鋁合金表面粘接技術(shù)研究進(jìn)展

周科可，黃燕濱*，姬鵬飛，東曉林

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

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【綜述】

鋁合金表面粘接技術(shù)研究進(jìn)展

周科可，黃燕濱*，姬鵬飛，東曉林

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

綜述了鋁合金粘接技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了作為粘接構(gòu)件的鋁合金在粘接前需進(jìn)行的表面前處理方法，鋁合金與橡膠粘接中膠粘劑的選用方法以及粘接工藝的操作，重點(diǎn)介紹了提高鋁合金表面粘接性能的措施。

鋁合金；橡膠；粘接；膠粘劑

First-author's address: The Academy of Armored Forces Engineering， Beijing 100072， China

鋁合金由于其優(yōu)異的物理化學(xué)性能和加工塑造性能，在制造領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域以及國防等很多方面有著極為廣泛的應(yīng)用［1］。鋁合金粘接的連接方式因結(jié)構(gòu)輕，成本低，連接效率高，無鉆孔引起的應(yīng)力集中，不同材料連接無電偶腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞［2］，故鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行粘接的范圍也越來越廣。凡是利用膠粘劑及有效的粘接工藝，達(dá)到對被粘物進(jìn)行連接的技術(shù)，統(tǒng)稱為粘接技術(shù)或膠粘技術(shù)［3］。橡膠與金屬的粘接技術(shù)研究開始于19世紀(jì)50年代［4］，由于其具有工藝設(shè)備簡單、操作方便、密封防腐效果好、耐疲勞強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為制造領(lǐng)域中不可或缺的重要組成部分，小至電子產(chǎn)品，大到現(xiàn)代家具、汽車等等，都離不開粘接技術(shù)。根據(jù)膠粘零部件的受力情況，可將粘接技術(shù)區(qū)別為結(jié)構(gòu)粘接、次結(jié)構(gòu)粘接和非結(jié)構(gòu)粘接三種，其中結(jié)構(gòu)粘接是指受力大、粘接強(qiáng)度高，長期使用條件下可保持其性能的零部件的粘接［5-7］。

粘接的實(shí)質(zhì)是一種界面現(xiàn)象，粘接過程是復(fù)雜的物理變化的過程，膠粘機(jī)理十分復(fù)雜，研究者普遍接受的粘接理論主要是吸附理論、靜電理論、擴(kuò)散理論、機(jī)械結(jié)合理論以及化學(xué)鍵理論［8-10］。粘接效果是多種力綜合作用的結(jié)果，難以用一種通用的理論解釋所有的粘接效果。金屬的粘接方法主要分為硬質(zhì)膠法、鍍黃銅法、膠粘劑法和直接粘接法四種［11］。鋁合金的粘接技術(shù)主要采用膠粘劑法，多采用硫化粘接體系，其粘接工藝流程是對鋁合金表面處理后，在處理表面上涂覆膠粘劑，通過硫化設(shè)備對橡膠與鋁合金結(jié)合部分進(jìn)行控溫加壓固化處理，達(dá)到粘接目的，其中粘接之前金屬表面的物理化學(xué)狀態(tài)是粘接的關(guān)鍵因素。粘接力的形成主要受膠粘劑種類的影響，粘接硫化固化工藝對粘接強(qiáng)度與效果影響顯著。

1　鋁合金表面粘接前處理工藝

鋁合金表面的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)是影響粘接力的關(guān)鍵因素，與鋁合金表面前處理工藝密切相關(guān)。空氣中裸露的鋁合金易發(fā)生氧化反應(yīng)，表面生成較薄的Al2O3膜層，該膜層質(zhì)地疏松，與鋁合金基材的結(jié)合強(qiáng)度低，孔隙率高，不適合直接進(jìn)行粘接工藝。鋁合金進(jìn)行結(jié)構(gòu)膠粘之前，須進(jìn)行表面處理，使其表面膜層結(jié)構(gòu)與基體有足夠的結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)膜層需要有高的內(nèi)聚強(qiáng)度和活化能，易于膠粘劑的潤濕，進(jìn)而形成化學(xué)鍵或機(jī)械嵌合；另外膜層需要具有優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，提高粘接結(jié)構(gòu)的耐濕熱環(huán)境性能，以確保鋁合金具有優(yōu)異的粘接性能［12］。隨著現(xiàn)代制造工業(yè)的發(fā)展，鋁合金進(jìn)行膠粘工藝前主要采用3種前處理方式：機(jī)械處理、化學(xué)處理和電化學(xué)處理［13］。

1. 1 機(jī)械處理

鋁合金粘接前的機(jī)械處理主要采用噴砂、噴丸、砂帶打磨等工藝，通過去除鋁合金表面的油污和自然氧化膜層，以獲得清潔、宏觀粗糙度高的表面，再經(jīng)過有機(jī)溶劑脫油處理后進(jìn)行后續(xù)粘接工藝。機(jī)械處理工藝操作簡單，接頭具有較好的初始力學(xué)性能，但弊端在于濕熱耐久性差。機(jī)械處理的方法主要用于溫和的環(huán)境下非結(jié)構(gòu)粘接領(lǐng)域和鋁合金表面涂層修復(fù)。在結(jié)構(gòu)粘接中，機(jī)械處理需配合化學(xué)和電化學(xué)處理方法一起使用［14-16］。

1. 2 化學(xué)處理

鋁合金粘接前的化學(xué)處理主要有堿性處理、涂偶聯(lián)劑、酸性處理三種方式［17］。

堿性處理一般為鋁合金前處理中的一部分，堿性溶液可以清除鋁合金表面的油漬，提高表面活化能，同時(shí)對鋁合金基體有侵蝕作用，降低鋁合金表面的粗糙度，但當(dāng)其單獨(dú)作為粘接前處理工藝時(shí)，粘接接頭的初始力學(xué)性能及對濕熱環(huán)境耐久性較差。一般情況下，堿性處理與其他處理方法相互補(bǔ)充，主要清理鋁合金表面油漬以及暴露在空氣中所形成的表面氧化膜層。

涂偶聯(lián)劑處理一般使用有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑，其在鋁合金表面形成一層網(wǎng)狀薄膜，偶聯(lián)劑的親水基團(tuán)吸附化合后連接在鋁合金表面一側(cè)，有機(jī)憎水基團(tuán)與有機(jī)膠粘劑反應(yīng)而相互連接，鋁合金表面和硅烷偶聯(lián)劑以穩(wěn)定的共價(jià)鍵連接，在鋁合金表面與膠粘劑之間形成交聯(lián)過渡層，便于應(yīng)力在二者之間轉(zhuǎn)移，從而提高鋁合金與橡膠的粘接性能。

酸性處理主要是通過酸性溶液的氧化作用，在鋁合金表面形成一層枝狀的氧化膜層。這層膜層較薄，具有較高的粗糙度，呈現(xiàn)多孔的須狀結(jié)構(gòu)，比表面積大，易于與膠粘劑形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)膠粘劑對鋁合金表面的機(jī)械嵌合作用，提高粘接性能。酸性處理的工藝流程一般是在有機(jī)溶劑的脫脂、堿液清洗后，對工件進(jìn)行酸洗氧化，然后用去離子水將工件清洗，最后干燥。

在工業(yè)上，化學(xué)處理可單獨(dú)作為鋁合金粘接的表面處理技術(shù)應(yīng)用，但很多情況下是作為電化學(xué)氧化前活化鋁合金表面的一個(gè)預(yù)處理步驟。

1. 3 電化學(xué)處理

鋁合金表面前處理技術(shù)中，電化學(xué)氧化即陽極氧化技術(shù)處理后獲得的粘接性能最好、最可靠，經(jīng)陽極氧化處理得到的鋁合金表面膜層具備獲得良好粘接性能的所有因素，即清潔、高活化能、機(jī)械性能穩(wěn)定、耐久性好，有很高的微觀粗糙度。陽極氧化膜特殊的孔洞結(jié)構(gòu)易于與膠粘劑形成力學(xué)性能及化學(xué)性能穩(wěn)定的復(fù)合粘接層。

鋁合金表面的陽極氧化處理工藝復(fù)雜，其流程一般為：有機(jī)溶劑除油→化學(xué)清洗→堿蝕→酸洗出光→陽極氧化→封孔→干燥。根據(jù)電解液的不同，用途最廣的主要有鉻酸體系、硫酸/硼酸體系和磷酸體系，用于結(jié)構(gòu)粘接的鋁合金表面處理主要采用前兩種。鉻酸陽極氧化是鋁合金粘接領(lǐng)域最為經(jīng)典、耐用的電化學(xué)處理方法。

陽極氧化膜層的結(jié)構(gòu)與化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層不同，具有六棱胞狀結(jié)構(gòu)特征。一般認(rèn)為陽極氧化膜層由下層致密無孔的阻擋層和上層具有孔狀結(jié)構(gòu)的多孔層構(gòu)成，膜層表面平整，沒有化學(xué)氧化膜的須狀結(jié)構(gòu)［18-26］。陽極氧化處理后需對氧化膜層進(jìn)行封孔處理。封閉的方法和封閉程度很重要：封閉程度太高會影響膠粘劑向多孔層中滲透，降低粘接性能；封閉程度太低，不僅會降低膜的耐腐蝕性能，而且使膠粘劑無法填滿多孔結(jié)構(gòu)，孔狀結(jié)構(gòu)中存在空氣，降低了粘接性能。一般采用半封孔處理，在提高膜層耐腐蝕性能的同時(shí)，不影響粘接性能。

2　膠粘劑

2. 1 粘接機(jī)理

凡是能把各種材料緊密黏合在一起的物質(zhì)都稱為膠粘劑。膠粘劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成對其粘接力影響很大。膠粘劑的性能是影響結(jié)構(gòu)粘接性能的決定因素之一。結(jié)構(gòu)粘接用膠粘劑不但要具有很高的初始粘接強(qiáng)度，而且必須有優(yōu)良的耐熱、耐介質(zhì)、耐大氣老化、抗沖擊、耐疲勞等性能和較高的持久性［27-30］。

膠粘劑的作用機(jī)理為：膠粘劑充分浸潤金屬表面，通過膠粘劑分子團(tuán)的擴(kuò)散和滲透，與金屬表面產(chǎn)生較強(qiáng)的分子間作用力或生成化學(xué)鍵，進(jìn)入金屬表面孔隙，固化形成“錨固”作用，使膠粘劑與金屬表面牢固結(jié)合；而膠粘劑與橡膠主要是通過分子之間的相互吸附、浸透和共交聯(lián)作用而完成粘接的［31-32］。結(jié)構(gòu)粘接中采用的膠粘劑法可分為單涂型和雙涂型兩大體系，其粘接作用機(jī)理如圖1［11］所示。

圖1　膠粘劑的粘接機(jī)理Figure 1 Bonding mechanism of adhesive

表1 常用膠粘劑及其性能Table 1 Commonly used adhesives and their properties

鋁合金與橡膠的膠粘劑一般采用環(huán)氧樹脂膠粘劑，該類膠粘劑具有粘接強(qiáng)度高，耐化學(xué)介質(zhì)及耐溫性能好等優(yōu)異的性能。金屬與橡膠粘接過程中還應(yīng)區(qū)分橡膠的極性。酸酯類膠粘劑適用于極性橡膠與金屬的粘接，粘接過程中這類膠粘劑經(jīng)化學(xué)交聯(lián)后變成酸酯類物質(zhì)，與金屬表面的氧化物形成配合物，與橡膠部分氧化生成的羥基及醛基發(fā)生反應(yīng)，其本身還具有自聚合作用，形成傳統(tǒng)橡膠/金屬用膠粘劑所不能形成的化學(xué)鍵，獲得優(yōu)異的粘接效果。含鹵膠粘劑適用于氯化橡膠與鋼、鋁等金屬的粘接，主要牌號有單涂型的Chemlok250和雙涂型的Chemlok236，其粘接強(qiáng)度高，質(zhì)量穩(wěn)定，耐濕熱環(huán)境性優(yōu)良，毒性較低且使用方便，鋁合金和橡膠的粘接主要采用此類膠粘劑［34-35］。

3　鋁合金表面粘接工藝

粘接包括配膠、涂膠、晾置、黏合、固化、檢驗(yàn)等工藝過程［36-37］。

確定膠粘劑種類后，如果是單組分膠粘劑，可以直接使用，若是雙組分膠粘劑，必須按照配膠的比例嚴(yán)格配制，交聯(lián)劑使用過多會降低膠粘劑的綜合特性，過少則會導(dǎo)致膠粘劑固化不完全。攪拌過程中，一定要確保膠粘劑各成分充分混合均勻，否則會引起局部發(fā)黏或起泡，導(dǎo)致固化不完全，降低其粘接性能。

涂膠就是以適當(dāng)?shù)姆椒ê凸ぞ邔⒛z粘劑涂布在被粘物表面。涂膠對粘接效果影響很大，是確保金屬粘接的重要環(huán)節(jié)，其難易程度與膠粘劑的黏度有關(guān)。粘接表面容易吸附空氣，為防止膠層中形成氣泡，涂膠應(yīng)在鋁合金表面以恰當(dāng)?shù)乃俾食粋€(gè)方向刷涂，使粘接物表面的空氣充分排出。膠層越薄，粘接強(qiáng)度越大，在保證不缺膠的情況下，厚度一般控制在0.08 ～ 0.15 mm。涂膠的總體要求是：膠層的厚度均勻一致，無空氣混入，無漏膠、缺膠、堆膠、氣孔等不良現(xiàn)象。

膠粘劑涂覆后應(yīng)有晾置的過程。晾置可以提高膠層黏度并促進(jìn)固化，晾置的時(shí)間和溫度與膠粘劑的種類有關(guān)。聚氨酯液體膠因其易吸潮，需晾置8 min左右；丁腈膠粘劑需晾置15 min以上；至于縮丁醛膠粘劑，還需加溫烘干。當(dāng)環(huán)境相對濕度較低時(shí)，可延長晾置時(shí)間，反之應(yīng)減少晾置時(shí)間。

固化是鋁合金與橡膠通過膠粘劑粘接在一起后，通過加壓、升溫等方法使膠粘劑固化并提高其強(qiáng)度的過程，對提高粘接性能而言至關(guān)重要。只有完全固化，粘接強(qiáng)度才會發(fā)揮更大效能。固化的溫度、壓力和時(shí)間對粘接性能均有影響。固化溫度既影響膠粘劑固化的速率，也影響膠粘劑的固化程度；固化壓力影響膠粘劑在金屬與橡膠接觸面的滲透與擴(kuò)散，較大的壓力可保證金屬與橡膠之間緊密接觸，沒有氣孔和孔洞的存在，提高粘接性能；固化時(shí)間不僅與固化溫度和壓力都有很大關(guān)系，而且與膠粘劑種類有關(guān)，需根據(jù)實(shí)際情況通過實(shí)驗(yàn)來確定。

4　結(jié)語

不同的鋁合金表面處理技術(shù)對鋁合金與橡膠粘接性能的影響差異很大。陽極氧化技術(shù)是鋁合金結(jié)構(gòu)粘接中主要的表面處理方式，而機(jī)械處理以及化學(xué)處理主要還是作為電化學(xué)陽極氧化處理過程中的一部分。陽極氧化處理后在鋁合金表面獲得的氧化膜層，有利于膠粘劑潤濕，而且其表面活化能高，耐濕熱性強(qiáng)，與橡膠具有優(yōu)異的粘接性能。在對鋁合金與橡膠粘接的過程中，正確選擇膠粘劑種類，優(yōu)化膠粘劑的用量以及固化時(shí)間、溫度、壓力等工藝參數(shù)，使粘接性能達(dá)到最好，是未來橡膠與鋁合金粘接技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)的主要研究方向，也是擴(kuò)展鋁合金與橡膠粘接應(yīng)用范圍的前提。

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［ 編輯：溫靖邦 ］

Research progress on surface adhesive bonding technology of aluminum allo y

ZHOU Ke-ke， HUANG Yan-bin*，JI Peng-fei， DONG Xiao-lin

The research progress of bonding technology for aluminum alloys was reviewed. The pretreatment methods needed for an aluminum alloy to be bonded were introduced. The selection of adhesive for bonding aluminum alloy and rubber as well as the bonding operations were described. Some measures for improving the surface bonding performance of aluminum alloy were presented.

aluminium alloy； rubber； bonding； adhesive

TG496

B

1004 - 227X （2016） 08 - 0431 - 05

2015-12-17

2016-02-29

周科可（1991-），男，河南漯河人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動化、腐蝕與防護(hù)。

黃燕濱，教授，（E-mail） hyb1961@126.com。