Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и прикладные аспекты адгезии полимеров. Учебное пособие
.pdf
51
Рис. 2.4. Схемы измерений адгезии полимеров к различным материалам
методом отрыва: а – резина к ткани (1 – ткань, укрепленная
на деревянном грибке; 2 – резина); б – смола к стеклу
(1 – металлические цилиндры; 2 – стеклянные пластинки; 3 – клей;
4 – слой смолы); в – заливочные компаунды к металлам
(1 – металлическая подложка; 2 – компаунд; 3 – держатели)
Если у инженера-проектировщика есть выбор, то он только в редких случаях будет использовать клеи в режиме прямой растягивающей
нагрузки. Основная причина этого, вероятно, связана с тем фактом, что
площадь контакта клея может быть заметно больше, чем у простого
стыкового соединения – путем перекрытия, зачистки и т. д. Шиповые
соединения, широко используемые для производства деревянных конструкций, являются ярким примером таких методов.
Разница площадей между стыковым соединением и одним из типов узлов шипового соединения, описанных в ASTM D-4688, показана
на рис. 2.5. Эта геометрия также приводит к изменению напряженного
состояния. На стыке преобладают растягивающие напряжения (по крайней мере, поверхностно). Различия в упруговязко-пластических свойствах между клеем и изделием вызывают касательные напряжения вдоль
линии склеивания даже для случая чисто стыкового соединения, но преобладающими «прямыми» напряжениями являются растягивающие.
Еще одна причина, по которой при проектировании избегают соединений на растяжение, заключается в том, что эмпирически было
установлено, что многие клеи демонстрируют более низкую прочность
при воздействии растягивающих напряжений стыкового типа.
52
Рис. 2.5. Зубчатое клеевое соединение
Однако, несмотря на все ранее сказанное, на практике применяются различные стандартные испытания на растяжение, схематически
показанные на рис. 2.6.
а б в
г
Рис. 2.6. Геометрия образцов при испытаниях на адгезию
при растяжении: а – конструкции «пи», ASTM D-897; б – стержней
и брусков, ASTM D-2094; в – многослойной конструкции, ASTM D-257;
г – поперечной конструкции, ASTM D-1344
Представленная конфигурация на основе стандарта ASTM D-897
(рис. 2.6а) используется (с небольшими геометрическими изменениями) для различных материалов, начиная от дерева и заканчивая металлом. Метод часто называют испытанием на растяжение «пи», так как
диаметр обычно выбирается таким образом, чтобы площадь поперечного сечения составляла один квадратный дюйм. Используемые в этой
методике U-образные захваты изготовлены таким образом, чтобы они
скользили по кольцу на приклеенном образце в форме катушки.
При этом (несмотря на всю тщательность проведения испытаний) очень
сложно обеспечить вертикальность осевой нагрузки, что приводит к большому разбросу данных и, следовательно, необходимости большого количества измерений. Образцы для ASTM D-897 относительно дороги при
изготовлении. Чтобы снизить их стоимость, ASTM D-2094 предписывает
53
использование более простых образцов стержней и брусков для испытаний на стыковое растяжение.
Образцы D-2094 (рис. 2.6б) нагружаются штифтами через отверстия.
Образцы, используемые в методах ASTM D-897 и D-2094, адаптированы для использования с материалами, которые не могут быть
легко изготовлены в обычные формы образцов, с помощью подхода,
схематично изображенного на рис. 2.6в. Такие материалы, как стеклянные или керамические пластины и тонкие полимерные пленки, могут
быть зажаты между секциями в форме катушек, изготовленными из материалов, которые легче поддаются механической обработке. Очевидно, что для получения значимых результатов этого испытания прочность клеевого соединения с сегментами катушки должна быть выше,
чем для тонкой пленки или листа.
ASTM D-1344 описывает образец перекрестной формы, показанный на рис. 2.6г и используемый для определения свойств адгезионных
соединений при растяжении. В качестве образцов в этой общей конфигурации были испытаны материалы из дерева, стекла, многослойных
материалов и сотовых заполнителей. Недостатком метода является неоднородность напряжений, точное распределение которых сильно зависит от относительной гибкости как поперечных балок, так и клея.
Результаты вышеприведенных испытаний обычно представляются как сила при разрушении, деленная на площадь поперечного сечения. Такая информация о среднем напряжении может ввести в заблуждение. О важности выравнивания нагрузок уже говорилось ранее. Даже
когда выравнивание является «идеальным» и соединения имеют одинаковую толщину по всей площади, максимальные напряжения в линии
соединения могут заметно отличаться от среднего значения.
Распределение напряжений вдоль линии склеивания сильно зависит от геометрии клеевого шва. Это продемонстрировано на
рис. 2.7, где показано распределение как нормального, так и касательного напряжения в зависимости от положения образцов общей формы
(рис. 2.7a, б). В этих расчетах предполагается использование эластичного клея с коэффициентом Пуассона 0,49. Различные кривые на
рис. 2.7 представляют разные соотношения диаметра к толщине клея.
Обратите внимание, что как нормальные напряжения, так и индуцированное напряжение сдвига сильно различаются по склеиваемой поверхности. Таким образом, понимание распределения напряжений
54
и деформаций в клеях и адгезивах крайне важно при анализе механики разрушения. Следовательно, при попытках прогнозирования
прочности различных, даже внешне похожих соединений, необходимо учитывать, что результаты среднего напряжения следует использовать с большой осторожностью.
а
б
Рис. 2.7. Распределения осевых и касательных напряжений
в стыковых соединениях: n = 0,49 (а); D/h – отношение диаметра
к толщине клея (б)
2 . 3 . М е т о д ы с д в и г а
Методы сдвига подразумевают создание в клеевых конструкциях
касательных напряжений. Развиваются напряжения различными способами, например, растяжением или сжатием соединенных внахлестку
материалов. Сдвиговыми методами можно определять адгезионную
прочность клеевых соединений с металлами, пластиками, древесиной,
адгезию пластмасс и резины как друг к другу, так и к различным жестким субстратам.
Различные схемы испытаний на сдвиг при растяжении образцов
показаны на рис. 2.8.
55
Рис. 2.8. Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг
растягивающей нагрузкой (швы: а – односторонний внахлест,
б – двусторонний внахлест; в – односторонний внахлест с накладкой;
г – двусторонний внахлест с накладкой;
д – скошенный шов)
Данные методы испытаний стандартизированы, особое внимание
следует обращать на использование стандартных для конкретного типа
адгезива и материала подложки геометрических размеров образца.
Это обусловлено линейной зависимостью величины разрушающего
напряжения от длины образца – при достижении им некоторого предела
напряжение становится постоянным. При этом разрушающая нагрузка
не зависит от ширины образца. Это связано с тем, что у концов образца
наблюдается концентрация напряжений, вызванная разностью деформаций соединенных элементов и их изгибом.
Под действием сжимающих нагрузок (сдвиг, срез) обычно испытывают клеевые соединений материалов значительной толщины
(рис. 2.9). Если необходимо провести испытания для тонких слоев металла, к образцам для предотвращения их сминания подклеивают толстые деревянные пластины.
а б в г
Рис. 2.9. Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг сжимающей
нагрузкой. Соединение: плиточных материалов одностороннее (а)
и двустороннее (б); цилиндра со стержнем (в, г)
56
Испытание, в котором сочетаются кручение образца с одновременным развитием сдвиговых нагрузок, имеет существенное преимущество перед рассмотренными ранее методами растяжения и сжатия.
При кручении образцов возникает чистый сдвиг без отрывающего усилия. Наиболее ярко это проявляется при скручивании двух тонкостенных цилиндров, склеенных торцами, приводящее к реализации чистого
сдвига. На рис. 2.10 приведены схемы испытаний клеевых соединений
скручиванием.
Рис. 2.10. Схемы испытаний клеевых соединений на сдвиг
при кручении: а – соединение прутков встык; б – соединение труб
внахлест; в – соединение прутка с трубой внахлест;
г – соединение труб встык
В связи с широким применением армированных или наполненных различными типами волокон материалов (например, в шинах)
большое значение и, соответственно, распространение, имеют методы
измерения адгезии волокна к полимеру путем выдергивания единичного волокна из полимерного блока. Исследуемые волокнистые наполнители, которыми могут быть металлическая проволока, базальтовое
волокно, стекло- или углеволокно, полиэфирные или полиамидные
и другие нити, помещают полимерную термопластичную или термореактивную матрицу, строго следя за направлением его расположения
в полимере. В настоящее время наиболее распространен Н-метод,
названный так из-за формы образца, напоминающего букву Н
(рис. 2.11). Этот метод используют для определения адгезии стекловолокна к связующему (рис. 2.12), а также для измерения адгезии в системе «полимер – металл» (рис. 2.13).
57
Рис. 2.11. Схема измерения прочности связи корда (текстильного
или металлического) с резиной: 1 – держатель образца;
2 – резиновые блоки; 3 – нить
Рис. 2.12. Схема измерения адгезии стекловолокна к связующему:
1 – волокно; 2 – слой смолы, нанесенный на волокно
Рис. 2.13. Схема измерения адгезии клея к металлам:
1 – металлическая нить; 2 – слой клея; 3 – планка с отверстием
58
Адгезию резины к текстилю, благодаря ее эластичности, можно
определять при статическом сжатии образца. В этом случае сдвиговые
усилия на границе адгезива и нити возникают в результате деформации
полимерного блока. Кордовая нить располагается внутри образца по
диаметру его среднего сечения. Результатом испытаний является величина усилия сжатия, при котором сдвиговые напряжения между резиной и кордом достигают величины, равной прочности связи между материалами. Визуально это проявляется в исчезновении воронкообразного углубления (рис. 2.14), возникшего при сжатии резины на ее поверхности. Именно в этот момент фиксируют нагрузку, при которой
происходит отслоение нити.
Рис. 2.14. Схема измерения прочности связи резины с кордом
при статическом сжатии: а – образец до испытания; б – сжатый
образец; в – сжатый образец после отслоения нити
Согласно стандартам ASTM D, образцы для сдвиговых испытаний относительно легко изготовить, и они очень похожи по геометрии
на многие адгезионные соединения, существующие на практике. Распределение напряжения для соединений внахлест далеко не равномерно, но результаты испытаний обычно представляются как нагрузка
при разрушении, деленная на площадь соединения. Максимальное
напряжение обычно заметно отличается от среднего значения.
На рис. 2.15 показаны некоторые из наиболее часто используемых геометрических форм образцов для сдвига внахлест в соответствии
с ASTM D-1002, D-3165 и D-3528.
При изготовлении отдельных образцов внахлест возникают трудности из-за вытекания клея, трудоемкости подготовки и выравнивания
деталей. Поэтому согласно ASTM D-3165 их часто готовят путем склеивания двух относительно больших листов, вырезая затем образцы требуемого размера (рис. 2.15б, 2.16).
59
а
б
в
Рис. 2.15. Стандартные геометрические параметры сдвига внахлест:
а – испытание простого соединения внахлест, ASTM D-1002;
б – испытание ламинированного соединения внахлест на сдвиг,
ASTM D-3165; в – испытание соединения внахлест, ASTM D-3528
60
В процессе испытаний сдвига внахлест образцы (рис. 2.15а, б) де-
формируются таким образом, что силы, приложенные к ним, располагаются на одной линии действия, что вызывает напряжения отрыва в клее
вблизи концов соединения. Для исключения этого в ASTM D-3528 предложено использовать образцы с двойным сдвигом внахлест (рис. 2.15в).
Однако компьютерный анализ и проведенные экспериментальные исследования служат основанием для того, чтобы считать, что разрушение двойных соединений внахлест по-прежнему определяется напряжением отрыва.
Рис. 2.16. Большая панель, используемая для изготовления образцов
ASTM D-3165 (панель разрезается на полоски для испытаний)
Геометрия образца, количество перехлестов, толщина и относительная жесткость клея, а также другие факторы оказывают решающее
влияние на распределение напряжения в соединениях внахлест. Максимальные напряжения возникают вблизи концов соединения. На рис. 2.17
показаны результаты анализа напряжений в этой области для образца
с геометрией ASTM D-1002. Обращает на себя внимание, что растягивающие напряжения постоянно выше, чем сдвиговые.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]