摘要

       选用粘合剂用于高动态负荷环境时，要充分考虑到粘合剂的机械粘接性能，包括剪切、剥离和压缩强度。对一个部件而言，随着时间的推移，金属、塑料和粘合剂部分可能会出现疲劳表现。疲劳可减弱这些部件的整体强度，并可能导致它们过早失效。对于粘合剂来说，这是由于受到磨损和动态移动所带来的影响，剪切强度的变化幅度极大，从数千降至数百PSI，并最终导致失效。我们一般都会认为，剪切强度越高，部件的使用寿命就会越长，因此，在选择用于粘接接合点的粘合剂时，我们往往会优先考虑剪切强度最高的那一款。不过，经过测试后，我们发现，剪切强度和部件的使用寿命并不存在直接的正相关关系。

       在复合粘合剂（Loctite®HY4090GY™ 和HY4070™）和环氧粘合剂（Loctite®E-20HP™）的对比测试中，环氧粘合剂在剪切强度的表现明显优于复合粘合剂，但后者的耐久极限远高于前者。整体而言，甲基丙烯酸甲酯（MMA）粘合剂（Loctite® H8003™）在所有测试过的粘合剂中展示了最强的抗疲劳性能。

       引言

       就整个行业而言，粘合剂可分为结构和非结构粘合剂。一般情况下，结构粘合剂粘接性强、耐用，用于将两部分粘接在一起；非结构粘合剂的粘接性通通常较弱，一般固化后裸露在外，比如用于灌封。分别给这两者的应用举个例子：用环氧来粘接两块钢（结构性），而用有机硅或硅烷改性聚合物（SMP）来密封住浴缸和地板之间的缝隙，以防止水渗透进地下室（非结构性）。不过，需要注意的是，在一些应用中，非结构粘合剂也可用作结构粘合剂，如作为垫圈使用时，或者用于粘接挡风板时。

       我们知道，双组份环氧粘合剂对金属具有极强的粘接能力，同时还具有很强的耐环境和耐化学性能；双组份丙烯酸粘合剂对塑料粘接性很强，防振动和冲击的能力也强。基于这两类材料的优势，汉高分别将它们与氰基丙烯酸酯结合，开发出通用型结构粘接剂，即复合粘合剂。开发这类复合粘合剂的目的是用于粘接几类不同的基材，包括金属和塑胶。该复合粘接剂在保留环氧的耐用性和丙烯酸的强韧性的同时，能够提供足够的初步固定速度（fixture speed）。本文的目的是为了评估环氧、丙烯酸和复合粘合剂的抗疲劳性能。

       定义

       SMP – 硅烷改性聚合物

       GBMS – 喷砂低碳钢

       MMA – 甲基丙烯酸甲酯

       耐久极限 -  材料在能够抵抗无限数量的循环且不会破损时的最大应力（Merriam-Webster词典）

       分析

       方法：

       剪切强度根据汉高搭接剪切强度方法进行测量，参照标准为ASTM D1002-05（“拉伸载荷粘合剂的强度特性（金属对金属）”）。在剪切强度测试中，喷砂低碳钢（GBMS）的接头的重叠长度为0.5英寸，用玻璃珠隔开，间隙为0.011英寸。Loctite® H8003™自身含0.011英寸间隔物，因此没有另外添加。随后，胶料在标准实验室条件下固化至少7天。该测试的加载速度为0.08英寸/分钟。

       在置信区间为95%的条件下，对这些剪切强度结果进行评估，以确定用于疲劳测试的载荷。95%置信区间的最低水平视作验证载荷（1个循环），并用于确定描绘S-N曲线所需的载荷。S-N曲线反映了应力和循环的变化关系，用于确认组件的有限和无限使用寿命。所测得的验证荷载百分比为20%、40%、60%和80%，少数情况除外。该测试的循环上限设为3600万次，并以ASTM-D3166为参照标准。试样被施加从20%、40%、60%和80%（σmax）目标验证载荷至10%（σmin）目标验证载荷的循环载荷（见图1）。这些试样粘接的方式和剪切强度试样是完全一样的，只是重叠长度为0.4英尺。

       图1：疲劳测试循环载荷（Bastidas-Artega）

       材料：                                                                                           

       图表：

       下图（图2）为所测产品的S-N曲线，这是线性刻度上最适合的对数曲线。观察后可以得出，Loctite® H8003™具有最强抗疲劳性能，Loctite® E-05CL™的抗疲劳性能则最弱。

       图3为图2 的精简版本，放大显示了300万循环内的趋势线交互关系。观察后发现，在50万循环内， Loctite® E-20HP™的抗疲劳性能落后于Loctite® HY4080GY™, HY4070™ 及HY4090GY™的抗疲劳性能。

       图2：汉高产品S-N曲线

       图3：汉高产品S-N曲线（300万循环以下）

       下表显示了通过剪切强度测试确定的最终强度、耐久极限和在耐久极限下的 % 强度保持率。

       结论

       总体来看，具有最高耐久极限的是Loctite® H8003™ (MMA)。该产品表现出和丙烯酸一致的性能：高剪切强度、抗冲击强度以及优异的延伸性。表现最差的是Loctite® E-05CL™，该产品为5分钟环氧材料，一般用于灌封。

       相对来说，复合粘合剂缺乏初始粘接强度，但总体而言，它们的表现优于高性能环氧，而后者一般被认为是耐用性很高的材料。硬质聚氨酯Loctite®1351™展示了高抗疲劳性能，但当验证载荷高于50%时，其全部强度在完成较少数量的循环后，便基本丧失了。

       根据数据，我们可以看到：MMA保留了其48%的初始极限强度；复合粘合剂保留了35%至40%；聚氨酯保留了越45%；环氧则保留了7%。

       总体来看，对于金属与金属间的粘接应用，首先考虑MMA，因其高抗冲击强度、高剪切强度和长期的抗疲劳性能；由于复合粘合剂适用于众多基材，以及其高剪切强度和良好的抗疲劳性能，建议用于金属与塑料间的粘接；因为聚氨酯对于金属和环氧基材料具有良好的粘接强度，以及其高耐剪切和抗疲劳性能，因此在粘接这类基材时，优先考虑聚氨酯；环氧抗疲劳性能弱，建议用于金属与金属间的粘接应用，因为这类应用相对静态，变化较小。

       参考文献

·         ASTM D1002-05(2005), Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal-to-Metal), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2005, www.astm.org

·         ASTM D3166-99 (2012), Standard Test Method for Fatigue Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal/Metal), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org

·         Bastidas-Arteaga, Emilio. ResearchGate, Sept. 2009, www.researchgate.net/figure/Fatigueloading-a-Simple-constant-amplitude-cyclic-stress-fluctuation-b_fig7_278645971

·         Fatigue Limit, www.merriam-webster.com/dictionary/fatigue%20limit

       致谢

       Robert Chen在剪切测试和疲劳测试中协助粘接并测试固化后的粘合剂，在此表示感谢。

       附录