Interphases in polymer-metal adhesive joints

Abstract

The prediction of mechanical deformation behaviour and durability of adhesively bonded joints under duty conditions is one of the most important issues for engineering since it is a key parameter for design and health evaluation of adhesively bonded structures. Due to the viscoelastic nature of polymers, the mechanical behaviour of metal adhesive joints depends on temperature and deformation rate or time. Moreover, it happens that their mechan-ical response is also influenced by the adhesive thickness. This effect can be attributed to in-terphases which form between the adhesive and the substrates. Hence for a complete descrip-tion of the thermomechanical behaviour of adhesive joints at small deformation, the theory of linear viscoelasticity is utilised to calculate the effective linear viscoelastic functions of adhe-sive joints. Metal-polyurethane adhesive joints with different adhesive thicknesses have been characterised by isothermal shear tests at constant shear rates, creep and stress relaxation experiments as well as dynamic mechanical analysis in a broad temperature range. The bond line thickness dependence of their mechanical response is interpreted as proof for a mechanical interphase of considerable thickness between the polyurethane adhesive and the metal substrate. To investigate the characteristics of the observed interphase, different methods of the scanning differential calorimetry and the dielectric spectroscopy have also been applied.

Die Vorhersage des mechanischen Verformungsverhaltens und der Beständigkeit von Klebungen unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen ist eines der wichtigsten Themen für die Ingenieurswissenschaften. Es handelt sich hierbei um Schlüsselparameter für die Kon-struktion und die Überwachung von geklebten Strukturen. Aufgrund der viskoelastischen Natur von Polymeren hängt das mechanische Verhalten von Metallklebungen von der Temperatur und der Verformungsrate oder -zeit ab. Darüber hinaus kommt es vor, dass das mechanische Verhalten auch von der Klebschichtdicke beeinflusst wird. Dieser Effekt kann auf Interphasen zurückgeführt werden, die sich in der Klebung aus-bilden. Zur Beschreibung des thermomechanischen Verhaltens von Klebungen bei kleinen Verformungen wird die Theorie der linearen Viskoelastizität verwendet, um die effektiven linear viskoelastischen Funktionen zu berechnen. Metall-Polyurethan-Klebungen mit unter-schiedlichen Klebschichtdicken wurden durch isotherme Scherversuche mit konstanten Scher-raten, durch Kriech- und Spannungsrelaxationsexperimente sowie durch dynamisch-mechanische Analysen in einem breiten Temperaturbereich charakterisiert. Die Abhängigkeit der mechanischen Antwort von der Klebschichtdicke wird als Beweis für eine mechanische Interphase mit beträchtlichem Ausmaß zwischen dem Polyurethan-Klebstoff und dem Metall-substrat interpretiert. Um die Natur der beobachteten Interphase weitergehend zu charakterisieren, wurden die Auswirkungen der Interphase auf die kalorischen und dielektrischen Eigenschaften bestimmt.

La prédiction du comportement de déformation mécanique et de la durabilité des assemblages collés dans des conditions de service est l'une des questions les plus importantes pour l'ingénierie, car elle constitue un paramètre clé pour la conception et le contrôle des structures collées. En raison de la nature viscoélastique des polymères, le comportement mécanique des assemblages métalliques collés dépend de la température et de la vitesse ou du temps de déformation. En outre, il arrive que leur réponse mécanique soit également influencée par l'épaisseur de l'adhésif. Cet effet peut être attribué à l’interphase qui se forme entre l'adhésif et le substrat. Par conséquent, pour une description complète du comportement thermomécanique des as-semblages collés à faible déformation, la théorie de la viscoélasticité linéaire est utilisée pour calculer les fonctions viscoélastiques linéaires effectives de tels assemblages. Des assemblages collés de type métal-polyuréthane de différentes épaisseurs ont été caractérisés par des essais isothermes de cisaillement à vitesse de déformation constante, des expériences de fluage et de relaxation des contraintes ainsi que des analyses mécaniques dynamiques dans une large gamme de température. La dépendance de leur réponse mécanique en fonction de l'épaisseur d’adhésif est interprétée comme étant la preuve d'une interphase mécanique d'une épaisseur considérable entre l'adhésif polyuréthane et le substrat métallique. Pour étudier les caractéris-tiques de l'interphase observée, différentes méthodes de calorimétrie différentielle à balayage et de spectroscopie diélectrique ont également été appliquées.

La predicción del comportamiento de la deformación mecánica y de la durabilidad de las uniones adhesivas en condiciones de servicio es uno de los retos más importantes para la ingeniería, ya que es un parámetro clave para el diseño y el control de las estructuras unidas con adhesivos. Debido a la naturaleza viscoelástica de los polímeros, el comportamiento mecánico de los en-samblajes metálicos unidos con adhesivos depende de la temperatura y la velocidad de defor-mación o del tiempo. Además, su respuesta mecánica también puede verse influida por el grosor del adhesivo. Este efecto puede atribuirse a las interfases que se forman entre el adhesivo y los sustratos. Por lo tanto, para una completa descripción del comportamiento termo-mecánico de las uniones adhesivas en deformaciones pequeñas, se utiliza la teoría de la visco-elasticidad lineal para calcular las funciones viscoelásticas lineales efectivas de dichas uniones. Las uniones metal-poliuretano de diversos espesores se han caracterizado mediante ensayos de cizallamiento isotérmico a velocidad de tensión constante, experimentos de fluencia y relajación de tensiones y análisis mecánicos dinámicos en una amplia gama de temperaturas. La relación de dependencia entre la respuesta mecánica y el espesor del adhesivo se in-terpreta como prueba de una interfase mecánica de considerable espesor entre el adhesivo de poliuretano y el sustrato metálico. Para estudiar las características de la interfase observada, se ha aplicado la misma estrategia utilizando diferentes métodos de calorimetría diferencial de barrido y espectroscopía dieléctrica.