粘接雖然具有很高的剪切、拉伸和疲勞強度，但是剝離強度、沖擊強度和彎曲強度都比較低，有時還不能滿足高強度要求。為了更加牢固耐久，尚需采取增強加固措施，即所謂粘接的增強。

    粘接增強的原理就是增大粘接面積、改善受力情況、承擔(dān)部分負(fù)荷、減少薄弱環(huán)節(jié)、防止剝離開裂，從而極大提高粘接強度與牢固耐久性。

    粘接的增強意義頗大，對于滿足高性能的特殊要求，確實不可缺少。其增強措施有機械加固、粘貼織物、纏繞纖維、粘貼碳纖維片材、防止剝離、改變接頭的幾何形狀、表面進(jìn)行化學(xué)處理或偶聯(lián)劑處理、加熱固化、消除內(nèi)應(yīng)力等。在實際當(dāng)中究竟采用何種方法，是一種方法或是幾種方法聯(lián)合使用，應(yīng)視具體情況和要求而定。下面對粘接增強的一些措施予以較詳細(xì)的介紹。

 

 

    機械方法增強實質(zhì)上就是粘接與機械連接的并用，是一種混合連接方式。它能使接頭具有更高的可靠性，收到揚長避短、錦上添花的效果。

    機械增強是最普通、最常用、最有效的方法，包括嵌波浪鍵、金屬扣合、鋼板增強、鑲塊、螺釘、鉚合、點焊、穿銷、套管、嵌入燕尾鍵、構(gòu)織鐵絲網(wǎng)等。

 

    （一）金屬扣合與波浪鍵

 

    對于大型設(shè)備受力較大的裂紋、裂縫及損壞的修復(fù)，只用粘接不會牢靠，應(yīng)當(dāng)是粘接加上金屬扣合，修補才能牢固耐久，這就要用到波浪鍵或金屬扣（見圖7-14和圖7-15）。采用波浪鍵增強粘接的效果比較好，對機件壁厚大于8mm，承受1～6MPa壓力的機件裂紋或斷裂的修復(fù)，必須以一定數(shù)量的波浪鍵進(jìn)行加固增強。波浪鍵制作比較復(fù)雜，一般并不常用。

    波浪鍵的尺寸為：

    頸部寬度  b=3～6mm；

    凸緣直徑  d=(1.4～1.6)b；

    凸緣間距  ι=（2～2.2）b；

    波浪鍵厚度  t=-(1.0～1.0)b；

    波浪鍵長度L  根據(jù)凸緣個數(shù)確定。

 

 

    波浪鍵的鍵數(shù)常用5、7、9等單數(shù)，使用時應(yīng)將波浪鍵長短相間，即5與7或7與9個聯(lián)合交叉使用，以改善受力情況，提高修復(fù)質(zhì)量。

    波形槽深度為0.65～0.75mm，修復(fù)區(qū)域的機件厚度相鄰兩波形槽之間距約為30mm，鍵槽配合間隙為0.1～0.2mm。

    波浪鍵大都用高強度合金鋼加工制成，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等低碳鎳鉻不銹鋼。加工波形槽應(yīng)與機件裂縫的方向垂直。

    在粘接扣合之前，應(yīng)對槽內(nèi)及波浪鍵的粘接部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，并涂上環(huán)氧膠黏劑，將波浪鍵嵌入槽內(nèi)。金屬扣合特別適用于修復(fù)大型鑄件的裂縫，因為鑄件不易變形，焊補還會因應(yīng)力集中而引起其他地方再裂。

 

    （二）鋼板粘貼增強

    鋼板粘貼增強很簡單，即在損壞的部位貼上一塊鋼板，用于受力較大的斷裂部位或孔洞，應(yīng)力分布比較均勻，增強效果很好。

    所用鋼板可為2～5mm厚的低碳鋼板（10～30號鋼），尺寸要比損壞部位大20～30mm。鋼板和損壞部位都要經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，涂上環(huán)氧膠黏劑，疊合后再用螺釘或電焊加固。也可先用焊接或螺釘將鋼板固定在需要增強的部位，再以環(huán)氧膠黏劑封固。

 

    （三）嵌入銷釘、螺釘、金屬套

    可以增大粘接面積，起機械增強作用。具體做法是沿裂紋鉆孔、攻絲，帶膠裝入M5～M8的螺釘，兩螺釘間相互重疊1/4左右，然后鉚平。

    對于折斷的工件，簡單的對接，受力即斷，可在外周或內(nèi)孔鑲上金屬套而得到增強。見圖7-16。

 

 

    （四）鑲塊或嵌入燕尾鍵

    如果損壞部位較大，又要求外觀平整，可采用鑲塊的方法帶膠裝入。再以點焊或螺釘固定，如圖7-17所示。

 

 

    對于受力較大的裂縫或斷裂的修復(fù)，可嵌入燕尾鍵，效果相當(dāng)好，只是加工較復(fù)雜，如圖7-18所示?；蠺為工件壁厚，t為燕尾鍵厚，b為燕尾鍵寬，b=3T，t=（1/3～2/5）T。

 

    （五）點焊增強

    對干鑲塊補洞或裂縫較長的粘接，可用點焊的方法沿四周加固增強，實質(zhì)也是粘接與點焊的并用。點焊最好在環(huán)氧膠黏劑初固化后進(jìn)行，點焊還可以加速環(huán)氧膠黏劑的進(jìn)一步固化，點焊距離為30～50mm，焊后清理再涂膠覆蓋，以防腐蝕。

 

    （六）構(gòu)織鐵絲網(wǎng)

    對于較大孔洞的粘接修復(fù)，可在斷面處鉆排孔，孔間距離為20～25mm，孔徑2～4mm，孔深7～12mm，在縱橫方向插入相應(yīng)直徑的鐵絲構(gòu)織成網(wǎng)狀，并涂覆環(huán)氧膠黏劑，貼上玻璃布或棉布，再用環(huán)氧膠黏劑填平。

 

 

    （一）粘貼玻璃纖維布

    在經(jīng)過處理的被粘表面涂膠后貼上幾層玻璃纖維布，能夠增加粘接面積，提高結(jié)合力，防止膠液流失，保證膠層厚度，減小內(nèi)應(yīng)力，吸收沖擊能量。其結(jié)果是大大提高了剪切強度、剝離強度、沖擊強度、疲勞強度及耐久性，可以明顯地強化粘接性能。例如環(huán)氧膠黏劑脆性較大、剝離強度低，若是于環(huán)氧膠層中加入玻璃布，剝離強度可增加5～6倍。

    粘貼玻璃布其實就是玻璃鋼加固，方法簡單，對粘接增強的效果非常明顯，確是值得廣為采用的好方法。

    粘貼玻璃布的層數(shù)、面積、厚度要根據(jù)實際情況確定，一般為1～3層。層數(shù)太多，又硬又厚，容易剝離也不經(jīng)濟。

 

    所用玻璃布應(yīng)是無堿、無蠟、無捻的，厚度為0.05～0.15mm。玻璃布按堿金屬氧化物含量不同而分為無堿（E）、低堿、中堿（C）、高堿（A）玻璃布，其性能有很大差別。無堿玻璃纖維布含堿量＜1%，具有較高的力學(xué)強度和良好的電絕緣性、耐水性、耐老化性，因此，粘貼增強用玻璃纖維布應(yīng)為無堿或低堿（含堿量2%～6%）類型，切勿用中堿（含堿12%左右）和高堿（＞15%）的玻璃纖維布。EW-210玻璃纖維布強度較高，而且對鋁合金不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。

    玻璃纖維在拉絲過程中要加浸潤劑，我國常用石蠟型乳化劑，它是一種油質(zhì)材料，使得具有高能表面的玻璃布變?yōu)榈湍鼙砻妫瞽h(huán)氧膠黏劑對玻璃布濕潤困難，有礙良好粘接的形成。因此，在使用之前應(yīng)檢查一下玻璃布有無蠟脂，簡單的方法是在電爐上烘烤，冒煙者則表明有蠟存在。

    如果是石蠟型玻璃布，在使用前應(yīng)進(jìn)行脫蠟處理，已有很多種方法，可根據(jù)實際條件進(jìn)行選擇。具體方法如下所述。

    ①在燒熱的電爐上，將玻璃布慢慢反復(fù)拉過去，烤除表面上的浸潤劑，烤時會冒出一些白煙，至不冒煙時即表示蠟已除掉，大約1～2min，此時玻璃布呈現(xiàn)淡黃色。熱烤時切勿溫度過高、時間過長，以防玻璃布脆化。這是最簡單的方法，只是需要細(xì)心

    ②將玻璃布用肥皂水煮半小時，然后用自來水沖洗多次，晾

    ③將玻璃布浸入堿水或洗衣粉液（1.0kg水加洗衣粉約20g）中煮沸3～4h后，用清水漂洗，晾干即可。

    ④將玻璃布放入250～300℃的烘箱內(nèi)，保持10～20min，烘烤時有大量的煙氣放出，必須注意排風(fēng)，開大烘箱上的通氣孔。

    如果在玻璃布脫蠟處理之后，再置入1%～2%的KH-550乙醇（95%）溶液浸泡，晾干后再粘貼，可得到更佳的粘接性能。

    將南大-42偶聯(lián)劑（1份）與三乙醇胺（1份）混合液在高速攪拌下逐步加入100份水中，連續(xù)攪拌1h得到乳化液。將預(yù)熱過的玻璃布在上述乳化液中浸漬，取出后在120～130℃烘干，粘接強度極大提高。

    脫蠟后的玻璃布很易吸水，最好是處理后立即使用，不宜放置太久。

    在粘貼幾層玻璃布時，外層應(yīng)比內(nèi)層大，但不得超過應(yīng)粘接面積的1.5倍。

    根據(jù)實際需要裁剪玻璃布的大小，四周拉毛散開，使環(huán)氧膠黏劑易浸透。

    在需要粘接的部位縱橫交錯均勻地涂上一層環(huán)氧膠黏劑，將已處理好的玻璃布平整鋪貼在上面，并用毛刷、輥子等工具將其壓實，趕走氣泡，一定要使環(huán)氧膠黏劑浸透玻璃布。然后再重復(fù)上層操作，直至達(dá)到要求層數(shù)。注意四周邊緣勿翹起、裂開，最后于表面再涂一層環(huán)氧膠黏劑，室溫放置固化或進(jìn)行加熱處理。

    也可將玻璃纖維布浸環(huán)氧膠做成增強帶，如SY-ZQ增強帶，纏繞固化，使用更方便。

    （二）粘貼碳纖維布（片）

    碳纖維是指纖維中碳含量在95%左右的碳纖維和碳含量在99%左右的石墨纖維，具有密度低、模量大、強度高、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電好、抗蠕變、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異特性。200g（300g）碳纖維布的拉伸強度為4195MPa（3959MPa），彈性模量為2.6×10⁵MPa（2.3×10⁵MPa）、伸長率為1.65%（1.52%）。碳纖維布不僅能增強環(huán)氧膠黏劑，還具有導(dǎo)電性能。由于碳纖維表面的化學(xué)惰性和憎液性，致使粘接能力差，粘貼之間必須進(jìn)行表面處理。已有很多處理碳纖維的方法，如硝酸氧化法、次氯酸法、溶液還原法、電暈法、等離子體法、聚合物涂層法、微波處理法、陽極氧化法、臭氧氧化法等。臭氧氧化處理就是由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧氣體，在處理爐內(nèi)對碳纖維進(jìn)行表面氧化。陽極氧化是將碳纖維浸入5%的NH₄HCO₃水溶液中，以碳纖維為陽極，石墨作陰極，在電壓10V、電流2A條件下處理2min。用蒸餾水洗除表面電解質(zhì)離子，100℃真空干燥2h。臭氧氧化法效果優(yōu)于陽極氧化處理。

    以碳纖維布（片）代替鋼板采用改性氧膠黏劑對鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強加固，是使樹脂與纖維材結(jié)合成一體，即是碳纖維增強塑料，達(dá)到對混凝土加固的目的。其優(yōu)越性凸顯，操作方便，質(zhì)輕高強，且防腐耐久，增強效果更好?？蛇x用HCJ碳纖維膠黏劑（華東理工大學(xué)聚合物有限公司）。武漢大筑建筑科技有限公司有200g和300g碳纖維布供應(yīng)。

    也可粘貼棉布或維綸布進(jìn)行環(huán)氧膠黏劑粘接的增強，棉布一定要用3%的熱堿液脫脂、水洗、干燥，否則難獲良好粘接效果。清潔干燥的維綸布可直接使用，如果是高溫固化，環(huán)氧膠還能與維綸上的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，粘接強度會更高。

 

    （三）纏繞纖維

    對于管或棒等圓形粘接接頭可帶膠纏繞纖維，最常用的是玻璃纖維，固化后成為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，增強效果非常好。還可用玄武巖纖維、多晶莫來石纖維等。

 

 

    當(dāng)薄壁構(gòu)件與較厚板材粘接時，即平面粘接接頭，尤其是接近端部，對剝離力特別敏感，若受到橫向的剝離力首先容易脫開，并導(dǎo)致整個粘接縫的破壞。剝離通常是從膠層邊緣開始的，因此可以采取端部加鉚、卷邊、加寬、增剛等方法避免，如圖7-19所示。加鉚時鉚釘應(yīng)靠近接頭頂端，鉚釘孔必須加大，并涂膠封閉，使端部以剛性約束，鉚釘起到防止膠層剝離的作用。

    防止剝離破壞還有最簡單的方法是以薄的鋼片或鐵片（0.5～1.0mm）做成卡子，卡子成長方形，斷面為“U”形。卡于膠層邊緣處，可有效地防止剝離破壞。

    粘接膠合板、纖維板、玻璃鋼、石棉板等層壓材料應(yīng)防止受力后引起材料分層。如果平搭接，使表面層受到剪切應(yīng)力，則會造成材料內(nèi)部先分層破壞。因此，為獲得牢固的粘接，應(yīng)采用斜接接頭，讓其縱向受力，避免層間分離。

 

 

 

 

    改變接頭的幾何形狀，能夠大大提高粘接強度。對于平搭接，可以采取如下一些措施。

    ①將搭接接頭末端削成斜角形，可以降低膠層兩端剪切應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)承載能力。

    ②將接頭末端的材料去掉一部分，降低剛性。

    ③中間粘貼薄的柔性層，如玻璃布、維綸布、氨綸布等。

    ④在可彎曲處粘接貼板。

    ⑤使接頭末端彎曲。

    ⑥接頭末端內(nèi)部削成斜角。

    上述幾種形式如圖7-20所示。

 

 

    如果是對接接頭，需要增大粘接面積，提高橫向承載能力，可采用各種嵌接形式，見圖7-21。

 

 

    為使薄板粘接做得剛性更大些，通常采用凸緣接頭形式，通過增大粘接面積，增加凸緣柔韌性和增加薄板剛性，可提高粘接體系抗彎曲的能力，見圖7-22。

 

 

 

    由于固化時的體積收縮和熱膨脹系數(shù)差異所存在于粘接體系內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生來自于如下幾個方面。

 

    （一）膠黏劑固化時的體積收縮

    環(huán)氧膠黏劑因是化學(xué)反應(yīng)固化，發(fā)生體積收縮是經(jīng)常存在的，當(dāng)固化時，原來的范德華力結(jié)合變?yōu)楣矁r鍵結(jié)合，從微觀上看是分子間的距離縮小，反映在宏觀上必然是體積減小，密度增加，這種由于體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也稱為收縮應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力削弱界面的黏合力是引起粘接強度下降的主要原因，會大大縮短粘接件的使用壽命?？梢哉f環(huán)氧膠黏劑固化時所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力是一種潛在的破壞因素。

 

    （二）膠層與被粘物熱膨脹系數(shù)的差異

    在固化和使用過程中，不同熱膨脹系數(shù)材料粘接在一起，當(dāng)溫度變化時在界面上產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果熱膨脹系數(shù)差別較大，則有可能導(dǎo)致界面結(jié)合的破壞，不容忽視。

 

    （三）膠層吸收水分發(fā)生膨脹

    由于膠層吸收水分后引起體積膨脹，也會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

 

    （四）界面上氣泡和夾入空氣

    粘接界面在工藝過程中如果處理不當(dāng)而留下氣泡或空氣，同樣會引起內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力對粘接性能有著重要的影響，一般內(nèi)應(yīng)力大，粘接強度低；內(nèi)應(yīng)力小，粘接強度高。因此，應(yīng)設(shè)法降低或消除內(nèi)應(yīng)力，可行的方法有降低環(huán)氧膠黏劑固化過程的收縮率，提高內(nèi)應(yīng)力的弛豫（松弛）速度，減小環(huán)氧膠黏劑和被粘物的熱膨脹系數(shù)的差異。具體的措施如下。

    （1）采用零收縮粘接技術(shù)   引入膨脹性單體，例如環(huán)氧樹脂引入雙螺環(huán)化合物（SOC）膨脹單體，其與環(huán)氧樹脂形成共聚物時的體積膨脹可有效地抵消固化時的收縮，引起的總效應(yīng)是不收縮、不膨脹。例如由3，3，9，9-四甲基-1，5，7，11-四氧螺［5，5］十一烷11（質(zhì)量）份、鄰甲酚醛環(huán)氧樹脂45份、六氫苯酐36份、咪唑1份，混合成粉狀環(huán)氧膠，噴涂在電器上，140℃/2h固化，固化物收縮率為0%。應(yīng)用零收縮的新型膠黏劑，能夠獲得無內(nèi)應(yīng)力的粘接。已有實驗證明，利用引入膨脹單體共聚，能使固化過程中的體積變化趨近于零，此時材料強度能達(dá)極大值。

    （2）降低固化反應(yīng)活性   固化反應(yīng)的放熱溫度越低，內(nèi)應(yīng)力越小。固化溫度不宜過高，應(yīng)取最低的起始反應(yīng)溫度，延長凝膠時間，使大分子運動不致太激烈，以免造成過大的收縮率而使內(nèi)應(yīng)力增大。在凝膠化后繼續(xù)加熱固化，應(yīng)采用階梯式升溫方式。

    （3）在膠黏劑中加入活性增韌劑   粘接接頭中內(nèi)應(yīng)力分布是不均勻的，主要集中在邊角。加入脂肪長鏈并帶有活性基團的增韌劑，會在固化的體型結(jié)構(gòu)中形成長鏈的韌性橋鍵，降低彈性模量，提高韌性和伸長率。上述的韌性體系能夠有效地傳遞固化收縮應(yīng)力和溫差熱應(yīng)力，加快內(nèi)應(yīng)力弛豫速度，使得內(nèi)應(yīng)力分布均勻，從而達(dá)到降低內(nèi)應(yīng)力的目的。

    （4）加入無機粉末填料   環(huán)氧膠黏劑中加入適當(dāng)適量的無機粉末填料，調(diào)節(jié)環(huán)氧膠黏劑與被粘物的熱膨脹系數(shù)盡量相近，可以降低熱膨脹系數(shù)、固化收縮率和放熱溫度等，這些都會使內(nèi)應(yīng)力減小。含有填料的固化物受到應(yīng)力作用時，將均勻地傳遞到填料顆粒表面。由于填料承擔(dān)了大部分應(yīng)力，起到了均勻分布應(yīng)力的作用。又因粉末填料取代了一大部分體積的樹脂，可以有效降低固化后的收縮率，從而使內(nèi)應(yīng)力減小。

    （5）固化后緩慢冷卻   加熱固化后不宜驟然冷卻，使體型大分子結(jié)構(gòu)慢慢冷卻收縮，是降低內(nèi)應(yīng)力的重要工藝措施。

    （6）后固化進(jìn)行后固化，能夠增大內(nèi)應(yīng)力的弛豫速度，對于消除內(nèi)應(yīng)力的效果很好。

 

 

    對于金屬的結(jié)構(gòu)粘接，經(jīng)過化學(xué)處理后的粘接強度有明顯提高，例如鋁合金的粘接剪切強度經(jīng)簡單的脫脂處理后為18.5MPa，而采用化學(xué)處理之后則達(dá)34.3MPa?；瘜W(xué)處理即通過化學(xué)反應(yīng)在金屬表面上生成一層難溶于水的非金屬膜，可以改善環(huán)氧膠黏劑與表面的結(jié)合力，從而極大地提高粘接強度。對于性能要求較高的粘接應(yīng)盡量用化學(xué)方法處理，具體的處理方法本書第7章（7.4）已經(jīng)詳述，此不重復(fù)。

    以偶聯(lián)劑對被粘表面進(jìn)行處理是粘接增強的一種卓有成效的方法，操作方便，用量很少，效果顯著。例如以環(huán)氧-聚硫-聚酰胺膠黏劑粘接45#鋼，僅用一般脫脂，表面預(yù)熱40～50℃，粘接剪切強度為20.5MPa；而表面用KH-550偶聯(lián)劑處理后再粘接，其剪切強度高達(dá)30.5MPa。顯而易見，以偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，可使粘接強度大增。

    表面處理所用的偶聯(lián)劑為1%～2%的非水溶液（常用乙醇）或水溶液，涂覆后要在室溫下晾干，再于80～100℃烘干半小時，也可涂覆后直接在80～100℃烘干1.5h，粘接效果都很好。

也有報道，偶聯(lián)劑處理的表面自然晾干后，鋼/鋼粘接的剪切強度可提高20%。

 

 

    為了獲得較高的粘接強度，一般需要加熱固化，其強度可提高50%～100%，這也是粘接增強的一種好方法。加熱固化有利于大分子進(jìn)一步擴散、滲透、纏結(jié)，使化學(xué)反應(yīng)更加完全，提高固化程度和交聯(lián)程度，減小蠕變，這些都能使粘接強度大幅增加?？傊?，加熱可使固化更充分，強度更增大（見表7-18）、粘接更牢固。

 

 

 

 

    利用納米材料的獨特力學(xué)性能，既能增強、增剛、增韌，還可提高耐熱性，在環(huán)氧膠黏劑中加入少量的無機納米材料，可使粘接強度明顯提高。例如環(huán)氧膠黏劑中加入5%的納米SiO₂時，粘接鋼的剪切強度為21.3MPa，提高23.8%；加入3%的納米SiO₂時，沖擊強度為5.3kJ/㎡，提高23.5%。添加2.5%的納米硫酸鋇（10～50mm），沖擊強度提高73%，拉伸強度增加19%，伸長率增大82%。于環(huán)氧樹脂中添加5%納米TiO₂，其拉伸強度比未加的提高485%。美國開發(fā)了一種新穎的納米增強劑“POSS”，是采用多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）技術(shù)合成的一種納米SiO₂微粒，其特點是能溶于溶劑和樹脂中，確保實現(xiàn)分子分散，同時保持低黏度，當(dāng)溶劑揮發(fā)或樹脂固化則形成納米結(jié)構(gòu)起增強作用。碳納米管長徑比較大，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，將碳納米管加入環(huán)氧膠中，固化之后強度大增，某些性能優(yōu)化，例如95%～99%的環(huán)氧樹脂與1%～5%的碳納米管混合后，固化產(chǎn)物的硬度比未加提高了3倍。

 

 

    晶須是以單晶形式生長而成的直徑非常?。?～10μm）、原子排列高度有序、強度接近完整晶體的理論值、有一定長徑比（5～1000）的纖維材料，具有高強度、高模量、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等特性，是優(yōu)良的增強材料。于環(huán)氧膠黏劑中加入少量晶須，如氧化鋅晶須、碳酸鈣晶須、硫酸鈣晶須、硼酸鋁晶須、碳化硅晶須等，便能既增強又增韌，還可提高耐熱性。