研究動機與文獻回顧

黏著接合(adhesive joint)長久以來被廣泛的應用在航空、汽車、電子封 裝等領域之中，因此探討黏著接合強度至今仍是一項熱門的研究課題，而 黏 著 接 合 強 度 可 藉 由 改 變 黏 著 物(adherend) 表 面 的 形 態 [1-7] 、 黏 著 劑 (adhesive)厚度[8-18]等方式加以改善。近年來，由於奈米科技的蓬勃發展，

各種材料皆以奈米化為目標，黏著接合的尺寸亦縮小至奈米等級，而目前 以實驗的方式進行奈米尺度的黏著接合研究仍有困難。為了能夠了解黏著 接合結構微觀的物理現象，我們藉由分子動力學(molecular dynamics, MD) 模擬，探討不同變因對其結構強度及破壞模式的影響。

Uehara與Sakurai[1]以五種不同的黏著劑，搭配碳鋼製成黏著接合試 片，探討接合面粗糙度對其結構拉伸強度的影響，結果顯示，接合面粗糙 度介於3μm-6μm，其黏著接合有最大的拉伸強度。Şekercíoğlu等人[2]的研 究結果顯示接合面粗糙度為1.5μm-2.5μm有最佳的剪力強度，當粗糙度小於 1.5μm，由於黏著物表面與黏著劑的互鎖效應(interlocking)較差，使得強度 下降；當粗糙度大於2.5μm，由於接合表面過於粗糙，導致黏著劑無法完全 擴散至黏著物表面，使得剪力強度隨粗糙度增加而降低。Prolongo等人[3]

利用環氧樹脂黏著劑接合鋁片製成搭接試片，以不同粗糙度的金鋼砂紙研

磨鋁片表面，探討不同表面粗糙度對其黏著剪力強度的影響，結果顯示，

粗糙度為3μm時，有最大的剪力強度；當粗糙度大於3μm，其剪力強度幾乎 保持一個定值，強度並未隨粗糙度提升而增強，此現象是由於金屬表面的 尖峰密度(density of summits)在粗糙度大於3μm後有明顯的上升，尖峰與尖

峰之間的距離縮小，因此在製作試片的過程中，氣泡容易殘留在黏著劑與 鋁片之間，影響結構的強度。Jiang等人[4]探討矽玻璃與PAA樹脂接合面粗 糙 度 對 其 剪 力 強 度 的 影 響 ， 研 究 發 現 當 矽 玻 璃 之 表 面 粗 糙 度 範 圍 在 40nm-60nm，有最高的剪力強度，相較於平滑接合面，其剪力強度提升了 369%。除此之外，Jiang等人的研究亦發現接觸面積的多寡對於剪力強度並 無明顯的影響，影響較劇的是黏著物與黏著劑之間的互鎖效應，黏著物表 面尖峰的坡度越陡峭，其黏著接合強度越高。Borsellino等人[5]以鋁搭配四 種不同黏著劑，包含兩種不同的聚酯樹脂(polyester resin)、乙烯酯樹脂 (vinylester resin)以及環氧樹脂(epoxy)製成單邊搭接試片，探討不同黏著劑 其接合面粗糙度對結構剪力強度的影響，結果顯示，不同黏著劑其粗糙度 對剪力強度的影響不盡相同，但是皆存在一個最佳的表面粗糙度，使得結 構有最佳的剪力強度。由以上的文獻可以發現，藉由改變接合面粗糙度可 有效的改善黏著接合的強度，但是其最佳的粗糙度會隨所選用的材料不同 而有所差異。除了利用實驗的方式探討接合面粗糙度對黏著接合強度的影 響外，Rottler與Robbins[6]利用分子動力學模擬，將接合面分為平滑及粗糙

表面兩種，探討接合面幾何形態對黏著接合強度的影響，研究結果顯示，

若破壞模式為接合面破壞，受力模式為拉力時，粗糙接合面的強度會略低 於平滑接合面的強度；受力模式為剪力時，在粗糙接合面會有較佳的強度，

並且能夠有效避免接合面滑動的產生。

黏著接合結構接合面的形態除了以黏著物的表面粗糙度分類外，Silva 等人[7]在黏著物的接合表面刻上不同角度的刻痕，比較其刻痕角度對強度 的影響。若以脆性材料做為黏著劑，除刻痕角度為0°的試片強度無增加外，

其餘不同刻痕角度皆可增加結構的強度，其中又以 45°交叉刻痕及 90°交叉 刻痕強度提升最為明顯。由於無刻痕的接合面其破壞模式為接合面破壞，

而有刻痕的接合面會使得其破壞模式轉為混合破壞，因此能夠提升黏著接 合強度。而以延性材料做為黏著劑，由於其破壞模式接近黏著劑破壞，因 此刻痕方向對強度較無明顯的影響。

由研究發現黏著劑的厚度對於黏著接合強度亦有所影響[8-18]，Objois 等人[8]以環氧樹脂黏著低碳鋼製成斜接(scarf joint)試片，探討黏著劑厚度對 黏著接合強度的影響，結果顯示，當厚度介於0.1mm 至 1mm 之間，黏著接 合強度會隨厚度降低而增加。Silva 等人[9,10]以搭接試片進行黏著接合強度 試驗，結果顯示黏著劑的厚度越小，其黏著接合剪力強度越高。

Arenas等人[11]以丙烯酸黏著劑接合鋁片製成單邊搭接試片，探討黏著 劑 厚 度 對 結 構 剪 力 強 度 的 影 響 ， 研 究 結 果 顯 示 ， 當 黏 著 劑 厚 度 在

0.4mm-0.8mm之間，結構的破壞模式為黏著劑破壞，當黏著劑厚度增加其 剪力強度會隨之下降；當黏著劑厚度小於0.4mm，其破壞模式會轉為接合面 破壞，厚度對其強度影響則較不明顯。Banea與Silva[12]藉由單邊搭接試驗 探討聚胺甲酸酯(PU)及矽氧橡膠(silicone rubber)兩種不同黏著劑對強度的 影響，其研究結果顯示，以聚胺甲酸酯作為黏著劑，無論厚度為何，破壞 模式皆為黏著劑破壞，增加黏著劑厚度其黏著強度會隨之下降；但是在矽 氧橡膠作為黏著劑的試驗中，黏著劑厚度為1mm的強度卻高於0.5mm，黏著 劑厚度為0.5mm的試片，其破壞模式以接合面破壞為主，而厚度為1mm的試 片破壞模式則是以黏著劑破壞為主。Taib等人[13]的研究發現黏著劑厚度較 薄時，其破壞模式為混合破壞，因此結構的破壞強度較高，反之當黏著劑 厚度較厚，其破壞模式為單純的接合面破壞，破壞強度較低。由文獻[11-13]

可以發現，黏著劑厚度會影響黏著接合的破壞模式，造成黏著接合強度亦 會有所不同。

除了以實驗的方式探討黏著劑厚度對黏著接合強度的影響外，Gleich 等人[14]以有限元素法分析黏著接合結構中黏著劑與黏著物介面間的應力 分佈，借此探討黏著劑厚度對結構破壞負荷的影響。結果顯示，當黏著劑 厚度大於0.3mm時，黏著劑與黏著物介面間的最大應力會隨黏著劑厚度增加 而隨之上升，作者認為此介面應力分佈為影響結構破壞負荷的重要因素。

Kahraman等人[15]以環氧樹脂黏著劑接合鋁片製成搭接試片，結合了實驗與

有限元素分析，探討黏著劑厚度對結構強度的影響，結果顯示黏著劑厚度 增加，其結構的剪力強度會隨之下降。Davies等人[16]分別給定黏著接合三 種不同方向的負載，包含拉伸負載、剪力負載及拉伸/剪力負載，研究結果 發現，無論何種方向的負載，其強度皆會隨黏著劑的厚度減少而增加，此 外，由有限元素分析的結果可以發現，黏著劑厚度越厚，其邊界的應力越 高，使得強度降低。而Burst等人[17]亦利用實驗與有限元素分析探討黏著接 合強度，實驗部份的結果顯示，當黏著劑厚度增加，其拉伸強度會隨之降 低，而有限元素分析的結果顯示，當黏著劑厚度增加，其沿厚度方向的拉 伸應力分佈越不均勻，使得黏著接合強度亦隨之下降。另外，Burst等人的 研究亦探討了黏著劑厚度對剪力強度的影響，結果顯示厚度對於剪力強度 的影響較不明顯。除此之外，Adnan及Sun[18]藉由分子動力學模擬發現隨著 黏著劑的厚度增加，其破壞強度會隨之下降，主要原因為密度的影響。由 於黏著劑與黏著物之間凡得瓦力的作用，使得靠近黏著物表面的黏著劑密 度相較於核心區域來的高，密度較高的區域為「凡得瓦力影響區」，而高密 度區域可以阻止黏著劑孔洞的擴張，當黏著劑厚度增加時，其凡得瓦力影 響區占整體黏著劑的比例會降低，使得黏著接合強度亦隨之下降。Awasthi 等人[19]利用分子動力學探討碳板與PE分子介面間的現象，藉由移動碳板得 知結構的強度，結果發現破壞的位置皆位在PE分子中，且PE的厚度越厚，

結構的強度會下降，但是當PE的厚度大於某一個臨界值，結構的強度就與

PE的厚度無關，不會隨厚度增加而下降。

除了黏著接合強度外，黏著接合的破壞模式也是許多學者研究的重 點。Adnan 及 Sun[18]以分子動力學模擬，藉由改變黏著物與黏著劑兩者間 的凡得瓦勢能參數，模擬不同介面接著強度對破壞模式的影響。當黏著物 與黏著劑之間的接著強度較弱時，破壞的位置大多位在接合面上，屬於接 合面破壞；反之，當兩者接著強度較高時，破壞的位置大多在黏著劑上，

屬黏著劑破壞。Kulmi 及 Basu[20]的研究發現黏著劑分子鏈的長度也會對於 黏著接合破壞模式有所影響，當黏著劑分子鏈較長時，由於不同分子鏈之 間的糾結程度較高，黏著劑本身不容易發生破壞，因此破壞模式為接合面 破壞；當分子鏈較短時，破壞的模式則轉為混合型破壞，在結構完全破壞 前，靠近接合面的黏著劑會有纖維化的現象。