软粘合系统在剪切保持下的反直觉延迟失效

软胶粘结构因其独特力学性能被广泛应用，但其在静态载荷下出现的延迟失效现象常被忽视。尤其在剪切位移保持（宏观松弛过程中无额外能量输入）条件下的反常延迟失效机制尚不明确。本研究采用含时内聚力模型（CZM）表征位移保持过程中软胶粘的粘弹性行为，并通过实验与数值模拟对两种胶接体系（硬被粘体-硬基体-软胶粘HSH，软被粘体-硬基体-软胶粘SSH）进行研究。CZM通过HSH的单搭接剪切实验（单调加载、恒力保持、位移保持）验证。通过粒子追踪法观测SSH在保持过程中软被粘体的变形场，发现延迟失效归因于裂纹前沿软胶粘的局部蠕变，尽管宏观上表现出松弛现象。研究探讨了模量比、粘弹性及加载条件对延迟失效的影响，为提升软胶粘结构性能提供指导。

1. 引言

与传统硬胶粘结构不同，软胶粘结构（如水凝胶、压敏胶）具有大变形回复与能量耗散能力，广泛应用于软体驱动器、超级电容器、应变传感器及组织修复等领域。此类结构常面临冲击、剥离、循环拉伸等载荷，当达到特定载荷水平后可能进入剪切位移保持状态（如体内传感贴片需长期附着）。延迟失效可分为恒力保持与位移保持两类，现有研究多集中于恒力下的蠕变机制，而位移保持下无额外能量输入却发生延迟失效的反常现象机制尚待揭示。

2. 位移保持下延迟失效机制

本研究聚焦于剪切位移保持下单搭接软胶粘结构的延迟失效机制。通过实验与数值方法分析两种典型体系：

• HSH体系：硬被粘体模量远高于软胶粘，可视为刚体约束，胶层变形均匀。

• SSH体系：软被粘体与软胶粘模量相近，变形协调更复杂。

研究表明，在位移保持过程中，尽管整体结构宏观力松弛，但SSH中裂纹前沿的软胶粘因局部应力集中发生蠕变变形，持续积累内禀应变能，直至达到临界值引发失效。这源于软被粘体储存的弹性应变能释放，驱动胶粘层局部蠕变。

3. 实验与数值验证

采用3M双面胶带（厚度0.06 mm）作为软胶粘材料，PMMA作为硬基体与被粘体。通过单搭接剪切试验（单调加载、恒力保持、位移保持）验证含时CZM的准确性。有限元模拟采用Abaqus实现，胶粘层用CZM描述，PMMA设为刚体。结果表明，CZM能准确捕捉不同加载速率下的峰值力与失效能，且能模拟恒力下的蠕变失效过程。在HSH位移保持实验中，未观察到延迟失效，因胶层受均匀约束。

4. SSH体系的延迟失效分析

SSH试样以PDMS为被粘体，通过粒子追踪法原位观测变形场。发现位移保持过程中，PDMS的剪切滞后长度随时间增加（因胶粘模量粘弹性下降），整体结构呈宏观松弛。同时，裂纹前沿胶粘局部伸长持续增加，表现出明显蠕变行为，最终引发脱粘。能量分析显示，局部胶粘的内禀应变能在蠕变中积累至临界值，导致失效。

5. 延迟失效影响因素

通过有限元分析探讨以下因素对SSH延迟失效的影响：

1. 模量比：降低被粘体模量可延长延迟时间、减小脱粘长度，模量比过高可能直接导致一次性失效。

2. 粘弹性：增加胶粘的粘弹性模量或特征时间会线性延长延迟时间，但不影响最终脱粘长度。

3. 加载条件：存在失效相图（无失效、延迟失效、一次性失效）。降低位移保持水平或提高拉伸速率可延缓失效；但位移水平超过临界值时延迟失效仍不可避免。

6. 结论

本研究揭示了位移保持下软胶粘结构延迟失效的局部蠕变机制。通过含时CZM与实验验证，阐明了软被粘体弹性应变能释放驱动胶粘局部蠕变的核心机理。研究表明，通过降低位移保持水平、提高拉伸速率、选用低模量被粘体等措施可延缓或避免延迟失效。研究结果为软胶粘结构的设计与耐久性提升提供了重要参考。