表面处理方法对粘结剂粘结强度的影响

表面处理方法对粘结剂粘结强度的影响

随着表面活性剂涂层的广泛应用和一体化加固和加固金属结构的发展，一体化界面的结合强度越来越受到重视。因此,界面粘结机理成为复合材料加固补强技术的研究重点。提高复合材料/金属界面粘结强度的方法主要分两个方面,第一是改变复合材料用的粘结剂的成分,通过对粘结剂改性达到提高其粘结力的效果。第二是对金属基体进行表面预处理,这也是影响粘结剂/金属界面粘结强度的重要因素。在涂覆粘结剂之前,对金属粘结表面进行适当的处理,可除去被粘贴表面的水分、灰尘、油污等杂质及疏松的表面氧化膜,形成新的表面膜,增加粘接强度。金属表面的处理方法大致可分为机械法和化学法两种。机械法最常用的是打磨与喷砂。化学法包括酸洗、磷化等,目前多使用磷化处理方法。本文通过拉伸剪切试验测定粘结剂界面的粘结强度,而后观察已破坏试样的粘结面。此外,还对各种表面预处理后的金属表面进行形貌观察,并测定其粗糙度。从而分析、表明,处理对粘结剂/金属界面粘结强度的影响。1试验内容和方法1.1拉伸剪切试验本文选用Anko环氧树脂粘结剂,对经过不同表面预处理的拉伸剪切试样进行涂装,依据国家标准《GB7124-86胶粘剂拉伸剪切强度测定方法(金属对金属)》制备拉剪试样,见图1。试样在室温常压环境下固化7天。1.2表面粗糙度和直径本文选择的表面处理方法有砂纸打磨、喷砂处理、酸洗处理、磷化处理。其中,砂纸打磨处理选取了4种不同型号的水砂纸(60#、150#、600#、1500#)以及4#干磨砂布,分别测出打磨后的金属试样的表面粗糙度。喷砂处理在GS-061型干式吸入式喷砂机上进行,金刚砂的平均直径为(63—90)μm。酸洗处理前首先用600#水砂纸打磨试样,用丙酮除油,而后在室温环境下将试样放入18%的HCl溶液中,浸泡30min后取出,用清水冲洗并干燥。磷化处理前首先使用600#水砂纸打磨试样,用丙酮清洗除油,而后在室温环境下将试样放入磷化液中,浸泡60min后取出,用清水冲洗并干燥。1.3实验方法1.3.1拉伸剪切强度选取Q235钢作为基材,试样为单搭接结构,使用REGER3010微机控制电子万能实验机测试拉伸剪切强度,加载速率为5mm/min。1.3.2表面粗糙度利用Mitutoyo生产的Suftest.402型表面粗糙度测试仪测出经不同表面处理后试样的表面粗糙度。2试验结果与讨论2.1拉剪试样对界面的影响经不同型号砂纸打磨,金属表面得到不同的表面粗糙度,导致粘结剂/金属界面粘结强度发生变化,变化趋势如图2所示。表面粗糙度Ra≤0.19μm,粘结试片间的胶层极薄,根据KunioUehara的试验结果,环氧树脂粘结剂的拉剪强度与粘结剂涂层厚度成反比,所以粘结剂/金属界面的结合强度较高。当0.45μm≤Ra≤0.85μm时,粘结剂/金属界面粘结强度随Ra的增大而增大。由于表面粗糙度的增大,粘结剂与金属基体分子在粘结界面发生物理作用及化学作用的实际面积增大,从而使得界面粘结强度升高。当Ra超过0.85μm时,粘结剂与金属粘结时在界面上容易产生明显的缺陷如气泡等,在缺陷位置容易形成应力集中,从而对粘结层产生局部破坏,造成附着力下降。图3说明使用60#砂纸打磨后,拉剪试样破坏以界面破坏为主。用1500#砂纸打磨后,拉剪试样的破坏为界面破坏与胶粘剂内聚破坏构成的混合破坏。由图2可以看到,Ra在0.45μm以下会出现高界面拉剪强度。去除胶层厚度的影响,Ra在(0.8～1)μm范围内,Anko环氧树脂粘结剂/金属界面的拉剪强度可达到20MPa以上,同样具有很好的界面粘结性能。2.2各向异性表面对粘结剂粘结性能的影响喷砂利用高速砂流,除去工件表面锈蚀、氧化皮及其他污物,并使工件表面具有一定粗糙度。该方法是工程上广泛应用的一种金属表面机械处理方法。图4是喷砂处理金属试样表面的微观形貌,可以看到,在金属表面均匀分布着形状不规则且无取向的凹坑,形成了各向异性的表面,这样的表面有利于粘结剂的附着与钉扎。表1是不同表面处理后基体表面粗糙度及试样粘结强度数据,可以看出,喷砂处理后金属表面的粗糙度约为2μm。与相同粗糙度的砂纸打磨试样相比,喷砂处理后剪切强度明显较大。无论是砂纸打磨还是喷砂处理,都是对试样表面进行粗化的过程,都不同程度地提高被粘表面的自由能,而喷砂处理得到的是各向异性的表面,砂纸打磨得到的则是较规则的表面,通过比较可以看出,各向异性表面更有利于提高粘结剂粘结性能。图5为拉剪试样粘结界面的照片,其主要表现为混合破坏情况,说明界面粘结力较高。2.3表面类粘结剂和金属基质使用600#水砂纸打磨后,再对金属表面进行酸洗处理,制样后得出的拉剪试验结果见表1和表2。经酸洗处理后,金属表面粗糙度有所降低,但试样的剪切强度高于仅经600#砂纸打磨处理的试样。一方面,是因为酸洗处理可以除去试样表面氧化皮、污物及锈蚀,获得较为清洁的表面,从而有利于粘结剂的浸润;另一方面,酸洗后试样表面存在许多微孔(如图6所示),促进了粘结剂与金属基体的粘结。此外,酸洗对表面起活化作用,使表面能升高,也有利于粘结剂的黏附。从破坏的拉剪试样(如图7所示)来看,其破坏形式主要为界面破坏。在金属表面存在小块粘结剂,也就是说有小范围的粘结剂钉扎在金属表面造成少量内聚破坏,这说明经酸洗处理后表面微孔对粘结剂/金属界面的结合强度有贡献。2.4界面粘结强度由图8可以看到磷化膜为较均匀的结晶,在结晶的连接点上由于形成细小的裂缝,造成缝隙及多孔结构。磷化处理的金属表面具有良好的化学稳定性,金属表面形成的微小晶体和适当的粗糙度有利于粘结剂的黏附,从理论上讲,此时粘结剂/金属界面的结合强度应该较高。然而,金属表面磷化处理时磷化液浓度、温度及磷化时间对界面粘结强度均有影响,由表1看出,磷化处理后,粘结剂/金属界面的结合强度低于酸洗及喷砂处理,这主要是由于形成的磷化膜不够致密,其附着力较弱,容易脱落。图9为破坏的拉剪试样的表面形貌,可以看到在金属表面大部分磷化膜已经脱落。图10为拉剪试样破坏表面的能谱图。可以看出,已破坏的粘结面没有磷元素,说明整个试样从磷化膜处破裂,也就是说,选择更好的磷化方法仍有可能提高Anko树脂粘结剂的界面粘结强度。与磷化处理相比,砂纸打磨的粗糙度较大,粘结剂与金属的作用表面也较大,但经砂纸打磨后表面形态为单一取向的凹凸分布,而磷化膜的孔隙结构更有利于粘结剂的粘结。图11是磷化处理后拉剪试样破坏后的照片,表现为界面粘结破坏。3不同表面预处理方法对粘结剂/金属粘结强度的影响(1)对于砂纸打磨处理的金属表面,表面粗糙度是粘结剂/金属粘结强度主要影响因素,粘结强度最大值出现在表面粗糙度为(0.8～1)μm的范围内。(2)喷砂可获得粗糙且各向异性