軟材料粘接結構界面破壞研究綜述1)

朱忠猛 楊卓然 蔣 晗

(西南交通大學力學與工程學院,應用力學與結構安全四川省重點實驗室,成都 610031)

引言

因其特有的低模量和能量耗散等“軟”的特性以及優異的“小激勵大響應”等特征,多種多樣的軟材料,如水凝膠、介電彈性體以及聚甲基氧硅烷等被廣泛應用在軟機器人、生物醫學和柔性電子等各個領域[1-4].近些年,軟材料的力學行為已經成為學術界和工業界廣泛關注的熱點之一.在實際應用中,軟材料一般需要粘附于某種基底材料上,與之共同組成具有特定功能的結構.如在軟機器人設計中,通過疊加多層軟材料制備的層合結構可以制作強韌的氣動腔,為軟機器人的移動提供動力[2];柔性電子器件需要緊密貼合在皮膚上以進行穩定的數據采集和傳輸[3]等.在這些應用中,軟材料與不同類型基底之間粘接界面的性能對產品功能的穩定實現起著關鍵性作用.一旦界面發生損傷或破壞,會對粘接結構的完整性以及器件功能的可靠性造成嚴重損害.因此,針對軟材料粘接界面破壞行為的研究具有重要的理論指導意義與工程應用價值.

過去幾十年,軟材料粘接結構的界面破壞行為已經得到了國際國內學者廣泛的關注.一些高質量的綜述性文章也陸續發表[5-8],如Creton 等[5]針對軟材料斷裂以及壓敏膠粘接界面破壞行為的系統綜述,許巍等[7]針對粘結界面破壞機理的較為全面的總結,陳少華等[8]針對粘附接觸力學及薄膜/基底界面力學的系統總結等.上述綜述論文對粘接結構界面力學行為的研究進行了較為深入的總結和評述,然而研究對象偏重于傳統的由金屬、塑料等“硬”質材料組成的粘接結構,較少涉及由具有顯著大變形、黏彈性耗散特征的軟材料借助軟黏合劑等與不同基底構成的粘接結構.鑒于此,本文將系統地總結軟材料粘接結構界面破壞行為的實驗、理論與數值模擬研究,從軟材料粘接結構界面破壞行為的獨特性出發,重點討論軟材料基體的獨特力學行為及粘接界面的能量耗散特性對界面破壞的影響,并基于已有研究進展,對未來可能的軟材料粘接結構界面破壞的研究方向進行展望.

本文內容結構如下:第1 節通過與傳統“硬”質粘接結構的對比,介紹軟材料粘接結構界面破壞行為的獨特性及其物理來源;第2 節總結軟材料粘接結構界面破壞行為的實驗研究進展;第3 節在實驗表征工作的基礎上,回顧與總結針對軟材料粘接結構界面破壞的理論分析方法,并對已建立的相關理論模型進行總結;第4 節介紹基于內聚力模型(cohesive zone model,CZM)方法的軟材料粘接結構界面破壞行為數值模擬分析的相關進展;第5 節基于已有的研究成果,提出目前研究所面臨的挑戰,并對可能的軟材料粘接結構界面破壞的未來研究方向和內容進行討論和展望;第6 節結語.

1 軟材料粘接結構界面破壞的獨特性

在粘接結構中,被粘物與粘接基底之間可借助黏合劑(厚度一般為10～ 300 μm[5])連接或通過化學鍵/物理相互作用直接連接,如圖1 所示.為避免歧義,與許巍等[7]的定義類似,本文首先規定所討論的粘接界面泛指被粘物與粘接基底之間所有起到連接作用的界面相,而非狹義的被粘物與黏合劑/基底之間的界面.從斷裂力學的角度,粘接界面的破壞可以被看作是一種特殊的具有確定路徑的斷裂行為.傳統上,粘接結構的界面破壞行為常使用經典的線彈性斷裂力學理論(如Griffith 理論等)來描述[9].對線彈性材料組成的粘接結構,根據Griffith 理論,當界面裂紋擴展單位面積時,形成新表面所需要的表面能w=Uw?Uel.其中,Uw是外部加載功,Uel是材料彈性應變能,w=γ1+γ2?γ12為Dupré界面粘附功,γ1,γ2分別是兩個粘接表面的熱力學表面能,γ12為界面能.界面裂紋擴展的能量釋放率可以表示為

圖1 不同粘接結構剝離過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of peeling of different adhesive structures

其中A為粘接面積.對彈性固體而言,形成緊密接觸的最小要求是單位接觸面積黏合劑中儲存的彈性應變能不超過Dupré粘附功[10-12].

對于由脆性陶瓷、玻璃或韌性金屬、聚碳酸酯等材料通過環氧樹脂膠等硬質黏合劑連接組成的粘接結構(即“硬”質粘接結構,如圖1(a)所示),雖然界面裂紋尖端附近較小的區域內可能出現非彈性/非線性行為,并可能伴隨部分塑性或黏彈性耗散(也稱為小尺度屈服[5]),但在該區域以外,界面、被粘物基體材料始終滿足線彈性變形規律,線彈性斷裂力學依然能夠描述該類界面破壞過程.此時,粘附功w可用界面粘接能Γ來替換,Γ包含裂尖局部的塑性或黏彈性耗散,界面裂紋擴展的能量釋放率可以表示為

通過壓敏膠等軟黏合劑連接的,由“硬”質被粘物與粘接基底組成的粘接結構稱為“軟界面”粘接結構,如圖1(b)所示.依據Dahlquist 的經驗準則[13],軟黏合劑在1 Hz 時儲能模量不超過0.1 MPa,在大變形下的力學響應一般具有顯著的非線性特征.這就使得“軟界面”粘接結構在界面破壞過程中,裂尖可能發生顯著鈍化,基于線彈性斷裂力學推導的裂尖應力場分布不再適用[14-16].然而,即使在這種情況下,如果黏合劑依然保持彈性變形,塑性或黏彈性耗散僅限于裂尖附近較小(遠小于材料宏觀尺寸)的區域,能量方法依然適用.由于軟黏合劑變形過程中分子網絡的相互摩擦,黏彈性耗散十分顯著,這些耗散不僅存在于界面裂紋尖端區域,也大量發生于塊體黏合劑內部.此時,傳統實驗方法所直接獲取的界面粘接能(Γ 可能要比w高幾個量級)就不再是一個只與材料本征性能有關的參數,而與結構響應直接相關,每種具體的加載構型(如剝離角度、剝離速度等)都對應一個特定的表觀粘接能[5].

“軟基體”粘接結構是指由高彈體或水凝膠等軟材料作為被粘物基體,通過軟黏合劑或直接的化學/物理鍵與硬/軟粘接基底連接組成的粘接結構,如圖1(c)所示.一般軟材料的彈性模量在103～ 107Pa之間,具有典型的大變形、非線性甚至黏彈性特性.基體材料的非線性特征使得基于線彈性假設推導的界面破壞理論,在描述軟材料粘接結構的界面破壞行為時會帶來極大誤差.同時,由于基體的厚度可能遠大于黏合劑,基體的黏彈性耗散也可能遠超黏合劑,對表觀粘接能起主控作用,此時,只考慮黏合劑能量耗散所建立的一系列理論也就難以準確描述界面破壞行為.

相對于“軟界面”粘接結構,“軟基體”粘接結構界面破壞問題更加復雜.首先,界面與基體都可能具有的大變形、非線性和黏彈性特性對界面破壞的影響難以在實驗中進行有效分離,破壞機理以及性能參數很難得到準確的表征.另外,軟材料基體與軟黏合劑性能對界面破壞可能的耦合影響也進一步提高了破壞機理分析與理論建模的難度.

本文重點關注軟黏合劑與軟材料基體的非線性與能量耗散特征對軟材料粘接結構界面破壞行為的影響,系統梳理該領域的研究脈絡,并總結現有研究的重要進展,探討亟待進一步深入研究的主題,對未來軟材料粘接結構界面破壞方面的研究提出建議.

2 軟材料粘接結構界面破壞的實驗研究

源于粘接結構的廣泛使用以及粘接界面破壞的普遍發生,針對粘接結構界面破壞行為的研究已經開展了數十年,并且得到了長足的發展.早期研究主要針對具體的粘接結構進行力學行為測試.在這一階段,大量的實驗數據得以積累,后期對界面破壞機理的深入探索又促進了理論分析以及數值模擬工作的蓬勃發展[7].本章對軟材料粘接結構界面破壞行為方面的實驗研究進行總結.

軟材料粘接結構界面性能的強弱一般可用界面粘接能來表征[5].表觀界面粘接能可以通過剝離與拉拔兩種具有代表性的測試方式得到.表觀界面粘接能的大小不僅決定于被粘物基體、黏合劑的力學性能,同時也受到加載模式等的影響.對“軟界面”粘接結構,基體變形較小且一般限于彈性,粘接能主要由黏合劑性能決定;對“軟基體”粘接結構,基體變形顯著,并可能伴隨大量的能量耗散,對表觀界面粘接能的影響不可忽略.本章將基于剝離與拉拔兩種方式,介紹上述兩種粘接結構界面破壞行為的實驗研究進展.

2.1 “軟界面”粘接結構界面破壞

對于“軟界面”粘接結構,被粘物基體變形一般限于彈性,可以通過剝離測試來方便地觀察界面穩態破壞過程,結合穩態剝離力與剝離速率之間的關系,分析界面穩態破壞機理.剝離測試是分析軟黏合劑穩態破壞過程的理想方法,通過將黏合劑固接在一個可以彎曲但難以伸長(或伸長很小)的背板上,以一定的角度和速度將黏合劑與背板同時從剛性基底上剝離(圖2(a)),通過穩態剝離力(圖2(b))來計算表觀界面粘接能.由于基體材料的拉伸剛度遠大于黏合劑,其拉伸變形一般可以忽略,因此,除極小的剝離角度以外,能量釋放率可以表示為[17-19]

圖2 剝離示意圖與典型力?位移曲線Fig.2 Schematic diagram of peeling and typical force-displacement curve

其中b是背板的寬度,F是穩態剝離力,θ是剝離角度.對于界面裂紋的穩態擴展行為,能量釋放率就對應了表觀界面粘接能.在實際工程應用中,界面粘接能多通過90°或180°下的剝離實驗測試.

“軟界面”粘接結構的表觀界面粘接能主要與黏合劑流變學性能、表面相互作用強度、黏合劑幾何條件(如厚度)和加載工況(剝離角度)等因素有關.過去幾十年間,學者們借助剝離實驗,對以上因素對“軟界面”粘接結構界面破壞行為的影響開展了系統地研究.通過大量的不同角度與溫度下的剝離測試,學者一致發現,剝離力(與表觀界面粘接能等價)隨速率和溫度變化的實驗數據,可以用與描述黏合劑塊體材料線性黏彈性相同的時溫等效原理疊加到一條主曲線上[20-24],這也表明剝離過程中的能量耗散主要源于黏合劑的線性黏彈性.隨著黏合劑厚度的增大,界面破壞過程中黏合劑黏彈性耗散增加,表觀界面粘接能隨之提高[25-27].隨著剝離角度的增加,界面粘接能逐漸降低[28-31].剝離速率的提高則可能引起界面破壞模式的改變,隨剝離速率的加快,界面粘接能先逐漸增加至峰值,之后逐漸下降,伴隨著界面破壞模式由穩態破壞轉變為不穩定的黏?滑破壞[32-34].

雖然剝離測試的實驗過程較為簡單,但由于背板與黏合劑變形的耦合,界面裂紋前緣區域黏合劑的應變分布十分復雜,難以進行實時觀察和表征,難以分析黏合劑真實的變形與失效機理.由于表觀界面粘接能與黏合劑厚度以及剝離角度都相關[25,34],如果黏合劑真實的變形與失效機理不清楚,實驗所獲取的界面粘接能就只能用來進行定性的對比,無法作為界面性能嚴格的表征.

界面破壞過程中黏合劑變形與失效機理可通過拉拔測試來分析.拉拔測試適用于對黏合劑的獨立表征,實驗中將圓柱形的平面或半球形壓頭以一定的速度從黏合劑中勻速拉出(圖3(a)),通過名義應力?應變曲線(圖3(b))計算界面粘接能.

圖3 拉拔測試示意圖及典型名義應力?名義應變曲線[5]Fig.3 Schematic diagram of probe-tack and typical nominal stress-strain curve[5]

名義應力?名義應變曲線的形狀還可以揭示變形細節,結合對界面破壞過程的實時觀察,對黏合劑的變形與失效機理進行分析.如圖4(b)所示,黏合劑與(粗糙)基底材料的粘接面不可避免地存在不同程度的缺陷,比如界面殘留的一些小氣泡等.隨著載荷的施加,這些缺陷逐漸形成空洞并不斷擴大.在后續加載過程中,由于黏合劑性能的差異,界面可能有兩種不同的破壞機理:(1)界面破壞,即空洞以裂紋形式沿界面發展;(2)黏合劑塊體破壞,對應內聚破壞,即空洞沿平行于拉伸應力的方向發展最終形成纖維結構[35-41].

圖4 拉拔測試典型名義應力?應變曲線及界面破壞機理[5]Fig.4 Typical nominal stress-strain curve of probe-tack test and interfacial debonding mechanism[5]

假設黏合劑材料的力學性能滿足Neo-Hookean形式,塊體破壞與界面破壞機理兩者間的轉變可用Γ/Ea與ha的關系來定性估計,其中,Ea與ha分別為黏合劑的彈性模量與厚度.對極弱的粘接界面(Γ/Ea?ha),初始缺陷處形成的空洞沿界面發展并相互融合形成宏觀裂紋,最終引起黏合劑完全脫離基底材料表面.對一般的壓敏膠材料(Γ/Eaha),界面上的任何初始缺陷都傾向于在塊體黏合劑中發展,界面擴展不再發生[42-43].實驗也表明,當塊體黏合劑模量較低、黏合劑與基底間界面相互作用較強時,塊體破壞機理更容易發生[44],形成的纖維形貌強烈依賴于黏合劑的黏彈性能[45].

空洞在界面或塊體黏合劑內部擴展的不同機理會導致能量耗散的巨大差異.對黏合劑塊體破壞,圍繞空洞的黏合劑材料沿加載方向顯著伸長,會產生大量能量耗散,且空洞不會融合.對界面破壞,多個界面缺陷處萌生的細小裂紋會相互融合,此時塊體黏合劑只發生很小的變形,能量耗散也較小.

最近,Pandey 等[46]從實驗的角度建立了剝離測試與拉拔測試之間的聯系:剝離測試中,剝離前緣纖維的最大應變、平均應力和界面粘接能分別與拉拔測試中纖維最大應變、平均平臺應力與界面粘接能基本一致,表明黏合劑的黏彈性性能是影響界面粘接的關鍵因素,通過一種測試也可以對另一種測試結果進行合理的估計和預測.

對于“軟界面”粘接結構,黏合劑的流變學性能是決定表觀界面粘接能的主控因素.通過對黏合劑的流變學以及宏觀斷裂機理的分析,可以對粘接結構界面破壞進行有效的評估.雖然在有限角度剝離時,界面的微觀失效機理已經通過對剝離前緣纖維區域的實時觀察以及拉拔實驗得以理解,但對剪切型(如0°剝離)破壞,纖維結構是否形成以及具體的形成過程依然難以進行有效的實驗觀測.在這方面,熒光成像技術、同步輻射光源、核磁共振等先進的原位觀察技術有望發揮一定的作用.采用這些技術,可以對不同類型軟材料粘接結構在不同加載模式下的界面破壞行為進行更深入、全面地觀測和表征,系統理解界面破壞的真實物理機理.

2.2 “軟基體”粘接結構界面破壞

“軟基體”粘接結構的界面破壞主要通過剝離測試進行表征.通常用于測試界面粘接強度的搭接剪切實驗也可以用于“軟基體”粘接結構界面粘接能的測試.搭接剪切實驗通過加載曲線的峰值載荷確定界面粘接能.當采用搭接剪切實驗時,界面粘接能與粘接長度有關,取決于背板與軟材料各自變形對系統總變形的貢獻[47-48].與剝離相比,搭接剪切實驗更容易受到預制裂紋制作工藝的影響.通過預制較長(超過缺陷敏感尺寸)的裂紋,同時進行預加載使裂紋發生一定擴展之后再進行斷裂韌性測試,可以顯著減小數據分散性[47-49].

剝離過程中剝離力的大小不僅決定于界面性能,更與基體材料的力學性能緊密相關.若被粘物基體具有強黏彈性,其在界面破壞過程中的能量耗散會使得表觀界面粘接能顯著增加,甚至引起界面破壞模式的改變.

黏彈性薄膜、膠帶在剛性基底上的剝離行為能夠直觀展現出基體材料的黏彈性性能對剝離行為的影響.研究表明,隨著剝離速率的提高,基體的黏彈性耗散逐漸增加,引起剝離力的提高[17,19].增加基體厚度,基體剛度隨之提高,剝離力也逐漸增加[19].基底表面粗糙度的增加會通過增加實際接觸面積來提高剝離力水平[19].剝離角度與表面粗糙度等因素對剝離力的影響與剝離前緣纖維區域的大小呈正相關[19,50].

對于“軟基體”粘接結構界面破壞機理的深入分析關鍵在于理解界面破壞過程中能量耗散的分布情況.根據Creton 等的分析,聚乙烯醇縮丁醛高彈體在雙層剛性基底間進行0°剝離的過程中,界面裂紋前緣的能量耗散可分為如圖5(a)所示4 個區域[51]:區域①位于界面裂紋尖端局部,耗散源于界面相互作用的破壞以及高彈體基體的局部非均勻變形;區域②內高彈體發生快速大變形拉伸,施加在該區域的大部分外力功均被高彈體黏彈性變形耗散掉;區域③為變形過渡區,該區域內高彈體應變率低于快速拉伸區,存在一定的黏彈性耗散;區域④內高彈體只發生剛性位移,不產生黏彈性耗散.

圖5 “軟基體”粘接結構界面0°剝離過程中的能量耗散分布和裂尖附近局部耗散與基體能量耗散的分離[51]Fig.5 Distribution of the energy dissipation during zero degree peeling and separation of the energy dissipated near the crack front and in the bulk elastomer[51]

在界面0°剝離過程中,假設外力所做總功完全轉化為高彈體的黏彈性耗散與裂尖附近局部耗散兩部分.當逐漸減小高彈體的厚度至接近零,通過外力總功隨高彈體厚度的變化曲線(一般可假設為線性),可以估算裂尖附近的局部耗散(曲線截距)與高彈體應變能密度(曲線斜率),如圖5(b)所示,通過該方法可以對裂尖附近局部耗散與高彈體能量耗散進行有效的分離[51].從分析結果可以發現,此時,高彈體的黏彈性耗散是決定表觀界面粘接能的主控因素.

在對簡單加載工況下界面破壞行為的研究基礎上,一些更復雜的加載工況和界面行為對界面破壞的影響也引起了學者們的關注.有實驗表明,界面摩擦引起的能量耗散也對界面破壞影響顯著[52-54].在0°剝離情形下,若剝離后軟材料基體與基底間存在較強的界面摩擦,穩態剝離過程中剝離力可能隨著剝離距離的增加而不斷提高[54].另外,在低于界面破壞臨界剝離力的恒定載荷作用下,由于基體材料的黏彈性特征,界面會發生顯著的延遲破壞[55].尤其值得注意的是,當基體承受低于界面破壞臨界伸長的恒定伸長作用時,界面也可能發生延遲破壞[56],此時,界面裂紋前緣應力隨時間的重分配可能是主因.界面的初始缺陷會對界面粘接的穩定性產生影響,通過對粘接結構進行適宜的循環預拉伸訓練,可以有效降低界面缺陷的影響,提高界面破壞的臨界能量釋放率[56].

在另外一些“軟基體”粘接結構,比如創可貼或柔性醫用元件與人體組織的粘接中,雖然粘接基底材料(如人體皮膚)并不直接承受外界載荷,但其典型的軟材料特征也是需要考慮的重要因素.比如在醫用膠帶的撕脫過程中,皮膚局部發生較大的變形難以避免,這對皮膚傷口的愈合是不利的[57],系列實驗結果也證實皮膚的大變形黏彈性對創可貼在皮膚上的剝離行為影響顯著[57-60].通過系統分析剝離角度、速度與個體差異等因素對醫用膠帶在皮膚表面剝離行為的影響,Plaut 等[58-59]發現90°剝離時,剝離力隨加載率的提高顯著增加,伴隨皮膚變形程度的增加;剝離力隨剝離角度的增加逐漸減小,在～150°時達到最低值.當剝離角為180°時,皮膚局部非均勻變形減小,剝離力的率相關性亦不明顯.其他學者利用橡膠等材料模擬人體皮膚,研究醫用膠帶在皮膚上的剝離行為,也發現了類似的規律[60].以上結果對醫用膠帶的合理、可控的撕脫操作提供了很好的指導.

基底材料的黏彈性也可能造成界面破壞模式的改變.Renvoise 等[61-62]對比壓敏膠與剛性或黏彈性基底分別組成的粘接結構的界面破壞行為,發現當黏合劑與剛性基底連接時,由于黏合劑本身的黏彈性,隨著剝離速率的提高,界面破壞模式由內聚破壞逐漸演化為黏合劑與基底之間的界面破壞,并伴隨著剝離力的下降;當速率繼續提高,剝離力繼續下降,界面破壞呈現不穩定的黏?滑破壞形式;在極快的剝離速率下,界面破壞轉變為黏合劑與彈性背板間的界面破壞.當黏合劑與黏彈性軟基底連接時,黏合劑與基底間的界面破壞不再發生,隨著剝離速率的不斷提高,界面破壞模式從內聚破壞直接轉變為不穩定的黏?滑破壞進而轉變為黏合劑與彈性背板間的界面破壞.

此外,基底材料的黏彈性還會帶來界面穩態擴展與瞬態剝離兩種模式的分化.Sugizaki 等[63-64]通過實驗觀察到,當剝離角度較小、基底材料模量較小且厚度較大時,界面破壞更傾向于瞬態模式,剝離速率的提高會進一步促進瞬態剝離的發生.當剝離角度較大(160°～ 180°),由于基底大變形的不穩定性,穩態破壞逐漸演化為不穩定的黏?滑破壞模式,引起剝離力的周期性波動.

對于“軟基體”粘接結構,合理分離基體材料與界面性能對界面破壞行為的影響是準確分析其破壞機理的關鍵.除了單獨對基體材料、界面性能進行性能表征測試,目前還缺乏有效分離基體與界面黏彈性特性對界面破壞影響的實驗手段,難以進一步為表觀界面粘接能的率、溫度相關性的分析以及理論建模提供依據.

3 軟材料粘接結構界面破壞的理論分析

對粘接結構界面破壞行為的理論分析,目前常有兩種處理方式:一是將黏合劑視為一層有厚度的材料,考慮其彈性、黏彈性等材料性質以及損傷、斷裂等力學行為,建立可描述黏合劑材料在外界載荷下變形與失效過程的力學模型.這種方式在對拉拔實驗中(以及剝離前緣)纖維的伸長與斷裂過程進行理論分析時較為方便;二是用零厚度的內聚力模型來表征界面層,假設界面粘接層的應力應變場在厚度方向均勻分布,不同位置的應力應變與厚度無關.目前,基于斷裂力學的界面破壞模型大多以第二種處理方式為基礎.

3.1 “軟界面”粘接結構界面破壞

對“軟界面”粘接結構界面破壞行為的理論研究大多基于剝離行為.通過建立穩態剝離力與剝離速率的關系,直觀展現黏合劑流變學性能與大變形特征對剝離行為的影響.在早期理論分析中,一般將剝離區域黏合劑假設為一系列相互平行的繩股,類比剝離前緣經常看到的纖維結構,數學上用彈性或黏彈性模型來描述[34,65-68].

Kaelble 首先提出粘接界面剝離理論,基于能量平衡建立了描述穩態剝離的理論模型.該模型考慮線性黏彈性的黏合劑,得到了黏接區域黏合劑層應力分布的解析解:考慮法向與剪切應力相互獨立,并分別在裂紋前緣產生應力集中,隨著與前緣的距離的增加均呈現指數衰減(如圖6 所示),衰減長度與黏合劑厚度成比例,也與背板和黏合劑的模量比相關,該理論已經得到了眾多實驗的驗證[20,28,69-70].根據Kaelble 模型,界面粘接能隨黏合劑厚度的增加而增加,這表明界面粘接能應該包含整個黏合劑層變形的影響,也暗示了黏合劑的流變學性能比黏合劑與背板/基底間界面性能更重要.

圖6 Kaelble 模型界面法向與剪切應力分布[26-28]Fig.6 Normal and shear stress distributions in Kaelble’s model[26-28]

Gent 和Petrich 同時考慮黏合劑內聚破壞與界面破壞兩種失效機理,分析了180°剝離行為中黏合劑大變形非線性行為對界面破壞的影響[21],指出對兩種具有相似線性黏彈性但大變形行為差異明顯的黏合劑,剝離力曲線會顯著不同,該預測也得到了實驗驗證[34].在實驗工作基礎上,Derail 考慮彈性背板的彎曲以及黏合劑黏彈性,基于臨界伸長的斷裂準則建立了剝離行為的理論模型,發現耗散強烈依賴于內聚區域黏合劑的極限伸長[22-23].

根據學者們的研究,黏合劑黏彈性會引起界面黏接能顯著的剝離速率相關性,這一關系可以經驗性地表示為[44]

其中Γ0是極小裂紋擴展速度下的粘接能閾值,即界面本征斷裂能,φ(αTv)是速度相關的耗散因子.根據目前廣泛使用的Lake-Thomas 的假設[71],本征斷裂能對應單位面積斷裂面上一層高分子鏈的斷裂所消耗的能量(對于界面破壞機理,Γ0考慮為黏合劑與基底間的界面相互作用).如果界面只有范德華力,Γ0可以簡化為Dupré黏附功w.對一般的高聚物粘接界面,分子鏈可能的跨界面的相互擴散增加了界面相互作用水平,甚至形成纏結等拓撲結構,由于擴散分子鏈的拔出[72-73]或斷裂前強鍵(比如共價鍵[74-75],氫鍵或偶極相互組用[76-77])約束下鏈的伸長,Γ0可能遠大于w.黏合劑與基底間摩擦所引起的額外剪切對Γ0的貢獻,也可能顯著增加剝離力.這些情況在理論建模時都需要特別考慮.

φ(αTv)決定于黏合劑的黏彈性性能,對該性能的準確表征可以用于耗散因子的定量確定.結合時溫等效原理,還可基于特定工況下的耗散因子對其他溫度與加載率下的耗散因子進行定量估計,進而對界面粘接能的溫度與加載率相關性進行預測.

針對拉拔測試中名義應力應變的理論研究也取得了一定進展.應力應變關系與空洞形成和生長過程的聯系是理論建模的重點,而黏合劑的強黏彈性特征以及有限伸長則是對該過程進行理論建模的難點所在.早期研究工作中把黏合劑看成彈性固體,探究固體內部空洞的平衡態結構以及界面較弱時界面空洞的萌生與生長過程[78].然而這些研究并沒有得到諸如最大應變、粘接能等重要變量的解析表達.之后,Takahashi 等[79]結合空洞生長準則,同時考慮薄黏合劑層的幾何限制,對拉拔過程中的力學響應進行了討論.Glassmaker 等[80]考慮滑動引起的纖維脫粘,對界面破壞的最后階段進行了建模.最近,Yamaguchi 等[81-82]提出了處理非線性薄膜中局部壓力場與塊體空洞生長的耦合問題的動態模型,在后續研究中進一步將Persson 模型進行推廣,得到了空洞尺寸演化及各重要力學變量的解析表達式[83].

3.2 “軟基體”粘接結構界面破壞

“軟基體”粘接結構的界面破壞行為受界面性能與軟材料被粘物基體性能兩部分因素的影響,對其進行的理論分析可建立在線彈性體與剛性基底粘接界面剝離過程的分析基礎上.

軟材料基體的超彈、黏彈性能對界面破壞的影響在小角度剝離(如0°剝離)時更明顯.根據Ponce等[54]的分析,對于單位寬度的線彈性體,界面破壞模式依賴于粘接長度l與“載荷傳遞長度”llag=相對大小,其中E,Ea,h和ha分別為線彈性體與黏合劑的彈性模量和厚度.若l

當界面發生有限角度剝離,基體的彎曲變形可能會對界面剝離產生影響[18].理論分析發現,薄膜彎曲剛度對剝離力的影響在剝離初始階段比較顯著,進入穩態剝離后,薄膜拉伸彈性能的影響逐漸增加[90-91].如果考慮軟材料基體的超彈性,利用基于線彈性假設的Kendall 模型來預測界面的穩態剝離會引入極大的誤差,且誤差會隨著剝離角度的減小進一步增大[92-93].

具有黏彈性的軟材料從剛性基底上剝離時,剝離力表現出強烈的速度相關性.Chen 等[17]提出了描述線性黏彈性薄膜從剛性基底上剝離的理論模型,建立了能量釋放率與裂紋擴展速度之間的關系.基于Chen 的理論框架,Peng 等[19]預測了黏彈性薄膜從剛性基底剝離時,黏彈性能量釋放率的剝離速率和角度相關性,該研究唯象地假設了剝離力的速率依賴性,而薄膜非線性黏彈性能與剝離力之間的關系尚未明確建立.Huang 等[94]分析了黏彈性體與彈性薄膜粘接界面的破壞過程,基于對時相關的中性面的解析表達,計算了與時間相關的界面裂紋擴展的能量釋放率,進而預測了3 種不同的界面裂紋擴展狀態.

Zhu 等[55]基于能量方法分別建立了黏彈性、超彈性及黏超彈性基體在剛性基底上進行0°剝離的理論模型,對不同類型粘接結構界面率相關性剝離力與載荷保持下的界面延遲破壞進行了理論預測,并建立了界面破壞相圖.如圖7(a)所示,由于基體的黏超彈性耗散,在較高的加載率下,瞬時剝離力會顯著提高.隨著加載率的降低,瞬時剝離力逐漸趨向于基體完全松弛后的松弛剝離力.當基體承受瞬時剝離力以下的恒定載荷作用時,由于基體的黏彈性松弛效應,界面破壞所需的剝離力逐漸下降,當降至與施加的載荷相同時,界面可能會發生延遲破壞.如圖7(b)所示,基體黏?超彈性越強,加載率越高,延遲破壞對應的載荷范圍越廣.

圖7 黏?超彈性被粘物基體在剛性基底上的0°剝離[55]Fig.7 Zero degree peeling of a visco-hyperelastic tape on a rigid substrate[55]

針對界面與基體性能對界面破壞的耦合影響,Zhao 等[95-96]基于對水凝膠粘接界面破壞的實驗與數值模擬研究提出,表觀界面粘接能Γ由界面本征斷裂能Γ0與水凝膠基體內部的能量耗散ΓD兩部分組成,如圖8(a)所示.基體耗散ΓD會顯著提升Γ,而較強的Γ0也會引起界面附近更大范圍內基體材料的能量耗散,進一步促進Γ的提升(圖8(b)).此時,Γ與Γ0的關系可以表示為

圖8 表觀界面粘接能Γ與界面本征斷裂能Γ0 以及水凝膠基體內部的能量耗散ΓD 的關系[96]Fig.8 Relation among the apparent adhesion energy Γ,the interfacial intrinsic fracture energy Γ0 and bulk energy dissipation ΓD in hydrogel[96]

其中，χ是無量綱的系數,hmax為基體材料的最大耗散比.

當粘接基底可變形甚至伴隨能量耗散,基底力學性能對剝離行為的影響值得關注.Menga 等[97]研究了彈性薄膜在彈性基底上的V 形剝離過程,考慮基底的彈性應變能,將Kendall 模型進行了推廣.由于剝離過程中部分外力功轉化為基底的彈性能,表觀界面粘接能得到一定提升.Afferrante 等[98]針對彈性薄膜在黏彈性基底上的穩態剝離,基于格林函數方法,得到了剝離力的解析解,發現界面穩態剝離只能在某一載荷閾值下發生,該閾值的存在同時也限制了可實現的界面裂紋擴展速度的范圍.后續研究[99]還發現,通過引入多個基底黏彈性特征時間,可以更有效地調控基底能量耗散,進而更好地實現對界面破壞模式的有效調控.在恒定界面粘接能假設下,針對不同粘接結構界面剝離行為的理論模型如表1 所示,這些模型為多種粘接結構的合理使用和優化設計提供了有力的指導.

表1 剝離模型總結(恒定界面粘接能)Table 1 Summary of the peeling models (constant adhesion energy)

在現有大部分針對軟材料粘接界面破壞的理論研究中,界面本征斷裂能Γ0一般都被認為是恒定的,然而界面失效的物理本質尚未得到完全的理解,Γ0與加載率、溫度等是否相關也存在一定爭議.Chaudhury 等[102-103]探索了黏合劑分子鏈熱激活斷裂機制引起的界面本征斷裂能的率相關性,建立了界面破壞臨界能量釋放率模型,發現斷裂能隨著分子鏈拉伸速率的提高而增加,利用該模型成功描述了聚甲基氧硅烷與玻璃粘接界面的率相關破壞問題.在后續研究中,該思想也被推廣到高聚物斷裂[104]以及粘接界面的剪切破壞[56]的描述.

雖然多數“軟界面”粘接結構界面破壞的理論研究都是唯象地引入界面粘接能的速度相關性,但軟黏合劑帶來的粘接能的率相關性已經得到了普遍的重視,演化規律也能得到有效的理論描述.但由于界面本征斷裂機制尚不清楚,界面附近能量耗散機制較為復雜,同時,對粘接件基體的大變形黏彈性特性進行簡潔的理論描述和準確的解析求解也有較大難度,目前“軟基體”粘接結構界面破壞的理論研究仍遠未完善.此外,基體與界面能量耗散可能的耦合機制以及缺乏充足的分離實驗數據也進一步加大了理論建模與模型驗證的難度.

4 軟材料粘接結構界面破壞的數值模擬研究

4.1 界面破壞問題常見的數值模擬方法

對于粘接結構界面破壞問題,常用的數值模擬方法主要有兩類:一類基于斷裂力學,以虛擬裂紋閉合技術為代表;另一類基于損傷力學,以內聚力模型方法為代表.

虛擬裂紋閉合技術是應用最為廣泛的模擬裂紋擴展的方法之一[105-108].虛擬裂紋閉合技術假設在裂紋擴展中釋放的能量等于將裂紋閉合回到其原始構型所需做的功,能量釋放率通過裂紋尖端處的力和位移信息計算.虛擬裂紋閉合技術的特點是以獨立的能量分量形式計算自相似的裂紋擴展過程.但是,裂紋的萌生以及小裂紋的發展是不可被預測的,并且由于虛擬裂紋閉合技術中能量釋放率與特征長度(常與單元網格尺寸相聯系)有關,所以必須依托強大的網格優化技術來描述裂紋擴展過程[109-110].

內聚力模型方法最早由Dugdale[111]和Barenblatt[112]提出,之后Hillerborg 等[113]引入拉伸強度作為損傷萌生準則,擴展到描述裂紋從萌生到擴展的過程.內聚力模型方法認為界面裂紋尖端附近會形成內聚力損傷區域,該方法的核心就是建立損傷區域界面張開位移與牽引力的關系.內聚力模型及其參數的確定對于準確描述界面裂紋問題非常關鍵,但是大多數模型參數難以簡單地通過實驗確定[105].與虛擬裂紋閉合技術相比,內聚力模型方法克服了線彈性的局限性,在模擬復雜界面裂紋擴展上更具優勢.同時,內聚力模型對于網格的節點空間坐標信息要求不高,更易于進行有限元實現[114].此外,內聚力模型描述裂紋從萌生到擴展的過程是基于顯式的損傷機制,可以跟蹤整個擴展過程并能描述局部的材料軟化現象.從描述裂紋問題的完整性,數值實現的難易程度以及求解過程的計算成本考慮,針對大多數的界面破壞問題,內聚力模型相比虛擬裂紋閉合技術更具優勢.

最近十幾年,擴展有限元方法[115]在斷裂問題的模擬方面也得到了很好的應用和發展.擴展有限元方法不需要網格來匹配不連續的幾何形狀,可以描述裂紋沿任意路徑的擴展,很好地克服了虛擬裂紋閉合技術和內聚力模型需要預先設定裂紋路徑以及要求高質量的網格排布的局限性.但考慮到大多數粘接界面裂紋擴展路徑并非完全任意,且擴展有限元方法求解難度高,對非線性問題也有一定的局限性等缺點,對于粘接結構界面破壞問題,內聚力模型方法仍是最適合也最常用的方法.因此,本文將重點針對基于內聚力模型方法的軟材料粘接結構界面破壞問題的模擬工作進行總結和評述.

4.2 基于內聚力模型方法的“軟界面”粘接結構界面破壞的模擬分析

內聚力模型方法是否能準確描述界面破壞行為,首先依賴于內聚力模型的合理性,同時決定于模型在求解時的收斂性.Alfano 等[116-117]探究了如圖9所示的雙線性、線性?拋物線、指數和梯形等內聚力本構形式在描述雙懸臂梁結構斷裂行為時的準確性及計算收斂性,發現指數形式在計算準確性上表現最佳,但如果綜合考慮模擬的準確性和計算成本,雙線性模型是更為合理的選擇.Camanho 等[118]通過對雙懸臂梁、缺口彎曲以及混合模式彎曲加載模式下斷裂問題的模擬以及與實驗結果的對比,驗證了雙線性模型在描述I 型、II 型以及混合型界面破壞問題時都具有較高的準確性.Turon 等[119]基于嚴格的熱力學框架提出了考慮斷裂模式混合比的內聚力模型,由于其易于構建、滿足熱力學框架并且可基于合理的物理機理和實驗現象來描述復雜應力狀態下的界面力學響應,該模型得到廣泛的應用和發展[120-122].Park 等[123]對基于勢函數的內聚力模型進行了詳細綜述,特別對各模型描述混合模式界面破壞問題的局限性進行了討論,對該類模型的改進方向和未來發展做出了探討.

圖9 經典內聚力本構形式[117]Fig.9 Classic cohesive zone models[117]

“軟界面”粘接結構界面破壞的率相關性是其最顯著的特征之一.由于涉及到界面模型本身的物理機理以及計算效率和收斂性,如何合理地將率相關性引入界面模型十分重要.最直接的方法是唯象地將界面內聚能、界面強度或最大張開位移等關鍵參數表示為與加載率相關的函數,該方法主要適用于動力學問題,但主要的困難是參數眾多且難以通過實驗確定,對于復雜工況的描述能力有限[124-126].其次,可在界面損傷的表達式中引入加載率的影響[127].這種方法嚴格滿足熱力學框架,對于較為復雜的加載條件和失效模式都有較好的描述能力,但由于模型一般較為復雜,模型的數值實現存在較大難度,對復雜的材料非線性問題,模型的適用性也較弱[128].此外,可將內聚力模型與已有描述實體材料變形行為率相關特性的理論模型相結合來描述界面牽引力與張開位移的率相關行為[129]:其中一類是借鑒描述流體[130]或者高聚物塑性流動[131]的描述方法,將界面牽引力表示為與加載率相關的形式,這種方法一般通過引入反映一定物理機制的內變量來描述界面失效[131].另一類則借鑒經典線性黏彈性模型中的應力應變形式來描述界面牽引力和張開位移的關系[132-133],該方法具有描述界面破壞率相關性的能力,但由于經典黏彈性模型單一特征時間的限制,使得其僅適用于特定的加載率范圍.這一不足可通過將標準線性黏彈性模型修改為分數階形式來改進,可描述的加載率范圍可以得到有效擴展(如圖10)[134-135].Giraldo-Londo?o 等[136]也采用類似的方法對橡膠類材料在較大加載率范圍內的混合斷裂模式進行了成功的模擬.

圖10 黏彈性內聚力模型對不同加載率下的粘接界面破壞的描述Fig.10 Description of interfacial debonding behavior under various loading rates using different viscoelastic CZM models

界面的局部非線性大變形對界面應力狀態和破壞模式會產生顯著影響.Hui 等[137]對線彈性背板在剛性基底上的0°剝離過程進行了有限元模擬,界面層采用超彈性的實體單元來描述,研究發現,界面層的超彈性性質對“載荷傳遞長度”的影響不大,但當變形較大時,界面層的切向和法向應力數值都非常大,并且伴隨著不可忽略的橫向拉伸應力和靜水張力(如圖11 所示).如考慮有限粘接長度[138],界面層的體積應力分量甚至會超過剪切應力,造成界面空洞的產生繼而引發破壞.此時,該問題中的界面破壞就不再是單純的界面II 型斷裂問題.

圖11 0°剝離中超彈性黏合劑/基底間應力分布[137]Fig.11 Stress along the hyperelastic adhesive/substrate interface during 0° peeling[137]

在內聚力模型研究方面,目前考慮界面大變形的工作還較少,考慮到大變形可能產生的網格畸變造成的計算不收斂等問題,如何在內聚力模型中有效考慮界面大變形進而準確地模擬界面破壞行為還需要更深入地探討.

4.3 基于內聚力模型方法的“軟基體”粘接結構界面破壞的模擬分析

針對“軟基體”粘接結構的界面破壞行為,借助有限元模擬首先可以對理論分析結果進行必要的驗證,此外,還能夠對復雜載荷下結構的界面破壞機理進行分析.

基體超彈性對界面破壞的影響已經在現有的模擬研究中得到一定的考慮,在此基礎上可以進一步討論加載角度[139]和速度[140]的影響.對于壓剪載荷等復雜載荷下的破壞行為[141],也能通過模擬的手段得到能量釋放速率與裂紋擴展長度的關系,為理論分析提供驗證和指導.

基體的能量耗散特性對界面破壞行為的影響也得到了一定的模擬研究.Seshadri 等[142]采用有限元模擬對黏彈性薄膜與剛性基底粘接結構界面破壞的理論分析結果進行了驗證,證實了不同加載速度下的界面裂紋擴展能量釋放率可以通過完全松弛模量與瞬時模量的比值進行描述.Zhang 等[95]采用考慮Mullins 效應的超彈性本構模型描述水凝膠的力學行為,用雙線性內聚力模型描述界面性能,模擬了水凝膠粘接結構的界面破壞,發現表觀界面粘接能與界面內聚能線性相關,水凝膠基體損傷時的能量耗散對表觀界面粘接能的影響可能高于界面內聚能本身(取決于基體厚度).值得注意的是,有模擬研究發現,對于基體材料較厚的情況,厚度方向上應變率可能發生梯度分布[143],這對理論分析建模提出了更高的要求.

由于軟材料基體的大變形特征以及基體與界面性能可能的不匹配,界面破壞過程可能會伴隨多種類型的基體或界面失穩現象.對于弱界面粘接的情況,剛體與軟基體粘接界面在缺陷處的部分脫離會產生周期性的波狀界面分離現象[144-146].Mukherjee等[147-149]首先利用有限元研究了波狀界面分離現象的形成過程與界面的粘接能和軟基體厚度、模量、強度的關系,之后基于內聚力模型方法模擬了二維情況下柔性板在軟材料基底上的剝離行為,研究了幾何約束參數及界面參數對界面破壞的影響,完善了由界面破壞產生的失穩臨界條件.

對于軟材料基體與剛性基底強界面粘接的情況,當軟基體內部靜水張力達到某臨界值,可能會從缺陷處萌生空洞,隨著載荷的持續施加空洞逐漸生長形成空洞失穩.若空洞的萌生和生長受到抑制,可能會造成軟基體自身的手指狀失穩或與基底粘接界面附近的邊緣條狀失穩[150-151].軟基體內部空洞的形成受到初始缺陷大小和氣泡內壓的影響[152-154].Fu等[152]結合實驗與理論預測了不同缺陷尺寸對空洞形成的影響,為進一步理解和避免空洞失穩提供了指導.Lin 等[151,155]結合理論與有限元模擬分析了基體幾何尺寸對失穩現象的影響,基體手指狀失穩在橫向約束作用下會進一步促進空洞失穩,造成非單調遞增的應力應變響應,通過增加基體剛度可抑制該失穩的發生.Zhong 等[156]發現將連續的粘接層分割為離散的粘接層,可以有效抑制空洞失穩.同時,拉伸加載下非單調的力學響應也可以轉變為單調響應,進而避免“跳躍”失穩的發生.此外,粘接層的柔度和延展性以及循環加載下的滯后效應也可以通過合理設計離散粘接層的數量或幾何形式來進行調控.該研究通過簡單的方法實現了對復雜失穩現象的有效抑制以及對粘接層力學行為的按需調控,為實際粘接層以及軟粘接接頭的設計提供了十分有益的指導.

目前,對“軟基體”粘接結構界面破壞的模擬分析的重點和難點都集中在如何準確地描述“軟基體”的黏彈性和大變形兩個特性.已有研究主要針對簡單的粘接結構,討論部分材料參數和幾何參數對界面破壞的影響,作為理論分析結果的佐證,缺乏對復雜材料組合粘接結構界面破壞機理的深入分析.在大變形方面,雖然已有模擬研究已經對基體非線性大變形進行了一定的考慮,但針對基體大變形對復雜載荷下界面破壞行為的影響的分析還不夠深入,同時,界面破壞與基體局部可能產生的非均勻變形之間的耦合影響也值得深入分析.利用有限元方法的優勢,也可對基體和界面能量耗散對界面破壞的耦合影響進行深度的挖掘,進而更加全面深入地揭示“軟基體”粘接結構界面破壞的機理.

對于軟材料粘接結構界面破壞行為的有限元模擬研究,模擬準確性、收斂性和計算效率是最主要的考慮因素.目前商用有限元軟件中已有的內聚力模型對最簡單的“硬”質粘接結構界面破壞行為尚可以進行較為合理的模擬,但對軟材料粘接結構界面破壞行為的模擬則難以準確實現.大量挑戰性的工作還需要開展:如建立考慮界面大變形黏彈性特征的內聚力模型、確定復雜應力狀態下界面損傷萌生或失效的判據以及局部大變形下數值迭代算法的優化等.這些難題得到合理解決才能夠更好地模擬具有強非線性、率相關等復雜特性的軟材料粘接結構的界面破壞問題.

5 挑戰與展望

雖然目前軟材料粘接結構界面破壞行為的研究已經取得了一定的進展,但在實驗、理論與數值模擬各方面仍面臨諸多挑戰.軟材料粘接結構界面破壞的實驗研究已取得較為豐碩的成果.基于剝離測試,能夠對不同加載工況和環境條件下的表觀界面粘接能進行定量表征,同時結合剝離前緣的微觀觀察及拉拔測試,對界面破壞機理進行分析.然而,小角度加載下“軟基體”粘接結構界面破壞機理的實驗觀察與分析尚不充分;同時,也缺乏對界面本征斷裂能的率、溫度相關性的準確的實驗表征等.也源于此,對軟材料基體與界面性能對界面破壞的耦合影響的分析也受到了相應的限制.

在恒定界面粘接能假設下,基于能量方法的界面破壞理論已得到較為深入的研究,不同類型軟材料粘接結構都已建立了對應的界面破壞理論,為實際工程應用提供了有力的支持和指導.然而,在“軟基體”粘接結構界面破壞的理論分析中,界面粘接能的率、溫度相關性還未得到充分的重視.雖然基于熱激活斷裂機制的理論模型能夠直觀地描述界面本征斷裂能與分子鏈拉伸速度的關系,但界面分子鏈拉伸速度與宏觀加載速度之間存在尺度差異,界面附近分子鏈斷裂區域范圍也尚存爭議.

準確高效的數值模擬研究對于軟材料粘接結構界面破壞機理的分析至關重要.現有數值模擬工作多基于內聚力模型方法來分析材料、幾何參數對界面破壞行為的影響,考慮界面粘接能率相關性的內聚力模型多唯象地引入性能參數或損傷變量的率相關性,較少考慮界面微觀破壞機理.對于疲勞[157-160]、表面摩擦磨損[161-165]及長期載荷、位移保持[55-56,166-168]等復雜加載模式下的軟材料粘接結構界面破壞問題,有限元模擬具有一定的優勢,但目前這些研究還面臨著界面損傷萌生及失效準則難以確定等問題,研究進展較為有限.

面對這些挑戰,目前正在開展的一些更深層次的研究有望在未來針對特定問題在一定程度上給出更進一步的答案,一些面向應用的研究更是對目前基礎研究的成果進行了廣泛的探索和利用,未來也值得關注.

(1) 軟材料變形和斷裂過程的可視化表征手段.隨著機械化學研究的發展,近期利用力敏團(mechanophore)進行軟材料斷裂[169-172]或界面破壞[173]過程可視化表征的研究得到迅猛發展.將力敏團分子嵌入聚合物主鏈中,在機械載荷的作用下,隨著力敏團的斷裂或構象改變會激活多種光學反應,例如變色、發出熒光等[174],基于此可以實現對微觀斷裂行為的可視化.雖然目前定量表征的準確性仍有待提高,但已有研究依然明確表明:裂尖分子鏈的斷裂范圍遠大于Lake-Thomas 預測的斷裂面附近一排高分子鏈[170],針對不同溫度與加載率下的軟材料斷裂過程的實驗表征更是證明軟材料黏彈性與本征斷裂存在強耦合[170],分子鏈本征斷裂在總斷裂能中的占比被嚴重低估.對于由PSA 等軟黏合劑組成的粘接結構的界面破壞行為,對界面黏接能的理論建模需要重新評估發生分子鏈本征斷裂的區域大小以及斷裂過程的溫度、加載率相關性,常用的恒定界面粘接能假設應該被修正.關于機械化學工具在軟材料斷裂以及其他方面的發展和應用可參考Chen 等[174]的綜述文章.

(2) 基于界面破壞機理的異質軟材料的強韌粘接策略.得益于水凝膠材料的飛速發展以及水凝膠粘接結構在科技、工業領域的廣泛應用,基于水凝膠粘接的異質軟材料強韌粘接策略已經引起學者們的廣泛關注.水凝膠與異質軟材料的強韌粘接需要化學、拓撲與力學的協同[175]:水凝膠高聚物網絡與其他軟材料的分子網絡之間需要借助化學手段構建共價鍵或強非共價鍵等實現強界面相互作用.合理的界面拓撲的設計,能夠保證界面破壞過程中發生強界面相互作用破壞的同時,又能盡可能引發粘接基體的非彈性能量耗散.這些能量耗散可以通過在粘接件基體中引入損傷、相變或黏彈性等力學機制來實現.

水凝膠與異質軟材料之間界面的強相互作用與拓撲結構可以通過多種方法來建立.水凝膠與聚甲基氧硅烷等一般高彈體的界面強粘接可以通過表面改性來實現[96,176],在高彈體表面引入活性基團(可以借助表面引發劑[177-178]),使水凝膠前驅體在高彈體表面的固化過程中,高聚物網絡與活性基團間形成共價鍵或高分子配合物,進而實現強粘接[96,176].對于已經制備好的水凝膠,可以在水凝膠與軟材料前驅體中加入特定化學物質進行塊體改性[179-181],使兩者在固化過程中自發形成強粘接.對于不能進行化學改性的生物組織,可以借助與水凝膠以及生物組織都能形成強鍵接的橋接高聚物,建立兩者間的強粘接[182].對不含特定功能基團,不能實現強鍵接的軟材料,可借助特殊的粘接高聚物,通過擴散作用分別與水凝膠及軟材料形成拓撲纏結網絡,進而實現強粘接[183-185].此外,針對硬黏合劑由于限制軟材料大變形不適用于軟材料粘接的問題,可通過噴霧等方法,在粘接界面形成離散的微小島狀粘接區域,在實現強粘接的同時,島間軟材料依然允許發生大變形[186].

值得注意的是,隨著墨水直寫等3D 打印技術的發展,多種水凝膠與軟材料的打印手段相繼被提出[187-189],打印過程中水凝膠與其他軟材料間的強韌粘接對打印結構的完整性及長期穩定性至關重要.以Liu 等[180]的方法為代表的塊體改性方法十分適用于這種多層水凝膠與軟材料以任意順序相互堆疊同時需要界面強粘接的情況.此外,Yang 等[188]也提出了行之有效的塊體改性方法,能夠保證水凝膠與其他軟材料間良好的界面粘接性能,進而保證打印結構的優異力學性能.Zhao 等[189]提出的基于微凝膠的方法能實現水凝膠與多種軟材料以及無機固體的強韌粘接,且是對多種水凝膠都普遍適用的方法,對3D 打印水凝膠更廣泛的工程應用具有重要意義.針對水凝膠的強韌粘接策略,Yang 等[175]給出了詳盡的綜述.

(3) 按需、可控粘接/脫粘設計.對于某些應用,如爬墻機器人,機械抓手,醫用膠帶等,不僅需要界面能夠強韌粘接,還要求在特定情形下時,界面能夠方便容易地脫開.因此,按需、可控脫粘設計也引起了學者們廣泛的興趣.在該領域,現有研究集中在脫粘臨界載荷可強弱轉換的可轉換粘接方面,通過對界面附近粘接狀態、粘接面積以及界面/基體力學行為的調控,可以有效實現強、弱粘接的轉換,轉換比(強粘接與弱粘接界面破壞臨界載荷之比),可高達105[190].然而現有轉換機制都需要特定的觸發激勵,如光、熱等[190],難以針對所有材料進行廣泛推廣.此外,針對某些應用需要對界面脫粘速度或破壞模式進行調控的更高程度的要求,目前研究討論也不夠充分.針對可轉換粘接的詳細內容可參考Croll等[190]的綜述.

6 結語

軟材料已經在軟機器人、生物醫學以及柔性電子等各個領域得到廣泛應用,考慮到對以水凝膠為代表的多種軟材料的性能調控與功能設計日臻成熟,未來軟材料還會有更加廣闊的工程應用前景.針對軟材料粘接結構界面破壞行為的深入研究,能夠為軟材料的合理使用與優化設計提供關鍵的理論支持與工程指導.本文系統總結了現有軟材料粘接結構界面破壞行為的實驗、理論與數值模擬研究進展,重點討論了界面黏彈性以及軟材料基體的大變形能量耗散特性對界面破壞行為的影響.雖然已有研究已經取得了顯著進展,但在疲勞、表面摩擦等復雜加載下界面的脫粘或失穩機理的實驗表征,基體、界面能量耗散耦合效應的理論描述以及復雜結構在復雜加載下界面脫粘或失穩機理的模擬分析等方面還存在諸多挑戰.真實服役環境下基體與界面可能的老化等行為又會進一步增加研究的復雜性.同時,實際工程應用中脫粘,失穩或老化等不同機理很可能同時發生甚至存在耦合,這些也都增加了界面破壞行為研究的難度.然而,隨著對該領域關注的日益增加以及采用不同方法從不同角度切入開展研究的逐步深入,相信以上難題都會逐步得到解決,在為軟材料粘接結構更為廣泛的應用提供有力支撐的同時,不斷推動界面力學學科的發展.