聚乙烯木塑复合材料胶接接头设计与耐久失效行为
发布时间：2020-03-29 13:46
【摘要】：聚乙烯木塑复合材料作为新型的代木材料,兼具木材和塑料两种材料的优点,发展前景广阔。为满足木塑复合材料的应用以及结构轻量化的需求,胶接连接成为重要的结构连接方式。论文以聚乙烯木塑复合材料单搭接胶接接头为研究对象,通过不同的表面处理方法、胶接工艺,胶黏剂性能、胶接强度、应力分布以及胶接耐久失效行为的研究,进行单搭接胶接接头的设计,最终实现聚乙烯木塑复合材料以胶接技术进行的无缝连接和胶接接头设计的合理性。论文的研究可为聚乙烯木塑复合材料的快速有效连接和胶接接头的优化设计提供设计思路,对于实现聚乙烯木塑复合材料胶接接头的优化设计,扩展木塑复合材料的应用领域有着重要的理论价值和实践意义。聚乙烯木塑复合材料中低表面能、非极性的聚乙烯成分,使得这类材料难以胶接。对聚乙烯木塑复合材料进行合理的表面处理是实现胶接的重要手段。论文采用单一气氛的射流等离子体处理、打磨后再经等离子体处理以及打磨/偶联剂涂覆/等离子体放电的协同处理等方法对聚乙烯木塑复合材料进行表面处理,并对表面处理后的材料表面进行表面接触角、表面自由能、表面形貌、傅立叶红外光谱(FTIR)、XPS光电子能谱等测试分析,结合胶接接头的胶接强度测试和接头破坏类型探讨了不同表面处理方法对聚乙烯木塑复合材料胶接性能的作用机制和胶接耐久性能的影响,建立了较为完善的聚乙烯木塑复合材料胶接接头设计的表面处理方法。试验结果表明,对聚乙烯木塑复合材料进行单一气氛的射流等离子体表面处理和不同方法的协同表面处理,材料的表面性质发生较大变化,表面润湿性得到改善,极性增强,材料表面出现大量的-OH、-C=O和-O-C=O等极性基团,O/C值增加。并且经偶联剂涂覆协同表面处理后的材料表面还会在胶黏剂与材料表面之间生成化学键连接,表现出几种表面处理方法的协同作用。表面处理后,不但复合材料胶接接头的胶接强度大幅度提高,胶接耐久性也极大的增强。材料的表面处理是聚乙烯木塑复合材料胶接接头设计中的重要环节之一。胶接耐久性能够直观的反映材料性能和胶接结构的长期使用性能。聚乙烯木塑复合材料经打磨/等离子体处理以及打磨/偶联剂涂覆/等离子体放电的协同表面处理后,在水环境中浸泡和水煮不同时间,聚乙烯木塑复合材料的表面性质和胶接性能均发生了较大变化。研究结果表明,水分子对聚乙烯木塑复合材料表面性质和胶接性能的改变是导致胶接强度下降和胶接接头失效的主要原因。水分子引起的聚乙烯木塑复合材料吸水膨胀及胶接材料和胶黏剂的内应力是胶接接头失效的主要原因,自然环境下胶接接头的失效则是外部复杂环境相互作用的结果。胶接接头在受力状态下的应力分布也是聚乙烯木塑复合材料胶接接头设计的关键环节。论文结合试验结果,对聚乙烯木塑复合材料单搭接胶接接头和平搭接胶接接头建立有限元模型,应用ABAQUS有限元分析软件对不同弹性模量(环氧树脂、丙烯酸酯)胶黏剂和不同搭接长度胶接接头的应力分布进行了有限元数值模拟。研究表明,聚乙烯木塑复合材料单搭接胶接接头搭接区端部为胶接接头的断裂失效点,应力分布与胶黏剂的弹性模量密切相关,而搭接区长度几何尺寸的改变对应力分布的影响较小,此结论为单搭接胶接接头改良设计提供了一定的理论依据。平搭接胶接接头搭接区盖板连接处出现较大的应力集中,可以判断该部位极易发生断裂失效,此结论与试验中胶接接头断裂失效的位置相吻合。有限元模拟结果进一步表明,胶黏剂弹性模量和搭接长度对平搭接胶接接头的应力分布影响较小,平搭接胶接结构力学性能与聚乙烯木塑复合材料性能密切相关。聚乙烯木塑复合材料经协同表面处理后,胶接接头的界面结合强度高于胶接材料的内聚强度,此时胶接接头将出现胶接材料的断裂失效,这对于胶接接头设计中胶接材料的选择、胶接形态的应用等方面具有一定的指导意义。
【图文】：
为热动力学理论。吸附理论认为胶黏剂与被粘物的极性值越大，表面接触角越小，，物理逡逑吸附贡献越大。吸附理论是目前被大部分学者广泛接受的胶接理论，其核心内容是润逡逑湿，其结构示意图如图１－２所示。逡逑（ａ）逦＾邋Ａｄｈｅｓｉｖｅ逡逑…＿逡逑逦逦逦Ａｄｈｅｒｅｎｄ邋ｗｉｔｈ邋ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ逡逑逦—＿—ｉ邋ｓｍｏｏｔｈ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑（ｂ）逦ｙ邋Ａｄｈｅｓｉｖｅ逡逑—丨—逡逑Ｉ—逦逦１邋ｒｏｕｇｈ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑＼逦Ａｉｒ邋ｂｕｂｂｌｅ逡逑ｏｒ邋ｓｏｌｖｅｎｔ逡逑图１－２胶黏剂对被粘物表面的润湿逡逑（ａ）胶黏剂完全润湿；（ｂ）胶黏剂未完全润湿逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｗｅｔｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ａｎ邋ａｄｈｅｓｉｖｅ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｄｈｅｒｅｎｄ逡逑（ａ）邋Ｗｅｔｔｉｎｇ邋ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｄｈｅｓｉｖｅ；邋（ｂ）邋Ｗｅｔｔｉｎｇ邋ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｄｈｅｓｉｖｅ逡逑被粘物和胶黏剂分子之间的润湿性越好，两者之间越容易接触而产生吸附作用，同逡逑时在两者间产生强大的分子间作用力，并排除掉被粘物表面的气体，使得胶接界面的孔逡逑隙率降低。这是由于胶黏剂与被粘物表面无限接近，产生吸附力，即范德华力，范德华逡逑力越大胶接结构的胶接强度越高。通过吸附理论可知
１．４．３化学键理论逡逑胶接连接涉及三个均匀相和两个胶接面，化学键理论认为胶接的形成主要是化学键逡逑力作用的结果，胶黏剂和被粘物之间产生主价键结合，其结构示意图如图１－３所示。化逡逑学键主要包括离子键、共价键和金属键，化学键力要比分子间的作用力大得多。胶黏剂逡逑和被粘物之间产生化学键连接，不但胶接接头粘附力大幅增加，而且能够有效防止胶接逡逑界面裂纹扩展，使得胶接接头应力分布均R肪衬途眯运嬷銮俊；Ъ男纬尚枰义辖航用婊钚灾行牡牡缱釉泼芏却锏揭欢ǖ母叨戎担航咏油坊竦没Ъ赏ü韵峦揪跺义匣竦茫哄义希ǎ保
本文编号：2606053
【图文】：
为热动力学理论。吸附理论认为胶黏剂与被粘物的极性值越大，表面接触角越小，，物理逡逑吸附贡献越大。吸附理论是目前被大部分学者广泛接受的胶接理论，其核心内容是润逡逑湿，其结构示意图如图１－２所示。逡逑（ａ）逦＾邋Ａｄｈｅｓｉｖｅ逡逑…＿逡逑逦逦逦Ａｄｈｅｒｅｎｄ邋ｗｉｔｈ邋ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ逡逑逦—＿—ｉ邋ｓｍｏｏｔｈ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑（ｂ）逦ｙ邋Ａｄｈｅｓｉｖｅ逡逑—丨—逡逑Ｉ—逦逦１邋ｒｏｕｇｈ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑＼逦Ａｉｒ邋ｂｕｂｂｌｅ逡逑ｏｒ邋ｓｏｌｖｅｎｔ逡逑图１－２胶黏剂对被粘物表面的润湿逡逑（ａ）胶黏剂完全润湿；（ｂ）胶黏剂未完全润湿逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｗｅｔｔｉｎｇ邋ｏｆ邋ａｎ邋ａｄｈｅｓｉｖｅ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｄｈｅｒｅｎｄ逡逑（ａ）邋Ｗｅｔｔｉｎｇ邋ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｄｈｅｓｉｖｅ；邋（ｂ）邋Ｗｅｔｔｉｎｇ邋ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｄｈｅｓｉｖｅ逡逑被粘物和胶黏剂分子之间的润湿性越好，两者之间越容易接触而产生吸附作用，同逡逑时在两者间产生强大的分子间作用力，并排除掉被粘物表面的气体，使得胶接界面的孔逡逑隙率降低。这是由于胶黏剂与被粘物表面无限接近，产生吸附力，即范德华力，范德华逡逑力越大胶接结构的胶接强度越高。通过吸附理论可知
１．４．３化学键理论逡逑胶接连接涉及三个均匀相和两个胶接面，化学键理论认为胶接的形成主要是化学键逡逑力作用的结果，胶黏剂和被粘物之间产生主价键结合，其结构示意图如图１－３所示。化逡逑学键主要包括离子键、共价键和金属键，化学键力要比分子间的作用力大得多。胶黏剂逡逑和被粘物之间产生化学键连接，不但胶接接头粘附力大幅增加，而且能够有效防止胶接逡逑界面裂纹扩展，使得胶接接头应力分布均R肪衬途眯运嬷銮俊；Ъ男纬尚枰义辖航用婊钚灾行牡牡缱釉泼芏却锏揭欢ǖ母叨戎担航咏油坊竦没Ъ赏ü韵峦揪跺义匣竦茫哄义希ǎ保
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