微纳米复合材料研究所在描述粘附材料界面应力和脱附行为研究中取得重要进展

研究简介

弹性体分层时需要考虑两种分层机制：能量主导判据方法考虑存在临界应变能释放率Gc，当应变能释放率G达到Gc时边缘裂纹进行扩展；强度主导判据方法考虑存在界面强度σmax，当界面中心处应力达到σmax时即产生中心裂纹。考虑边缘的应力强度因子在弹性体分层时的变化规律，本研究总结推导出影响界面应力分布的材料参数ξ：

其中Gc是界面临界应变能释放率，σmax是界面强度，E* = E/(1-μ2)，E是弹性体模量，μ是弹性体泊松比，a是弹性体截面半边长。材料参数ξ综合了Gc、σmax和E*对应力分布的影响，其物理意义是界面刚度与弹性体模量之比。当ξ增大时，弹性体模量相对界面刚度较小，则弹性体变形量增大导致的边缘应力集中加剧，容易产生边缘裂纹。而ξ趋于零则反应弹性体近似为刚体，此时界面应力均一，如图 3所示。

基于能量主导和强度主导的裂纹起裂判据方法：本研究分别得到了产生边缘裂纹和中心裂纹所需的拉脱力Pc(edge)和Pc(center)。在实际应用中，弹性体的拉脱力为Pc(edge)和Pc(center)的较小值。两种脱附行为的拉脱力均受η和ξ的影响，但边缘脱附行为对参数η和ξ的变化更为灵敏。基于对两种脱附行为的理解，本研究首次建立材料参数ξ与几何参数η的双参数理论模型，系统揭示了方形截面弹性体边缘脱附形式（指状/菱形）与中心脱附的复合行为规律，可用于定量分析η和ξ对拉脱力和脱附行为的影响，并将该影响结果描述在P ̅_c-η-ξ空间中，如图 4所示。考虑η和ξ两个参数对弹性体粘附的影响可以更加完备得描述弹性体拉脱力和脱附行为的变化规律。基于P ̅_c-η-ξ空间的理论拉脱力分布，可以将无量纲化的拉拔实验数据依据最小二乘法拟合到该P ̅_c-η-ξ空间中，进而准确地反演界面的本征参数，包括临界应变能释放率Gc和界面强度σmax。

研究阐明了角点高应力集中对材料模量敏感性的调控机制，并对比了方形和圆形截面弹性体的拉脱力结果，指出在一定η条件下，方形截面弹性体角点处的高应力集中更容易诱导边缘脱附行为的出现，从而使方形截面弹性体的拉脱力更容易受到弹性模量变化的影响。因此，对于通过调节弹性模量来控制拉脱力的粘附材料而言，方形截面弹性体相较于圆形截面弹性体更具优势，因为方形截面弹性体具有更大的拉脱力调控范围。从而，本文结论为粘附材料拉脱力控设计提供了理论基础。