压即可;
淀粉类     脱水制成干态涂粉剂,粘结前再湿化处理;
纤维素类    去除水分或溶剂;
橡胶类     去除水分或溶剂;
热熔类     热熔涂布胶粘剂,在粘接金属时要对金属预热;
PVAc乳液(白乳胶)   去除水分,干燥过程中要固定胶接件;
氰基丙烯酸酯    需要湿气或底胶,并要求通风;
蛋白质类    去除水分,可能需要热源;
厌氧丙烯酸类    通风
橡胶改性丙烯酸类   底胶和单体混合物分别刷于胶接件的两侧,通风;
(底胶/液态型)
光固化丙烯酸类    透明的被粘物,适宜波长及强度的光线,去除胶接件附近的氧气;
橡胶改性丙烯酸    将胶粘剂的两组分按计量混合,然后以混合形式进行施胶,通风;
(双组分型)
改性酚醛树脂类    该胶粘剂在使用前需冷藏,然后施胶、固化,固化过程中要加压,
一般需要液压设备或高压罐,固化温度通常为150或者更高
光固化环氧树脂类   光线含有胶粘剂中引发剂可吸收的波长;
双组分环氧树脂    将胶粘剂的两组分按计量混合,然后以混合形式施胶;胶接件在固化
过程中要固定,为了优化性能还可以采用后固化处理;
热固化环氧树脂    该胶粘剂在使用前需冷藏,然后施胶、固化,固化过程中要加压,
一般需要液压设备或高压罐,固化温度通常为125-171度,但也可低
至82度;
双马来酰亚胺    该胶粘剂在使用前需冷藏,然后施胶、固化,固化过程中要加压,
一般需要液压设备或高压罐,固化温度通常大于171度;
聚酰亚胺    该胶粘剂在使用前需冷藏,然后施胶、固化,固化过程中要加压,
一般需要液压设备或高压罐,固化温度通常大于220度;
4、界面和表面处理:
a.选择能够与被粘物互溶的胶粘剂;
b.选择临界润湿张力小于被粘物表面能的胶粘剂;
c.所选胶粘剂要具有足够低的粘度,以使其在粘接过程中能够迅速达到平衡接触角;
d.使被粘物具有一定的表面微观形态;
e.选择能够与弱边界层物质相容的胶粘剂,或者是以某种方式去除弱边界层;
f.如果胶接件要在室外使用,则所选胶粘剂或其底胶应能与基材表面形成共价化学键。
5、其他问题:
a.胶粘剂是否具有传导性或绝缘性;
b.胶粘剂所用原材料的纯度问题;
c.胶粘剂自身的耐候性和抗微生物能力;
d.胶粘剂的热膨胀系数;
e.成本的问题(整体成本考虑)
6、胶接件设计的基本原则:使设计的胶接件在剪切状态下使用,并尽量减少任何劈裂载荷
用于消除或降低胶接件边缘处于剥离应力的方法:
a.加宽被粘物的端部;
b.以薄被粘物包裹住边缘;
c.对试件的端部进行叠加粘接;
d.在厚被粘物上为薄被粘物提供合适的沟槽;
e.在胶接件上合理添加机械紧固件。
Hart-Smith胶接件设计准则,来源于PABST(Primary Adhesively Bonded Structure)项目,相关因素主要来自与Goland-Reissner分析和胶粘剂的力学特性。
6、小结:
a.选择胶粘剂的原则:
具有足够高的模量以满足应用要求,并且具有尽可能高的最大应变能密度;
具有需要所能达到的使用和固化条件;
满足最终使用的经济性;
b.胶接件设计准则包括:
表面处理与最终应用相匹配;
适当考虑热膨胀系数的差异;
尽量降低胶接件边缘处的剥离应力;
使胶粘剂于设计荷载下仅在胶接件的很小区域内发生屈服;
以胶粘剂的最差条件下的特性为基础进行设计;
提供足够的搭接长度,以使大部分胶粘剂处于弹性负载状态,而非塑性负载状态。

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