III . Основные проблемы механики и прочности адгезионных соединений

3.1.Характер разрушения адгезионных соединений

    Любая система адгезив-субстрат характеризуется не только адгезионной прочностью, но и типом нарушения связи между контактами, то есть характером разрушения. Вопрос о характере разрушения имеет и теоретическое, и большое практическое значение: только зная слабое место системы, можно искать пути повышения ее работоспособности. Общепринятой является следующая классификация видов разрушений: адгезионное (адгезив целиком отделяется от субстрата), когезионное (разрыв происходит по массиву адгезива или субстрата), смешанное (наблюдается частичное отделение адгезива от субстрата, частичное разрушение субстрата и частичное разрушение адгезива).

    Учитывая влияние субстрата на структуру прилегающего слоя адгезива, можно представить себе адгезив стостоящим по крайней мере из трех частей: тончайшего модифицированного слоя на поверхности субстрата, промежуточного слоя, в котором влияние силового поля поверхности субстрата оказывается значительно ослабленным, и , наконец, основной массы адгезива, где влияние поверхности субстрата не ощущается. Рассматривая пленку клея, заключенную между двумя поверхностями, можно выделить пять слоев: два внешних, модифицированных, примыкающих к субстратам, два промежуточных и один основной в центре.

    Разрыв адгезива по основной массе, по модифицированному или промежуточному слоям формально принято рассматривать как когезионный, хотя эти случаи существенно различаются.

    В последнее время многие исследователи полагают, что чистого адгезионного разрушения не может быть [7], и, следовательно, тот вид разрушения, который обычно считается адгезионным, не является таковым, а представляет собой разрушение по модифицированному слою адгезива, непосредственно примыкающему к поверхности субстрата. В соответствии с этим адгезионным следует считать такое разрушение, которое происходит в модифицированном слое адгезива вблизи поверхности субстрата [17].

    Однако отрицать возможность чистого адгезионного разрушения по границе раздела адгезив-субстрат, не следует. Этот вид разрушения вполне вероятен, и в некоторых адгезионных соединениях он может иметь место наряду со смешанным и когезионным разрушением [7,18,19].

    Разумеется, утверждать, что на поверхности субстрата (или наоборот) после разрушения системы адгезив-субстрат отсутствуют следы адгезива вряд ли возможно, поскольку точность современных методов оценки характера разрушения ограничена. Возможно, на поверхности субстрата, особенно в неровностях и углублениях, и остаются мельчайшие, не фиксируемые экспериментально следы адгезива.

Уместно отметить одну из причин чисто адгезионного разрушения систем адгезив-субстрат. Дело в том, что межфазная поверхность в гетерогенной системе наиболее ослаблена из-за концентрации механических напряжений. Поэтому, при отсутствии достаточно прочных молекулярных связей на границе раздела адгезив-субстрат граница не является местом проростания магистральной трещины.

Для пористых субстратов вопрос о характере разрушения формально снимается, поскольку разрушение системы всегда сопровождается разрушением соединяемых материалов, то есть имеет когезионный характер.

Заканчивая рассмотрение вопроса о характере разрушения адгезионных соединений, отметим влияние скорости на характер разрушения. Часто удается наблюдать, что с повышением скорости деформации когезионный характер разрушение сменяется смешанным, а затем адгезионным. Это связано с релаксационными процессами. При медленном разрушении, когда успевают произойти процессы релаксации, адгезив испытывает значительные деформации, что и приводит к когезионному разрушению по адгезиву. При быстром разрушении релаксация не успевает произойти, и адгезив ведет себя как твердое тело с высоким модулем упругости. Слабым местом оказывается граница раздела адгезив-субстрат, так как именно на этой поверхности возникают наиболее неоднородные напряжения.

3.2. Зависимость адгезионной прочности от толщины слоя адгезива.

    Характерной особенностью прочности адгезионных соединений является ее зависимость от толщины слоя адгезива [20,21,22,23]. Как правило, с уменьшением толщины слоя адгезива прочность адгезионного соединения возрастает. Эта зависимость может быть объяснена несколькими причинами. Прежде всего следует упомянуть масштабный фактор. Согласно статистической теории прочности твердых тел [24,25,26], значительно меньшая для многих материалов реальная прочность по отношению к теоретической объясняется дефектностью реальных тел.

    Поэтому прочность образцов небольших размеров оказывается выше прочности более массивных, в которых вероятность наличия дефектов больше. С этих же позиций можно объяснить зависимость прочности адгезионных соединений от толщины слоя адгезива [20,24,27].

    Другой причиной зависимости прочности адгезионного соединения от толщины слоя адгезива могут быть внутренние напряжения [21]. Суммарный эффект действия напряжений, приводящий к ослаблению адгезионной связи, оказывается выше в случае более толстых слоев адгезивов.

    Имеются попытки объяснить зависимость адгезионной прочности от толщины слоя адгезива влиянием твердой поверхности [20,28], в результате которого возможность деформации тонкого слоя адгезива меньше, чем толстого.

    Зависимость усилия разрушения от толщины слоя адгезива с повышением температуры испытания постепенно изменяется. Это обусловлено затратой работы на деформацию слоя адгезива в сочетании с влиянием масштабного эффекта и действием внутренних напряжений. При низкой температуре проявляются главным образом два последних фактора и значение адгезионной прочности с уменьшением толщины слоя адгезива возрастает. С повышением температуры облегчается релаксация внутренних напряжений и уменьшается влияние масштабного эффекта, но все большая доля усилий затрачивается на деформацию слоя адгезива. Компенсация этих противоположных факторов приводит к тому, что адгезионная прочность перестает зависеть от толщины слоя адгезива, что также неоднократно отмечалось различными авторами.

При температурах от –60 до –24 ⁰С с уменьшением толщины слоя адгезива наблюдался рост разрушающего усилия, а при температуре 22 0С такой зависимости уже не наблюдается.