膠接的起源
人類使用(yòng)膠黏劑有着悠久的曆史，是一門(mén)古老(lǎo)而又年輕的技術。所謂古老(lǎo)，是指它在使用(yòng)上(shàng)曆史悠久，可追溯到(dào)古代；所謂年輕，是指它在理(lǐ)論上(shàng)，特别是膠接機制、膠接強度以及其計(jì)算(suàn)上(shàng)還研究的不夠，對(duì)膠接機制的研究是近百年來(lái)才開(kāi)始的，Young通過對(duì)表面張力的研究，提出了(le)著名的Young方程，到(dào)了(le)20世紀40年代相繼有了(le)幾種學說，主要的理(lǐ)論包括：20世紀40年代A.D.Mclaren等提出的吸附理(lǐ)論、Deryaguin等提出的靜電理(lǐ)論、Voyutskii等提出擴散理(lǐ)論，60年代前後建立并逐步完善的化學鍵理(lǐ)論、弱界面層理(lǐ)論、機械結合理(lǐ)論和(hé)膠黏劑流變學理(lǐ)論等。
随着合成材料的出現(xiàn)，開(kāi)辟了(le)膠黏劑工(gōng)業發展的新局面，膠接技術近年來(lái)發展迅猛，用(yòng)用(yòng)面廣，涉及各行各業，已成爲促進國民經濟發展的重要技術手段之一，起到(dào)越來(lái)越重要的作(zuò)用(yòng)。
膠接的特點
膠接連接方法與傳統的連接方法相比有其獨特的優點，特定條件下(xià)，可以根據設計(jì)要求提供所需的功能(néng)，一般具有如下(xià)特點：
1.膠接連接能(néng)最充分地利用(yòng)被膠接材料的強度。由于膠接不需要鉚接和(hé)螺栓連接中的過孔，因此不會(huì)減少材料的有效橫截面接；膠接操作(zuò)溫度低(dī)，可避免焊接時(shí)高(gāo)溫引起的結構變形和(hé)金(jīn)相組織的變化，或者塗層、退火狀态的變化，因此，膠接能(néng)夠充分利用(yòng)各種材料，尤其是高(gāo)強度材料的全部強度
2.膠接能(néng)提高(gāo)接頭的疲勞壽命。膠接時(shí)膠黏劑均勻分布于膠接面上(shàng)，無螺紋和(hé)焊縫，不會(huì)形成應力集中，提高(gāo)了(le)接頭的疲勞壽命，而且膠接構件中，疲勞裂紋的擴展速度很(hěn)慢，這(zhè)一點使膠接連接在飛(fēi)機制造中獲得了(le)廣泛的應用(yòng)。美(měi)國沃特公司研制的翼盒分段件，可以使其常規使用(yòng)壽命延長2倍以上(shàng)
3.膠接構件有效地減輕了(le)質量。由于不使用(yòng)鉚釘、螺栓而減輕了(le)接頭的質量；膠接件受力均勻，可采用(yòng)薄壁結構，極大(dà)地減輕了(le)接頭的質量。據報(bào)道(dào)，某飛(fēi)機機身采用(yòng)膠接連接，結構質量減輕15%，總費用(yòng)節約25%-30%；一架重型轟炸機用(yòng)膠接代替鉚接，質量減少了(le)34%；一台大(dà)型雷達采用(yòng)膠接結構，可減輕質量20%
4.膠接接頭可根據使用(yòng)要求，選取相應的膠黏劑，賦予膠接接頭以特定的功能(néng)。常見的導電、導磁、密封、抗特定介質腐蝕功能(néng)的膠接接頭
5.膠接适用(yòng)的材料範圍廣。它可用(yòng)于金(jīn)屬材料之間或非金(jīn)屬材料之間的連接，也(yě)可用(yòng)于金(jīn)屬與非金(jīn)屬材料之間的連接，木(mù)質纖維材料的膠接，适用(yòng)範圍十分廣
6.膠接接頭耐環境應力強。由幾種金(jīn)屬材料構成的接頭，采用(yòng)膠接連接可避免金(jīn)屬接觸電偶産生的電化學腐蝕；膠接本身也(yě)不存在化學腐蝕；膠接連接對(duì)水(shuǐ)、空(kōng)氣及其他(tā)介質有良好(hǎo)的密封性能(néng)，減少了(le)介質對(duì)接頭的腐蝕，從(cóng)而增強了(le)接頭的耐環境應力
7.膠接工(gōng)藝簡單。對(duì)操作(zuò)的熟練程度要求低(dī)，生産易于自(zì)動化，生産效率高(gāo)，成本低(dī)
膠接的缺點
說了(le)這(zhè)麽多優點，并不是膠接隻有優點沒有缺點，在連接上(shàng)也(yě)會(huì)有一些(xiē)不足
1.膠接強度低(dī)，遠不如金(jīn)屬材料
2.使用(yòng)溫度也(yě)比較低(dī)，一般在-50 ~ 150℃，隻有耐高(gāo)溫膠黏劑才可長期工(gōng)作(zuò)在250℃，或者短期工(gōng)作(zuò)于350 ~ 400℃
3.膠接接頭強度的影響因素多，對(duì)材料、工(gōng)藝條件和(hé)環境應力極爲敏感
4.接頭性能(néng)的重複性差
5.使用(yòng)壽命有限
6.膠黏劑對(duì)材料的膠接不如鉚接和(hé)螺栓連接那麽普遍，有的材料難以或無法用(yòng)膠黏劑連接
以上(shàng)的這(zhè)些(xiē)缺陷，在一定程度上(shàng)限制了(le)膠接連接應用(yòng)範圍
膠接的作(zuò)用(yòng)力
膠接界面的作(zuò)用(yòng)力與膠接強度直接相關，一般認爲界面上(shàng)作(zuò)用(yòng)力有三類：
1.靜力：“投錨”作(zuò)用(yòng)和(hé)摩擦作(zuò)用(yòng)等産生的力，理(lǐ)論上(shàng)對(duì)界面膠接強度的貢獻可以達到(dào)1.4 ~ 7.0 MPa
2.界面分子間作(zuò)用(yòng)力：由倫敦色散、偶極與氫鍵等作(zuò)用(yòng)産生的力，理(lǐ)論上(shàng)對(duì)膠接強度的貢獻可達到(dào)7.0 x 10² ~ 7.0 x 10³ MPa
3.化學鍵力：化學反應形成化學鍵，理(lǐ)論上(shàng)對(duì)膠接強度的貢獻可達到(dào)7.0 x 10³ ~ 7.0 x 104 MPa
這(zhè)三種作(zuò)用(yòng)力對(duì)于一個膠接體系可能(néng)同時(shí)存在，但(dàn)起的作(zuò)用(yòng)大(dà)小(xiǎo)随情況而異，一般來(lái)說，分子間作(zuò)用(yòng)力對(duì)膠接強度的貢獻占較大(dà)的比例，但(dàn)抗介質和(hé)水(shuǐ)腐蝕能(néng)力主要決定于化學鍵力。在實際應用(yòng)上(shàng)，膠接強度隻能(néng)達到(dào)理(lǐ)論值的極少一部分，其主要原因是膠接過程中分子間不良接觸導緻膠接界面上(shàng)留有微孔缺陷，減少了(le)膠接面積，引起應力集中，促使其早期破壞，另外(wài)，由于界面存在殘餘熱應力和(hé)收縮應力也(yě)促使強度損失
理(lǐ)想的膠接是當兩個表面彼此緊密接觸之後，分子間産生相互作(zuò)用(yòng)，達到(dào)一定程度而形成膠接鍵，最後達到(dào)熱力學平衡的狀态。由于沒有考慮實際因素，理(lǐ)想的膠接實際是不存在的，而且理(lǐ)想的膠接強度比實際的膠接強度要大(dà)幾個數量級，但(dàn)是理(lǐ)想的膠接有一定的理(lǐ)論意義，通過對(duì)機理(lǐ)的分析，對(duì)實際的膠接過程有重要的指導意義
實際的膠接，大(dà)多數都需要使用(yòng)膠黏劑，才能(néng)使兩個固體通過表面結合起來(lái)。由于膠黏劑的流動性和(hé)較小(xiǎo)的表面張力，對(duì)被粘物表面産生了(le)濕潤作(zuò)用(yòng)，使界面與膠黏劑分子緊密接觸，膠黏劑分子通過自(zì)身的運動，與界面達到(dào)吸附平衡，之後再對(duì)被粘物表面進行跨界面的擴散作(zuò)用(yòng)，形成擴散界面區(qū)，進行膠黏劑分子與被粘物界面的緊密接觸，形成以次價力或化學鍵爲主的膠接鍵
膠接接頭的幾種基本形式
1.搭接接頭（Lap Joint）：由兩個被膠接部分的疊合，膠接在一起所形成的接頭
2.面接接頭（Surface Joint）：兩個被膠接物主表面膠接在一起所形成的接頭
3.對(duì)接接頭（Butt Joint）：被膠結物的兩個端面與被膠結物主表面垂直
4.角接接頭（Angle Joint）：兩被膠結物的主表面端部形成一定的角度的膠接接頭
受力分析
接頭膠層在外(wài)力作(zuò)用(yòng)時(shí)，有4種受力情況
1.正拉：外(wài)力與膠接面垂直，且均勻分布于整個膠接面
2.剪切：外(wài)力與膠接面平行，且均勻分布于整個膠接面上(shàng)
3.剝離：外(wài)力與膠接面形成一定角度，并集中分布在膠接面的某一線上(shàng)
4.劈開(kāi)：外(wài)力垂直于膠接面，但(dàn)不均勻分布在整個膠接面上(shàng)
一般爲了(le)便于分析，會(huì)将上(shàng)面的4種應力簡化爲拉應力和(hé)剪切力兩大(dà)類
影響膠接作(zuò)用(yòng)的因素
1.膠黏劑
絕大(dà)多數固體表面從(cóng)微觀上(shàng)來(lái)講都是凹凸不平的，這(zhè)樣的表面疊合起來(lái)的時(shí)候，隻有很(hěn)小(xiǎo)的點面可以互相接觸，因此分子的總吸引力很(hěn)小(xiǎo)，很(hěn)容易被分開(kāi)，膠黏劑通過填補不規則的粗糙表面提高(gāo)分子的接觸，提高(gāo)膠接強度
膠黏劑主要有以下(xià)幾種品種：
- 溶劑型膠黏劑：通過溶劑的蒸發或擴散、滲透而固化
- 熱熔型膠黏劑：通過降低(dī)溫度而固化
- 化學反應型膠黏劑：在一定的溫度（通常是升溫）下(xià)，通過内部産生聚合或縮聚反應而固化
2.粘度
液體的粘度主要受分子量影響，一般來(lái)說，随着溫度的升高(gāo)，粘度下(xià)降，熱熔膠的熔融粘度受溫度的影響更爲明(míng)顯。粘度低(dī)，膠黏劑較容易濕潤鋪展，可得到(dào)較高(gāo)的膠接強度，但(dàn)是過低(dī)的粘度會(huì)導緻流淌，内聚強度降低(dī)，當溶劑蒸發時(shí)，收縮會(huì)太大(dà)，應力集中較嚴重，膠接強度反而會(huì)降低(dī)，在調制或選擇膠黏劑時(shí)要考慮各種影響，設計(jì)最佳的粘度。膠黏劑在低(dī)粘度狀态的時(shí)間久一些(xiē)，可以增加接觸的程度和(hé)膠接強度
3.表面能(néng)
實踐證明(míng)，凡是液體或膠黏劑表面張力低(dī)于集體表面張力，就會(huì)表現(xiàn)出良好(hǎo)的濕潤鋪展效果，而且分子接觸比較緊密，會(huì)出現(xiàn)較高(gāo)的膠接強度，非極性聚合物，如聚乙烯和(hé)聚四氟乙烯的表面能(néng)和(hé)臨界表面張力較小(xiǎo)，濕潤與膠接效果均不好(hǎo)，需要進行表面改性，才能(néng)夠滿足膠接要求
4.弱邊界層
邊界層主要是指與固體、液體、氣體緊密接觸的邊緣部分，如果邊界層裏存在低(dī)強度區(qū)域，則稱爲弱邊界層。造成弱邊界層的原因，可能(néng)爲以下(xià)幾種：
- 聚合過程中帶入的雜(zá)質影響，例如混入了(le)低(dī)分子量的有機雜(zá)質，如潤滑油
- 聚合過程未全部轉化的參與低(dī)分子量尾料
- 儲存運輸過程中，不慎混入的雜(zá)質
- 加入的抗氧化劑、增塑劑、紫外(wài)光吸收劑、潤滑劑等低(dī)分子量助劑的影響
- 成型加工(gōng)過程中帶入的雜(zá)質，如脫模劑的影響
目前的重點研究課題
以下(xià)是部分目前的重點研究課題：
1.納米膠黏劑：納米材料是一種新材料，是由納米量級的晶态或非晶态超細材料構成的固态物質，由于尺寸小(xiǎo)，使其具有高(gāo)強度、高(gāo)韌性、高(gāo)比熱、高(gāo)導電、高(gāo)導磁性等特點，在環氧樹脂膠黏劑中加入8%的納米金(jīn)剛石粉，膠層的耐磨性提高(gāo)2倍多，拉伸強度能(néng)提高(gāo)27.5%
2.環保：環保壓力越來(lái)越大(dà)，需要研究出不污染環境的膠黏劑，例如天然膠黏劑
3.膠接理(lǐ)論的深入研究，形成膠接科學學說
4.找出膠接強度的普适表達式，實現(xiàn)膠接強度的無損檢測
5.開(kāi)發直接能(néng)夠膠接低(dī)能(néng)表面的膠黏劑
6.開(kāi)發固化更快(kuài)，效率更高(gāo)，成本更低(dī)，材料更省，能(néng)源更省的膠黏劑
7.各種特殊功能(néng)的膠黏劑，如耐高(gāo)溫的有機膠黏劑，微電子行業用(yòng)的膠黏劑等
