軟粘合系統(tǒng)在剪切保持下的反直覺延遲失效

軟膠粘結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用，但其在靜態(tài)載荷下出現(xiàn)的延遲失效現(xiàn)象常被忽視。尤其在剪切位移保持（宏觀松弛過程中無額外能量輸入）條件下的反常延遲失效機(jī)制尚不明確。本研究采用含時(shí)內(nèi)聚力模型（CZM）表征位移保持過程中軟膠粘的粘彈性行為，并通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)兩種膠接體系（硬被粘體-硬基體-軟膠粘HSH，軟被粘體-硬基體-軟膠粘SSH）進(jìn)行研究。CZM通過HSH的單搭接剪切實(shí)驗(yàn)（單調(diào)加載、恒力保持、位移保持）驗(yàn)證。通過粒子追蹤法觀測SSH在保持過程中軟被粘體的變形場，發(fā)現(xiàn)延遲失效歸因于裂紋前沿軟膠粘的局部蠕變，盡管宏觀上表現(xiàn)出松弛現(xiàn)象。研究探討了模量比、粘彈性及加載條件對(duì)延遲失效的影響，為提升軟膠粘結(jié)構(gòu)性能提供指導(dǎo)。

1. 引言

與傳統(tǒng)硬膠粘結(jié)構(gòu)不同，軟膠粘結(jié)構(gòu)（如水凝膠、壓敏膠）具有大變形回復(fù)與能量耗散能力，廣泛應(yīng)用于軟體驅(qū)動(dòng)器、超級(jí)電容器、應(yīng)變傳感器及組織修復(fù)等領(lǐng)域。此類結(jié)構(gòu)常面臨沖擊、剝離、循環(huán)拉伸等載荷，當(dāng)達(dá)到特定載荷水平后可能進(jìn)入剪切位移保持狀態(tài)（如體內(nèi)傳感貼片需長期附著）。延遲失效可分為恒力保持與位移保持兩類，現(xiàn)有研究多集中于恒力下的蠕變機(jī)制，而位移保持下無額外能量輸入?yún)s發(fā)生延遲失效的反常現(xiàn)象機(jī)制尚待揭示。

2. 位移保持下延遲失效機(jī)制

本研究聚焦于剪切位移保持下單搭接軟膠粘結(jié)構(gòu)的延遲失效機(jī)制。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法分析兩種典型體系：

• HSH體系：硬被粘體模量遠(yuǎn)高于軟膠粘，可視為剛體約束，膠層變形均勻。

• SSH體系：軟被粘體與軟膠粘模量相近，變形協(xié)調(diào)更復(fù)雜。

研究表明，在位移保持過程中，盡管整體結(jié)構(gòu)宏觀力松弛，但SSH中裂紋前沿的軟膠粘因局部應(yīng)力集中發(fā)生蠕變變形，持續(xù)積累內(nèi)稟應(yīng)變能，直至達(dá)到臨界值引發(fā)失效。這源于軟被粘體儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能釋放，驅(qū)動(dòng)膠粘層局部蠕變。

3. 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值驗(yàn)證

采用3M雙面膠帶（厚度0.06 mm）作為軟膠粘材料，PMMA作為硬基體與被粘體。通過單搭接剪切試驗(yàn)（單調(diào)加載、恒力保持、位移保持）驗(yàn)證含時(shí)CZM的準(zhǔn)確性。有限元模擬采用Abaqus實(shí)現(xiàn)，膠粘層用CZM描述，PMMA設(shè)為剛體。結(jié)果表明，CZM能準(zhǔn)確捕捉不同加載速率下的峰值力與失效能，且能模擬恒力下的蠕變失效過程。在HSH位移保持實(shí)驗(yàn)中，未觀察到延遲失效，因膠層受均勻約束。

4. SSH體系的延遲失效分析

SSH試樣以PDMS為被粘體，通過粒子追蹤法原位觀測變形場。發(fā)現(xiàn)位移保持過程中，PDMS的剪切滯后長度隨時(shí)間增加（因膠粘模量粘彈性下降），整體結(jié)構(gòu)呈宏觀松弛。同時(shí)，裂紋前沿膠粘局部伸長持續(xù)增加，表現(xiàn)出明顯蠕變行為，最終引發(fā)脫粘。能量分析顯示，局部膠粘的內(nèi)稟應(yīng)變能在蠕變中積累至臨界值，導(dǎo)致失效。

5. 延遲失效影響因素

通過有限元分析探討以下因素對(duì)SSH延遲失效的影響：

1. 模量比：降低被粘體模量可延長延遲時(shí)間、減小脫粘長度，模量比過高可能直接導(dǎo)致一次性失效。

2. 粘彈性：增加膠粘的粘彈性模量或特征時(shí)間會(huì)線性延長延遲時(shí)間，但不影響最終脫粘長度。

3. 加載條件：存在失效相圖（無失效、延遲失效、一次性失效）。降低位移保持水平或提高拉伸速率可延緩失效；但位移水平超過臨界值時(shí)延遲失效仍不可避免。

6. 結(jié)論

本研究揭示了位移保持下軟膠粘結(jié)構(gòu)延遲失效的局部蠕變機(jī)制。通過含時(shí)CZM與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，闡明了軟被粘體彈性應(yīng)變能釋放驅(qū)動(dòng)膠粘局部蠕變的核心機(jī)理。研究表明，通過降低位移保持水平、提高拉伸速率、選用低模量被粘體等措施可延緩或避免延遲失效。研究結(jié)果為軟膠粘結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與耐久性提升提供了重要參考。