軟粘合係統在剪切保持下的反直覺延遲失效

軟膠粘結構因其獨特力學性能被廣泛應用，但其在靜態載荷下出現的延遲失效現象常被忽視。尤其在剪切位移保持（宏觀鬆弛過程中無額外能量輸入）條件下的反常延遲失效機製尚不明確。本研究采用含時內(nei) 聚力模型（CZM）表征位移保持過程中軟膠粘的粘彈性行為(wei) ，並通過實驗與(yu) 數值模擬對兩(liang) 種膠接體(ti) 係（硬被粘體(ti) -硬基體(ti) -軟膠粘HSH，軟被粘體(ti) -硬基體(ti) -軟膠粘SSH）進行研究。CZM通過HSH的單搭接剪切實驗（單調加載、恒力保持、位移保持）驗證。通過粒子追蹤法觀測SSH在保持過程中軟被粘體(ti) 的變形場，發現延遲失效歸因於(yu) 裂紋前沿軟膠粘的局部蠕變，盡管宏觀上表現出鬆弛現象。研究探討了模量比、粘彈性及加載條件對延遲失效的影響，為(wei) 提升軟膠粘結構性能提供指導。

1. 引言

與(yu) 傳(chuan) 統硬膠粘結構不同，軟膠粘結構（如水凝膠、壓敏膠）具有大變形回複與(yu) 能量耗散能力，廣泛應用於(yu) 軟體(ti) 驅動器、超級電容器、應變傳(chuan) 感器及組織修複等領域。此類結構常麵臨(lin) 衝(chong) 擊、剝離、循環拉伸等載荷，當達到特定載荷水平後可能進入剪切位移保持狀態（如體(ti) 內(nei) 傳(chuan) 感貼片需長期附著）。延遲失效可分為(wei) 恒力保持與(yu) 位移保持兩(liang) 類，現有研究多集中於(yu) 恒力下的蠕變機製，而位移保持下無額外能量輸入卻發生延遲失效的反常現象機製尚待揭示。

2. 位移保持下延遲失效機製

本研究聚焦於(yu) 剪切位移保持下單搭接軟膠粘結構的延遲失效機製。通過實驗與(yu) 數值方法分析兩(liang) 種典型體(ti) 係：

• HSH體(ti) 係：硬被粘體(ti) 模量遠高於(yu) 軟膠粘，可視為(wei) 剛體(ti) 約束，膠層變形均勻。

• SSH體(ti) 係：軟被粘體(ti) 與(yu) 軟膠粘模量相近，變形協調更複雜。

研究表明，在位移保持過程中，盡管整體(ti) 結構宏觀力鬆弛，但SSH中裂紋前沿的軟膠粘因局部應力集中發生蠕變變形，持續積累內(nei) 稟應變能，直至達到臨(lin) 界值引發失效。這源於(yu) 軟被粘體(ti) 儲(chu) 存的彈性應變能釋放，驅動膠粘層局部蠕變。

3. 實驗與數值驗證

采用3M雙麵膠帶（厚度0.06 mm）作為(wei) 軟膠粘材料，PMMA作為(wei) 硬基體(ti) 與(yu) 被粘體(ti) 。通過單搭接剪切試驗（單調加載、恒力保持、位移保持）驗證含時CZM的準確性。有限元模擬采用Abaqus實現，膠粘層用CZM描述，PMMA設為(wei) 剛體(ti) 。結果表明，CZM能準確捕捉不同加載速率下的峰值力與(yu) 失效能，且能模擬恒力下的蠕變失效過程。在HSH位移保持實驗中，未觀察到延遲失效，因膠層受均勻約束。

4. SSH體係的延遲失效分析

SSH試樣以PDMS為(wei) 被粘體(ti) ，通過粒子追蹤法原位觀測變形場。發現位移保持過程中，PDMS的剪切滯後長度隨時間增加（因膠粘模量粘彈性下降），整體(ti) 結構呈宏觀鬆弛。同時，裂紋前沿膠粘局部伸長持續增加，表現出明顯蠕變行為(wei) ，最終引發脫粘。能量分析顯示，局部膠粘的內(nei) 稟應變能在蠕變中積累至臨(lin) 界值，導致失效。

5. 延遲失效影響因素

通過有限元分析探討以下因素對SSH延遲失效的影響：

1. 模量比：降低被粘體(ti) 模量可延長延遲時間、減小脫粘長度，模量比過高可能直接導致一次性失效。

2. 粘彈性：增加膠粘的粘彈性模量或特征時間會(hui) 線性延長延遲時間，但不影響最終脫粘長度。

3. 加載條件：存在失效相圖（無失效、延遲失效、一次性失效）。降低位移保持水平或提高拉伸速率可延緩失效；但位移水平超過臨(lin) 界值時延遲失效仍不可避免。

6. 結論

本研究揭示了位移保持下軟膠粘結構延遲失效的局部蠕變機製。通過含時CZM與(yu) 實驗驗證，闡明了軟被粘體(ti) 彈性應變能釋放驅動膠粘局部蠕變的核心機理。研究表明，通過降低位移保持水平、提高拉伸速率、選用低模量被粘體(ti) 等措施可延緩或避免延遲失效。研究結果為(wei) 軟膠粘結構的設計與(yu) 耐久性提升提供了重要參考。