基于ASTM D5656的航空级胶粘剂剪切强度测试优化方案

除了提到的D5656试验（厚被粘物剪切试验，TAST）外，还可以通过多种其他方法测量胶粘剂的剪切强度，包括原位试验（浇注胶粘剂样品）以及胶接接头试验。原位试验（如本体扭转试验）由于样品制造困难（特别是薄膜胶粘剂）以及扭转试验需要施加扭矩的试验机，因此未广泛使用。因此，通常使用胶接接头试验，例如 butt torsion 试验（图1a）、napkin ring 试验（图1b）或单搭接剪切试验，1⁄2"搭接剪切试验（图1c）及其改进版本厚被粘物剪切试验（图1d）。由于 butt torsion 和 napkin ring 试验具有相同的局限性，因此本体扭转试验和单搭接剪切试验成为评估胶粘剂剪切强度与模量的默认试验。1⁄2"搭接剪切试验的主要优点——其简单性——也是其主要缺点：试样易于制造和测试，但其极低的刚度导致接头中应力分布不均匀，限制了该试验仅用于开发与对比试验。唯一一种可以（相对）容易地确定胶粘剂剪切强度与模量的试验是ASTM D5656方法及其改进版本ISO 11003试验。

 

D5656试验方法相对复杂，且受多种因素影响。试样制备过程需要高精度的切割与钻孔——安装孔位置偏差将导致试样加载不均，进而引起接头中应力分布不均匀。D5656试验中最具挑战性的问题，也是胶粘剂剪切测试中的普遍问题，是准确测量接头中的剪切应变。D5656原始方法引入了KGR-1型引伸计，用于测量接头剪切应变（图2）。在此，引伸计测量胶接被粘物之间的相对位移。这种测量方法存在两个主要问题：试验后期引伸计销钉打滑，以及引伸计测量的并非胶粘剂本身的应变，而是胶粘剂与引伸计接触点之间金属层的应变。因此需要进行应变修正。修正方法为：在某一载荷下，测量具有模拟胶层厚度的纯铝试样的应变（假设材料中应力均匀分布）。然后将获得的金属应变从试验中测得的应变中减去。

 

图2 KGR-1型引伸计

KGR-1引伸计价格昂贵，因此一些研究人员尝试通过将标准线性引伸计改装为接头应变测量装置。然而，这种测量仍需要对金属位移进行修正，以及计算修正以考虑接头内部应力分布的非均匀性。数字图像相关（DIC）方法是标准应变测量的有前景替代方案，但尚未标准化，因此其使用仅限于科研目的。

 

其中：G_ASTM – 按D5656标准计算的剪切模量。

图3 典型厚被粘物剪切试验的应力-应变曲线

表4. FPL处理后ASTM D5656剪切试验结果

比较两组试验，FPL工艺对胶粘剂剪切强度与模量有显著影响。FPL处理后，平均LL点应力提高了40%（从16.18MPa增至22.68MPa），KN点应力提高了37%（从22.68MPa增至31.06MPa）。极限剪切强度也提高了48%。这表明仅喷砂处理不足以获得高强度接头。与D1002试验类似，FPL处理后所有性能的变异系数更低。图4为两组试样应力-应变曲线对比。FPL处理后平均剪切模量提高了26%，但两组试验的变异系数均较大，表明测量值范围较大。仅喷砂试样的剪切模量介于254至540MPa之间，FPL处理试样为376至663MPa。结合LL点应变值的较大离散性，表明引伸计安装位置及接触点间隙可能对模量测量结果有影响。

 

图5总结了试验结果，显示两种试验方法中，FPL表面处理均提高了剪切强度。D5656试验中强度提高了48%，D1002试验中提高了35%。另一现象为无论铝表面如何处理，D5656方法测得的剪切强度均更高。对于仅喷砂试样，D5656试验剪切强度比D1002方法高91%；FPL处理后，这一差异增至109%。这与D5656试验中使用的试样厚度更大有关，更大厚度提供更高刚度，减少了试验中接头的弯曲与扭转，有利于胶层中剪切状态更均匀。

 

 

按修正因子1计算的模量与仅按D5656标准计算的结果相近。仅喷砂试样平均模量提高了1.7%，FPL处理后提高了2.5%。而修正因子2使模量值分别降低了6.1%与7.3%。应用修正因子会改变结果，可能导致试验与应用性能之间的差异。修正因子尚未被D5656标准认可，因此仅按该标准计算的值被普遍接受。然而，部分研究人员使用修正因子，表明该领域仍在发展。