現(xiàn)代飛機(jī)的基礎(chǔ)與目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的低重量、高強(qiáng)度與高效率。這些特性通過(guò)使用先進(jìn)材料（如高強(qiáng)度鋁合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）以及開(kāi)發(fā)特殊結(jié)構(gòu)方案來(lái)獲得。其中一種方案是用膠接接頭替代機(jī)械連接件（如緊固件、鉚釘?shù)龋Ｄz接接頭的主要優(yōu)點(diǎn)是與機(jī)械連接件相比重量更輕。然而，使用膠接接頭也帶來(lái)了新的困難，無(wú)論是在生產(chǎn)、測(cè)試還是飛機(jī)結(jié)構(gòu)建模方面。準(zhǔn)確測(cè)試膠粘劑的力學(xué)性能，特別是剪切模量，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的有效設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
在膠粘劑性能機(jī)械測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題可分為宏觀與微觀兩類。最突出的宏觀問(wèn)題是膠接材料表面處理（打磨、化學(xué)蝕刻等）對(duì)膠接接頭性能以及生產(chǎn)技術(shù)方面（工藝時(shí)間、所需專用設(shè)備等）的巨大影響。在膠粘劑測(cè)試的微觀方面，特別是在剪切模量測(cè)試中，最重要的是接頭中應(yīng)力分布的均勻性以及膠粘劑/被粘物界面的粘附性。過(guò)去常假設(shè)加載接頭中的應(yīng)力均勻分布。如今，得益于有限元分析，這種假設(shè)被認(rèn)為不可信。這種新方法的其中一個(gè)影響，在ASTM D5656試驗(yàn)中，表現(xiàn)為引入了剪切模量計(jì)算的修正因子，以考慮應(yīng)力分布的非均勻性。使用這些修正的主要問(wèn)題是它們尚未被標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式批準(zhǔn)，因此其使用可能受到質(zhì)疑。
除了提到的D5656試驗(yàn)（厚被粘物剪切試驗(yàn)，TAST）外，還可以通過(guò)多種其他方法測(cè)量膠粘劑的剪切強(qiáng)度，包括原位試驗(yàn)（澆注膠粘劑樣品）以及膠接接頭試驗(yàn)。原位試驗(yàn)（如本體扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)）由于樣品制造困難（特別是薄膜膠粘劑）以及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)需要施加扭矩的試驗(yàn)機(jī)，因此未廣泛使用。因此，通常使用膠接接頭試驗(yàn)，例如 butt torsion 試驗(yàn)（圖1a）、napkin ring 試驗(yàn)（圖1b）或單搭接剪切試驗(yàn)，1⁄2"搭接剪切試驗(yàn)（圖1c）及其改進(jìn)版本厚被粘物剪切試驗(yàn)（圖1d）。由于 butt torsion 和 napkin ring 試驗(yàn)具有相同的局限性，因此本體扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和單搭接剪切試驗(yàn)成為評(píng)估膠粘劑剪切強(qiáng)度與模量的默認(rèn)試驗(yàn)。1⁄2"搭接剪切試驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)——其簡(jiǎn)單性——也是其主要缺點(diǎn)：試樣易于制造和測(cè)試，但其極低的剛度導(dǎo)致接頭中應(yīng)力分布不均勻，限制了該試驗(yàn)僅用于開(kāi)發(fā)與對(duì)比試驗(yàn)。唯一一種可以（相對(duì)）容易地確定膠粘劑剪切強(qiáng)度與模量的試驗(yàn)是ASTM D5656方法及其改進(jìn)版本ISO 11003試驗(yàn)。
圖1. 不同膠粘劑剪切試驗(yàn)方法示意圖：a – butt torsion，b – napkin ring，c – 1⁄2"搭接剪切，d – 厚被粘物剪切試驗(yàn)，作者繪制
D5656試驗(yàn)方法相對(duì)復(fù)雜，且受多種因素影響。試樣制備過(guò)程需要高精度的切割與鉆孔——安裝孔位置偏差將導(dǎo)致試樣加載不均，進(jìn)而引起接頭中應(yīng)力分布不均勻。D5656試驗(yàn)中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，也是膠粘劑剪切測(cè)試中的普遍問(wèn)題，是準(zhǔn)確測(cè)量接頭中的剪切應(yīng)變。D5656原始方法引入了KGR-1型引伸計(jì)，用于測(cè)量接頭剪切應(yīng)變（圖2）。在此，引伸計(jì)測(cè)量膠接被粘物之間的相對(duì)位移。這種測(cè)量方法存在兩個(gè)主要問(wèn)題：試驗(yàn)后期引伸計(jì)銷釘打滑，以及引伸計(jì)測(cè)量的并非膠粘劑本身的應(yīng)變，而是膠粘劑與引伸計(jì)接觸點(diǎn)之間金屬層的應(yīng)變。因此需要進(jìn)行應(yīng)變修正。修正方法為：在某一載荷下，測(cè)量具有模擬膠層厚度的純鋁試樣的應(yīng)變（假設(shè)材料中應(yīng)力均勻分布）。然后將獲得的金屬應(yīng)變從試驗(yàn)中測(cè)得的應(yīng)變中減去。
圖2 KGR-1型引伸計(jì)
KGR-1引伸計(jì)價(jià)格昂貴，因此一些研究人員嘗試通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)線性引伸計(jì)改裝為接頭應(yīng)變測(cè)量裝置。然而，這種測(cè)量仍需要對(duì)金屬位移進(jìn)行修正，以及計(jì)算修正以考慮接頭內(nèi)部應(yīng)力分布的非均勻性。數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法是標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變測(cè)量的有前景替代方案，但尚未標(biāo)準(zhǔn)化，因此其使用僅限于科研目的。
1. 方法
研究了2017A鋁合金表面處理對(duì)3M AF163-2K薄膜膠粘劑（面密度293g/m²，厚度0.24mm）剪切強(qiáng)度與模量的影響。表面處理方法為：1）僅使用粒徑60μm的氧化鋁噴砂；2）噴砂后再進(jìn)行鉻酸蝕刻，即FPL蝕刻。FPL工藝按膠粘劑制造商指南進(jìn)行，蝕刻溶液成分見(jiàn)表1。
表1. FPL溶液成分（每升）
為進(jìn)行工藝控制，每種表面處理方法制備5個(gè)試樣，按D1002標(biāo)準(zhǔn)（1⁄2"搭接剪切試驗(yàn)）測(cè)試。厚被粘物剪切試樣同樣方式測(cè)試，每系列4個(gè)試樣，采用改進(jìn)的D5656方法。剪切應(yīng)變測(cè)量未使用KGR-1，而是采用改裝的標(biāo)準(zhǔn)線性引伸計(jì)，如圖3所示。改裝包括采用4個(gè)接觸銷釘（而非標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)）并在試樣側(cè)面鉆安裝孔，顯著減少試驗(yàn)中引伸計(jì)打滑。用于剪切應(yīng)變修正的鋁位移在4464N載荷下為0.00365mm。
試驗(yàn)中金屬位移（d?）按公式1計(jì)算：
d? = (p - t)/t × M × L/4464
其中：p – 引伸計(jì)兩側(cè)接觸點(diǎn)距離，mm；t – 膠粘劑厚度，mm；M – 在4464N載荷下的金屬位移，mm；L – 當(dāng)前載荷，N。
剪切應(yīng)變（γ?）按公式2計(jì)算：
γ? = (d? - d?)/t
其中：d? – 接頭位移，mm；d? – 金屬位移，mm；t – 膠粘劑厚度，mm。
剪切應(yīng)力按以下公式計(jì)算：
δ? = F? / (l × w)
其中：F? – 載荷，N；l – 接頭長(zhǎng)度，mm；w – 接頭寬度，mm。
剪切模量Gc按公式4計(jì)算：
Gc = (δ? - δ?)/(γ? - γ?)
其中：δ?, δ? – 應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段上1、2點(diǎn)的應(yīng)力；γ?, γ? – 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的膠粘劑應(yīng)變。
為測(cè)試準(zhǔn)確性，采用兩種不同的計(jì)算修正應(yīng)用于按公式4計(jì)算的剪切模量。第一種基于文獻(xiàn)，用于修正試驗(yàn)中金屬位移以考慮接頭應(yīng)變非均勻性：
Fc = -Cf × t_sim + 1.065
其中：Fc – 修正因子；Cf – 常數(shù)，膠粘劑厚度以英寸表示時(shí)為1.73，以毫米表示時(shí)為0.0683；t_sim – 純鋁試樣中模擬膠粘劑厚度，mm。修正方法為將公式1中的鋁位移乘以系數(shù)Fc。
第二種修正旨在修正膠粘劑應(yīng)變的非均勻性。該修正基于接頭剪切的有限元分析，由兩個(gè)系數(shù)組成：
C? = 1.03 × t^0.068
C? = -0.000483 + 0.073 × e^(-3.29t)
剪切模量修正按以下公式進(jìn)行：
G_rec = C? × G_ASTM + C?
其中：G_ASTM – 按D5656標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的剪切模量。
2. 試驗(yàn)結(jié)果
2.1 1⁄2"搭接剪切試驗(yàn)結(jié)果
按D1002標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試單搭接剪切強(qiáng)度。表2結(jié)果顯示表面處理方法對(duì)接頭強(qiáng)度有顯著影響。
表2. 1⁄2"搭接剪切試驗(yàn)結(jié)果
僅噴砂處理的鋁接頭平均剪切強(qiáng)度為14.5MPa，而噴砂后再進(jìn)行FPL處理的為19.6MPa，即FPL工藝使接頭強(qiáng)度提高了35%。FPL工藝處理后試樣的變異系數(shù)更低，表明接頭質(zhì)量更均勻、可重復(fù)性更好。
2.2 厚被粘物剪切試驗(yàn)結(jié)果
主要按ASTM D5656標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厚被粘物剪切試驗(yàn)。接頭剪切分為兩個(gè)階段：
1）線性階段，膠粘劑應(yīng)變?yōu)閺椥?，?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線性（剪切模量）；
2）塑性階段，剪切應(yīng)變非彈性，應(yīng)力增長(zhǎng)遠(yuǎn)低于彈性階段。圖3為典型厚被粘物剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具有三個(gè)特征點(diǎn)：LL點(diǎn)為線性極限（彈性階段結(jié)束），KN點(diǎn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線拐點(diǎn)，UL點(diǎn)為極限應(yīng)力點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3與表4。
表3. 噴砂處理后ASTM D5656剪切試驗(yàn)結(jié)果
圖3 典型厚被粘物剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
表4. FPL處理后ASTM D5656剪切試驗(yàn)結(jié)果
比較兩組試驗(yàn)，F(xiàn)PL工藝對(duì)膠粘劑剪切強(qiáng)度與模量有顯著影響。FPL處理后，平均LL點(diǎn)應(yīng)力提高了40%（從16.18MPa增至22.68MPa），KN點(diǎn)應(yīng)力提高了37%（從22.68MPa增至31.06MPa）。極限剪切強(qiáng)度也提高了48%。這表明僅噴砂處理不足以獲得高強(qiáng)度接頭。與D1002試驗(yàn)類似，F(xiàn)PL處理后所有性能的變異系數(shù)更低。圖4為兩組試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比。FPL處理后平均剪切模量提高了26%，但兩組試驗(yàn)的變異系數(shù)均較大，表明測(cè)量值范圍較大。僅噴砂試樣的剪切模量介于254至540MPa之間，F(xiàn)PL處理試樣為376至663MPa。結(jié)合LL點(diǎn)應(yīng)變值的較大離散性，表明引伸計(jì)安裝位置及接觸點(diǎn)間隙可能對(duì)模量測(cè)量結(jié)果有影響。
圖4. 兩組試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比
圖5總結(jié)了試驗(yàn)結(jié)果，顯示兩種試驗(yàn)方法中，F(xiàn)PL表面處理均提高了剪切強(qiáng)度。D5656試驗(yàn)中強(qiáng)度提高了48%，D1002試驗(yàn)中提高了35%。另一現(xiàn)象為無(wú)論鋁表面如何處理，D5656方法測(cè)得的剪切強(qiáng)度均更高。對(duì)于僅噴砂試樣，D5656試驗(yàn)剪切強(qiáng)度比D1002方法高91%；FPL處理后，這一差異增至109%。這與D5656試驗(yàn)中使用的試樣厚度更大有關(guān)，更大厚度提供更高剛度，減少了試驗(yàn)中接頭的彎曲與扭轉(zhuǎn)，有利于膠層中剪切狀態(tài)更均勻。
圖5. 兩種鋁表面處理方法制備的接頭剪切強(qiáng)度對(duì)比，分別采用D5656與D1002方法測(cè)試
此處需考慮不同的剪切模量計(jì)算修正因子。表5為按公式5（修正因子1）與公式6、7、8（修正因子2）修正后的模量結(jié)果。
表5. 兩組試樣采用上述修正后的剪切模量對(duì)比
按修正因子1計(jì)算的模量與僅按D5656標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果相近。僅噴砂試樣平均模量提高了1.7%，F(xiàn)PL處理后提高了2.5%。而修正因子2使模量值分別降低了6.1%與7.3%。應(yīng)用修正因子會(huì)改變結(jié)果，可能導(dǎo)致試驗(yàn)與應(yīng)用性能之間的差異。修正因子尚未被D5656標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可，因此僅按該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的值被普遍接受。然而，部分研究人員使用修正因子，表明該領(lǐng)域仍在發(fā)展。
3. 結(jié)論
（1）噴砂與FPL工藝聯(lián)合作為鋁表面處理手段，對(duì)膠接剪切強(qiáng)度有積極影響。相比僅噴砂，F(xiàn)PL處理后，D1002與D5656試驗(yàn)測(cè)得的剪切強(qiáng)度分別提高了35%與48%。
（2）FPL處理提高了接頭均勻性。兩種試驗(yàn)中，F(xiàn)PL處理試樣的剪切強(qiáng)度變異系數(shù)更低——D5656試驗(yàn)中為2.13%，而僅噴砂為5.94%。
（3）對(duì)比D1002與D5656試驗(yàn)方法，后者所得值更高，更接近膠粘劑理論剪切強(qiáng)度。對(duì)于僅噴砂試樣，D5656方法剪切強(qiáng)度比D1002高91%；FPL處理后，這一差異達(dá)109%。D5656試樣鋁厚度更大是主要原因，更大厚度提供更高剛度，減少接頭彎曲，使膠層剪切狀態(tài)更均勻。
（4）不同計(jì)算方法與修正因子得到的剪切模量值存在差異，表明D5656試驗(yàn)方法需修訂，以納入試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬。
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