工業製造業の構造軽量化需要の増加に伴い、軟接着剤の自動車、航空宇宙、電子機器などの分野での応用はますます広くなっている。循環負荷状態における軟質接着剤の疲労失効は、接着構造の安全な使用に顕著に影響する。軟接着剤がしばしば顕著な粘弾性を示すことを考慮して、複雑な経路の多軸循環負荷下での粘弾性軟接着剤の変形を研究することは接着構造の疲労防止設計と安全評価に重要な意義がある。近日中に、鄭州大学張軍教授チーム粘弾性を有する変性ポリウレタン軟接着剤HP-172 Bの一軸延伸及び二軸多経路応力制御サイクルロードモードにおける変形挙動の実験研究（図1）を展開し、上述の複雑な変形を記述できるサイクル構造モデルを構築した。

【図1】（a）スケールパス、（b）菱形経路、（c）環状経路、（d）楕円形経路。

本研究はまずダンベル状変性ポリウレタン軟接着剤試料を調製し、そして一軸延伸サイクル実験を展開した。図2に示すように、粘弾性特性を有する軟接着剤は、循環負荷下で持続的な循環クリープ及びラチェット歪蓄積が発生した。循環回数が増加するにつれて、軟接着剤は循環軟化し、散逸エネルギーの漸減を伴った。この進化法則を記述するために、本研究は材料粘弾特性を考慮し、唯象的KelvinモデルとMaxwellモデルに基づいて、材料の循環負荷下のラチェット歪蓄積と循環軟化挙動を予測するために歪蓄積関数と傾き関数を含む数学式を構築した非線形粘弾性構造モデルを提案した。

図2一軸負荷サイクル試験の結果

図3異なる負荷経路における軟接着剤の歪み応答曲線

実際の服役中に軟接着剤は二軸循環負荷にも耐えなければならない可能性があることを考慮して、本研究はさらに複雑な負荷経路を考慮した二軸延伸循環負荷試験を展開した。一軸循環負荷に比べて、非比例負荷経路はより顕著なラチェットひずみ蓄積をもたらし、ラチェットひずみの進化規則は負荷経路と強く相関する（図3）。非比例循環負荷の場合、異なる方向の引張変形は分子鎖間相互作用の変化をもたらし、分子鎖の粘性回復を比例負荷よりも困難にし、最終的に異なるラチェット歪蓄積規則として表現した。また、異なる装填経路下の軟接着剤は異なる散逸エネルギー発展規則を示し、非比例装填経路に対応する初期散逸エネルギーと総散逸エネルギーはいずれも比例装填経路より高く、これは非比例装填経路が材料に与える損傷がより大きい可能性があることを示している。複雑なロードパス下の材料変形を記述するために、本研究はロードパス係数を導入することによって2軸マルチパス循環構造モデルを発展させた。モデルは、2軸サイクルロードの場合の力学的応答を正確に予測するために、異なるロード経路が材料ラチェット歪に与える追加の影響を記述するためにロード経路係数を調整することによって説明する（図5）。

図4異なる負荷経路におけるラチェット歪と散逸エネルギーの循環ループ数による進化

図5 2軸マルチパス循環負荷条件におけるモデル計算と試験結果の比較

以上より、本研究は軟接着剤の循環変形過程における異なる負荷経路の状況におけるラチェット車の歪み、循環軟化と材料損傷の関係に重点を置き、この研究結果は軟接着構造の疲労防止設計と開発に役立つ。特筆すべきは、本研究ではロードパス係数をロードパスにのみ関連するパラメータとして扱い、実際には、このパラメータはループ数に関連する可能性がある。ロード経路係数に対する循環ループ数の依存性を考慮し、それに対応する補正を行うことにより、理論予測の精度をさらに高めることができる。

関連研究論文は、「I n vestigation on the ratching strain and cyclic softening of viscoelastic soft adhesive under uniaxial and biaxial cyclic loadings」というタイトルで『International Journal of Fatigue』に発表された。