Разрушающие методы определения адгезионной прочности

Разрушающие методы измерения адгезионной прочности основаны на определении приложенного внешнего усилия, под действием которого в адгезионном соединении возникают нормальные и тангенциальные напряжения, приводящие к разрушению соединения. По способу нарушения адгезионной связи эти методы можно классифицировать на неравномерный и равномерный отрывы и сдвиг. Они могут быть статистическими и динамическими. Различают методы равномерного и неравномерного разрушения соединения.

При равномерном разрушении композиционного материала путем сдвига или отрыва предполагается, что нарушение связи между адгезивом и субстратом по всей площади контакта будет происходить одновременно. Критерием в этом случае считают сопротивление, которое необходимо преодолевать при нарушении контакта. Эта приближенная характеристика адгезионной прочности, как одновременное разрушение по всей площади контакта, является маловероятным и не всегда реализуется на практике.

В зависимости от метода испытания за меру адгезионной прочности могут быть приняты сила, работа, ударная вязкость. Сопротивление отслаиванию (расслаиванию) при неравномерном отрыве - есть сила, затрачиваемая при отслаивании. Часто при отслаивании определяют работу, которая называется удельной или работой адгезии. Иногда величину адгезии характеризуют временем, необходимым для нарушения связи между адгезивом и субстратом под действием определенной нагрузки.

Методы неравномерного отрыва. Эти методы наиболее распространены, позволяющие выявить колебания в величине адгезии на отдельных участках испытуемого образца. Они дают хорошую воспроизводимость результатов и отличаются простотой. Методы неравномерного отрыва весьма разнообразны. Общим признаком для них является нарушение связи адгезив-субстрат, причем усилие прикладывается не к центру соединения, а к одному из его краев, поэтому связь нарушается постепенно. Схемы испытаний на неравномерный отрыв приведены на рисунке 8.1.

Наиболее распространены методы неравномерного отрыва-отслаивания или расслаивания. Разделение двух гибких материалов называют расслаиванием, а отделение гибкого материала от жесткого - отслаиванием.

Часто при отслаивании (расслаивании) определяют работу, отнесенную к единице площади, которую называют удельной работой отслаивания или работой адгезией.

В некоторых случаях адгезионную прочность характеризуют временем, необходимым для нарушения между адгезивом и субстратом под действием постоянной нагрузки, т.е. оценивают долговечность адгезионного соединения.

Рисунок 8.1. Схемы испытаний по отслаиванию жестких материалов:

а) растяжение блочных материалов; б, в) изгиб для плиточного или

листового материала; г) консольный изгиб

Анализ явлений, протекающих при отслаивании, затруднителен из-за сложности процесса. Установлено, что распределение напряжений в системе зависит от угла приложения силы. Меняя угол приложения силы, можно получить только сдвиг, расслаивание или их сочетание. Сопротивление отслаиванию при равной скорости и других условиях является функцией угла отслаивания, т. е. угла между направлением действующей силы и плоскостью склеивания.

В общем виде эта зависимость выражается формулой:

8.1

где - работа отслаивания при ; - работа отслаивания при , k - коэффициент при

Напряжения, возникающие под действием приложенной внешней силы, распределяются равномерно по толщине и ширине образца и зависят от передвигающейся границе разрушения. Обнаружена связь между силой, необходимой для установления стационарного процесса отслаивания, углом отслаивания и геометрическими размерами образца. Минимальное сопротивление отслаиванию наблюдается при . С уменьшением а сопротивление отслаиванию постепенно возрастает и при а =0 разрушение осуществляется только сдвигом (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2. Схема испытаний по отслаиванию гибких материалов от жесткой поверхности (а, б, в, г) и расслаиванию гибких материалов (д).

Метод равномерного отрыва. Этим методом измеряют величину усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей площади контакта. При этом усилие прикладывается перпендикулярно плоскости адгезионного шва, а величина адгезии характеризуется силой, отнесенной к единице площади контакта.

Обычно для измерения адгезии используют образцы типа грибка, между торцевыми поверхностями, в которых находится адгезив (рисунок 8.3).

Рисунок 8.3. Образцы для определения адгезии эластичных адгезивов к твердым материалам

С помощью грибков определяется адгезионная прочность различных адгезивов – резины, клеев, лакокрасочных покрытий. Конструкции схем измерения могут быть различными (рисунок 8.4, 8.5).

Рисунок 8.4. Схема измерений адгезии полимеров к металлам и другим твердым материалам. Цилиндрические образцы-грибки с торцевым (а), основным (б) и резьбовыми креплениями

Рисунок 8.5 Схема измерений адгезии различных адгезивов к материалам методом отрыва: а) резина к ткани; б) смола к стеклу; в) заливочный компаунд

Иногда для измерения методом отрыва применяют образцы в виде крестовин (рисунок 8.6).

Рисунок 8.6. Определение адгезии различных материалов на образцах в виде крестовин

В образцах типа грибков и крестовин под действием нагрузки возникают сложные и неоднородные напряжения. Адгезив растягивается сильнее, чем субстрат, в большей степени подвергается поперечному сжатию, в результате чего возникают сдвиговые напряжения. Результирующие напряжения в слое адгезива оказываются неодинаковыми в различных местах площади контакта. Кроме того, растягивающие усилия прикладываются не всегда строго по оси образца. Все это вызывает наряду с отрывом и явление отслаивания. Более равномерного распределения напряжений можно добиться увеличением длины цилиндрического образца и уменьшением площади склеивания. Особенно велика неоднородность напряжений в образцах типа крестовины (изгиб брусков), что требует применения более массивных брусков.

Есть и другие методы определения адгезии, например, метод скрещенных нитей, метод штифтов (рисунок 8.7).

Рисунок 8.7. Определение адгезионной прочности методом скрещенных нитей (а) и штифтов (б)

Метод сдвига. Сдвиговые (касательные) напряжения в адгезионных соединениях создаются растяжением или сжатием (рисунок 8.8, 8.9)

Рисунок 8.8. Схемы испытаний адгезионных соединений на сдвиг с растяжением

а) односторонний шов внахлестку; б) двусторонний; в)односторонний шов внахлестку с накладкой; г) двусторонний шов с накладкой; д) склеенный шов

Рисунок 8.9. Схема испытаний адгезионных соединений на сдвиг сжатием: а, б) плиточные материалы одно- и двустороннего соединения; в, г) соединение цилиндра и стержня

Перед методами растяжения и сжатия существенное преимущество имеет метод испытания на сдвиг при кручении образцов (рисунок 8.10). При кручении возникает чистый сдвиг без отрывающего усилия.

Рисунок 8.10. Схемы испытаний адгезионных соединений на сдвиг при кручении:

а) соединение стержней встык; б) соединение труб внахлестку; в) соединение стержня с трубой внахлестку; г) соединение труб встык

Все описанные методы характеризуются кратковременным приложением нагрузки, т. е. относятся к статическим. Особую ценность представляют динамические испытания, с помощью которых устанавливается способность соединения адгезив-субстрат противостоять действию переменных нагрузок.

Динамические методы испытания. При этих испытаниях работоспособность изделий характеризуется числом деформаций до разрушения. Если разрушения добиться не удается, то после приложения некоторого числа циклов деформации определяется адгезия принятым статическим методом. При этом сравнивают адгезионную прочность до и после воздействия (утомления), определяя, таким образом, величину уменьшения адгезии в результате воздействия циклической нагрузки. Динамические методы испытания соединений проводят при сдвиге, неравномерном и равномерном отрывах. Для проведения испытаний применяют машины, обеспечивающие напряжения с частотой 500-3000 циклов в минуту. Для динамических методов дополнительным критерием может также служить число циклов нагружения до разрушения.

Наряду с количественной оценкой адгезионной прочности необходимо отметить и учитывать характер разрушения - когезионный, адгезионный или смешанный.