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軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞研究綜述1)

2021-11-09 06:26朱忠猛楊卓然
力學(xué)學(xué)報(bào) 2021年7期
關(guān)鍵詞:黏合劑基底基體

朱忠猛 楊卓然 蔣 晗

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

引言

因其特有的低模量和能量耗散等“軟”的特性以及優(yōu)異的“小激勵(lì)大響應(yīng)”等特征,多種多樣的軟材料,如水凝膠、介電彈性體以及聚甲基氧硅烷等被廣泛應(yīng)用在軟機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)和柔性電子等各個(gè)領(lǐng)域[1-4].近些年,軟材料的力學(xué)行為已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一.在實(shí)際應(yīng)用中,軟材料一般需要粘附于某種基底材料上,與之共同組成具有特定功能的結(jié)構(gòu).如在軟機(jī)器人設(shè)計(jì)中,通過疊加多層軟材料制備的層合結(jié)構(gòu)可以制作強(qiáng)韌的氣動(dòng)腔,為軟機(jī)器人的移動(dòng)提供動(dòng)力[2];柔性電子器件需要緊密貼合在皮膚上以進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和傳輸[3]等.在這些應(yīng)用中,軟材料與不同類型基底之間粘接界面的性能對(duì)產(chǎn)品功能的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵性作用.一旦界面發(fā)生損傷或破壞,會(huì)對(duì)粘接結(jié)構(gòu)的完整性以及器件功能的可靠性造成嚴(yán)重?fù)p害.因此,針對(duì)軟材料粘接界面破壞行為的研究具有重要的理論指導(dǎo)意義與工程應(yīng)用價(jià)值.

過去幾十年,軟材料粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞行為已經(jīng)得到了國際國內(nèi)學(xué)者廣泛的關(guān)注.一些高質(zhì)量的綜述性文章也陸續(xù)發(fā)表[5-8],如Creton 等[5]針對(duì)軟材料斷裂以及壓敏膠粘接界面破壞行為的系統(tǒng)綜述,許巍等[7]針對(duì)粘結(jié)界面破壞機(jī)理的較為全面的總結(jié),陳少華等[8]針對(duì)粘附接觸力學(xué)及薄膜/基底界面力學(xué)的系統(tǒng)總結(jié)等.上述綜述論文對(duì)粘接結(jié)構(gòu)界面力學(xué)行為的研究進(jìn)行了較為深入的總結(jié)和評(píng)述,然而研究對(duì)象偏重于傳統(tǒng)的由金屬、塑料等“硬”質(zhì)材料組成的粘接結(jié)構(gòu),較少涉及由具有顯著大變形、黏彈性耗散特征的軟材料借助軟黏合劑等與不同基底構(gòu)成的粘接結(jié)構(gòu).鑒于此,本文將系統(tǒng)地總結(jié)軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬研究,從軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的獨(dú)特性出發(fā),重點(diǎn)討論軟材料基體的獨(dú)特力學(xué)行為及粘接界面的能量耗散特性對(duì)界面破壞的影響,并基于已有研究進(jìn)展,對(duì)未來可能的軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的研究方向進(jìn)行展望.

本文內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下:第1 節(jié)通過與傳統(tǒng)“硬”質(zhì)粘接結(jié)構(gòu)的對(duì)比,介紹軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的獨(dú)特性及其物理來源;第2 節(jié)總結(jié)軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展;第3 節(jié)在實(shí)驗(yàn)表征工作的基礎(chǔ)上,回顧與總結(jié)針對(duì)軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的理論分析方法,并對(duì)已建立的相關(guān)理論模型進(jìn)行總結(jié);第4 節(jié)介紹基于內(nèi)聚力模型(cohesive zone model,CZM)方法的軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為數(shù)值模擬分析的相關(guān)進(jìn)展;第5 節(jié)基于已有的研究成果,提出目前研究所面臨的挑戰(zhàn),并對(duì)可能的軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的未來研究方向和內(nèi)容進(jìn)行討論和展望;第6 節(jié)結(jié)語.

1 軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的獨(dú)特性

在粘接結(jié)構(gòu)中,被粘物與粘接基底之間可借助黏合劑(厚度一般為10~ 300 μm[5])連接或通過化學(xué)鍵/物理相互作用直接連接,如圖1 所示.為避免歧義,與許巍等[7]的定義類似,本文首先規(guī)定所討論的粘接界面泛指被粘物與粘接基底之間所有起到連接作用的界面相,而非狹義的被粘物與黏合劑/基底之間的界面.從斷裂力學(xué)的角度,粘接界面的破壞可以被看作是一種特殊的具有確定路徑的斷裂行為.傳統(tǒng)上,粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞行為常使用經(jīng)典的線彈性斷裂力學(xué)理論(如Griffith 理論等)來描述[9].對(duì)線彈性材料組成的粘接結(jié)構(gòu),根據(jù)Griffith 理論,當(dāng)界面裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí),形成新表面所需要的表面能w=Uw?Uel.其中,Uw是外部加載功,Uel是材料彈性應(yīng)變能,w=γ1+γ2?γ12為Dupré界面粘附功,γ1,γ2分別是兩個(gè)粘接表面的熱力學(xué)表面能,γ12為界面能.界面裂紋擴(kuò)展的能量釋放率可以表示為

圖1 不同粘接結(jié)構(gòu)剝離過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of peeling of different adhesive structures

其中A為粘接面積.對(duì)彈性固體而言,形成緊密接觸的最小要求是單位接觸面積黏合劑中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能不超過Dupré粘附功[10-12].

對(duì)于由脆性陶瓷、玻璃或韌性金屬、聚碳酸酯等材料通過環(huán)氧樹脂膠等硬質(zhì)黏合劑連接組成的粘接結(jié)構(gòu)(即“硬”質(zhì)粘接結(jié)構(gòu),如圖1(a)所示),雖然界面裂紋尖端附近較小的區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)非彈性/非線性行為,并可能伴隨部分塑性或黏彈性耗散(也稱為小尺度屈服[5]),但在該區(qū)域以外,界面、被粘物基體材料始終滿足線彈性變形規(guī)律,線彈性斷裂力學(xué)依然能夠描述該類界面破壞過程.此時(shí),粘附功w可用界面粘接能Γ來替換,Γ包含裂尖局部的塑性或黏彈性耗散,界面裂紋擴(kuò)展的能量釋放率可以表示為

通過壓敏膠等軟黏合劑連接的,由“硬”質(zhì)被粘物與粘接基底組成的粘接結(jié)構(gòu)稱為“軟界面”粘接結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示.依據(jù)Dahlquist 的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則[13],軟黏合劑在1 Hz 時(shí)儲(chǔ)能模量不超過0.1 MPa,在大變形下的力學(xué)響應(yīng)一般具有顯著的非線性特征.這就使得“軟界面”粘接結(jié)構(gòu)在界面破壞過程中,裂尖可能發(fā)生顯著鈍化,基于線彈性斷裂力學(xué)推導(dǎo)的裂尖應(yīng)力場分布不再適用[14-16].然而,即使在這種情況下,如果黏合劑依然保持彈性變形,塑性或黏彈性耗散僅限于裂尖附近較小(遠(yuǎn)小于材料宏觀尺寸)的區(qū)域,能量方法依然適用.由于軟黏合劑變形過程中分子網(wǎng)絡(luò)的相互摩擦,黏彈性耗散十分顯著,這些耗散不僅存在于界面裂紋尖端區(qū)域,也大量發(fā)生于塊體黏合劑內(nèi)部.此時(shí),傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法所直接獲取的界面粘接能(Γ 可能要比w高幾個(gè)量級(jí))就不再是一個(gè)只與材料本征性能有關(guān)的參數(shù),而與結(jié)構(gòu)響應(yīng)直接相關(guān),每種具體的加載構(gòu)型(如剝離角度、剝離速度等)都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的表觀粘接能[5].

“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)是指由高彈體或水凝膠等軟材料作為被粘物基體,通過軟黏合劑或直接的化學(xué)/物理鍵與硬/軟粘接基底連接組成的粘接結(jié)構(gòu),如圖1(c)所示.一般軟材料的彈性模量在103~ 107Pa之間,具有典型的大變形、非線性甚至黏彈性特性.基體材料的非線性特征使得基于線彈性假設(shè)推導(dǎo)的界面破壞理論,在描述軟材料粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞行為時(shí)會(huì)帶來極大誤差.同時(shí),由于基體的厚度可能遠(yuǎn)大于黏合劑,基體的黏彈性耗散也可能遠(yuǎn)超黏合劑,對(duì)表觀粘接能起主控作用,此時(shí),只考慮黏合劑能量耗散所建立的一系列理論也就難以準(zhǔn)確描述界面破壞行為.

相對(duì)于“軟界面”粘接結(jié)構(gòu),“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞問題更加復(fù)雜.首先,界面與基體都可能具有的大變形、非線性和黏彈性特性對(duì)界面破壞的影響難以在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行有效分離,破壞機(jī)理以及性能參數(shù)很難得到準(zhǔn)確的表征.另外,軟材料基體與軟黏合劑性能對(duì)界面破壞可能的耦合影響也進(jìn)一步提高了破壞機(jī)理分析與理論建模的難度.

本文重點(diǎn)關(guān)注軟黏合劑與軟材料基體的非線性與能量耗散特征對(duì)軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的影響,系統(tǒng)梳理該領(lǐng)域的研究脈絡(luò),并總結(jié)現(xiàn)有研究的重要進(jìn)展,探討亟待進(jìn)一步深入研究的主題,對(duì)未來軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞方面的研究提出建議.

2 軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的實(shí)驗(yàn)研究

源于粘接結(jié)構(gòu)的廣泛使用以及粘接界面破壞的普遍發(fā)生,針對(duì)粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的研究已經(jīng)開展了數(shù)十年,并且得到了長足的發(fā)展.早期研究主要針對(duì)具體的粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)行為測試.在這一階段,大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得以積累,后期對(duì)界面破壞機(jī)理的深入探索又促進(jìn)了理論分析以及數(shù)值模擬工作的蓬勃發(fā)展[7].本章對(duì)軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為方面的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行總結(jié).

軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面性能的強(qiáng)弱一般可用界面粘接能來表征[5].表觀界面粘接能可以通過剝離與拉拔兩種具有代表性的測試方式得到.表觀界面粘接能的大小不僅決定于被粘物基體、黏合劑的力學(xué)性能,同時(shí)也受到加載模式等的影響.對(duì)“軟界面”粘接結(jié)構(gòu),基體變形較小且一般限于彈性,粘接能主要由黏合劑性能決定;對(duì)“軟基體”粘接結(jié)構(gòu),基體變形顯著,并可能伴隨大量的能量耗散,對(duì)表觀界面粘接能的影響不可忽略.本章將基于剝離與拉拔兩種方式,介紹上述兩種粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展.

2.1 “軟界面”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞

對(duì)于“軟界面”粘接結(jié)構(gòu),被粘物基體變形一般限于彈性,可以通過剝離測試來方便地觀察界面穩(wěn)態(tài)破壞過程,結(jié)合穩(wěn)態(tài)剝離力與剝離速率之間的關(guān)系,分析界面穩(wěn)態(tài)破壞機(jī)理.剝離測試是分析軟黏合劑穩(wěn)態(tài)破壞過程的理想方法,通過將黏合劑固接在一個(gè)可以彎曲但難以伸長(或伸長很小)的背板上,以一定的角度和速度將黏合劑與背板同時(shí)從剛性基底上剝離(圖2(a)),通過穩(wěn)態(tài)剝離力(圖2(b))來計(jì)算表觀界面粘接能.由于基體材料的拉伸剛度遠(yuǎn)大于黏合劑,其拉伸變形一般可以忽略,因此,除極小的剝離角度以外,能量釋放率可以表示為[17-19]

圖2 剝離示意圖與典型力?位移曲線Fig.2 Schematic diagram of peeling and typical force-displacement curve

其中b是背板的寬度,F是穩(wěn)態(tài)剝離力,θ是剝離角度.對(duì)于界面裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展行為,能量釋放率就對(duì)應(yīng)了表觀界面粘接能.在實(shí)際工程應(yīng)用中,界面粘接能多通過90°或180°下的剝離實(shí)驗(yàn)測試.

“軟界面”粘接結(jié)構(gòu)的表觀界面粘接能主要與黏合劑流變學(xué)性能、表面相互作用強(qiáng)度、黏合劑幾何條件(如厚度)和加載工況(剝離角度)等因素有關(guān).過去幾十年間,學(xué)者們借助剝離實(shí)驗(yàn),對(duì)以上因素對(duì)“軟界面”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的影響開展了系統(tǒng)地研究.通過大量的不同角度與溫度下的剝離測試,學(xué)者一致發(fā)現(xiàn),剝離力(與表觀界面粘接能等價(jià))隨速率和溫度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以用與描述黏合劑塊體材料線性黏彈性相同的時(shí)溫等效原理疊加到一條主曲線上[20-24],這也表明剝離過程中的能量耗散主要源于黏合劑的線性黏彈性.隨著黏合劑厚度的增大,界面破壞過程中黏合劑黏彈性耗散增加,表觀界面粘接能隨之提高[25-27].隨著剝離角度的增加,界面粘接能逐漸降低[28-31].剝離速率的提高則可能引起界面破壞模式的改變,隨剝離速率的加快,界面粘接能先逐漸增加至峰值,之后逐漸下降,伴隨著界面破壞模式由穩(wěn)態(tài)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的黏?滑破壞[32-34].

雖然剝離測試的實(shí)驗(yàn)過程較為簡單,但由于背板與黏合劑變形的耦合,界面裂紋前緣區(qū)域黏合劑的應(yīng)變分布十分復(fù)雜,難以進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和表征,難以分析黏合劑真實(shí)的變形與失效機(jī)理.由于表觀界面粘接能與黏合劑厚度以及剝離角度都相關(guān)[25,34],如果黏合劑真實(shí)的變形與失效機(jī)理不清楚,實(shí)驗(yàn)所獲取的界面粘接能就只能用來進(jìn)行定性的對(duì)比,無法作為界面性能嚴(yán)格的表征.

界面破壞過程中黏合劑變形與失效機(jī)理可通過拉拔測試來分析.拉拔測試適用于對(duì)黏合劑的獨(dú)立表征,實(shí)驗(yàn)中將圓柱形的平面或半球形壓頭以一定的速度從黏合劑中勻速拉出(圖3(a)),通過名義應(yīng)力?應(yīng)變曲線(圖3(b))計(jì)算界面粘接能.

圖3 拉拔測試示意圖及典型名義應(yīng)力?名義應(yīng)變曲線[5]Fig.3 Schematic diagram of probe-tack and typical nominal stress-strain curve[5]

名義應(yīng)力?名義應(yīng)變曲線的形狀還可以揭示變形細(xì)節(jié),結(jié)合對(duì)界面破壞過程的實(shí)時(shí)觀察,對(duì)黏合劑的變形與失效機(jī)理進(jìn)行分析.如圖4(b)所示,黏合劑與(粗糙)基底材料的粘接面不可避免地存在不同程度的缺陷,比如界面殘留的一些小氣泡等.隨著載荷的施加,這些缺陷逐漸形成空洞并不斷擴(kuò)大.在后續(xù)加載過程中,由于黏合劑性能的差異,界面可能有兩種不同的破壞機(jī)理:(1)界面破壞,即空洞以裂紋形式沿界面發(fā)展;(2)黏合劑塊體破壞,對(duì)應(yīng)內(nèi)聚破壞,即空洞沿平行于拉伸應(yīng)力的方向發(fā)展最終形成纖維結(jié)構(gòu)[35-41].

圖4 拉拔測試典型名義應(yīng)力?應(yīng)變曲線及界面破壞機(jī)理[5]Fig.4 Typical nominal stress-strain curve of probe-tack test and interfacial debonding mechanism[5]

假設(shè)黏合劑材料的力學(xué)性能滿足Neo-Hookean形式,塊體破壞與界面破壞機(jī)理兩者間的轉(zhuǎn)變可用Γ/Ea與ha的關(guān)系來定性估計(jì),其中,Ea與ha分別為黏合劑的彈性模量與厚度.對(duì)極弱的粘接界面(Γ/Ea?ha),初始缺陷處形成的空洞沿界面發(fā)展并相互融合形成宏觀裂紋,最終引起黏合劑完全脫離基底材料表面.對(duì)一般的壓敏膠材料(Γ/Eaha),界面上的任何初始缺陷都傾向于在塊體黏合劑中發(fā)展,界面擴(kuò)展不再發(fā)生[42-43].實(shí)驗(yàn)也表明,當(dāng)塊體黏合劑模量較低、黏合劑與基底間界面相互作用較強(qiáng)時(shí),塊體破壞機(jī)理更容易發(fā)生[44],形成的纖維形貌強(qiáng)烈依賴于黏合劑的黏彈性能[45].

空洞在界面或塊體黏合劑內(nèi)部擴(kuò)展的不同機(jī)理會(huì)導(dǎo)致能量耗散的巨大差異.對(duì)黏合劑塊體破壞,圍繞空洞的黏合劑材料沿加載方向顯著伸長,會(huì)產(chǎn)生大量能量耗散,且空洞不會(huì)融合.對(duì)界面破壞,多個(gè)界面缺陷處萌生的細(xì)小裂紋會(huì)相互融合,此時(shí)塊體黏合劑只發(fā)生很小的變形,能量耗散也較小.

最近,Pandey 等[46]從實(shí)驗(yàn)的角度建立了剝離測試與拉拔測試之間的聯(lián)系:剝離測試中,剝離前緣纖維的最大應(yīng)變、平均應(yīng)力和界面粘接能分別與拉拔測試中纖維最大應(yīng)變、平均平臺(tái)應(yīng)力與界面粘接能基本一致,表明黏合劑的黏彈性性能是影響界面粘接的關(guān)鍵因素,通過一種測試也可以對(duì)另一種測試結(jié)果進(jìn)行合理的估計(jì)和預(yù)測.

對(duì)于“軟界面”粘接結(jié)構(gòu),黏合劑的流變學(xué)性能是決定表觀界面粘接能的主控因素.通過對(duì)黏合劑的流變學(xué)以及宏觀斷裂機(jī)理的分析,可以對(duì)粘接結(jié)構(gòu)界面破壞進(jìn)行有效的評(píng)估.雖然在有限角度剝離時(shí),界面的微觀失效機(jī)理已經(jīng)通過對(duì)剝離前緣纖維區(qū)域的實(shí)時(shí)觀察以及拉拔實(shí)驗(yàn)得以理解,但對(duì)剪切型(如0°剝離)破壞,纖維結(jié)構(gòu)是否形成以及具體的形成過程依然難以進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)觀測.在這方面,熒光成像技術(shù)、同步輻射光源、核磁共振等先進(jìn)的原位觀察技術(shù)有望發(fā)揮一定的作用.采用這些技術(shù),可以對(duì)不同類型軟材料粘接結(jié)構(gòu)在不同加載模式下的界面破壞行為進(jìn)行更深入、全面地觀測和表征,系統(tǒng)理解界面破壞的真實(shí)物理機(jī)理.

2.2 “軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞

“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞主要通過剝離測試進(jìn)行表征.通常用于測試界面粘接強(qiáng)度的搭接剪切實(shí)驗(yàn)也可以用于“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面粘接能的測試.搭接剪切實(shí)驗(yàn)通過加載曲線的峰值載荷確定界面粘接能.當(dāng)采用搭接剪切實(shí)驗(yàn)時(shí),界面粘接能與粘接長度有關(guān),取決于背板與軟材料各自變形對(duì)系統(tǒng)總變形的貢獻(xiàn)[47-48].與剝離相比,搭接剪切實(shí)驗(yàn)更容易受到預(yù)制裂紋制作工藝的影響.通過預(yù)制較長(超過缺陷敏感尺寸)的裂紋,同時(shí)進(jìn)行預(yù)加載使裂紋發(fā)生一定擴(kuò)展之后再進(jìn)行斷裂韌性測試,可以顯著減小數(shù)據(jù)分散性[47-49].

剝離過程中剝離力的大小不僅決定于界面性能,更與基體材料的力學(xué)性能緊密相關(guān).若被粘物基體具有強(qiáng)黏彈性,其在界面破壞過程中的能量耗散會(huì)使得表觀界面粘接能顯著增加,甚至引起界面破壞模式的改變.

黏彈性薄膜、膠帶在剛性基底上的剝離行為能夠直觀展現(xiàn)出基體材料的黏彈性性能對(duì)剝離行為的影響.研究表明,隨著剝離速率的提高,基體的黏彈性耗散逐漸增加,引起剝離力的提高[17,19].增加基體厚度,基體剛度隨之提高,剝離力也逐漸增加[19].基底表面粗糙度的增加會(huì)通過增加實(shí)際接觸面積來提高剝離力水平[19].剝離角度與表面粗糙度等因素對(duì)剝離力的影響與剝離前緣纖維區(qū)域的大小呈正相關(guān)[19,50].

對(duì)于“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞機(jī)理的深入分析關(guān)鍵在于理解界面破壞過程中能量耗散的分布情況.根據(jù)Creton 等的分析,聚乙烯醇縮丁醛高彈體在雙層剛性基底間進(jìn)行0°剝離的過程中,界面裂紋前緣的能量耗散可分為如圖5(a)所示4 個(gè)區(qū)域[51]:區(qū)域①位于界面裂紋尖端局部,耗散源于界面相互作用的破壞以及高彈體基體的局部非均勻變形;區(qū)域②內(nèi)高彈體發(fā)生快速大變形拉伸,施加在該區(qū)域的大部分外力功均被高彈體黏彈性變形耗散掉;區(qū)域③為變形過渡區(qū),該區(qū)域內(nèi)高彈體應(yīng)變率低于快速拉伸區(qū),存在一定的黏彈性耗散;區(qū)域④內(nèi)高彈體只發(fā)生剛性位移,不產(chǎn)生黏彈性耗散.

圖5 “軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面0°剝離過程中的能量耗散分布和裂尖附近局部耗散與基體能量耗散的分離[51]Fig.5 Distribution of the energy dissipation during zero degree peeling and separation of the energy dissipated near the crack front and in the bulk elastomer[51]

在界面0°剝離過程中,假設(shè)外力所做總功完全轉(zhuǎn)化為高彈體的黏彈性耗散與裂尖附近局部耗散兩部分.當(dāng)逐漸減小高彈體的厚度至接近零,通過外力總功隨高彈體厚度的變化曲線(一般可假設(shè)為線性),可以估算裂尖附近的局部耗散(曲線截距)與高彈體應(yīng)變能密度(曲線斜率),如圖5(b)所示,通過該方法可以對(duì)裂尖附近局部耗散與高彈體能量耗散進(jìn)行有效的分離[51].從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),此時(shí),高彈體的黏彈性耗散是決定表觀界面粘接能的主控因素.

在對(duì)簡單加載工況下界面破壞行為的研究基礎(chǔ)上,一些更復(fù)雜的加載工況和界面行為對(duì)界面破壞的影響也引起了學(xué)者們的關(guān)注.有實(shí)驗(yàn)表明,界面摩擦引起的能量耗散也對(duì)界面破壞影響顯著[52-54].在0°剝離情形下,若剝離后軟材料基體與基底間存在較強(qiáng)的界面摩擦,穩(wěn)態(tài)剝離過程中剝離力可能隨著剝離距離的增加而不斷提高[54].另外,在低于界面破壞臨界剝離力的恒定載荷作用下,由于基體材料的黏彈性特征,界面會(huì)發(fā)生顯著的延遲破壞[55].尤其值得注意的是,當(dāng)基體承受低于界面破壞臨界伸長的恒定伸長作用時(shí),界面也可能發(fā)生延遲破壞[56],此時(shí),界面裂紋前緣應(yīng)力隨時(shí)間的重分配可能是主因.界面的初始缺陷會(huì)對(duì)界面粘接的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,通過對(duì)粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行適宜的循環(huán)預(yù)拉伸訓(xùn)練,可以有效降低界面缺陷的影響,提高界面破壞的臨界能量釋放率[56].

在另外一些“軟基體”粘接結(jié)構(gòu),比如創(chuàng)可貼或柔性醫(yī)用元件與人體組織的粘接中,雖然粘接基底材料(如人體皮膚)并不直接承受外界載荷,但其典型的軟材料特征也是需要考慮的重要因素.比如在醫(yī)用膠帶的撕脫過程中,皮膚局部發(fā)生較大的變形難以避免,這對(duì)皮膚傷口的愈合是不利的[57],系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)皮膚的大變形黏彈性對(duì)創(chuàng)可貼在皮膚上的剝離行為影響顯著[57-60].通過系統(tǒng)分析剝離角度、速度與個(gè)體差異等因素對(duì)醫(yī)用膠帶在皮膚表面剝離行為的影響,Plaut 等[58-59]發(fā)現(xiàn)90°剝離時(shí),剝離力隨加載率的提高顯著增加,伴隨皮膚變形程度的增加;剝離力隨剝離角度的增加逐漸減小,在~150°時(shí)達(dá)到最低值.當(dāng)剝離角為180°時(shí),皮膚局部非均勻變形減小,剝離力的率相關(guān)性亦不明顯.其他學(xué)者利用橡膠等材料模擬人體皮膚,研究醫(yī)用膠帶在皮膚上的剝離行為,也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律[60].以上結(jié)果對(duì)醫(yī)用膠帶的合理、可控的撕脫操作提供了很好的指導(dǎo).

基底材料的黏彈性也可能造成界面破壞模式的改變.Renvoise 等[61-62]對(duì)比壓敏膠與剛性或黏彈性基底分別組成的粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞行為,發(fā)現(xiàn)當(dāng)黏合劑與剛性基底連接時(shí),由于黏合劑本身的黏彈性,隨著剝離速率的提高,界面破壞模式由內(nèi)聚破壞逐漸演化為黏合劑與基底之間的界面破壞,并伴隨著剝離力的下降;當(dāng)速率繼續(xù)提高,剝離力繼續(xù)下降,界面破壞呈現(xiàn)不穩(wěn)定的黏?滑破壞形式;在極快的剝離速率下,界面破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轲ず蟿┡c彈性背板間的界面破壞.當(dāng)黏合劑與黏彈性軟基底連接時(shí),黏合劑與基底間的界面破壞不再發(fā)生,隨著剝離速率的不斷提高,界面破壞模式從內(nèi)聚破壞直接轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的黏?滑破壞進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)轲ず蟿┡c彈性背板間的界面破壞.

此外,基底材料的黏彈性還會(huì)帶來界面穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展與瞬態(tài)剝離兩種模式的分化.Sugizaki 等[63-64]通過實(shí)驗(yàn)觀察到,當(dāng)剝離角度較小、基底材料模量較小且厚度較大時(shí),界面破壞更傾向于瞬態(tài)模式,剝離速率的提高會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)瞬態(tài)剝離的發(fā)生.當(dāng)剝離角度較大(160°~ 180°),由于基底大變形的不穩(wěn)定性,穩(wěn)態(tài)破壞逐漸演化為不穩(wěn)定的黏?滑破壞模式,引起剝離力的周期性波動(dòng).

對(duì)于“軟基體”粘接結(jié)構(gòu),合理分離基體材料與界面性能對(duì)界面破壞行為的影響是準(zhǔn)確分析其破壞機(jī)理的關(guān)鍵.除了單獨(dú)對(duì)基體材料、界面性能進(jìn)行性能表征測試,目前還缺乏有效分離基體與界面黏彈性特性對(duì)界面破壞影響的實(shí)驗(yàn)手段,難以進(jìn)一步為表觀界面粘接能的率、溫度相關(guān)性的分析以及理論建模提供依據(jù).

3 軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的理論分析

對(duì)粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的理論分析,目前常有兩種處理方式:一是將黏合劑視為一層有厚度的材料,考慮其彈性、黏彈性等材料性質(zhì)以及損傷、斷裂等力學(xué)行為,建立可描述黏合劑材料在外界載荷下變形與失效過程的力學(xué)模型.這種方式在對(duì)拉拔實(shí)驗(yàn)中(以及剝離前緣)纖維的伸長與斷裂過程進(jìn)行理論分析時(shí)較為方便;二是用零厚度的內(nèi)聚力模型來表征界面層,假設(shè)界面粘接層的應(yīng)力應(yīng)變場在厚度方向均勻分布,不同位置的應(yīng)力應(yīng)變與厚度無關(guān).目前,基于斷裂力學(xué)的界面破壞模型大多以第二種處理方式為基礎(chǔ).

3.1 “軟界面”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞

對(duì)“軟界面”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的理論研究大多基于剝離行為.通過建立穩(wěn)態(tài)剝離力與剝離速率的關(guān)系,直觀展現(xiàn)黏合劑流變學(xué)性能與大變形特征對(duì)剝離行為的影響.在早期理論分析中,一般將剝離區(qū)域黏合劑假設(shè)為一系列相互平行的繩股,類比剝離前緣經(jīng)??吹降睦w維結(jié)構(gòu),數(shù)學(xué)上用彈性或黏彈性模型來描述[34,65-68].

Kaelble 首先提出粘接界面剝離理論,基于能量平衡建立了描述穩(wěn)態(tài)剝離的理論模型.該模型考慮線性黏彈性的黏合劑,得到了黏接區(qū)域黏合劑層應(yīng)力分布的解析解:考慮法向與剪切應(yīng)力相互獨(dú)立,并分別在裂紋前緣產(chǎn)生應(yīng)力集中,隨著與前緣的距離的增加均呈現(xiàn)指數(shù)衰減(如圖6 所示),衰減長度與黏合劑厚度成比例,也與背板和黏合劑的模量比相關(guān),該理論已經(jīng)得到了眾多實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[20,28,69-70].根據(jù)Kaelble 模型,界面粘接能隨黏合劑厚度的增加而增加,這表明界面粘接能應(yīng)該包含整個(gè)黏合劑層變形的影響,也暗示了黏合劑的流變學(xué)性能比黏合劑與背板/基底間界面性能更重要.

圖6 Kaelble 模型界面法向與剪切應(yīng)力分布[26-28]Fig.6 Normal and shear stress distributions in Kaelble’s model[26-28]

Gent 和Petrich 同時(shí)考慮黏合劑內(nèi)聚破壞與界面破壞兩種失效機(jī)理,分析了180°剝離行為中黏合劑大變形非線性行為對(duì)界面破壞的影響[21],指出對(duì)兩種具有相似線性黏彈性但大變形行為差異明顯的黏合劑,剝離力曲線會(huì)顯著不同,該預(yù)測也得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[34].在實(shí)驗(yàn)工作基礎(chǔ)上,Derail 考慮彈性背板的彎曲以及黏合劑黏彈性,基于臨界伸長的斷裂準(zhǔn)則建立了剝離行為的理論模型,發(fā)現(xiàn)耗散強(qiáng)烈依賴于內(nèi)聚區(qū)域黏合劑的極限伸長[22-23].

根據(jù)學(xué)者們的研究,黏合劑黏彈性會(huì)引起界面黏接能顯著的剝離速率相關(guān)性,這一關(guān)系可以經(jīng)驗(yàn)性地表示為[44]

其中Γ0是極小裂紋擴(kuò)展速度下的粘接能閾值,即界面本征斷裂能,φ(αTv)是速度相關(guān)的耗散因子.根據(jù)目前廣泛使用的Lake-Thomas 的假設(shè)[71],本征斷裂能對(duì)應(yīng)單位面積斷裂面上一層高分子鏈的斷裂所消耗的能量(對(duì)于界面破壞機(jī)理,Γ0考慮為黏合劑與基底間的界面相互作用).如果界面只有范德華力,Γ0可以簡化為Dupré黏附功w.對(duì)一般的高聚物粘接界面,分子鏈可能的跨界面的相互擴(kuò)散增加了界面相互作用水平,甚至形成纏結(jié)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由于擴(kuò)散分子鏈的拔出[72-73]或斷裂前強(qiáng)鍵(比如共價(jià)鍵[74-75],氫鍵或偶極相互組用[76-77])約束下鏈的伸長,Γ0可能遠(yuǎn)大于w.黏合劑與基底間摩擦所引起的額外剪切對(duì)Γ0的貢獻(xiàn),也可能顯著增加剝離力.這些情況在理論建模時(shí)都需要特別考慮.

φ(αTv)決定于黏合劑的黏彈性性能,對(duì)該性能的準(zhǔn)確表征可以用于耗散因子的定量確定.結(jié)合時(shí)溫等效原理,還可基于特定工況下的耗散因子對(duì)其他溫度與加載率下的耗散因子進(jìn)行定量估計(jì),進(jìn)而對(duì)界面粘接能的溫度與加載率相關(guān)性進(jìn)行預(yù)測.

針對(duì)拉拔測試中名義應(yīng)力應(yīng)變的理論研究也取得了一定進(jìn)展.應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與空洞形成和生長過程的聯(lián)系是理論建模的重點(diǎn),而黏合劑的強(qiáng)黏彈性特征以及有限伸長則是對(duì)該過程進(jìn)行理論建模的難點(diǎn)所在.早期研究工作中把黏合劑看成彈性固體,探究固體內(nèi)部空洞的平衡態(tài)結(jié)構(gòu)以及界面較弱時(shí)界面空洞的萌生與生長過程[78].然而這些研究并沒有得到諸如最大應(yīng)變、粘接能等重要變量的解析表達(dá).之后,Takahashi 等[79]結(jié)合空洞生長準(zhǔn)則,同時(shí)考慮薄黏合劑層的幾何限制,對(duì)拉拔過程中的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了討論.Glassmaker 等[80]考慮滑動(dòng)引起的纖維脫粘,對(duì)界面破壞的最后階段進(jìn)行了建模.最近,Yamaguchi 等[81-82]提出了處理非線性薄膜中局部壓力場與塊體空洞生長的耦合問題的動(dòng)態(tài)模型,在后續(xù)研究中進(jìn)一步將Persson 模型進(jìn)行推廣,得到了空洞尺寸演化及各重要力學(xué)變量的解析表達(dá)式[83].

3.2 “軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞

“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞行為受界面性能與軟材料被粘物基體性能兩部分因素的影響,對(duì)其進(jìn)行的理論分析可建立在線彈性體與剛性基底粘接界面剝離過程的分析基礎(chǔ)上.

軟材料基體的超彈、黏彈性能對(duì)界面破壞的影響在小角度剝離(如0°剝離)時(shí)更明顯.根據(jù)Ponce等[54]的分析,對(duì)于單位寬度的線彈性體,界面破壞模式依賴于粘接長度l與“載荷傳遞長度”llag=相對(duì)大小,其中E,Ea,h和ha分別為線彈性體與黏合劑的彈性模量和厚度.若l

當(dāng)界面發(fā)生有限角度剝離,基體的彎曲變形可能會(huì)對(duì)界面剝離產(chǎn)生影響[18].理論分析發(fā)現(xiàn),薄膜彎曲剛度對(duì)剝離力的影響在剝離初始階段比較顯著,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)剝離后,薄膜拉伸彈性能的影響逐漸增加[90-91].如果考慮軟材料基體的超彈性,利用基于線彈性假設(shè)的Kendall 模型來預(yù)測界面的穩(wěn)態(tài)剝離會(huì)引入極大的誤差,且誤差會(huì)隨著剝離角度的減小進(jìn)一步增大[92-93].

具有黏彈性的軟材料從剛性基底上剝離時(shí),剝離力表現(xiàn)出強(qiáng)烈的速度相關(guān)性.Chen 等[17]提出了描述線性黏彈性薄膜從剛性基底上剝離的理論模型,建立了能量釋放率與裂紋擴(kuò)展速度之間的關(guān)系.基于Chen 的理論框架,Peng 等[19]預(yù)測了黏彈性薄膜從剛性基底剝離時(shí),黏彈性能量釋放率的剝離速率和角度相關(guān)性,該研究唯象地假設(shè)了剝離力的速率依賴性,而薄膜非線性黏彈性能與剝離力之間的關(guān)系尚未明確建立.Huang 等[94]分析了黏彈性體與彈性薄膜粘接界面的破壞過程,基于對(duì)時(shí)相關(guān)的中性面的解析表達(dá),計(jì)算了與時(shí)間相關(guān)的界面裂紋擴(kuò)展的能量釋放率,進(jìn)而預(yù)測了3 種不同的界面裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài).

Zhu 等[55]基于能量方法分別建立了黏彈性、超彈性及黏超彈性基體在剛性基底上進(jìn)行0°剝離的理論模型,對(duì)不同類型粘接結(jié)構(gòu)界面率相關(guān)性剝離力與載荷保持下的界面延遲破壞進(jìn)行了理論預(yù)測,并建立了界面破壞相圖.如圖7(a)所示,由于基體的黏超彈性耗散,在較高的加載率下,瞬時(shí)剝離力會(huì)顯著提高.隨著加載率的降低,瞬時(shí)剝離力逐漸趨向于基體完全松弛后的松弛剝離力.當(dāng)基體承受瞬時(shí)剝離力以下的恒定載荷作用時(shí),由于基體的黏彈性松弛效應(yīng),界面破壞所需的剝離力逐漸下降,當(dāng)降至與施加的載荷相同時(shí),界面可能會(huì)發(fā)生延遲破壞.如圖7(b)所示,基體黏?超彈性越強(qiáng),加載率越高,延遲破壞對(duì)應(yīng)的載荷范圍越廣.

圖7 黏?超彈性被粘物基體在剛性基底上的0°剝離[55]Fig.7 Zero degree peeling of a visco-hyperelastic tape on a rigid substrate[55]

針對(duì)界面與基體性能對(duì)界面破壞的耦合影響,Zhao 等[95-96]基于對(duì)水凝膠粘接界面破壞的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究提出,表觀界面粘接能Γ由界面本征斷裂能Γ0與水凝膠基體內(nèi)部的能量耗散ΓD兩部分組成,如圖8(a)所示.基體耗散ΓD會(huì)顯著提升Γ,而較強(qiáng)的Γ0也會(huì)引起界面附近更大范圍內(nèi)基體材料的能量耗散,進(jìn)一步促進(jìn)Γ的提升(圖8(b)).此時(shí),Γ與Γ0的關(guān)系可以表示為

圖8 表觀界面粘接能Γ與界面本征斷裂能Γ0 以及水凝膠基體內(nèi)部的能量耗散ΓD 的關(guān)系[96]Fig.8 Relation among the apparent adhesion energy Γ,the interfacial intrinsic fracture energy Γ0 and bulk energy dissipation ΓD in hydrogel[96]

其中,χ是無量綱的系數(shù),hmax為基體材料的最大耗散比.

當(dāng)粘接基底可變形甚至伴隨能量耗散,基底力學(xué)性能對(duì)剝離行為的影響值得關(guān)注.Menga 等[97]研究了彈性薄膜在彈性基底上的V 形剝離過程,考慮基底的彈性應(yīng)變能,將Kendall 模型進(jìn)行了推廣.由于剝離過程中部分外力功轉(zhuǎn)化為基底的彈性能,表觀界面粘接能得到一定提升.Afferrante 等[98]針對(duì)彈性薄膜在黏彈性基底上的穩(wěn)態(tài)剝離,基于格林函數(shù)方法,得到了剝離力的解析解,發(fā)現(xiàn)界面穩(wěn)態(tài)剝離只能在某一載荷閾值下發(fā)生,該閾值的存在同時(shí)也限制了可實(shí)現(xiàn)的界面裂紋擴(kuò)展速度的范圍.后續(xù)研究[99]還發(fā)現(xiàn),通過引入多個(gè)基底黏彈性特征時(shí)間,可以更有效地調(diào)控基底能量耗散,進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)界面破壞模式的有效調(diào)控.在恒定界面粘接能假設(shè)下,針對(duì)不同粘接結(jié)構(gòu)界面剝離行為的理論模型如表1 所示,這些模型為多種粘接結(jié)構(gòu)的合理使用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的指導(dǎo).

表1 剝離模型總結(jié)(恒定界面粘接能)Table 1 Summary of the peeling models (constant adhesion energy)

在現(xiàn)有大部分針對(duì)軟材料粘接界面破壞的理論研究中,界面本征斷裂能Γ0一般都被認(rèn)為是恒定的,然而界面失效的物理本質(zhì)尚未得到完全的理解,Γ0與加載率、溫度等是否相關(guān)也存在一定爭議.Chaudhury 等[102-103]探索了黏合劑分子鏈熱激活斷裂機(jī)制引起的界面本征斷裂能的率相關(guān)性,建立了界面破壞臨界能量釋放率模型,發(fā)現(xiàn)斷裂能隨著分子鏈拉伸速率的提高而增加,利用該模型成功描述了聚甲基氧硅烷與玻璃粘接界面的率相關(guān)破壞問題.在后續(xù)研究中,該思想也被推廣到高聚物斷裂[104]以及粘接界面的剪切破壞[56]的描述.

雖然多數(shù)“軟界面”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的理論研究都是唯象地引入界面粘接能的速度相關(guān)性,但軟黏合劑帶來的粘接能的率相關(guān)性已經(jīng)得到了普遍的重視,演化規(guī)律也能得到有效的理論描述.但由于界面本征斷裂機(jī)制尚不清楚,界面附近能量耗散機(jī)制較為復(fù)雜,同時(shí),對(duì)粘接件基體的大變形黏彈性特性進(jìn)行簡潔的理論描述和準(zhǔn)確的解析求解也有較大難度,目前“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的理論研究仍遠(yuǎn)未完善.此外,基體與界面能量耗散可能的耦合機(jī)制以及缺乏充足的分離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也進(jìn)一步加大了理論建模與模型驗(yàn)證的難度.

4 軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的數(shù)值模擬研究

4.1 界面破壞問題常見的數(shù)值模擬方法

對(duì)于粘接結(jié)構(gòu)界面破壞問題,常用的數(shù)值模擬方法主要有兩類:一類基于斷裂力學(xué),以虛擬裂紋閉合技術(shù)為代表;另一類基于損傷力學(xué),以內(nèi)聚力模型方法為代表.

虛擬裂紋閉合技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的模擬裂紋擴(kuò)展的方法之一[105-108].虛擬裂紋閉合技術(shù)假設(shè)在裂紋擴(kuò)展中釋放的能量等于將裂紋閉合回到其原始構(gòu)型所需做的功,能量釋放率通過裂紋尖端處的力和位移信息計(jì)算.虛擬裂紋閉合技術(shù)的特點(diǎn)是以獨(dú)立的能量分量形式計(jì)算自相似的裂紋擴(kuò)展過程.但是,裂紋的萌生以及小裂紋的發(fā)展是不可被預(yù)測的,并且由于虛擬裂紋閉合技術(shù)中能量釋放率與特征長度(常與單元網(wǎng)格尺寸相聯(lián)系)有關(guān),所以必須依托強(qiáng)大的網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)來描述裂紋擴(kuò)展過程[109-110].

內(nèi)聚力模型方法最早由Dugdale[111]和Barenblatt[112]提出,之后Hillerborg 等[113]引入拉伸強(qiáng)度作為損傷萌生準(zhǔn)則,擴(kuò)展到描述裂紋從萌生到擴(kuò)展的過程.內(nèi)聚力模型方法認(rèn)為界面裂紋尖端附近會(huì)形成內(nèi)聚力損傷區(qū)域,該方法的核心就是建立損傷區(qū)域界面張開位移與牽引力的關(guān)系.內(nèi)聚力模型及其參數(shù)的確定對(duì)于準(zhǔn)確描述界面裂紋問題非常關(guān)鍵,但是大多數(shù)模型參數(shù)難以簡單地通過實(shí)驗(yàn)確定[105].與虛擬裂紋閉合技術(shù)相比,內(nèi)聚力模型方法克服了線彈性的局限性,在模擬復(fù)雜界面裂紋擴(kuò)展上更具優(yōu)勢(shì).同時(shí),內(nèi)聚力模型對(duì)于網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)信息要求不高,更易于進(jìn)行有限元實(shí)現(xiàn)[114].此外,內(nèi)聚力模型描述裂紋從萌生到擴(kuò)展的過程是基于顯式的損傷機(jī)制,可以跟蹤整個(gè)擴(kuò)展過程并能描述局部的材料軟化現(xiàn)象.從描述裂紋問題的完整性,數(shù)值實(shí)現(xiàn)的難易程度以及求解過程的計(jì)算成本考慮,針對(duì)大多數(shù)的界面破壞問題,內(nèi)聚力模型相比虛擬裂紋閉合技術(shù)更具優(yōu)勢(shì).

最近十幾年,擴(kuò)展有限元方法[115]在斷裂問題的模擬方面也得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展.擴(kuò)展有限元方法不需要網(wǎng)格來匹配不連續(xù)的幾何形狀,可以描述裂紋沿任意路徑的擴(kuò)展,很好地克服了虛擬裂紋閉合技術(shù)和內(nèi)聚力模型需要預(yù)先設(shè)定裂紋路徑以及要求高質(zhì)量的網(wǎng)格排布的局限性.但考慮到大多數(shù)粘接界面裂紋擴(kuò)展路徑并非完全任意,且擴(kuò)展有限元方法求解難度高,對(duì)非線性問題也有一定的局限性等缺點(diǎn),對(duì)于粘接結(jié)構(gòu)界面破壞問題,內(nèi)聚力模型方法仍是最適合也最常用的方法.因此,本文將重點(diǎn)針對(duì)基于內(nèi)聚力模型方法的軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞問題的模擬工作進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述.

4.2 基于內(nèi)聚力模型方法的“軟界面”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的模擬分析

內(nèi)聚力模型方法是否能準(zhǔn)確描述界面破壞行為,首先依賴于內(nèi)聚力模型的合理性,同時(shí)決定于模型在求解時(shí)的收斂性.Alfano 等[116-117]探究了如圖9所示的雙線性、線性?拋物線、指數(shù)和梯形等內(nèi)聚力本構(gòu)形式在描述雙懸臂梁結(jié)構(gòu)斷裂行為時(shí)的準(zhǔn)確性及計(jì)算收斂性,發(fā)現(xiàn)指數(shù)形式在計(jì)算準(zhǔn)確性上表現(xiàn)最佳,但如果綜合考慮模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算成本,雙線性模型是更為合理的選擇.Camanho 等[118]通過對(duì)雙懸臂梁、缺口彎曲以及混合模式彎曲加載模式下斷裂問題的模擬以及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了雙線性模型在描述I 型、II 型以及混合型界面破壞問題時(shí)都具有較高的準(zhǔn)確性.Turon 等[119]基于嚴(yán)格的熱力學(xué)框架提出了考慮斷裂模式混合比的內(nèi)聚力模型,由于其易于構(gòu)建、滿足熱力學(xué)框架并且可基于合理的物理機(jī)理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的界面力學(xué)響應(yīng),該模型得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[120-122].Park 等[123]對(duì)基于勢(shì)函數(shù)的內(nèi)聚力模型進(jìn)行了詳細(xì)綜述,特別對(duì)各模型描述混合模式界面破壞問題的局限性進(jìn)行了討論,對(duì)該類模型的改進(jìn)方向和未來發(fā)展做出了探討.

圖9 經(jīng)典內(nèi)聚力本構(gòu)形式[117]Fig.9 Classic cohesive zone models[117]

“軟界面”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的率相關(guān)性是其最顯著的特征之一.由于涉及到界面模型本身的物理機(jī)理以及計(jì)算效率和收斂性,如何合理地將率相關(guān)性引入界面模型十分重要.最直接的方法是唯象地將界面內(nèi)聚能、界面強(qiáng)度或最大張開位移等關(guān)鍵參數(shù)表示為與加載率相關(guān)的函數(shù),該方法主要適用于動(dòng)力學(xué)問題,但主要的困難是參數(shù)眾多且難以通過實(shí)驗(yàn)確定,對(duì)于復(fù)雜工況的描述能力有限[124-126].其次,可在界面損傷的表達(dá)式中引入加載率的影響[127].這種方法嚴(yán)格滿足熱力學(xué)框架,對(duì)于較為復(fù)雜的加載條件和失效模式都有較好的描述能力,但由于模型一般較為復(fù)雜,模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)存在較大難度,對(duì)復(fù)雜的材料非線性問題,模型的適用性也較弱[128].此外,可將內(nèi)聚力模型與已有描述實(shí)體材料變形行為率相關(guān)特性的理論模型相結(jié)合來描述界面牽引力與張開位移的率相關(guān)行為[129]:其中一類是借鑒描述流體[130]或者高聚物塑性流動(dòng)[131]的描述方法,將界面牽引力表示為與加載率相關(guān)的形式,這種方法一般通過引入反映一定物理機(jī)制的內(nèi)變量來描述界面失效[131].另一類則借鑒經(jīng)典線性黏彈性模型中的應(yīng)力應(yīng)變形式來描述界面牽引力和張開位移的關(guān)系[132-133],該方法具有描述界面破壞率相關(guān)性的能力,但由于經(jīng)典黏彈性模型單一特征時(shí)間的限制,使得其僅適用于特定的加載率范圍.這一不足可通過將標(biāo)準(zhǔn)線性黏彈性模型修改為分?jǐn)?shù)階形式來改進(jìn),可描述的加載率范圍可以得到有效擴(kuò)展(如圖10)[134-135].Giraldo-Londo?o 等[136]也采用類似的方法對(duì)橡膠類材料在較大加載率范圍內(nèi)的混合斷裂模式進(jìn)行了成功的模擬.

圖10 黏彈性內(nèi)聚力模型對(duì)不同加載率下的粘接界面破壞的描述Fig.10 Description of interfacial debonding behavior under various loading rates using different viscoelastic CZM models

界面的局部非線性大變形對(duì)界面應(yīng)力狀態(tài)和破壞模式會(huì)產(chǎn)生顯著影響.Hui 等[137]對(duì)線彈性背板在剛性基底上的0°剝離過程進(jìn)行了有限元模擬,界面層采用超彈性的實(shí)體單元來描述,研究發(fā)現(xiàn),界面層的超彈性性質(zhì)對(duì)“載荷傳遞長度”的影響不大,但當(dāng)變形較大時(shí),界面層的切向和法向應(yīng)力數(shù)值都非常大,并且伴隨著不可忽略的橫向拉伸應(yīng)力和靜水張力(如圖11 所示).如考慮有限粘接長度[138],界面層的體積應(yīng)力分量甚至?xí)^剪切應(yīng)力,造成界面空洞的產(chǎn)生繼而引發(fā)破壞.此時(shí),該問題中的界面破壞就不再是單純的界面II 型斷裂問題.

圖11 0°剝離中超彈性黏合劑/基底間應(yīng)力分布[137]Fig.11 Stress along the hyperelastic adhesive/substrate interface during 0° peeling[137]

在內(nèi)聚力模型研究方面,目前考慮界面大變形的工作還較少,考慮到大變形可能產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變?cè)斐傻挠?jì)算不收斂等問題,如何在內(nèi)聚力模型中有效考慮界面大變形進(jìn)而準(zhǔn)確地模擬界面破壞行為還需要更深入地探討.

4.3 基于內(nèi)聚力模型方法的“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的模擬分析

針對(duì)“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞行為,借助有限元模擬首先可以對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行必要的驗(yàn)證,此外,還能夠?qū)?fù)雜載荷下結(jié)構(gòu)的界面破壞機(jī)理進(jìn)行分析.

基體超彈性對(duì)界面破壞的影響已經(jīng)在現(xiàn)有的模擬研究中得到一定的考慮,在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步討論加載角度[139]和速度[140]的影響.對(duì)于壓剪載荷等復(fù)雜載荷下的破壞行為[141],也能通過模擬的手段得到能量釋放速率與裂紋擴(kuò)展長度的關(guān)系,為理論分析提供驗(yàn)證和指導(dǎo).

基體的能量耗散特性對(duì)界面破壞行為的影響也得到了一定的模擬研究.Seshadri 等[142]采用有限元模擬對(duì)黏彈性薄膜與剛性基底粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,證實(shí)了不同加載速度下的界面裂紋擴(kuò)展能量釋放率可以通過完全松弛模量與瞬時(shí)模量的比值進(jìn)行描述.Zhang 等[95]采用考慮Mullins 效應(yīng)的超彈性本構(gòu)模型描述水凝膠的力學(xué)行為,用雙線性內(nèi)聚力模型描述界面性能,模擬了水凝膠粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞,發(fā)現(xiàn)表觀界面粘接能與界面內(nèi)聚能線性相關(guān),水凝膠基體損傷時(shí)的能量耗散對(duì)表觀界面粘接能的影響可能高于界面內(nèi)聚能本身(取決于基體厚度).值得注意的是,有模擬研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于基體材料較厚的情況,厚度方向上應(yīng)變率可能發(fā)生梯度分布[143],這對(duì)理論分析建模提出了更高的要求.

由于軟材料基體的大變形特征以及基體與界面性能可能的不匹配,界面破壞過程可能會(huì)伴隨多種類型的基體或界面失穩(wěn)現(xiàn)象.對(duì)于弱界面粘接的情況,剛體與軟基體粘接界面在缺陷處的部分脫離會(huì)產(chǎn)生周期性的波狀界面分離現(xiàn)象[144-146].Mukherjee等[147-149]首先利用有限元研究了波狀界面分離現(xiàn)象的形成過程與界面的粘接能和軟基體厚度、模量、強(qiáng)度的關(guān)系,之后基于內(nèi)聚力模型方法模擬了二維情況下柔性板在軟材料基底上的剝離行為,研究了幾何約束參數(shù)及界面參數(shù)對(duì)界面破壞的影響,完善了由界面破壞產(chǎn)生的失穩(wěn)臨界條件.

對(duì)于軟材料基體與剛性基底強(qiáng)界面粘接的情況,當(dāng)軟基體內(nèi)部靜水張力達(dá)到某臨界值,可能會(huì)從缺陷處萌生空洞,隨著載荷的持續(xù)施加空洞逐漸生長形成空洞失穩(wěn).若空洞的萌生和生長受到抑制,可能會(huì)造成軟基體自身的手指狀失穩(wěn)或與基底粘接界面附近的邊緣條狀失穩(wěn)[150-151].軟基體內(nèi)部空洞的形成受到初始缺陷大小和氣泡內(nèi)壓的影響[152-154].Fu等[152]結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)測了不同缺陷尺寸對(duì)空洞形成的影響,為進(jìn)一步理解和避免空洞失穩(wěn)提供了指導(dǎo).Lin 等[151,155]結(jié)合理論與有限元模擬分析了基體幾何尺寸對(duì)失穩(wěn)現(xiàn)象的影響,基體手指狀失穩(wěn)在橫向約束作用下會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)空洞失穩(wěn),造成非單調(diào)遞增的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),通過增加基體剛度可抑制該失穩(wěn)的發(fā)生.Zhong 等[156]發(fā)現(xiàn)將連續(xù)的粘接層分割為離散的粘接層,可以有效抑制空洞失穩(wěn).同時(shí),拉伸加載下非單調(diào)的力學(xué)響應(yīng)也可以轉(zhuǎn)變?yōu)閱握{(diào)響應(yīng),進(jìn)而避免“跳躍”失穩(wěn)的發(fā)生.此外,粘接層的柔度和延展性以及循環(huán)加載下的滯后效應(yīng)也可以通過合理設(shè)計(jì)離散粘接層的數(shù)量或幾何形式來進(jìn)行調(diào)控.該研究通過簡單的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜失穩(wěn)現(xiàn)象的有效抑制以及對(duì)粘接層力學(xué)行為的按需調(diào)控,為實(shí)際粘接層以及軟粘接接頭的設(shè)計(jì)提供了十分有益的指導(dǎo).

目前,對(duì)“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的模擬分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)都集中在如何準(zhǔn)確地描述“軟基體”的黏彈性和大變形兩個(gè)特性.已有研究主要針對(duì)簡單的粘接結(jié)構(gòu),討論部分材料參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)界面破壞的影響,作為理論分析結(jié)果的佐證,缺乏對(duì)復(fù)雜材料組合粘接結(jié)構(gòu)界面破壞機(jī)理的深入分析.在大變形方面,雖然已有模擬研究已經(jīng)對(duì)基體非線性大變形進(jìn)行了一定的考慮,但針對(duì)基體大變形對(duì)復(fù)雜載荷下界面破壞行為的影響的分析還不夠深入,同時(shí),界面破壞與基體局部可能產(chǎn)生的非均勻變形之間的耦合影響也值得深入分析.利用有限元方法的優(yōu)勢(shì),也可對(duì)基體和界面能量耗散對(duì)界面破壞的耦合影響進(jìn)行深度的挖掘,進(jìn)而更加全面深入地揭示“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的機(jī)理.

對(duì)于軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的有限元模擬研究,模擬準(zhǔn)確性、收斂性和計(jì)算效率是最主要的考慮因素.目前商用有限元軟件中已有的內(nèi)聚力模型對(duì)最簡單的“硬”質(zhì)粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為尚可以進(jìn)行較為合理的模擬,但對(duì)軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的模擬則難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn).大量挑戰(zhàn)性的工作還需要開展:如建立考慮界面大變形黏彈性特征的內(nèi)聚力模型、確定復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下界面損傷萌生或失效的判據(jù)以及局部大變形下數(shù)值迭代算法的優(yōu)化等.這些難題得到合理解決才能夠更好地模擬具有強(qiáng)非線性、率相關(guān)等復(fù)雜特性的軟材料粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞問題.

5 挑戰(zhàn)與展望

雖然目前軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,但在實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬各方面仍面臨諸多挑戰(zhàn).軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的實(shí)驗(yàn)研究已取得較為豐碩的成果.基于剝離測試,能夠?qū)Σ煌虞d工況和環(huán)境條件下的表觀界面粘接能進(jìn)行定量表征,同時(shí)結(jié)合剝離前緣的微觀觀察及拉拔測試,對(duì)界面破壞機(jī)理進(jìn)行分析.然而,小角度加載下“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)觀察與分析尚不充分;同時(shí),也缺乏對(duì)界面本征斷裂能的率、溫度相關(guān)性的準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)表征等.也源于此,對(duì)軟材料基體與界面性能對(duì)界面破壞的耦合影響的分析也受到了相應(yīng)的限制.

在恒定界面粘接能假設(shè)下,基于能量方法的界面破壞理論已得到較為深入的研究,不同類型軟材料粘接結(jié)構(gòu)都已建立了對(duì)應(yīng)的界面破壞理論,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了有力的支持和指導(dǎo).然而,在“軟基體”粘接結(jié)構(gòu)界面破壞的理論分析中,界面粘接能的率、溫度相關(guān)性還未得到充分的重視.雖然基于熱激活斷裂機(jī)制的理論模型能夠直觀地描述界面本征斷裂能與分子鏈拉伸速度的關(guān)系,但界面分子鏈拉伸速度與宏觀加載速度之間存在尺度差異,界面附近分子鏈斷裂區(qū)域范圍也尚存爭議.

準(zhǔn)確高效的數(shù)值模擬研究對(duì)于軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞機(jī)理的分析至關(guān)重要.現(xiàn)有數(shù)值模擬工作多基于內(nèi)聚力模型方法來分析材料、幾何參數(shù)對(duì)界面破壞行為的影響,考慮界面粘接能率相關(guān)性的內(nèi)聚力模型多唯象地引入性能參數(shù)或損傷變量的率相關(guān)性,較少考慮界面微觀破壞機(jī)理.對(duì)于疲勞[157-160]、表面摩擦磨損[161-165]及長期載荷、位移保持[55-56,166-168]等復(fù)雜加載模式下的軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞問題,有限元模擬具有一定的優(yōu)勢(shì),但目前這些研究還面臨著界面損傷萌生及失效準(zhǔn)則難以確定等問題,研究進(jìn)展較為有限.

面對(duì)這些挑戰(zhàn),目前正在開展的一些更深層次的研究有望在未來針對(duì)特定問題在一定程度上給出更進(jìn)一步的答案,一些面向應(yīng)用的研究更是對(duì)目前基礎(chǔ)研究的成果進(jìn)行了廣泛的探索和利用,未來也值得關(guān)注.

(1) 軟材料變形和斷裂過程的可視化表征手段.隨著機(jī)械化學(xué)研究的發(fā)展,近期利用力敏團(tuán)(mechanophore)進(jìn)行軟材料斷裂[169-172]或界面破壞[173]過程可視化表征的研究得到迅猛發(fā)展.將力敏團(tuán)分子嵌入聚合物主鏈中,在機(jī)械載荷的作用下,隨著力敏團(tuán)的斷裂或構(gòu)象改變會(huì)激活多種光學(xué)反應(yīng),例如變色、發(fā)出熒光等[174],基于此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀斷裂行為的可視化.雖然目前定量表征的準(zhǔn)確性仍有待提高,但已有研究依然明確表明:裂尖分子鏈的斷裂范圍遠(yuǎn)大于Lake-Thomas 預(yù)測的斷裂面附近一排高分子鏈[170],針對(duì)不同溫度與加載率下的軟材料斷裂過程的實(shí)驗(yàn)表征更是證明軟材料黏彈性與本征斷裂存在強(qiáng)耦合[170],分子鏈本征斷裂在總斷裂能中的占比被嚴(yán)重低估.對(duì)于由PSA 等軟黏合劑組成的粘接結(jié)構(gòu)的界面破壞行為,對(duì)界面黏接能的理論建模需要重新評(píng)估發(fā)生分子鏈本征斷裂的區(qū)域大小以及斷裂過程的溫度、加載率相關(guān)性,常用的恒定界面粘接能假設(shè)應(yīng)該被修正.關(guān)于機(jī)械化學(xué)工具在軟材料斷裂以及其他方面的發(fā)展和應(yīng)用可參考Chen 等[174]的綜述文章.

(2) 基于界面破壞機(jī)理的異質(zhì)軟材料的強(qiáng)韌粘接策略.得益于水凝膠材料的飛速發(fā)展以及水凝膠粘接結(jié)構(gòu)在科技、工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,基于水凝膠粘接的異質(zhì)軟材料強(qiáng)韌粘接策略已經(jīng)引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注.水凝膠與異質(zhì)軟材料的強(qiáng)韌粘接需要化學(xué)、拓?fù)渑c力學(xué)的協(xié)同[175]:水凝膠高聚物網(wǎng)絡(luò)與其他軟材料的分子網(wǎng)絡(luò)之間需要借助化學(xué)手段構(gòu)建共價(jià)鍵或強(qiáng)非共價(jià)鍵等實(shí)現(xiàn)強(qiáng)界面相互作用.合理的界面拓?fù)涞脑O(shè)計(jì),能夠保證界面破壞過程中發(fā)生強(qiáng)界面相互作用破壞的同時(shí),又能盡可能引發(fā)粘接基體的非彈性能量耗散.這些能量耗散可以通過在粘接件基體中引入損傷、相變或黏彈性等力學(xué)機(jī)制來實(shí)現(xiàn).

水凝膠與異質(zhì)軟材料之間界面的強(qiáng)相互作用與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過多種方法來建立.水凝膠與聚甲基氧硅烷等一般高彈體的界面強(qiáng)粘接可以通過表面改性來實(shí)現(xiàn)[96,176],在高彈體表面引入活性基團(tuán)(可以借助表面引發(fā)劑[177-178]),使水凝膠前驅(qū)體在高彈體表面的固化過程中,高聚物網(wǎng)絡(luò)與活性基團(tuán)間形成共價(jià)鍵或高分子配合物,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘接[96,176].對(duì)于已經(jīng)制備好的水凝膠,可以在水凝膠與軟材料前驅(qū)體中加入特定化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行塊體改性[179-181],使兩者在固化過程中自發(fā)形成強(qiáng)粘接.對(duì)于不能進(jìn)行化學(xué)改性的生物組織,可以借助與水凝膠以及生物組織都能形成強(qiáng)鍵接的橋接高聚物,建立兩者間的強(qiáng)粘接[182].對(duì)不含特定功能基團(tuán),不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)鍵接的軟材料,可借助特殊的粘接高聚物,通過擴(kuò)散作用分別與水凝膠及軟材料形成拓?fù)淅p結(jié)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘接[183-185].此外,針對(duì)硬黏合劑由于限制軟材料大變形不適用于軟材料粘接的問題,可通過噴霧等方法,在粘接界面形成離散的微小島狀粘接區(qū)域,在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)粘接的同時(shí),島間軟材料依然允許發(fā)生大變形[186].

值得注意的是,隨著墨水直寫等3D 打印技術(shù)的發(fā)展,多種水凝膠與軟材料的打印手段相繼被提出[187-189],打印過程中水凝膠與其他軟材料間的強(qiáng)韌粘接對(duì)打印結(jié)構(gòu)的完整性及長期穩(wěn)定性至關(guān)重要.以Liu 等[180]的方法為代表的塊體改性方法十分適用于這種多層水凝膠與軟材料以任意順序相互堆疊同時(shí)需要界面強(qiáng)粘接的情況.此外,Yang 等[188]也提出了行之有效的塊體改性方法,能夠保證水凝膠與其他軟材料間良好的界面粘接性能,進(jìn)而保證打印結(jié)構(gòu)的優(yōu)異力學(xué)性能.Zhao 等[189]提出的基于微凝膠的方法能實(shí)現(xiàn)水凝膠與多種軟材料以及無機(jī)固體的強(qiáng)韌粘接,且是對(duì)多種水凝膠都普遍適用的方法,對(duì)3D 打印水凝膠更廣泛的工程應(yīng)用具有重要意義.針對(duì)水凝膠的強(qiáng)韌粘接策略,Yang 等[175]給出了詳盡的綜述.

(3) 按需、可控粘接/脫粘設(shè)計(jì).對(duì)于某些應(yīng)用,如爬墻機(jī)器人,機(jī)械抓手,醫(yī)用膠帶等,不僅需要界面能夠強(qiáng)韌粘接,還要求在特定情形下時(shí),界面能夠方便容易地脫開.因此,按需、可控脫粘設(shè)計(jì)也引起了學(xué)者們廣泛的興趣.在該領(lǐng)域,現(xiàn)有研究集中在脫粘臨界載荷可強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換的可轉(zhuǎn)換粘接方面,通過對(duì)界面附近粘接狀態(tài)、粘接面積以及界面/基體力學(xué)行為的調(diào)控,可以有效實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱粘接的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換比(強(qiáng)粘接與弱粘接界面破壞臨界載荷之比),可高達(dá)105[190].然而現(xiàn)有轉(zhuǎn)換機(jī)制都需要特定的觸發(fā)激勵(lì),如光、熱等[190],難以針對(duì)所有材料進(jìn)行廣泛推廣.此外,針對(duì)某些應(yīng)用需要對(duì)界面脫粘速度或破壞模式進(jìn)行調(diào)控的更高程度的要求,目前研究討論也不夠充分.針對(duì)可轉(zhuǎn)換粘接的詳細(xì)內(nèi)容可參考Croll等[190]的綜述.

6 結(jié)語

軟材料已經(jīng)在軟機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)以及柔性電子等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,考慮到對(duì)以水凝膠為代表的多種軟材料的性能調(diào)控與功能設(shè)計(jì)日臻成熟,未來軟材料還會(huì)有更加廣闊的工程應(yīng)用前景.針對(duì)軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的深入研究,能夠?yàn)檐洸牧系暮侠硎褂门c優(yōu)化設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的理論支持與工程指導(dǎo).本文系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有軟材料粘接結(jié)構(gòu)界面破壞行為的實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬研究進(jìn)展,重點(diǎn)討論了界面黏彈性以及軟材料基體的大變形能量耗散特性對(duì)界面破壞行為的影響.雖然已有研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展,但在疲勞、表面摩擦等復(fù)雜加載下界面的脫粘或失穩(wěn)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)表征,基體、界面能量耗散耦合效應(yīng)的理論描述以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)在復(fù)雜加載下界面脫粘或失穩(wěn)機(jī)理的模擬分析等方面還存在諸多挑戰(zhàn).真實(shí)服役環(huán)境下基體與界面可能的老化等行為又會(huì)進(jìn)一步增加研究的復(fù)雜性.同時(shí),實(shí)際工程應(yīng)用中脫粘,失穩(wěn)或老化等不同機(jī)理很可能同時(shí)發(fā)生甚至存在耦合,這些也都增加了界面破壞行為研究的難度.然而,隨著對(duì)該領(lǐng)域關(guān)注的日益增加以及采用不同方法從不同角度切入開展研究的逐步深入,相信以上難題都會(huì)逐步得到解決,在為軟材料粘接結(jié)構(gòu)更為廣泛的應(yīng)用提供有力支撐的同時(shí),不斷推動(dòng)界面力學(xué)學(xué)科的發(fā)展.

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