環(huán)氧膠粘劑粘接接頭拉伸剪切疲勞性能的研究

胡生祥，曹興園，屈雪艷，楊忠奎，吳 歡，秦瑞瑞，徐聰明，張燕紅

(鄭州中原思藍德高科股份有限公司，河南 鄭州 450007)

近年來，粘接技術(shù)具有成型溫度低、無明顯的應(yīng)力集中、適合大面積薄型工件、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，大量應(yīng)用于風電葉片、軌道車輛、大型商用飛機、艦船等領(lǐng)域中的蜂窩復(fù)合板、纖維復(fù)合材料、鋁鎂合金等材料的成型、連接、組裝和制造，有力推進這些領(lǐng)域向輕量化、智能化、安全環(huán)保方向發(fā)展[1-3]。

眾所周知，除了壓敏膠等特殊類型外，膠粘劑通常呈液態(tài)或可流動狀態(tài)；其與粘接基材接觸，進行原位固化反應(yīng)。粘接接頭是利用膠粘劑固化物與基材表面間的化學(xué)、物理及機械等作用力起到連接作用。在實際工作期間其傳遞應(yīng)力，除耐受靜態(tài)破壞力外，還需承受復(fù)雜的動態(tài)的疲勞作用力，尤其對于大型的風電葉片、汽車行李箱蓋、高鐵及飛機廣泛應(yīng)用的蜂窩夾芯板等結(jié)構(gòu)粘接。粘接接頭的動態(tài)疲勞老化測試分析和研究，是膠粘劑產(chǎn)品開發(fā)及粘接技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域最重要工作之一[4-6]。

由于膠粘劑與基材的粘接涉及物理、化學(xué)、微觀狀態(tài)等，受基材表面、固化條件及使用環(huán)境差異等復(fù)雜的影響因素，膠粘劑的應(yīng)力測試和壽命預(yù)計不易把握。另外，由于動態(tài)疲勞性能的測試和研究，需要借助昂貴的動態(tài)疲勞測試設(shè)備，且測試周期漫長，制樣和測試手法對其影響較大。鑒于此，膠粘劑與粘接基材形成的粘接接頭，對其進行疲勞性能的測試和研究意義重大，但這項工作較為復(fù)雜并且面臨較多的困難[7-11]。

本研究利用一種軌道交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的環(huán)氧樹脂膠粘劑產(chǎn)品，與鋁合金基材粘接制得粘接接頭，然后利用動態(tài)疲勞試驗設(shè)備，嘗試對該粘接接頭的拉伸剪切疲勞性能進行研究。本探索結(jié)果，期望可以對環(huán)氧樹脂膠粘劑在鋁合金基材表面粘接接頭，長期服役過程中的疲勞性能實際狀態(tài)和理論認識，提供參考和幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備及原料

CMT4304微機控制電子萬能試驗機，深圳新三思材料檢測有限公司；SDZ-0006疲勞試驗機，中機試驗測試設(shè)備有限公司；電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

膠粘劑——環(huán)氧粘接膠MF1307，鄭州中原思藍德高科股份有限公司；粘接基材——2024T-3鋁合金，表面經(jīng)磷酸陽極化處理，市場購買；80目砂紙、無水乙醇、直徑0.2 mm玻璃微珠、工業(yè)擦拭布等，市場購買。

1.2 試樣制備

鋁合金表面處理，均經(jīng)磷酸氧化處理。一種工藝為不打磨，使用工業(yè)擦拭布蘸無水乙醇，擦拭基材表面，晾干后涂膠和粘接；另一種工藝為打磨，使用80目砂紙均勻打磨，打磨出新鮮的金屬光澤表面，然后使用無水乙醇擦拭，晾干后涂膠和粘接。

按照質(zhì)量比為3∶1的配比，分別稱取適量的環(huán)氧粘接膠MF1307的基膠和固化劑，首先使用行星攪拌裝置混膠均勻并脫除氣泡；然后將膠液涂抹在鋁合金基材表面，均勻撒適量的0.2 mm玻璃微珠，以控制膠層厚度。制作單搭接大拉伸剪切試片，基材對接固定后，放置在70 ℃鼓風干燥箱中，靜置2 h，完成膠粘劑的固化；在常溫下放置24 h后，進行靜態(tài)和動態(tài)拉伸剪切性能測試。

1.3 性能測試

靜態(tài)拉伸剪切強度，按GB/T 7124—2008測定，有效試樣數(shù)量不少于6個，測得膠粘劑粘接鋁合金接頭的靜態(tài)最大剪切強度。

耐疲勞性能，按照拉伸-拉伸循環(huán)類型的載荷控制的受力模式，根據(jù)GB 27595—2011，對粘接接頭試樣進行拉伸剪切疲勞性能測試，分別在固定平均應(yīng)力為5.5 MPa、循環(huán)頻率為20 Hz的條件下，改變剪切應(yīng)力振幅進行測試。

如果試樣進行特定循環(huán)次數(shù)的疲勞測試，剪切試樣未發(fā)生破壞，按照GB/T 7124—2008，測試剩余靜態(tài)剪切強度。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 靜態(tài)剪切強度性能

膠粘劑與粘接基材粘接形成的粘接接頭，通過拉伸試驗得到的拉伸剪切強度，可以表征為粘接接頭可承受靜態(tài)拉伸作用力下的最大載荷，這是膠粘劑和粘接接頭研究的重要參數(shù)。另外，粘接接頭的疲勞性能研究中平均應(yīng)力和應(yīng)力振幅選擇，也與靜態(tài)拉伸剪切強度相關(guān)；環(huán)氧粘接鋁合金接頭的靜態(tài)剪切強度測試結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)氧粘接鋁合金接頭的靜態(tài)剪切強度Tab.1 Static shear strength of epoxy resin adhesive joints with aluminum alloy

由表1可以看到，環(huán)氧粘接膠對磷酸陽極化處理的鋁合金基材的粘接接頭靜態(tài)拉伸剪切強度τR為20.83 MPa；粘接破壞形式，內(nèi)聚面積超過90%，破壞形式較為理想。

2.2 不同應(yīng)力振幅的拉伸剪切疲勞性能

膠粘劑粘接接頭，可采用 GB 27595—2011(等同采用ISO 9664—1995)進行拉伸剪切疲勞性能的測試和研究，該標準指出粘接接頭的S-N曲線，可通過2種方法獲得，一種是固定平均應(yīng)力，改變應(yīng)力振幅的大?。涣硪环N是固定應(yīng)力振幅的比值，改變應(yīng)力振幅的大小，并且應(yīng)力振幅應(yīng)不少于3個數(shù)值。GB/T 35465.1—2017(聚合物基復(fù)合材料疲勞性能測試方法，第1部分：通則)指出，疲勞試驗中應(yīng)至少選擇4個應(yīng)力水平。本研究是采用第1種方法，即固定平均應(yīng)力，選擇5個應(yīng)力振幅值進行粘接接頭的耐疲勞性能研究。

本研究，首先使用普通陽極氧化處理的鋁合金基材試樣，按照標準方法制備得到環(huán)氧膠制備得到拉伸剪切膠接接頭試樣，使用動態(tài)疲勞試驗機進行拉伸剪切的疲勞性能測試。疲勞測試條件設(shè)定時，先要確定非零平均應(yīng)力(τm)，τm通常在0.25τR～0.50τR。

由表1可以看到，該粘接接頭的靜態(tài)剪切強度τR為20.83 MPa，設(shè)定平均應(yīng)力τm為5.5 MPa(τm=0.264τR)，頻率為20 Hz，施加正弦波形變化的循環(huán)應(yīng)力，改變應(yīng)力振幅τa，記錄試樣發(fā)生破壞的循環(huán)次數(shù)，測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同應(yīng)力振幅下的循環(huán)次數(shù)Tab.2 Cycles of fatigue of epoxy resin adhesive joints at different stress amplitude

由表2可知，粘接接頭進行循環(huán)拉伸應(yīng)力的疲勞試驗，隨著應(yīng)力幅值的變大，膠接接頭發(fā)生斷裂的循環(huán)次數(shù)迅速減少。隨著應(yīng)力幅值變小，膠接接頭的可承受的循環(huán)次數(shù)增加，當應(yīng)力幅值為4.0 MPa時，膠接接頭可承受的循環(huán)次數(shù)約為8 000次；當應(yīng)力幅值為1.5 MPa時，膠接接頭可承受1 000萬次不發(fā)生破壞。

根據(jù)表2中該粘接接頭的使用壽命N與應(yīng)力振幅τa數(shù)據(jù)，繪制使用壽命N為橫坐標(對數(shù)值，即lgN)，應(yīng)力振幅τa為縱坐標(對數(shù)值，即lgτa)的應(yīng)力振幅(Stress amplitude)和使用壽命N(Fatigue life)曲線，即S-N曲線，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 修正前的S-N曲線Fig.1 S-N curve before correction

GB/T 27595—2011指出，以lgN、lgτa為坐標的曲線，是一條通過中心線點和耐久極限τD的NF、τm的直線。由表2中的數(shù)值點，經(jīng)線性擬合，可得出lgN與lgτa呈線性關(guān)系[6]。

目前，使用粘接成型制得的蜂窩夾芯板，很多人進行了仿真模擬或者測試研究[12-15]。對于膠粘劑粘接接頭相關(guān)的應(yīng)力壽命疲勞統(tǒng)計和分析相關(guān)的方法，尚未有對應(yīng)的參考標準。環(huán)氧膠粘劑與粘接基材形成的粘接接頭，在進行拉伸剪切疲勞測試時承受剪切作用力，盡管不同于拉伸作用力；但由于環(huán)氧膠粘劑固化之后形成較為剛硬的熱固性樹脂材料，其本體性能與復(fù)合材料性能較為接近，因此，行業(yè)內(nèi)很多人參考GB/T 35465.2—2017(聚合物基復(fù)合材料疲勞性能測試方法，第2部分：線性或線性化應(yīng)力壽命和應(yīng)變壽命疲勞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法)來進行相關(guān)的研究[6]。

GB/T 35465.2—2017標準中提到，在非等幅循環(huán)及疲勞壽命為正態(tài)分布等假設(shè)條件下，應(yīng)力和疲勞壽命呈線性化關(guān)系，即lgN=A+B·lgS，并且在做統(tǒng)計學(xué)分析時，進一步指出，當疲勞數(shù)據(jù)包括未失效疲勞時，相關(guān)的統(tǒng)計分析比標準所述內(nèi)容更為復(fù)雜。因此，我們將表2中的未發(fā)生疲勞破壞的5-1、5-2和5-3試樣結(jié)果舍棄，再次進行S-N曲線和線性擬合，結(jié)果如圖2和表3所示。

圖2 修正后的S-N曲線Fig.2 S-N curve after correction

表3 S-N曲線線性擬合結(jié)果Tab.3 The liner fitting result of the S-N curve

由表3的S-N曲線的線性擬合結(jié)果可知，將未破壞的試樣數(shù)據(jù)舍棄掉的修正前后，曲線擬合度均超過了0.95，分別達到了0.959 9和0.979 9，說明該膠粘劑形成的粘接接頭的剪切疲勞應(yīng)力(對數(shù)值)和疲勞壽命(對數(shù)值)之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。當把未發(fā)生疲勞破壞的5-1、5-2和5-3試樣結(jié)果舍棄后，殘差平方和進一步變小，擬合度進一步變大，說明線性關(guān)系更加明顯，試驗拉伸剪切應(yīng)力與疲勞壽命曲線的測試結(jié)果，與二者(對數(shù)值)之間呈線性規(guī)律的理論也更為吻合。

另外，在相同的應(yīng)力幅值下，膠接接頭發(fā)生破壞的次數(shù)波動較大，這可能是由于制樣過程的缺陷引起的，如接頭空隙、粘接表面狀態(tài)、試樣對中性差異；也可能是疲勞測試過程的誤差所致，如夾持試樣的初始力差異等。因此，如預(yù)得到更詳盡和準確的統(tǒng)計分析結(jié)果，應(yīng)當加大試樣的測試數(shù)量，使研究更加深入。

2.3 疲勞老化后的剩余剪切強度

編號為5-1、5-2和5-3的試樣進行疲勞性能試驗，加載1 000萬次后試樣未發(fā)生破壞，將試樣進行靜態(tài)拉伸剪切性能測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 剩余靜態(tài)剪切強度Tab.4 Residual shear strength of unbroken joints

試樣進行拉伸疲勞性能測試后，試樣的剩余靜態(tài)剪切強度為17.3 MPa，大約為初始靜態(tài)剪切強度的80%，說明該膠粘劑的粘接接頭在平均應(yīng)力為5.5 MPa、應(yīng)力振幅為1.5 MPa和循環(huán)1 000萬次后，仍然可承受較高的靜態(tài)剪切強度，該粘接接頭可耐受此條件下的疲勞性能。

2.4 基材不同表面處理工藝的粘接接頭的疲勞性能

鋁元素是常見的兩性金屬，其表面容易生成不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)疏松的氫氧化鋁或氧化鋁而銹蝕，影響鋁材表面、力學(xué)性能，尤其會嚴重降低粘接強度。鋁合金基材常見的表面處理工藝包括粗化打磨、酸蝕、陽極氧化、化學(xué)底涂等，以去除此不穩(wěn)定的氧化層，或使其表面變成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)致密的氧化鋁層等。因此有必要考察粘接基材的不同表面狀態(tài)對粘接接頭的耐疲勞性能的影響。

為與陽極氧化處理的鋁合金基材對比，使用80目砂紙，對陽極氧化鋁合金表面進行物理打磨，直至露出新鮮金屬光澤的粗糙金屬表面；使用無水乙醇清洗、晾干后，并與對比基材樣同時制備，得到剪切強度測試試樣。為使對比效果明顯，設(shè)定平均應(yīng)力為5.5 MPa、應(yīng)力振幅2.4 MPa和頻率20 Hz，進行拉伸剪切疲勞性能測試，測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同表面處理工藝粘接接頭的疲勞循環(huán)次數(shù)Tab.5 Cycles of fatigue of epoxy resin adhesive joints by different surface treatment process

由表5可知，在相同的拉伸剪切疲勞測試條件下，物理打磨的鋁合金表面，相對陽極氧化鋁合金基材，拉伸剪切疲勞測試的循環(huán)次數(shù)略有增加，增加約2萬次，并且數(shù)據(jù)波動范圍變小。出現(xiàn)這一變化的原因，可能是由于物理打磨的表面更加均勻，而陽極氧化表面的微孔孔徑大小、深度、致密程度等均勻性不夠所致。

3 結(jié)語

(1)一種環(huán)氧膠粘劑粘接鋁合金基材粘接接頭靜態(tài)拉伸剪切強度τR為20.83 MPa，在進行拉伸剪切耐疲勞性能測試時，平均應(yīng)力τm為5.5 MPa，頻率為20 Hz，最大應(yīng)力振幅τa為1.5 MPa時，可循環(huán)1 000萬次未發(fā)生破壞；

(2)固定平均應(yīng)力、頻率，調(diào)整不同的應(yīng)力振幅，測得拉伸剪切得耐疲勞循環(huán)次數(shù)；然后畫出了S-N曲線，進行線性擬合并得到了擬合方程和擬合度，舍去未破壞試樣得數(shù)據(jù)后，擬合曲線得擬合度約為0.98，顯示出lgτa和lgN呈較好的線性關(guān)系；

(3)對拉伸剪切疲勞1 000萬次未破壞的試樣，測試剩余剪切強度，剪切強度約為初始的80%；

(4)測試了陽極氧化鋁合金表面和物理打磨鋁合金表面的拉伸剪切疲勞性能，物理打磨表面粘接接頭的循環(huán)次數(shù)比陽極氧化表面的循環(huán)次數(shù)高12%，波動范圍也有明顯變小。