利用PZT共振和非接触式脉冲验证技术对结构胶粘剂的粘弹性特性进行多尺度表征

《Results in Engineering》：Multi-Scale Characterization of Viscoelastic Properties in Structural Adhesives Using PZT Resonance and Non-Contact Impulse Validation

本研究提出了一种结合共振超声振动（RUV）和逆有限元分析的非破坏性方法，用于确定结构粘合剂的动态杨氏模量和泊松比。通过六种粘合剂（环氧、丙烯酸酯、聚氨酯）的实验，发现动态杨氏模量与静态值相比普遍更高，且存在二次关系模型。实验验证了该模型在200 kHz以上频段的适用性，并揭示了玻璃过渡温度（Tg）与粘合剂刚度的相关性。最终，通过对比分析为航空、汽车等领域的粘合剂选型提供了理论依据。

　　本研究探讨了结构粘合剂在动态载荷下的特性分析方法，特别关注了动态杨氏模量、泊松比以及阻尼特性。由于这些粘合剂通常用于需要抵抗振动或冲击的工程领域，如航空航天、汽车、风力涡轮机和生物系统，因此了解其动态行为对于设计和应用至关重要。然而，传统技术数据表往往仅提供静态弹性模量，而忽视了泊松比和阻尼特性，这限制了对材料在实际动态环境中的全面理解。因此，本研究提出了一种非破坏性方法，通过共振超声振动（RUV）结合逆向有限元分析（FEA）来确定粘合剂的动态杨氏模量、泊松比以及阻尼系数，从而填补了这一知识空白。

### 研究方法与技术

研究采用了多种实验方法和数值模拟手段来获取粘合剂的动态性能数据。首先，通过RUV测试，利用压电陶瓷换能器在高频范围内（10 kHz至250 kHz）测量粘合剂的共振频率。这些频率与粘合剂的弹性模量、质量及几何形状密切相关，通过准确测量这些参数，可以计算出动态杨氏模量和阻尼系数。为了验证RUV结果，研究还结合了机械冲击载荷和非接触式激光振动计（Laser Vibrometer）进行低频范围内的测量。这种多尺度的测试策略不仅验证了共振频率，还扩展了模型的适用范围。

在数值模拟方面，研究采用了三维有限元方法（FEM）对粘合剂样本进行模态分析，以识别其动态特性。通过调整FEM模型中的弹性模量和泊松比，使得模拟的共振频率与实验数据相吻合。为了进一步优化这些参数，研究引入了成本函数，利用非线性Nelder-Mead优化算法，自动找到最小化误差的模量和泊松比值。这种方法不仅提高了模型的准确性，还使得不同粘合剂的动态性能可以被系统地比较。

### 实验结果与分析

研究测试了六种结构粘合剂，包括环氧树脂、甲基丙烯酸酯和聚氨酯。实验结果显示，动态杨氏模量与阻尼系数之间存在二次关系，这一发现与基于Kelvin-Voigt模型和Doi-Edwards理论的粘弹性行为一致。此外，玻璃化转变温度（Tg）对粘合剂的刚度和阻尼特性有显著影响。研究发现，Tg较低的粘合剂表现出较低的刚度和较高的阻尼能力，而Tg较高的粘合剂则更接近弹性行为。

通过RUV和激光振动计的联合实验，研究验证了粘合剂的动态性能。实验数据表明，3M 2216粘合剂在六种材料中表现出最高的阻尼能力，而Sikadur 30则具有最高的刚度。这些结果为不同工程应用中粘合剂的选择提供了重要依据。例如，在汽车工业中，低刚度、高阻尼的粘合剂更有利于提高振动和声学舒适性，而在航空航天领域，高刚度的粘合剂则更适合确保结构的负载传递能力。

### 机械性能的统计分析

研究还对粘合剂的机械性能进行了统计分析，使用了ANOVA和Kruskal-Wallis检验。结果显示，六种粘合剂在动态杨氏模量、泊松比和阻尼系数上存在显著差异。这种差异表明，粘合剂的动态性能与其微观结构密切相关，包括交联密度和链段纠缠程度。通过将这些性能与Tg进行对比，研究揭示了粘合剂的刚度和阻尼之间的关系，并进一步探讨了不同粘合剂在实际应用中的适应性。

### 模型的验证与局限性

研究提出的二次阻尼模型在200 kHz以上的高频范围内得到了验证，这一频率范围的阻尼系数显著高于静态测试中的值。模型的系数决定了粘合剂的粘弹性行为，其中较高的二次系数通常与较高的交联密度或显著的链段纠缠有关。然而，研究也指出，该模型的适用性存在一定的局限性。由于仅测试了六种粘合剂，且未涵盖所有可能的粘合剂类型，因此模型的稳定性仍需进一步验证。此外，模型的置信区间较大，表明其对数据变化的敏感性较高，因此未来的研究应扩大样本范围，以提高模型的可靠性和适用性。

### 应用前景与未来研究方向

本研究的结果不仅有助于理解粘合剂在动态载荷下的行为，还为工程应用中的粘合剂选择提供了理论依据。通过建立粘合剂的动态性能模型，工程师可以在设计过程中更好地预测粘合剂在不同频率和温度条件下的表现，从而优化结构设计，提高材料性能。此外，研究还强调了粘合剂制造过程中控制孔隙率的重要性，因为孔隙的存在会显著影响其动态性能。

未来的研究可以进一步探索粘合剂的微观结构对其动态行为的影响，包括交联密度、分子结构和网络均匀性。同时，可以开发更精确的制造工艺，以减少粘合剂样本中的孔隙和气泡，从而提高其动态性能的测量准确性。此外，还可以研究粘合剂在更广泛的频率范围内（如50-500 kHz）的行为，以更好地理解其在不同应用场景中的表现。

### 结论

本研究通过RUV和激光振动计的实验测试，结合三维有限元分析，成功地确定了六种结构粘合剂的动态杨氏模量、泊松比和阻尼系数。研究结果表明，粘合剂的动态性能与其静态性能存在显著差异，特别是在高频条件下，其刚度和阻尼特性表现出粘弹性行为。此外，玻璃化转变温度（Tg）对粘合剂的刚度和阻尼能力有重要影响，这为粘合剂在不同温度条件下的应用提供了理论支持。研究提出的二次阻尼模型为粘合剂的动态性能分析提供了一种新的方法，有助于优化结构设计和材料选择。然而，模型的适用性和稳定性仍需进一步验证，以确保其在更广泛的应用场景中的可靠性。