Mit der steigenden Nachfrage nach Leichtgewicht in der industriellen Fertigung werden weiche Klebstoffe in Bereichen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt und Elektronik immer häufiger eingesetzt. Ein Ermüdungsfehler des weichen Klebstoffs unter zyklischen Belastungsbedingungen beeinflusst die sichere Verwendung der Klebstruktur erheblich. Angesichts der Tatsache, dass weiche Klebstoffe häufig eine erhebliche klebrige Elastizität zeigen, ist die Untersuchung der Verformung von klebrigen, elastischen weichen Klebstoffen bei komplexen Wegen mit mehrachsigen Kreislastbelastungen von großer Bedeutung für das Design und die Sicherheitsbewertung von Klebstrukturen gegen Ermüdung. In den letzten Tagen,Professor Zhang Jun Team der Universität von ZhengzhouEs wurden experimentelle Studien zum Verformungsverhalten des modifizierten Polyurethane-Weichklebstoffs HP-172B mit klebriger Elastizität unter einachsiger Dehnung und zweiachiger Multipath-Spannungskontrolle-Kreislastbelastung durchgeführt (Abbildung 1) und ein Kreislaufmodell erstellt, das diese komplexen Verformungen beschreibt.

Abbildung 1 Diagramm des zweichassigen Lastpfades: (a) Proportioneller Pfad; b) Diamantwege; c) Kreiswege; d) Elliptische Pfade.

Zunächst wurde in dieser Studie eine Probe des hantelförmigen modifizierten Polyurethanweichklebstoffs vorbereitet und ein einachsiges Zugzyklus-Experiment durchgeführt. Wie in Abbildung 2 gezeigt, treten weiche Klebstoffe mit klebriger Elastizität unter Kreislastbelastung eine kontinuierliche Kreislaufkriepung und eine Akkumulation von Spitzenradspannungen auf. Mit zunehmender Zykluszahl erfolgt eine Zyklusweichung des weichen Klebstoffs, die mit einer allmählichen Verringerung der Dispersionsenergie einhergeht. Zur Beschreibung dieses Gesetzes der Evolution wurde in dieser Studie ein nicht-lineares Modell der klebrigen Elastizität vorgeschlagen, das die Eigenschaften der klebrigen Kugeln des Materials berücksichtigt und auf der Grundlage des imaginären Kelvin- und Maxwell-Modells mathematische Ausdrücke mit Spannungsakkumulationsfunktionen und Neigungsfunktionen erstellt, um die Spannungsakkumulation und das zyklische Verweichungsverhalten des Materials unter zyklischen Belastungen vorherzusagen.

Abbildung 2 Ergebnis eines einachsigen Lastzyklus-Tests

Abbildung 3 Dehnungsreaktionskurve für weiche Klebstoffe unter verschiedenen Belastungswegen

Angesichts der Tatsache, dass weiche Klebstoffe im praktischen Betrieb möglicherweise auch eine zweichassige Belastung durch einen Zyklus aushalten müssen, führt die Studie weitere zweichassige Zugzyklus-Belastungstests durch, die komplexe Belastungswege berücksichtigen. Im Vergleich zu einer einachsigen Loop-Belastung führt ein nicht proportionaler Belastungsweg zu einer deutlicher Akkumulation von Spinnradspannungen, und die Evolutionsgesetze der Spinnradspannungen sind stark mit dem Belastungsweg verbunden (Abbildung 3). Unter unverhältnismäßigen zyklischen Belastungsbedingungen führt die Dehnungsdeformation in verschiedenen Richtungen zu einer Veränderung der Wechselwirkung zwischen den molekularen Ketten, was die Rekuperation der Klebrigkeit der molekularen Kette im Vergleich zur proportionalen Belastung schwieriger macht, die sich schließlich als unterschiedliche Akkumulationsgesetze der Spannungen des Spitzenrades manifestiert. Darüber hinaus zeigen weiche Klebstoffe unter verschiedenen Belastungswegen unterschiedliche Entwicklungsregeln der Dispersionsenergie, und die anfängliche Dispersionsenergie und die Gesamtenergie der nicht proportionalen Belastungswege sind höher als die proportionalen Belastungswege, was darauf hindeutet, dass der nicht proportionale Belastungsweg größere Schäden am Material verursachen kann. Zur Beschreibung von Materialdeformationen unter komplexen Lastpfaden entwickelte die Studie ein Modell für eine zweiachige, mehrpfadige Zyklus-Konstruktion durch Einführung von Lastpfadenkoeffizienten. Das Modell beschreibt die zusätzlichen Auswirkungen verschiedener Belastungswege auf die Spannung des Materialspitzenrades durch die Anpassung des Belastungswegkoeffizienten, wodurch die mechanische Reaktion unter zweichassigen Kreislastbelastungen genau vorhergesagt wird (Abbildung 5).

Abbildung 4 Entfaltung der Spannungen und Dispersionsmöglichkeiten der Spitzenräder auf verschiedenen Ladewegen mit der Anzahl der Kreise

Abbildung 5 Modellberechnung und Versuchsergebnisse im Vergleich zu zweiachigen Multipath-Kreislastbedingungen

Zusammenfassend konzentriert sich diese Studie auf die Beziehung zwischen Spannungen, Kreislaufweichung und Materialschäden unter verschiedenen Belastungswegbedingungen während der Kreislaufdeformation von weichen Klebstoffen, was zum Design und zur Entwicklung von Müdigkeitsbestanden für weiche Klebstrukturen beiträgt. Es ist erwähnenswert, dass in dieser Studie der Ladewegskoeffizient als ein Parameter betrachtet wird, der nur mit dem Ladeweg verbunden ist, während dieser Parameter tatsächlich mit der Anzahl der Kreise verbunden sein kann. Die Genauigkeit der theoretischen Vorhersagen kann durch Berücksichtigung und entsprechende Korrektur der Abhängigkeit der Kreislaufzahl vom Lastpfadkoeffizienten weiter verbessert werden.

Der Titel der Studie ist „Investigation on the ratcheting strain and cyclic softening of viscoelastic soft adhesive under uniaxial and biaxial cyclic loadings“ und erscheint im International Journal of Fatigue.