材料附著性能的關(guān)鍵評(píng)估：剝落試驗(yàn)詳解與應(yīng)用

一、 何為剝落試驗(yàn)？

剝落試驗(yàn)（Peel Test），有時(shí)也稱為剝離試驗(yàn)，是一種廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法。其核心目的在于定量或定性地評(píng)估兩種不同材料層之間的界面結(jié)合強(qiáng)度或涂層、薄膜、粘合劑等與基底材料之間的附著性能。當(dāng)材料界面受到垂直于結(jié)合面的拉力作用時(shí)，抵抗分離的能力即為該試驗(yàn)測(cè)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它模擬了實(shí)際應(yīng)用中材料層可能因外力作用（如撕扯、彎曲、溫度變化、環(huán)境影響等）而發(fā)生分層或脫落的場(chǎng)景，為評(píng)價(jià)產(chǎn)品耐久性、可靠性和工藝質(zhì)量提供重要依據(jù)。

二、 試驗(yàn)基本原理與核心目的

剝落試驗(yàn)的基本原理相對(duì)直觀：對(duì)試樣施加一個(gè)垂直于粘合界面的、穩(wěn)定或遞增的拉力，使粘合層或涂層從基底上逐漸剝離。在此過(guò)程中，通過(guò)專用的試驗(yàn)機(jī)（如萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄剝離過(guò)程中所需的力值和位移（或剝離長(zhǎng)度）。

核心目的包括：

1. 量化附著強(qiáng)度： 獲得剝離力曲線，計(jì)算平均剝離強(qiáng)度（單位寬度上所需的力，常用單位 N/mm 或 N/cm）。
2. 評(píng)估粘合/涂覆質(zhì)量： 判斷粘合劑的選擇、表面處理工藝、涂裝工藝等是否達(dá)到預(yù)期效果。
3. 比較不同材料或工藝： 在相同條件下對(duì)比不同粘合劑、不同基材、不同表面處理方式或不同固化條件對(duì)附著力的影響。
4. 分析失效模式： 觀察剝離后界面情況，判斷失效是發(fā)生在粘合劑內(nèi)部（內(nèi)聚破壞）、粘合劑與基底界面（粘附破壞）、涂層內(nèi)部還是混合破壞，為改進(jìn)提供方向。
5. 預(yù)測(cè)服役壽命： 結(jié)合環(huán)境老化試驗(yàn)（如濕熱、鹽霧、紫外老化等），評(píng)估材料組合在長(zhǎng)期使用環(huán)境下的附著性能穩(wěn)定性。

三、 常用試驗(yàn)方法類(lèi)型

根據(jù)試樣形狀、加載方式和應(yīng)用場(chǎng)景，剝落試驗(yàn)主要有以下幾種常見(jiàn)類(lèi)型：

1. T型剝離試驗(yàn)：

   • 適用對(duì)象： 主要用于評(píng)估兩個(gè)柔性薄片通過(guò)粘合劑粘合后的界面強(qiáng)度（如膠帶、標(biāo)簽、柔性復(fù)合材料等）。
   • 試樣準(zhǔn)備： 將兩片尺寸相同的柔性薄片在末端一定長(zhǎng)度內(nèi)粘合，未粘合部分形成“T”型或“180°”的剝離臂。
   • 測(cè)試過(guò)程： 將試樣的兩個(gè)剝離臂分別夾持在試驗(yàn)機(jī)的上下夾具中，以恒定速率分離，剝離角度通常為180°（兩臂反向平行拉伸）或90°（一臂固定，另一臂垂直剝離）。記錄剝離力-位移曲線。

2. 180°剝離試驗(yàn)：

   • 適用對(duì)象： 主要用于評(píng)估柔性材料（薄膜、箔材、膠帶） 粘貼在剛性或柔性基底上的粘合強(qiáng)度。
   • 試樣準(zhǔn)備： 將柔性材料一端粘貼在剛性平板上，或夾持柔性基底使其形成可剝離的自由端。
   • 測(cè)試過(guò)程： 將剛性基底（或柔性基底夾持端）固定在試驗(yàn)機(jī)下夾具，將柔性材料的自由端反向折疊180°，夾持在上夾具中。以恒定速率向上拉伸，使柔性材料以180°角度從基底上剝離。這是評(píng)估壓敏膠帶、保護(hù)膜、裝飾膜等最常用的方法。

3. 90°剝離試驗(yàn)：

   • 適用對(duì)象： 常用于評(píng)估柔性材料與剛性基底，或具有一定剛性的涂層/層壓板與基底的粘合強(qiáng)度。
   • 試樣準(zhǔn)備： 類(lèi)似180°剝離，但自由端不折疊。
   • 測(cè)試過(guò)程： 剛性基底固定，柔性材料自由端垂直向上夾持（形成90°角），以恒定速率向上剝離。適用于需要更大剝離力或材料剛性稍大的情況。

4. 浮輥剝離試驗(yàn)：

   • 適用對(duì)象： 主要用于評(píng)估相對(duì)剛性的金屬或復(fù)合材料粘接接頭的剝離強(qiáng)度，尤其是在航空航天結(jié)構(gòu)膠接領(lǐng)域。
   • 試樣準(zhǔn)備： 通常制備成一條形粘接接頭，其中一端未粘合作為剝離起始點(diǎn)。
   • 測(cè)試過(guò)程： 將試樣的一個(gè)被粘物（剝離臂）夾持在試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)夾具上，另一被粘物（固定臂）通過(guò)一個(gè)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形輥棒支撐并夾持在固定夾具上。活動(dòng)夾具向上移動(dòng)時(shí)，剝離臂繞輥棒彎曲剝離，剝離角度通常接近90°。這種方法能更好地約束剝離角度，減少剝離臂彎曲變形對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，適用于較厚的剛性被粘物。

四、 試驗(yàn)關(guān)鍵步驟與影響因素

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的剝落試驗(yàn)通常包含以下步驟：

1. 試樣制備： 嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如ASTM D903, ASTM D3330, ASTM D6862, ISO 8510, GB/T 2790, GB/T 2792等）裁切試樣尺寸，確保粘合區(qū)域（搭接長(zhǎng)度）、未粘合區(qū)域（剝離起始端）尺寸精確，粘合界面清潔、無(wú)缺陷，粘合過(guò)程符合規(guī)定工藝（壓力、時(shí)間、溫度、固化條件等）。
2. 狀態(tài)調(diào)節(jié)： 將制備好的試樣在規(guī)定的溫濕度環(huán)境下放置一段時(shí)間，使其達(dá)到平衡狀態(tài)（通常依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如ASTM D618或ISO 291）。
3. 設(shè)備設(shè)置： 選擇合適的試驗(yàn)機(jī)量程和夾具（如氣動(dòng)平推夾具、自緊式夾具等），確保夾持牢固不打滑。設(shè)置試驗(yàn)速度（通常為100-300 mm/min，具體依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)）、數(shù)據(jù)采集頻率等參數(shù)。
4. 裝夾與對(duì)中： 將試樣正確裝入夾具，確保剝離方向與拉力方向一致，剝離起始點(diǎn)位于夾具之間，剝離角度準(zhǔn)確。
5. 執(zhí)行測(cè)試： 啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以恒定速度進(jìn)行剝離。試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄剝離力（F）和夾具位移（或剝離長(zhǎng)度 L）。
6. 數(shù)據(jù)記錄與分析： 記錄剝離過(guò)程中的力值變化曲線。通常剔除起始和末端的非穩(wěn)定區(qū)域，計(jì)算有效剝離長(zhǎng)度內(nèi)的平均剝離力。剝離強(qiáng)度 σ_peel 通常計(jì)算為：σ_peel = F_avg / b，其中 F_avg 為平均剝離力，b 為試樣寬度。
7. 失效模式觀察： 仔細(xì)檢查剝離后的粘合界面，記錄并分析失效模式（粘附破壞、內(nèi)聚破壞、混合破壞、基材破壞等），這對(duì)于理解失效機(jī)理和改進(jìn)工藝至關(guān)重要。

影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素：

• 剝離角度： 角度不同，剝離應(yīng)力的分布和大小不同，結(jié)果不可直接比較。
• 剝離速度： 速度影響材料的應(yīng)變率響應(yīng)和粘彈性行為，標(biāo)準(zhǔn)中會(huì)規(guī)定統(tǒng)一速度。
• 試樣寬度： 必須準(zhǔn)確測(cè)量，用于計(jì)算單位寬度的剝離強(qiáng)度。
• 界面狀況： 基材和粘合層/涂層的表面清潔度、粗糙度、處理方式直接影響粘附力。
• 材料厚度與剛性： 剝離臂的厚度和剛性影響其彎曲剛度，進(jìn)而影響剝離力和失效模式（如T型剝離中，薄片過(guò)軟可能導(dǎo)致卷曲而非有效剝離）。
• 環(huán)境條件： 溫濕度對(duì)材料性能（尤其是聚合物和粘合劑）和界面結(jié)合有顯著影響。
• 夾持方式： 夾持不牢或不對(duì)中會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差甚至試樣提前破壞。

五、 應(yīng)用領(lǐng)域與重要性

剝落試驗(yàn)在眾多工業(yè)領(lǐng)域和科研中扮演著不可或缺的角色：

1. 粘合劑與密封劑： 評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)膠、瞬干膠、環(huán)氧樹(shù)脂、硅酮密封膠等在各種基材（金屬、塑料、復(fù)合材料、玻璃等）上的粘接性能。
2. 涂料與涂層： 評(píng)估油漆、粉末涂料、電泳涂層、防腐涂層、功能涂層等在金屬、塑料、木材等基底上的附著力，是涂層質(zhì)量驗(yàn)收的關(guān)鍵指標(biāo)。
3. 壓敏膠制品： 是膠帶、標(biāo)簽、保護(hù)膜、醫(yī)用貼劑等產(chǎn)品的核心性能測(cè)試（180°剝離力、持粘力、初粘力等）。
4. 印刷與包裝： 評(píng)估油墨在承印物上的附著力，復(fù)合包裝材料（如鋁塑復(fù)合膜、紙塑復(fù)合膜）層間結(jié)合強(qiáng)度。
5. 電子與半導(dǎo)體： 評(píng)估柔性電路板（FPC）覆蓋膜結(jié)合力、芯片封裝中不同材料層（如模塑料與基板、引線框架）的界面可靠性、屏幕模組中各層（OCA、偏光片）的剝離強(qiáng)度。
6. 紡織品與復(fù)合材料： 測(cè)試層壓織物、涂層織物、復(fù)合材料層合板的分層阻力（層間結(jié)合強(qiáng)度）。
7. 汽車(chē)工業(yè)： 評(píng)估內(nèi)外飾件粘接、車(chē)身密封、隔音墊、線束膠帶等的附著性能。
8. 建筑行業(yè)： 評(píng)估瓷磚膠粘劑、防水卷材、保溫材料、外墻裝飾板等的粘接可靠性。

六、 結(jié)果解讀與局限性

結(jié)果解讀：

• 剝離強(qiáng)度數(shù)值： 直接反映了界面抵抗剝離的能力，數(shù)值越高通常表示附著性能越好。但必須與標(biāo)準(zhǔn)要求或歷史數(shù)據(jù)、對(duì)照組進(jìn)行比較才有意義。
• 剝離力曲線： 曲線形態(tài)（平穩(wěn)、波動(dòng)、上升、下降）能提供更多信息：
  • 平穩(wěn)曲線：界面結(jié)合均勻。
  • 劇烈波動(dòng)：可能表明界面不均勻、存在缺陷、或粘合劑內(nèi)聚強(qiáng)度不穩(wěn)定。
  • 曲線上升：可能由于粘合劑應(yīng)變硬化或剝離臂彎曲剛度效應(yīng)。
  • 曲線下降：可能由于粘合劑軟化或界面加速破壞。
• 失效模式： 是核心判據(jù)。理想的粘附破壞比例高（若追求高強(qiáng)度），或內(nèi)聚破壞（表明粘合劑本身強(qiáng)度是瓶頸）。基材破壞有時(shí)表明粘接強(qiáng)度超過(guò)了基材自身強(qiáng)度。混合破壞則需具體分析。

局限性：

1. 應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜性： 剝離過(guò)程并非純拉伸或純剪切，存在復(fù)雜的混合應(yīng)力狀態(tài)（拉伸、剪切、彎曲），測(cè)試結(jié)果是一個(gè)綜合指標(biāo)，難以直接與理論界面強(qiáng)度關(guān)聯(lián)。
2. 試樣邊緣效應(yīng)： 剝離通常從邊緣開(kāi)始，邊緣的應(yīng)力集中和加工缺陷可能主導(dǎo)結(jié)果，不一定完全代表大面積的界面性能。
3. 厚度與剛性影響： 如前所述，剝離臂的厚度和剛性會(huì)顯著影響測(cè)試結(jié)果和失效模式，使得不同厚度或剛性的材料組合的測(cè)試結(jié)果難以直接比較。
4. 標(biāo)準(zhǔn)化差異： 不同標(biāo)準(zhǔn)（ASTM, ISO, GB, JIS等）在試樣尺寸、速度、角度、數(shù)據(jù)處理方法上可能存在差異，結(jié)果需注明所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。
5. 界面表征不足： 主要提供宏觀力學(xué)性能，對(duì)界面的微觀化學(xué)作用、物理結(jié)合等機(jī)制揭示有限，需結(jié)合其他分析手段（如SEM, XPS, FTIR等）。

七、

剝落試驗(yàn)作為一項(xiàng)經(jīng)典且實(shí)用的材料界面性能評(píng)估方法，其重要性在于它能夠相對(duì)快速、直觀地反映材料組合在實(shí)際服役中抵抗分層失效的能力。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)流程、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析和失效模式觀察，可以為材料選擇、工藝優(yōu)化、質(zhì)量控制和失效分析提供關(guān)鍵的定量和定性依據(jù)。盡管存在一定的局限性，理解其原理、掌握正確的操作方法和結(jié)果解讀要點(diǎn)，結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景和其他分析手段，剝落試驗(yàn)仍然是工程實(shí)踐和科學(xué)研究中評(píng)估附著性能不可或缺的工具。持續(xù)改進(jìn)試驗(yàn)方法、發(fā)展更精細(xì)的測(cè)試技術(shù)和理論模型，將進(jìn)一步提升其在保障材料可靠性和產(chǎn)品耐久性方面的價(jià)值。