溫度對單組分聚氨酯膠粘劑接頭強度的影響研究

劉 玉

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

溫度對單組分聚氨酯膠粘劑接頭強度的影響研究

劉 玉

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

研究溫度對單組分聚氨酯類膠粘劑接頭強度的影響規律。利用準靜態拉伸試驗分別測試了7個溫度測點下膠粘劑的剪切破壞應力,得到了膠粘劑剪切強度隨溫度升高而逐漸降低的變化規律，并且利用最小二乘法對該變化規律進行了曲線擬合，選定了二次多項式函數表達式作為理想表達式；然后通過35種不同溫度測點組合下擬合曲線的擬合精度對比，得到了影響膠粘劑剪切強度隨溫度變化規律的3個最主要的溫度測點；最后提出了修正系數的概念，使得膠粘劑溫度-強度擬合曲線可應用于指導軌道車輛粘接結構的工程設計。

單組分聚氨酯；膠粘劑；溫度；剪切強度；軌道車輛

近年來，隨著軌道車輛制造技術的快速發展以及“節能環保、低碳高效”設計理念的不斷加深與重視，各種新型輕質材料如鎂、鋁合金材料[1，2]， 復合材料[3]等在軌道車輛中的使用越來越廣泛。傳統的材料連接技術如焊接、鉚接等受到了很大的限制。在此情況下，粘接技術由于其適用材料廣泛、可實現異種材料連接、減輕結構質量、密封性好等優點，在軌道車輛新材料結構的連接工藝中占據越來越重要的地位[4～9]。

膠粘劑作為一種溫度敏感型材料，其接頭強度與環境溫度之間具有直接的影響關系[10～12]。軌道車輛在實際運營過程中會面臨零下低溫，也會經歷酷熱高溫，所承受的溫度變化梯度較大，導致其粘接結構的連接強度也發生相應的變化。粘接強度在不同溫度下的差異性促使在軌道車輛車體結構的初始設計階段應充分考慮溫度因素的影響，以保證在各種使用溫度環境下粘接接頭的可靠性與安全性。

1 實驗材料及方法

1.1 粘接原料

單組分聚氨酯膠粘劑sikaflex-265，工業級，Sika公司；6005A型鋁合金試棒，形狀尺寸如圖1所示。

1.2 實驗儀器

WDW3100型電子萬能拉伸試驗機，長春科新試驗儀器有效公司；WSH-GD-080型高低溫濕熱試驗箱，浙江韋斯實驗設備有限公司；制備粘接試件的工裝夾具，自制。

圖1 粘接試件結構示意圖Fig.1 Dimension of bonding specimen（單位：mm）

1.3 性能測試

剪切強度是評價粘接結構接頭連接強度的一項重要參數，根據GB/T 7124—2008制備試驗試件并測試其剪切強度。每組試件數量為15個。根據膠粘劑的使用環境溫度，選取溫度測點為：-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、25℃、50 ℃、70 ℃、90 ℃。試件2端通過萬向節與實驗機相連，以保證實驗力沿著試件軸線通過，消除非軸向作用力，加載速率為5 mm/min。測試前試件需放置在實驗箱內30 min以上，以保證膠體內部達到預定實驗溫度。

2 結果與討論

2.1 剪切強度隨溫度變化規律

選擇破壞類型為內聚破壞的粘接試件，剔除其余破壞類型粘接試件的實驗數據以保證實驗數據的準確性與可靠性，得到如圖2所示的膠粘劑破壞應力隨溫度的變化曲線。

圖2 膠粘劑剪切強度-溫度曲線Fig.2 Shear strength-temperature curve of adhesive

從圖2可知，隨著溫度的增加，膠粘劑的平均剪切應力逐漸下降，最大下降幅度約為71.4%。溫度越低時，膠粘劑的破壞應力下降越明顯，隨著溫度的升高，其下降幅度逐漸趨于平緩。

軌道車輛粘接結構所面臨的環境溫度非常復雜，因而有必要研究膠粘劑在任意溫度下的剪切強度變化值。為此，采用最小二乘法對圖2中所示的實驗數據進行曲線擬合。

2.2 最小二乘法擬合曲線

首先假定x代表溫度，y代表膠粘劑的剪切應力，則圖3中所示的7個實驗數據點可以表示為。此外，假設擬合曲線的基本表達形式為式（1）：

根據最小二乘法的原理，可得式（5）：

根據多元函數取極值的必要條件，可得式（6）：

則由（3）式可得式（8）

又由（6）式可得式（9）：

這樣就得到用矩陣表示的擬合曲線系數，即式（10）：

根據圖2實驗數據的分布規律，選取的擬合曲線的基本函數表達式為式（11）所示的多項式函數、式（12）所示的指數函數與式（13）所示的倒數函數。

圖3 不同函數擬合曲線及其函數表達式Fig.3 Three fitting curves and their function expressions

表1 3種不同函數表達式的殘差平方和與擬合優度Tab.1 Sum of squares of residuals and goodness of fit for three function expressions

從表1可以看出，以上3條擬合曲線的殘差平方和值都比較小，擬合優度值也都非常接近于1，因此以上3種函數表達式均具有比較高的擬合精度。其中，多項式函數的擬合精度更優于另外2種函數表達式，且函數表達式更簡便，因此多項式函數表達式可作為該單組分聚氨酯膠粘劑剪切強度隨溫度變化的理想表達式。

2.3 三點擬合

二次多項式的擬合最少僅需3個數據點即可。若能在圖2所示的7個溫度測點中找到3個溫度測點，且實驗數據所擬合出的曲線能夠比較準確地反映膠粘劑剪切強度隨溫度的變化規律，則可減少溫度測點數目，提高工作效率。

從7個溫度測點中任意選出3個有35種不同的組合形式，為提高研究效率，本文編寫了FORTRAN語言程序，用于計算不同溫度測點組合下的擬合曲線表達式，并且統計7個溫度測點的實驗數據與每條擬合曲線中的對應數據的殘差平方和，以便于比較各條曲線的擬合精度，如表2所示。

表2 35條擬合曲線的殘差平方和值Tab.2 Sum of squares of residuals for different fitting curves

從表2可以看出，溫度測點組合為[-40 0 90]時，擬合曲線的殘差平方和最小，擬合曲線及其表達式如圖4所示。溫度測點組合分別為 [-40 -20 90]、 [-40 25 90]、 [-40 50 90]、[-40 70 90]時，擬合曲線的殘差平方和也較小，可見，單組分聚氨酯膠粘劑的2個臨界工作溫度測點對于擬合曲線的精度非常重要。

圖4 溫度測點組合為[-40 0 90]的擬合曲線及其表達式Fig. 4 Fitting curve and its expression for [-40 0 90]temperature measuring point combination

理論上，當第3個溫度測點越靠近溫度范圍的中心點，即[-40 25 90]的溫度測點組合時曲線擬合應該越精確，然而，根據圖2所示的變化規律：低溫時粘接強度隨溫度的變化幅度更大一些，因此溫度較低的測點數據則更容易決定擬合曲線的走勢，由此可解釋[-40 0 90]的測點組合比[-40 25 90]的擬合曲線更為精確這一現象。

溫度測點組合為[-40 -20 0]、[-20 0 25]、 [25 50 70]、 [25 50 90]、 [0 25 50]、[-40 0 25]時，擬合曲線的殘差平方和較大。可知，當溫度測點較為集中，曲線的擬合精度較差。因此，對于該單組分聚氨酯類膠粘劑，應該盡量避免出現將溫度測點集中在某一局部溫度段范圍內的現象。

2.4 曲線修正

由圖4可見，部分實驗數據點仍分布于擬合曲線的下方，即部分粘接試件的測試破壞應力值小于通過擬合曲線所得到數據值。因此，需要選取一個修正系數對該擬合曲線進行修正，以確保在任意溫度下膠粘劑的許用應力都不大于其破壞應力。

因該修正系數的取值無相關文獻資料與標準可查，故本文初步擬定了修正系數的計算方法，即將7個溫度測點下的全部可用實驗數據值與擬合曲線上的該溫度測點所對應的數據值相比，取最小比值為修正系數，如表3所示。

表3 不同溫度測點下實驗數據與擬合數據的最小比值Tab.3 Minimum ratio of test data/fitting data at different temperature measuring point

由表3可見，7個溫度測點下最小比值中的最小值為0.85，根據該修正系數對圖4所示的曲線進行修正，如圖5所示，得到修正后的曲線可用于指導軌道車輛粘接結構的工程設計。

圖5 修正后的擬合曲線及其表達式Fig.5 Revised fitting curve and its expression

3 結語

1）單組分聚氨酯類膠粘劑Sikaflex-265的剪切強度隨溫度升高而逐漸降低。

2）利用最小二乘法對膠粘劑剪切強度-溫度曲線進行擬合，通過3種函數表達式的對比分析，選定二次多項式函數表達式作為膠粘劑工作溫度范圍（-40℃至90℃）內剪切強度隨溫度變化的近似表達式。

3）通過35種不同溫度測點組合的對比分析，得到了影響膠粘劑剪切強度隨溫度變化規律的3個最主要的溫度測點，即-40 ℃、0℃、90 ℃。

4）初步提出擬合曲線修正系數計算方法，得到修正后的膠粘劑強度-溫度曲線，可用于指導軌道車輛粘接結構的設計工作。

[1]田軍,劉志明,何如.動車鋁合金車體焊接接頭非線性疲勞累積損傷模型[J].鐵道學報,2012,34(3):40-43.

[2]馬思群,谷理想,袁永文,等.焊接缺陷對動車組鋁合金車體疲勞壽命影響研究[J].鐵道學報,2012,36(2):42-48.

[3]楊永勤,孫加平,張麗榮,等.淺析復合材料在高速動車組上的應用[J].鐵道車輛,2014,52(5):20-23.[4]劉金鳳,王瑾璐,王元伍,等.CRH3型動車組側窗的粘接結構設計[J].中國膠粘劑,2013,22(4):5-7.

[5]謝靜思,王新雷.動車組粘接技術培訓探討[J].工業技術與職業教育,2013,11(4):4-5.

[6]Baldan A.Adhesively-bonded joints and repairs in metallic alloys,polymers and composite materials:Adhesives,adhesion theories and surface pretreatment[J].Journal of Materials Science,2004,39(1):1-4.

[7]Hu P,Han X,Li W D,et al.Research on the static strength performance of adhesive single lap joints subjected to extreme temperature environment for vehicle industry[J].International Journal of Adhesion and Adhesives,2013,41(1):19-26.

[8]Xu W,Wei Y G.Influence of adhesive thickness on local interface fracture and overall strength of metallic adhesive bonding structures[J].International Journal of Adhesion and Adhesives,2013,40(Complete):58-67.

[9]Xu W,Wei Y G.Assessments for impact of adhesive properties:modeling strength of metallic single lap joints[J].Journal of Adhesion Science and Technology,2013,27(1):9-29.

[10]Grant L D R,Adams R D,Silva LFM da.Effect of the temperature on the strength of adhesively bonded single lap and T joints for the vehicle industry[J].International Journal of Adhesion and Adhesives,2009,29(5):35-42.

[11]Banea M D,Silva L F M da,Campilho R.Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications[J].Journal of Adhesion Science and Technology,2014,28(14-15):1367-1381.

[12]Banea M D,Silva L F M da.Static and fatigue behaviour of room temperature vulcanising silicone adhesives for high temperature aerospace applications[J].Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik,2010,41(5):25-35.

Effect of temperature on joint strength of one component polyurethane adhesive

LIU Yu
(CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun, Jilin 130062, China)

The effect of temperature on the joint strength of the one component polyurethane adhesive was studied.The quasi-static tensile tests were conducted to obtain the variation law of adhesive shear failure stresses at seven temperatures. It can be found that the adhesive shear strength gradually decreased as increasing the temperature and the quadratic polynomial expression obtained by the least square fitting method could represent the variation law very well.Then three main temperature testing points were obtained from the comparison of the fitting curves for different combinations of testing temperature. Finally, a simple method for determining the correction coefficient was proposed, and it can make the fitting curve of adhesive shear strength vs. temperature help the engineering designment of bonding structure in railway vehicles.

one component polyurethane; adhesive; temperature; shear strength; railway vehicle

TQ433.4+32

A

1001-5922（2017）11-0044-05

2017-07-06

劉玉（1989-），男，博士研究生，工程師，主要研究方向為：軌道車輛輕量化設計及粘接結構強度研究，相關研究成果曾獲吉林省級優秀博士論文。E-mail：460645576@qq.com。

國家重點研發計劃資助（2016YFB1200504）。