木塑复合材料胶接接头设计

木塑复合材料作为新型的代木材料，兼具木材和塑料两种材料的优点，应用广泛，市场前景广阔。为满足木塑复合材料的应用以及结构轻量化的需求，胶接连接成为重要的结构连接方式。本书以聚乙烯木塑复合材料单搭接胶接接头为研究对象，通过不同的表面处理方法、胶接工艺、胶黏剂性能、胶接强度、应力分布的研究，进行单搭接胶接接头的设计，最终实现聚乙烯木塑复合材料以胶接技术进行的无缝连接和胶接接头设计的合理性。本书的研究为聚乙烯木塑复合材料的快速有效连接和胶接接头的优化设计提供设计思路，对于实现聚乙烯木塑复合材料胶接接头的优化设计、扩展木塑复合材料的应用领域有着重要的理论价值和实践意义。
聚乙烯木塑复合材料中低表面能、非极性的聚乙烯成分，使得这类材料难以胶接。对聚乙烯木塑复合材料进行合理的表面处理是实现胶接的重要手段。本书采用单一气氛的射流等离子体处理、打磨后再经等离子体处理以及打磨/偶联剂涂覆/等离子体放电的协同处理等方法对聚乙烯木塑复合材料进行表面处理，并对表面处理后的材料表面进行表面接触角、表面自由能、表面形貌、傅里叶红外光谱（FTIR）、XPS光电子能谱等测试分析，结合胶接接头的胶接强度测试和接头破坏类型探讨了不同表面处理方法对聚乙烯木塑复合材料胶接性能的作用机制，建立了较为完善的聚乙烯木塑复合材料胶接接头设计的表面处理方法。
试验结果表明，对聚乙烯木塑复合材料进行单一气氛的射流等离子体表面处理和不同方法的协同表面处理，材料的表面性质发生较大变化，表面润湿性得到改善，极性增强，材料表面出现大量的—OH、—CO和—O—CO等极性基团，O/C值增加。并且经偶联剂涂覆协同表面处理后的材料表面还会在胶黏剂与材料表面之间生成化学键连接，表现出几种表面处理方法的协同作用。表面处理后，不但复合材料胶接接头的胶接强度大幅度提高，胶接耐久性也极大增强。由此可以得出，材料的表面处理是聚乙烯木塑复合材料胶接接头设计中的重要环节之一。
胶接接头在受力状态下的应力分布也是聚乙烯木塑复合材料胶接接头设计的关键环节。本书结合试验结果，对聚乙烯木塑复合材料单搭接胶接接头和平搭接胶接接头建立有限元模型，应用ABAQUS有限元分析软件对不同弹性模量（环氧树脂、丙烯酸酯）胶黏剂和不同搭接长度胶接接头的应力分布进行了有限元数值模拟。研究表明，聚乙烯木塑复合材料单搭接胶接接头搭接区端部为胶接接头的断裂失效点，应力分布与胶黏剂的弹性模量密切相关，而搭接区长度几何尺寸的改变对应力分布的影响较小，此结论为单搭接胶接接头改良设计提供了一定的理论依据。平搭接胶接接头搭接区盖板连接处出现较大的应力集中，可以判断该部位极易发生断裂失效，此结论与试验中胶接接头断裂失效的位置相吻合。有限元模拟结果进一步表明，胶黏剂弹性模量和搭接长度对平搭接胶接接头的应力分布影响较小，平搭接胶接结构力学性能与聚乙烯木塑复合材料性能密切相关。这是由于聚乙烯木塑复合材料经协同表面处理后，胶接接头的界面结合强度高于胶接材料的内聚强度，此时胶接接头将出现胶接材料的断裂失效，这对于胶接接头设计中胶接材料的选择、胶接形态的应用等具有一定的指导意义。
本书作者为中国计量大学工业设计系教师，本书获得中国计量大学国家一流本科专业建设点资助。
由于作者水平有限，书中不足之处，请广大读者批评指正。

著者

本书主要对木塑复合材料胶接接头设计进行了相关研究，主要内容包括木塑复合材料介绍， 木塑复合材料表面处理与表征， 表面处理方法，胶接接头力学性能分析，胶接接头优化设计。内容简明，易于理解。
本书可供材料学、工业设计、产品设计、家具设计等专业方向的工程技术人员阅读，也可作为高校相关专业师生的参考书。

第1章　木塑复合材料简介001
1.1　引言001
1.2　木塑复合材料介绍002
1.2.1　木塑复合材料的制备与加工002
1.2.2　木塑复合材料的应用003
1.3　木塑复合材料的连接004
1.3.1　机械连接004
1.3.2　焊接连接005
1.3.3　胶接连接005
1.4　胶接理论007
1.4.1　机械嵌合理论007
1.4.2　吸附理论008
1.4.3　化学键理论008
1.4.4　分子键理论009
1.4.5　静电理论010
1.4.6　扩散理论010
1.5　木塑复合材料的胶接接头设计011
1.6　木塑复合材料的表面处理012
1.6.1　木塑复合材料的表面特征013
1.6.2　木塑复合材料的表面处理方法013
1.7　木塑复合材料胶接用胶黏剂017
1.7.1　环氧树脂胶黏剂017
1.7.2　反应型丙烯酸酯胶黏剂018
1.7.3　聚氨酯胶黏剂018
1.8　木塑复合材料胶接接头的力学性能019
1.8.1　胶接接头的受力形式019
1.8.2　胶接接头的破坏形式019
1.8.3　胶接接头力学性能的分析方法020
1.8.4　胶接接头的有限元分析021

第2章　实验测试分析023
2.1　材料及设备023
2.1.1　实验原材料及复合材料制备023
2.1.2　实验设备024
2.2　木塑复合材料的表面处理024
2.2.1　单一气氛射流等离子体放电的表面处理  　024
2.2.2　机械打磨与等离子体放电的协同表面处理024
2.2.3　硅烷偶联剂涂覆与等离子体放电的协同表面处理025
2.2.4　异氰酸酯涂覆与等离子体放电的协同表面处理025
2.3　木塑复合材料胶接试样的制备025
2.4　测试与表征026
2.4.1　胶接强度测试026
2.4.2　接触角测试027
2.4.3　表面形貌测试（SEM） 027
2.4.4　衰减全反射红外光谱分析（ATR-FTIR） 027
2.4.5　X 射线光电子能谱仪测试（XPS） 027

第3章　表面处理对PE-WPCs 表面性质的影响029
3.1　引言029
3.2　单一表面处理对PE-WPCs 表面性质的影响030
3.2.1　单一表面处理对PE-WPCs 表面润湿性的影响030
3.2.2　单一表面处理对PE-WPCs 表面自由能的影响032
3.2.3　单一表面处理对PE-WPCs 表面结构的影响034
3.2.4　单一表面处理对PE-WPCs 表面元素的影响035
3.2.5　胶接强度分析039
3.2.6　胶接接头破坏形式040
3.3　协同表面处理对PE-WPCs 表面性质的影响041
3.3.1　协同表面处理对PE-WPCs 表面形貌的影响041
3.3.2　协同表面处理对PE-WPCs 表面润湿性的影响042
3.3.3　协同表面处理对PE-WPCs 表面自由能的影响045
3.3.4　协同表面处理对PE-WPCs 表面结构的影响046
3.3.5　协同表面处理对PE-WPCs 胶接强度的影响049
3.3.6　协同表面处理下PE-WPCs 的胶接机理050

第4章　PE-WPCs 胶接接头的力学性能分析056
4.1　引言056
4.2　有限元法的理论概述及分析流程057
4.3　PE-WPCs 单搭接胶接接头的有限元数值分析058
4.3.1　PE-WPCs 胶接强度测试058
4.3.2　PE-WPCs 胶接接头的破坏形式059
4.3.3　PE-WPCs 单搭接胶接接头的应力分布059
4.3.4　PE-WPCs 单搭接胶接接头的有限元模拟060
4.4　PE-WPCs 平搭接胶接接头的力学性能分析066
4.4.1　PE-WPCs 平搭接胶接接头的胶接强度测试067
4.4.2　PE-WPCs 平搭接胶接接头的破坏形式068
4.4.3　PE-WPCs 平搭接胶接接头的有限元模拟068

第5章　PE-WPCs 胶接接头的优化设计075
5.1　引言075
5.2　PE-WPCs 胶接接头设计的影响因素075
5.2.1　PE-WPCs 的性能076
5.2.2　PE-WPCs 的表面处理077
5.2.3　胶黏剂的选择与应用079
5.2.4　胶黏剂的固化工艺081
5.2.5　胶接接头力学分析模型082
5.3　PE-WPCs 胶接接头的形式与改进设计082
5.3.1　PE-WPCs 胶接接头的形式082
5.3.2　PE-WPCs 胶接接头的改进设计086
5.4　PE-WPCs 胶接接头优化设计的原则与方案089

后记092

参考文献094