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软粘合剂在柔性电子、软体机器人等领域的应用日益广泛，其失效行为受粘合剂厚度和角度参数的协同影响。本研究提出一种高通量剪切测试方法，单次实验可同时测试180组不同参数的粘合剂标本，通过五次重复实验获得800余个强度数据点，并建立基于拉伸-剪切应力平面的半现象学失效准则。结合断裂形貌分析，揭示了粘合剂厚度、角度及张剪比比对失效模式（剥离、拉伸或剪切主导）的调控机制。
Jianxing Liu|Hao Pan|Hou Wu|Tongqing Lu
中国西安交通大学工程力学系，机械结构强度与振动国家重点实验室，软机器实验室，西安 710049
摘要
基于软粘剂的粘合技术已在包括柔性电子、软体机器人和组织工程在内的新兴领域得到广泛应用。软粘合剂的失效行为不仅取决于粘合剂材料的性质，还取决于粘合剂结构的多种参数，如粘合剂厚度和粘合角。系统地分析结构参数对粘合剂性能的影响对于工程应用中软粘合剂系统的合理设计至关重要。传统的测试方法在生成此类分析所需的大规模实验数据集方面效率较低。本研究开发了一种高通量剪切测试方法，能够在单次测试中同时测量180个具有不同粘合剂厚度和粘合角的样品的粘合强度。通过五次高通量实验，获得了包括散布统计在内的800多个粘合强度数据点。建立了一个半现象学的失效准则来拟合拉伸-剪切应力平面上的实验失效强度数据。此外，通过断口分析研究了所有样品的失效形态，并展示了拉伸/剪切比对粘合剂失效模式的影响。
引言
粘合剂粘合技术已广泛应用于柔性电子、软体机器人和组织工程等新兴领域，在这些领域中，传统的刚性粘合技术（如铆接、焊接）并不适用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。在这些应用中，经常使用由弹性体[9]、水凝胶[10]或压敏聚合物[11]制成的软粘合剂，因为它们具有高变形能力、出色的能量耗散性能以及强大的界面适应性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。软粘合剂已被用于将可拉伸传感器粘贴在人体皮肤上[18]，作为外科补片修复组织缺陷[19]，以及组装可折叠屏幕的功能层[20]。软粘合剂的失效行为很复杂，因为粘合层的变形不可避免地受到被粘物的限制，并受到界面性质的影响。具体来说，粘合剂的强度不仅取决于粘合剂材料本身的机械性能，还取决于粘合剂配置的几何参数。因此，明确粘合剂参数如何影响失效行为对于粘合剂结构的合理设计和优化至关重要。
粘合剂厚度是影响软粘合剂失效行为的关键参数，已通过多种实验方法进行了广泛研究[21]、[22]、[23]、[24]，包括剥离测试[25]、搭接剪切测试[26]和探针-钉子测试[27]。例如，Wang等人使用搭接剪切测试研究了粘合剂厚度对水凝胶粘合强度的影响，发现粘合强度在临界厚度以下保持不变，而在临界厚度以上则随厚度增加而降低[22]。Michaelis和Leopold使用探针-钉子测试研究了压敏粘合剂的粘合强度，发现粘合强度随厚度增加而降低[23]。另一个关键参数是软粘合剂的粘合角，即拉伸-剪切比[28]、[29]、[30]。例如，Sugizaki等人使用剥离测试研究了剥离角对压敏粘合带粘合性能的影响，发现剥离力曲线的类型与剥离角有很强的相关性[31]。Li等人使用圆柱形斜接接头研究了粘合角对橡胶粘合剂强度的影响，并获得了粘合接头的圆形强度失效面[32]。
值得注意的是，系统地分析这两个关键参数对粘合剂性能的协同效应仍然是一个挑战。首先，参数空间呈指数级扩展：即使每个参数只考虑10个离散值，两个参数的组合也会产生多达100种不同的情况。其次，软粘合剂的失效行为表现出明显的统计散布，且这种散布的幅度本身与粘合剂参数有关[21]。传统的顺序测试方法在样品制备和机械测试中使用重复操作，这需要大量时间来生成用于参数分析的数据集。因此，开发一种能够同时测试大量具有不同参数组合的粘合剂样品的高通量实验方法至关重要。
基于我们团队之前开发的用于软材料的并行机械测试方法[33]、[34]、[35]，我们提出了一种高通量剪切测试方法，用于表征广泛参数范围内众多软粘合剂接头的粘合强度和失效模式。使用多材料3D打印技术一步制造了包含软粘合剂、硬被粘物和校准段的180个样品。每个样品都有特定的粘合剂厚度和粘合角。这180个样品在单次测试中同时进行测试。通过五次重复的高通量实验，获得了800多个强度数据点，用于分析粘合角和粘合剂厚度的协同效应以及统计散布。通过基于粘合角分解粘合强度来推导出临界拉伸应力和剪切应力，并在拉伸-剪切应力平面建立了一个半现象学的失效准则。此外，通过断口分析研究了所有样品的断裂形态，揭示了粘合剂参数和拉伸-剪切比如何控制失效模式。
章节摘录
测量软粘合剂粘合强度的高通量实验方法
图1展示了定制的高通量样品的设计策略及相应的实验系统。图1(a)显示了一个单独粘合样品的几何配置，其中软粘合剂层将两个刚性被粘物的倾斜表面粘合在一起。我们采用了一种改进的斜接接头来研究软粘合剂在拉伸-剪切耦合载荷下的失效行为。软粘合剂的粘合角取决于斜接角（θ）
不同粘合剂厚度和粘合角下的粘合强度
根据所提出的高通量实验方法，可以同时获得180个具有不同粘合剂厚度和粘合角的粘合样品的失效行为，如图2(a)所示。完整的加载过程在视频S1（支持信息）中展示。在本研究中，测试温度保持在约20°C，加载速率固定为约0.05毫米/分钟，以确保准静态加载条件。值得注意的是，单次高通量
结论
总之，本文介绍了一种并行化的高通量剪切测试方法，可以同时表征大量软粘合剂样品的失效行为。与传统单样品测试相比，该方法至少提高了一个数量级的测试效率，同时不会影响数据准确性。每次高通量测试可以同时测试180个粘合样品，五次重复测试可产生800多个有效的强度数据点
CRediT作者贡献声明
Jianxing Liu：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。Tongqing Lu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。Hou Wu：软件开发、方法论、研究。Hao Pan：可视化、验证、软件开发、方法论、研究、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
J.L.感谢国家自然科学基金（编号12572192）和CSTAM青年精英科学家资助计划的支持。T.L.感谢国家自然科学基金（编号12525206）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
