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表面处理与粘接强度

胶接材料的表面处理是整个胶接过程中最重要的工序之一,也是胶接成功与失败的关键之一。由于胶接主要借助于胶粘剂对胶接材料表面的粘附作用,因此胶接材料的表面处理就可能成为决定胶接接头的强度和耐久性的主要因素。但由于胶接材料在一系列加工、运输、贮存过程中,表面会存在不同程度的氧化物、锈迹、油污、吸附物及其它杂质等,这就直接影响胶接强度。
  胶接材料及其表面是多种多样的。有金属材料也有非金属材料;有干净的也有被污染的表面;
有光滑的也有粗糙的或多孔性的疏松表面;按照热力学的观点,有高能表面与低能表面之分;从化学结构上考虑,又有活性表面与惰性表面之分。
  为了获得胶接强度高、耐久性好的胶接接头,要求制备的表面层与基体材料及胶粘剂必须结合牢固,并且这种结合不受或少受环境条件的影响。
  表面处理的作用主要有以下三个方面:
  (1)除去妨碍胶接的表面污物及疏松层;
  (2)提高表面能;
  (3)增加表面积。
  表面处理的好坏将直接影响胶接材料的胶接强度。其主要影响因素是清洁度、粗糙度和表面化学结构这三个方面,下面分别加以介绍。
  一、清洁度
  要获得良好的胶接强度,必要的条件是胶粘剂完全浸润胶接材料的表面。通常,纯的金属表面都具有高的表面自由能。而有机胶粘剂大都是具有低表面自由能的高分子化合物。根据热力学原理,它们之间能够很好地浸润。但实际上得到的金属都不是纯的金属表面,在它们的表面上经常有一层锈垢或氧化物,以及在金属的制造、切削、成型加工、热处理等过程中吸附的有机或无机污染物。这些污染物所组成的污染层内聚强度很低,它们的存在一般都要降低胶接强度。
  要得到良好的胶接强度,胶接材料表面的接触角应当很小甚至为零。例如对铝而言,当表面上的污物除去后,接触角大大降低以至到零,可以认为,此时铝表面上所覆盖的憎水性污染物已被具有较高表面自由能的吸附层取代了。因此,接触角最小,胶接强度也最高。由此可知,用测定接触角的方法来表示清洁度与胶接强度的关系,作为选择表面处理的最佳条件是有重要参考价值的(见表1)。
           表面处理前后的接触角和胶接强度
胶接材料
处理方法
接触角(°
抗剪强度(MPa 
67
17。2
67
19.3
化学处理
0
26。6
不锈钢
50-75
36。6
67
44.3
化学处理
10
49.7
50-75
9。5
61-71
22.4
化学处理
10
43。2
  二、粗糙度
  很久以来人们都知道用机械打磨的方法能增加金属的胶接强度。无论用砂皮打磨或用喷砂法处理胶接材料,适当地将表面糙化,均能提高胶接强度。但是,粗糙度又不能超过一定的界限。表面太粗糙又反而会降低胶接强度。因为过于粗糙的表面不能被胶粘剂很好地浸润,凹处所残留的空气等对胶接是不利的。
  另外,胶接强度不仅与表面粗糙度有关,而且与糙化方法所产生的不同表面几何形状也有密切
关系。例好喷砂处理比抛光后再用机械加工糙化后的胶接强度更高;锐利的磨料比用球形磨料处理
的胶接强度高。
  胶接材料表面糙化之所以会提高胶接强度,首先,是因为机械糙化的过程无疑也使表面得到了
净化;其次,是因为它还改变了表面的物理化学状态,形成了新的表面层;最后,粗糙度的不同还
会影响界面上的应力分布,从而获得较好的胶接强度。
  三、表面化学结构
  胶接材料表面的化学组成与结构对胶接性能、耐久性能、热老化性能等都有重要影响;而表面
结构对胶接性能的影响往往是通过改变表面层的内聚强度、厚度、孔隙度、活性和表面自由能等而
实现的。其中,表面化学结构既可引起表面物理化学性质的改变,也可引起表面层内聚强度的变化,因而对粘附性能产生明显的影响。
  例如,用酚醛树脂胶胶接的不锈钢和铝胶接件分别放在2880下热老化处理50min 100min 后,铝胶接件的稳定性仍然良好,而不锈钢胶接件几乎失去了全部胶接强度。这是因为,在不锈钢表面上发生了固相氧化还原反应,致使高温热老化性能大大下降。但是,如果在钢表面上涂一层环烷酸锌,胶接件的热老化性能就可大大提高。因此,改变那些能加速聚合物裂解的表面原子性质时,对钢接头的耐热氧化作用具有明显的影响。
  又如,聚四氟乙烯是一种表面能很低的惰性高分子材料,一般的胶粘剂都无法牢固地进行胶接。但是,用钠--四氢呋喃溶液处理后,使四氟乙烯发生断裂作用,表面上的部分氟原子被扯下来,并在表面上产生很薄的黑棕色碳层。这样,既改变了表面的化学结构,也增加了表面自由能,因而改进了胶接性能。
  再如,不同方法处理的钛和钛合金,在胶接强度和耐久性能上相差很远。适合胶接的表面应当
具有稳定的、粗糙的、紧密的氧化层。如果在处理液中加入少量的硫化钠等还原性物质后,耐久性
可提高5倍以上。
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