汽車(chē)用單組分結(jié)構(gòu)膠的低溫楔形沖擊剝離研究與探討

張恒超 丁萬(wàn)慶 孫鳳海 韓雙福

摘要：由于結(jié)構(gòu)膠具備替代焊點(diǎn)完成鋼板結(jié)構(gòu)粘接的使命，且單車(chē)使用量逐年增加，尤其在新能源汽車(chē)中更加明顯。目前各大主機(jī)廠(chǎng)對(duì)于結(jié)構(gòu)膠標(biāo)準(zhǔn)的制訂日趨完善，但大部分均簡(jiǎn)單引用國(guó)標(biāo) GB/T 36877—2018或者ISO 11343：2019。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)測(cè)試結(jié)果存在理解偏差，特別是對(duì)沖擊剝離的圖形解析不明確，甚至誤讀錯(cuò)讀圖形，最終導(dǎo)致結(jié)論不正確。從楔形沖擊剝離原理、實(shí)際操作、結(jié)果解讀、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比等方面對(duì)結(jié)構(gòu)膠的沖擊剝離測(cè)試進(jìn)行研究與探討，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)，給出結(jié)構(gòu)膠在低溫沖擊剝離測(cè)試結(jié)果的推薦判定方法。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)膠；楔形沖擊剝離強(qiáng)度；低溫沖擊

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ436+.2????? ???????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????????? 文章編號(hào)：1001-5922（2023）03-0048-04

Research? on low-temperature impact? wedge-peel performance? of single component structuraladhesive for? automobile

ZHANG Hengchao，DING Wanqing，SUN Fenghai，HAN Shuangfu

（Bokwang（Tianjin）Automobile Parts Co.，Ltd.，Tianjin 301700，China）

Abstract： Because structural adhesive has the mission of replacing welding spot to complete the bonding of steel? plate structure，the usage of single cycle is increasing year by year，especially in new energy automobile. At present， the establishment of structural adhesive standards of major OEMs is gradually perfect，but most of them simply refer? to GB/T 36877—2018 or ISO 11343：2019. In the actual application，there is a misunderstanding of the test results， especially the unclear analysis of the impact wedge-peel graph，and even the misreading of the graph，which eventu- ally leads to the incorrect conclusion. The impact wedge-peel test of structural adhesive is studied and discussed? from the aspects ofimpact wedge-peel principle，practical operation，result interpretation，standard comparison and? so on. Combined with the actual experience and related literature，the recommended judgment method of the impact? wedge-peel test results of structural adhesive at low temperature is given.

Keywords：structural adhesive；impact wedge-peel strength；low-temperature impact

隨著新能源汽車(chē)的飛速發(fā)展，主機(jī)廠(chǎng)對(duì)汽車(chē)輕量化有了更高的要求[1-3]。目前白車(chē)身工藝要求采用質(zhì)輕、高韌性、高強(qiáng)度材料，其連接技術(shù)除了傳統(tǒng)的焊接外，結(jié)構(gòu)膠固化粘接由于表現(xiàn)出色，越來(lái)越得到各大主機(jī)廠(chǎng)的認(rèn)可[4-6]。在白車(chē)身中某些不易焊接的部位，或者使用傳統(tǒng)焊接難以達(dá)到要求的地方，會(huì)使用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行粘接。近年來(lái)，某些國(guó)產(chǎn)主流主機(jī)廠(chǎng)的新能源汽車(chē)在原來(lái)使用折邊膠甚至點(diǎn)焊膠的部位大量使用結(jié)構(gòu)膠，大大提高了白車(chē)身的剛度和強(qiáng)度，使其在碰撞安全性和耐久性驗(yàn)證中得到不同程度的提升[7-15]。國(guó)內(nèi)某主流新能源汽車(chē)的高端車(chē)型中結(jié)構(gòu)膠涂膠量已經(jīng)達(dá)到120 m，某些國(guó)外高端車(chē)型的結(jié)構(gòu)膠的涂膠長(zhǎng)度甚至超過(guò)了150 m[1]。

由于新車(chē)開(kāi)發(fā)必須要進(jìn)行“高原、高溫、高寒”等環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證，而高寒環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)主要測(cè)試地點(diǎn)為黑龍江漠河、黑河或內(nèi)蒙古牙克石，氣溫可達(dá)到（-25～-40）℃[16]。故大部分汽車(chē)零部件的耐寒性實(shí)驗(yàn)都以-40℃為低溫測(cè)試溫度。

結(jié)構(gòu)膠主要以雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂，核殼改性環(huán)氧樹(shù)脂，橡膠改性環(huán)氧樹(shù)脂，增韌劑，固化劑，白炭黑，碳酸鈣，環(huán)氧稀釋劑等材料組成[17-19]。起結(jié)構(gòu)粘接作用的環(huán)氧樹(shù)脂等高分子材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高，體現(xiàn)低溫脆性，不利于低溫沖擊剝離，在極端低溫情況下可能產(chǎn)生安全隱患。

在結(jié)構(gòu)膠的測(cè)試評(píng)價(jià)中，拉伸剪切強(qiáng)度，T型剝離強(qiáng)度，落錘抗沖擊剝離強(qiáng)度（楔形物法）是3個(gè)重要指標(biāo)[20-21]。其中剪切強(qiáng)度能夠體現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠剛性，而 T 型剝離和落錘沖擊剝離能夠體現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠韌性，-40℃落錘沖擊剝離強(qiáng)度更是區(qū)分普通結(jié)構(gòu)膠和高韌性耐沖擊結(jié)構(gòu)膠的最重要指標(biāo)[21]；普通結(jié)構(gòu)膠在23～80℃沖擊剝離強(qiáng)度都較高，但是低溫沖擊效果較差，普通結(jié)構(gòu)膠在-5℃甚至0℃的沖擊剝離強(qiáng)度為0；而增韌型結(jié)構(gòu)膠在-40℃的低溫沖擊剝離強(qiáng)度需達(dá)到20 N/mm以上。

1 沖擊剝離基礎(chǔ)概念與樣件制作

1.1 基礎(chǔ)概念

（1）沖擊剝離原理：以力或者能量的形式，表征粘接件在高速運(yùn)動(dòng)的楔形物沖擊下，抵抗沖擊剝離的能力；

（2）沖擊剝離：在外力的作用下，楔形物沖擊粘接件的粘接處，導(dǎo)致粘接件的2個(gè)被粘物以剝離的方式分離；

（3）沖擊剝離力：取力-時(shí)間曲線(xiàn)25%～90%部分剝離力的平均值；如果粘接試樣產(chǎn)生的剝離力曲線(xiàn)極不規(guī)則，則棄用；

（4）沖擊剝離強(qiáng)度：?jiǎn)挝粚挾壬蠜_擊剝離所需的力，kN/m或N/mm；

（5）能量：對(duì)力-時(shí)間曲線(xiàn)25%～90%部位進(jìn)行積分，計(jì)算出沖擊產(chǎn)生的能量，焦（J）；

（6）目前現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)：ISO 11343：2019膠粘劑：沖擊楔形條件下高強(qiáng)度粘結(jié)劑抗劈裂性的測(cè)定——楔形沖擊法。GB/T 36877—2018結(jié)構(gòu)膠粘劑沖擊剝離強(qiáng)度的測(cè)定楔形物法。

1.2 儀器與設(shè)備

CEAST 9350落錘沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備，美國(guó)英斯特朗（Instron）公司，自配液氮鋼罐。

1.3 樣件制備

購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)沖擊樣條（20 mm×90 mm×1.6 mm），每種結(jié)構(gòu)膠樣品5個(gè)平行樣條。涂膠尺寸：20 mm×30 mm，厚度0.2 mm（使用0.2 mm 玻璃微珠控制厚度）；固化溫度：180℃×20 min；室溫放置24 h后進(jìn)行測(cè)試，樣條如圖1所示。

（1）涂膠后固化前，盡量將樣條周?chē)嘤嗟哪z粘劑用小刀刮掉去除；

（2）固化后，可用銼刀去稍微修整樣條底部和兩側(cè)多余的膠粘劑；但是“V”型接口處的膠粘劑不允許修整，否則可能會(huì)成為實(shí)驗(yàn)中的裂紋來(lái)源，造成誤差。

2 沖擊性能測(cè)試

一般鋼質(zhì)基材沖擊速度為2 m/s；沖擊能量不低于50 J（落錘質(zhì)量45 kg，高度2 m）。

在設(shè)備的環(huán)境箱可設(shè)置不同溫度，目前常用的為23、80和-40℃。

如在測(cè)試-40℃時(shí)，先將樣件裝配至楔形物夾具中，調(diào)整環(huán)境箱至-40℃ ， 當(dāng)環(huán)境箱穩(wěn)定在-40℃后，計(jì)時(shí)30 min（有文獻(xiàn)[22]建議最少15 min，也有建議1 h）。進(jìn)行沖擊剝離后，取出被沖擊樣件，關(guān)閉環(huán)境箱穩(wěn)定10 min，再次打開(kāi)環(huán)境箱進(jìn)行第2次放置樣件，待環(huán)境箱穩(wěn)定至-40℃后，再次計(jì)時(shí)30 min進(jìn)行測(cè)試，取出被沖擊樣件，關(guān)閉環(huán)境箱穩(wěn)定10 min后繼續(xù)第3個(gè)樣品操作。

2.1 測(cè)試結(jié)果

對(duì)于-40℃沖擊剝離的測(cè)試結(jié)果，一般會(huì)有2種情況：一是裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展；二是裂紋的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展[23]。測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。

裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。當(dāng)結(jié)構(gòu)膠的韌性較好，在低溫-40℃沖擊剝離時(shí)，隨著楔形物開(kāi)始沖擊“V”型膠接部位，會(huì)有1個(gè)或者2個(gè)初始力的峰值，隨后出現(xiàn)一個(gè)“平臺(tái)”區(qū)域，初始峰值一般維持1～4 ms，平臺(tái)區(qū)域一般維持3～10 ms，裂紋速度與測(cè)試速度2 m/s為同一速度（有文獻(xiàn)[22]指出使用高速攝影，進(jìn)行追蹤裂紋速度表明，裂紋速度與測(cè)試速率相等）。當(dāng)測(cè)試接近結(jié)束時(shí)，從裂紋尖端接近末端時(shí)，樣件的剛性增強(qiáng)，柔性降低，導(dǎo)致記錄的力減小。在整個(gè)沖擊過(guò)程中，平臺(tái)的時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)膠吸收的能量也就越大。

裂紋的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。當(dāng)結(jié)構(gòu)膠韌性不足，在低溫環(huán)境，楔形物開(kāi)始沖擊“V”型膠接處時(shí)，裂紋啟動(dòng)，然后可能停止并再次啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生1～2個(gè)初始力的峰值；但裂紋沒(méi)有像穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展時(shí)那樣出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)區(qū)域，裂紋在樣件中傳播非常迅速。一般不穩(wěn)定擴(kuò)展的裂紋傳播速度非?？?，大約1～2 ms。原因可能是在更脆的結(jié)構(gòu)膠中，楔形物沖擊造成的裂紋非常尖銳，在裂紋開(kāi)始擴(kuò)展后，能量釋放速率遠(yuǎn)大于穩(wěn)定裂紋所需的能量釋放速率，因此，裂紋擴(kuò)展的非?？?，最終，導(dǎo)致了不穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展。而在不穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，樣件在不穩(wěn)定沖擊破壞過(guò)程中吸收的能量非常少。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

取4種不同廠(chǎng)家的結(jié)構(gòu)膠A、B、C、D進(jìn)行-40℃低溫沖擊剝離測(cè)試，測(cè)試的力和時(shí)間曲線(xiàn)圖如圖4所示；測(cè)試結(jié)果如表1所示。

（1）如果按照大部分主機(jī)目前的標(biāo)準(zhǔn)要求，-40℃的沖擊剝離強(qiáng)度大于等于20 N/mm；則A、 B、C、D 4種結(jié)構(gòu)膠均合格，為韌性結(jié)構(gòu)膠。但實(shí)際中C 和D結(jié)構(gòu)膠不能稱(chēng)為增韌結(jié)構(gòu)膠，只能稱(chēng)為普通結(jié)構(gòu)膠。如果所測(cè)結(jié)構(gòu)膠的-40℃沖擊的測(cè)試圖如圖4的 C 或者圖4的 D 所示，雖然圖4的 C、D 按照 ISO 11343：2019標(biāo)準(zhǔn)中讀數(shù)，有41.68 N/mm及29.26N/mm 的沖擊剝離強(qiáng)度，顯示該結(jié)構(gòu)膠具有“好的韌性”，但實(shí)際膠接表現(xiàn)為不穩(wěn)定、脆性行為；

（2）標(biāo)準(zhǔn)中“如果粘接試樣產(chǎn)生的剝離力曲線(xiàn)極不規(guī)則，則棄用”，對(duì)于分析測(cè)試人員及結(jié)果判定人員來(lái)說(shuō)，將會(huì)有一種困惑，未有明確解釋?zhuān)裁礊榍€(xiàn)規(guī)則或者極不規(guī)則。如果送樣測(cè)試結(jié)果都為圖4的C、 D狀態(tài)，則感覺(jué)也是規(guī)則的，可以使用力-時(shí)間曲線(xiàn)中數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)導(dǎo)致完全相反的結(jié)論。

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[22]，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并在實(shí)際中得到應(yīng)用的推薦方案同時(shí)具備2個(gè)條件：

（1）失效時(shí)間大于等于7 ms；

（2）力和時(shí)間曲線(xiàn)具有穩(wěn)定平臺(tái)區(qū)域。

當(dāng)失效時(shí)間小于7 ms時(shí)，就會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定失效，在這種情況下，應(yīng)該棄用，數(shù)據(jù)取零。當(dāng)失效時(shí)間大于7 ms，且具有穩(wěn)定的平臺(tái)區(qū)域，則為穩(wěn)定失效，這時(shí)取得的數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

根據(jù)以上圖4和表1并結(jié)合2個(gè)條件可以判斷：圖4中A、B的沖擊剝離強(qiáng)度分別為49.49、27.55 N/mm；圖4中C、D的沖擊剝離強(qiáng)度均為0；

（3）也有同一種結(jié)構(gòu)膠在不同溫度測(cè)試的圖譜，如果按照標(biāo)準(zhǔn)解讀，23℃及-40℃的剝離力-時(shí)間曲線(xiàn)并非極不規(guī)則（如圖5、圖6所示），可以讀取數(shù)值，在低溫-40℃測(cè)試沖擊剝離強(qiáng)度48.59 N/mm要高于常溫23℃測(cè)試的沖擊剝離強(qiáng)度42.05 N/mm；但是不能夠說(shuō)明該結(jié)構(gòu)膠在低溫比在常溫表現(xiàn)更具有韌性。因?yàn)?40℃時(shí)失效時(shí)間只有2 ms，且沒(méi)有穩(wěn)定的平臺(tái)區(qū)域，故-40℃時(shí)的沖擊剝離強(qiáng)度取值為0。

3 結(jié)語(yǔ)

ISO 11343：2019楔形物沖擊剝離實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)非常通用的測(cè)試結(jié)構(gòu)膠的韌性好壞的方法。沖擊剝離實(shí)驗(yàn)可以分為穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展，和非穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展，所有的裂紋都是通過(guò)膠粘劑的膠接層進(jìn)行內(nèi)聚擴(kuò)展。介紹了目前在速度為2 m/s，落錘45 kg的條件下，主要測(cè)試-40℃條件下的測(cè)試注意事項(xiàng)，目前存在的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的一些疑惑進(jìn)行梳理和總結(jié)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，給出推薦判斷方案。針對(duì)“若剝離力曲線(xiàn)極不規(guī)則，則棄用”進(jìn)行詳細(xì)解讀，若無(wú)穩(wěn)定平臺(tái)區(qū)域，則棄用，若有平臺(tái)區(qū)域，但失效時(shí)間小于7 ms，同樣棄用。使用這種區(qū)分方法可以很好的區(qū)分是否具有韌性的結(jié)構(gòu)膠。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 任萬(wàn)里，張愛(ài)平，楊紅新，等.新型增韌結(jié)構(gòu)膠在汽車(chē)中的應(yīng)用[J].粘接，2013，34（9）：32-35.

[2] 劉少華，王立，閆雪燕，等.車(chē)身用結(jié)構(gòu)膠在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用試驗(yàn)研究[C]//中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì).2018中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3] 林欣，朱冬玲，張軍營(yíng)，等.汽車(chē)用單組分環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠性能的研究[J].化學(xué)與粘合，2012，34（5）：45-47.

[4] 高海鵬，胡志龍，王曉寧.點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)膠在白車(chē)身制造中的應(yīng)用[J].粘接，2015，36（7）：85-87.

[5] 王仁宏，于超.結(jié)構(gòu)膠在車(chē)身骨架上的應(yīng)用[J].汽車(chē)工藝師，2018（3）：45-48.

[6] 李偉紅，胡勝鷹，韓勝利，等.車(chē)身結(jié)構(gòu)膠在汽車(chē)制造中的應(yīng)用研究[J].粘接，2018，39（9）：61-63.

[7] 許亞軍.基于汽車(chē)沖擊剝離不同強(qiáng)度的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠性能測(cè)試研究[J].粘接，2019，40（5）：49-51.

[8] 李瑞方，常亞恩，陳忠德.結(jié)構(gòu)膠在車(chē)身中的應(yīng)用[J].粘接，2021，47（9）：39-43.

[9] 宣博文，葉瀚琴，卓東賢，等.改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的研究進(jìn)展[J].粘接，2015，36（12）：82-88.

[10] 王野.汽車(chē)用沖擊型結(jié)構(gòu)膠的耐高低溫性的研究[J].粘接，2019，40（5）：83-86.

[11] 李曉青，陸優(yōu)，盧生林.高寒整車(chē)性能綜合主觀評(píng)價(jià)介紹[J].汽車(chē)零部件，2015（9）：44-48.

[12] 周一兵.汽車(chē)粘接劑密封膠應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2003.

[13] 韋春萍，韋超忠，魏嘉豐，等.韌性環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠在汽車(chē)上的應(yīng)用[J].北京汽車(chē)，2021（1）：49-51.

[14] 陳寶歌.結(jié)構(gòu)膠在轎車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用[J].汽車(chē)工藝與材料，2013（5）：14-17.

[15] 楊曉軍，王宇飛.結(jié)構(gòu)膠連接與現(xiàn)代汽車(chē)車(chē)身連接技術(shù)[J].汽車(chē)與配件，2010（37）：24-25.

[16] 李曉青，陸優(yōu)，盧生林.高寒整車(chē)性能綜合主觀評(píng)價(jià)介紹[J].汽車(chē)零部件，2015（9）：44-48.

[17] 邵宇吉.車(chē)用結(jié)構(gòu)膠粘接接頭強(qiáng)度研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2019.

[18] 李林森.車(chē)輛用高韌性，耐沖擊型折邊結(jié)構(gòu)膠粘劑研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2019.

[19] 李程，王永明，高之香，等.高剝離強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠研制及應(yīng)用[J].粘接，2015，36（5）：77-79.

[20] 桑廣藝，夏佳斌，陶小樂(lè)，等.汽車(chē)用單組分環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠沖擊性能研究[J].粘接，2016，37（6）：54-58.

[21] 桑廣藝，夏佳斌，錢(qián)立飛，等.汽車(chē)結(jié)構(gòu)膠沖擊性能測(cè)試方法探析[J].粘接，2018，39（9）：17-20.

[22]? BLACKMAN.B.R.K. The impact wedge-peel performance? of structural adhesives[J]. Journal of materials science，2000，35：1867-1884.