金属圆棒胶粘接头在高拉伸速率下的抗拉强度评价方法
2026-02-10背景
在汽车、飞机、航空航天及高铁等现代高速运载装备的制造中，胶粘剂因其卓越的轻量化与高效连接特性，已成为实现关键结构性能不可或缺的技术。在实际严苛的服役环境下，这类胶粘结构不仅承受静态载荷，更持续面临碰撞、冲击、剧烈振动等高应变率的动态载荷，以及从极寒到高温的广阔温域考验。这些复杂工况会显著改变胶粘剂的微观力学响应与宏观失效机制，而接头一旦失效则直接关乎整体结构的完整性与生命安全。 因此，精准表征胶粘剂在高拉伸速率及不同温度环境下的粘接强度，对于深刻揭示其动态失效机理、评估并保障运载工具在碰撞安全、硬着陆、高速交会等极端工况下的绝对可靠性，具有至关重要的意义。本研究针对这一核心工程需求，系统开展了胶粘对接接头在高拉伸速率下的抗拉强度测试，重点探究了拉伸速率与测试环境对粘接性能的影响规律，旨在为上述高端装备领域胶粘结构的设计优化与安全评价提供关键的数据支撑与理论依据。 对接拉伸测试简介 胶粘对接接头的拉伸强度测试是评定胶粘剂在正拉应力下粘接性能的关键方法，核心原理为将基材对粘，沿粘接面轴向施加拉力，直至试样粘接层或基材失效，如图1所示。该测试可精准复刻对接结构件承受垂直于粘接面拉力的实际工况。通过公式（1）计算抗拉强度 σ（MPa），其中Fmax为最大破坏载荷（N），A为粘接面积（mm2）。
（1）
图1 对接样品结构和受力示意图
根据破坏发生的位置，胶粘接头的失效模式可分为4种，如图2所示，（a）为内聚破坏：胶粘剂层内部破坏，失效后两个被粘基材表面均覆盖一层胶粘剂；（b）为界面破坏：胶粘剂与基材之间的界面破坏；（c）为混合破坏：内聚破坏与界面破坏结合；（d）为基材破坏：被粘基材本身断裂、撕裂或塑性变形而胶粘界面完好。
图2 胶粘接头典型失效模式
测试目的
本实验主要对比相同胶粘对接接头在不同温度和不同拉伸速率下的抗拉强度以及失效模式，实验设计如表1所示，同时结合客户的关注点（曲线的异常分析，抗拉强度的重复性，失效模式的分析等）对测试结果进行对比分析。
表1 对接高速拉伸测试方案
测试方案
4.1 测试设备
高速拉伸试验机（上拉式），该设备最高可实现20m/s的拉伸速度。高速相机，拍摄视频，分析样品的失效过程。
图3 国高材分析测试中心高速拉伸试验机配备高速相机
4.2 测试流程
1）样品调节：测试前，样品在相应测试温度的环境箱中放置至少2个小时，使样品温度达到测试温度并均匀分布。
2）夹持样品：样品夹持有2种方式可供选择，图4（a）为楔形夹具直接夹持，图4（b）通过基材与夹具上的穿孔用插销固定，后者可以避免样品在测试过程中打滑。在夹持时，应保证样品与夹具的对中，使受力沿轴线位置，夹持间距为80mm。
图4 对接拉伸样品夹持方式
3）调整相机：调整相机位置，调整光圈大小与焦距，使其聚焦到对接样品的胶粘区域，如图5所示。根据测试速度选择合适的图像采集频率，本试验中使用10kHz的采集频率。
图5 高速相机拍摄画面
结果分析 对接样品在不同温度以及拉伸速率下的载荷-位移曲线如图7~9所示，曲线的斜率代表了对接样品的整体刚度，由胶粘剂的拉伸模量、被粘基板的拉伸刚度、粘接面积等因素决定，可以看到，曲线初始阶段力值随位移缓慢增加，随后曲线斜率增大，图7（a）（b）（c），图8（a）（c）更为明显，这与如图10所示高速相机拍摄的拉伸过程对应。 大部分测试样品力值在达到峰值后迅速下降，少量样品力值下降速度较平缓，如图9（a）（c），这主要是因为到达载荷峰值后上下基板未完全分离，还伴随着胶粘剂本体的变形，如图11所示。提取曲线峰值，按照公式（1）计算胶粘接头的抗拉强度，结果如表2和图12所示，相同测试温度下，随着拉伸速率的减小，抗拉强度逐渐减小，12000mm/s到200mm/s的强度降幅较大，200mm/s和120mm/s的强度相差较小，高温下接头抗拉强度对拉伸速率更为敏感，从12000mm/s到200mm/s的抗拉强度下降了约62%，而相同速率变化，常温和低温抗拉强度则分别下降了31%和22%。相同拉伸速率下，常温下的接头粘接性能最好，低温和高温环境中接头抗拉强度均有不同程度的降低。5.1 拉伸载荷-位移曲线及粘接强度
图7 室温下高速拉伸载荷-位移曲线
图8 低温下高速拉伸载荷-位移曲线
图9 高温下高速拉伸载荷-位移曲线
图10 高速相机拍摄拉伸过程（25℃-200mm/s）
图11 高速相机拍摄拉伸过程（55℃-12000mm/s）
表2 胶粘接头在不同拉伸速率和温度下的抗拉强度
图12 不同温度和拉伸速率下的对接抗拉强度
界面失效模式分析 对接样品在不同温度以及拉伸速率测试后的失效模式如图13~15所示，其中常温12000mm/s和120mm/s测试中以混合失效模式为主，即胶粘剂本体、胶粘剂与基材的粘接界面均发生了破坏，而200mm/s的失效模式则出现了①界面分层（4号和5号样品），②混合破坏（1号样品），③基材本身的破坏和混合破坏同时出现（2号和3号样品）等不同的失效模式。低温下的失效模式也以混合破坏为主。高温测试中，12000mm/s拉伸失效以混合破坏为主，200mm/s和120mm/s以界面失效为主。 图13 室温下高速拉伸后失效情况 图14 低温下高速拉伸后失效情况 图15 高温下高速拉伸后失效情况 总结 本案例进行了胶粘对接接头在高拉伸速率下的粘接强度测试，分析了拉伸速率和温度对粘接强度的影响。实验结果表明，胶粘接头在不同温度下的抗拉强度均具有较明显的速度敏感性，拉伸速率越大，抗拉强度约大。相同拉伸速率下，低温和高温环境均会使胶粘强度退化。不同环境和拉伸速率下，接头的失效模式也不同。 * 本文案例为国高材分析测试中心原创，转载请注明出处。
