車用環(huán)氧樹脂型結(jié)構(gòu)膠施膠厚度對粘接性能的影響研究

王博

摘 要：通過對汽車用結(jié)構(gòu)膠接頭影響因素的研究，對膠接接頭膠層厚度與強度進行優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，在膠層厚度為 0.1～1 mm時，接頭強度隨膠層厚度增加而逐漸下降，且在0.1～0.5 mm時，接頭強度與膠層厚度表現(xiàn)出線性關(guān)系。對比僅清洗、打磨、噴砂3種表面處理方法，經(jīng)過噴砂處理的對結(jié)構(gòu)膠的浸潤和機械自鎖產(chǎn)生積極的影響，因此膠接接頭剪切強度較高。在適當?shù)奶岣吖袒瘻囟葘τ谠黾咏Y(jié)構(gòu)膠的固化效率產(chǎn)生積極的影響，但溫度過高會使膠層出現(xiàn)炭化導(dǎo)致接頭質(zhì)量下降。在膠層厚度為0.1 mm，表面處理方式為噴砂，固化溫度為180 ℃，固化時間為30 min時，膠接接頭剪切強度最高約為35 MPa。

關(guān)鍵詞：車用結(jié)構(gòu)膠；膠接接頭；剪切強度；影響因素

中圖分類號：TQ437+.4

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0037-04

Study on the effect of adhesive layer thickness and performance of epoxy resin-based structural adhesive joints for automotive applications

WANG Bo

（

Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，Baoji 721001，Shaanxi China

）

Abstract：By studying the influencing factors of structural adhesive joints for automobiles，the adhesive layer thickness and strength of the joints were optimized.The experimental results showed that when the thickness of the adhesive layer was between 0.1 and 1 mm，the strength of the adhesive joint gradually decreasedwith the increase of adhesive layer thickness，and when the thickness of the adhesive layer was between 0.1 and 0.5 mm，the strength of the joint showeda linear relationship with the thickness of the adhesive layer.Compared with the three surface treatment methods of cleaning，polishing and sandblasting，the sandblasted surface had a positive impact on the infiltration and mechanical self-lockingof structural adhesive，resulting in a higher shear strength of the glued joints.Increasing the curing temperature within an appropriate range hada positive impact on the curing efficiency of structural adhesives，however，excessive temperature couldcause carbonization of the adhesive layer，leading to a decrease in joint quality.When the adhesive layer thickness was 0.1 mm，the surface treatment method was sand blasting，the curing temperature was 180 ℃，and the curing time was 30 min，the maximum shear strength of the bonded joint was about 35 MPa.

Key words：automotive structural adhesive;adhesive joint;shear strength;influence factor

結(jié)構(gòu)膠是連接鋼鋁混合材料的常用材料，結(jié)構(gòu)膠連接接頭質(zhì)量的好壞對車身安全性產(chǎn)生重要的影響。但目前對于汽車車身膠接接頭的研究還存在很多的誤區(qū)，因此需要對膠接結(jié)構(gòu)強度進行進一步分析。對此，部分學(xué)者也進行了很多研究，如金希紅以鉚接接頭為對比，研究了膠接接頭的特點［1］。刁鑫林則研究了影響汽車結(jié)構(gòu)膠膠接接頭強度的因素［2］。馮嘉雨則研究了膠接接頭剪切強度因素［3］。以上學(xué)者對車用結(jié)構(gòu)膠膠接接頭強度進行了進一步研究，但研究還有更深入的空間?；诖?，研究試驗參考周奧［4］論文中的方法，研究了汽車車用結(jié)構(gòu)膠膠接接頭影響因素。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：環(huán)氧樹脂型結(jié)構(gòu)膠（達豐成工程）。

主要設(shè)備：LXJ2421型力學(xué)性能機（奧德賽創(chuàng)科技）；OK48W型顯微鏡（凱安信息科技）；SEM3300型掃描電鏡（國儀量子）。

1.2 試驗方法

參照 GB/T 7124—2008 標準［5-6］對膠接接頭進行設(shè)計，具體見圖1。

（1）將 DP590 和 6061T6 鋁合金通過線切割的方式分成若干個尺寸為100 mm×25 mm 的方形塊，然后用乙醇對所有方形塊進行清洗;

（2）將方形塊分為3組，一組作為空白對照，另外兩組分別進行噴砂處理和不同目數(shù)砂紙打磨處理;

（3）按照圖1尺寸劃線標記，并準備若干厚度相同，尺寸為37.5 mm×25 mm的墊片備用;

（4）提前對結(jié)構(gòu)膠膠管進行加熱處理，然后將結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹在試件的剪切區(qū)和夾持區(qū)。在涂膠過程中不要多次涂抹，避免在涂抹過程中產(chǎn)生氣泡，對粘結(jié)效果產(chǎn)生影響;

（5）依據(jù) GB/T 7124—2008標準對膠層厚度進行控制，然后在膠層中沿拉伸方向放置于膠層厚度相同直徑、相同長度的銅絲，最后覆蓋涂有膠粘劑的板材;

（6）將試件置于電熱烘箱內(nèi)，在一定溫度條件下固化一定時間，然后關(guān)閉烘箱，待試件自然冷卻后取出試件。

1.3 性能測試

1.3.1 剪切強度測試

（1）在力學(xué)試驗機夾頭中固定膠接接頭試件的夾持端，清零載荷后再將另一頭固定。完全固定后將夾頭向下移動，直至載荷卸載至0;

（2）打開力學(xué)試驗機，對試件施加荷載，加載速率為5 mm/min。剪切強度表達式為：

τ=F/A（1）

式中，τ：膠接接頭剪切強度，MPa；為F ：拉伸的最大載荷，N；A為搭接的面積，mm2。

1.3.2 斷面觀察

通過單筒體視顯微鏡觀察試件斷面形貌。

1.3.3 微觀形貌觀察

通過掃描電鏡對膠接接頭試件微觀形貌進行觀察。

1.3.4 膠接接頭失效模式

失效位置不同，失效模式也有一定差異。將失效模式分為4種情況，具體見圖2［7-8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠層厚度的影響

圖3為膠層厚度的優(yōu)化結(jié)果。

由圖3可知。試件剪切強度在膠層厚度為0.1 mm達到最高34.8 MPa。同時還能觀察到，在膠層厚度為 0.1～0.5 mm，膠層剪切強度表現(xiàn)出線性下降的變化趨勢，但整體下降幅度較小。

通過對不同膠層厚度的斷口形貌進行觀察，進一步表征膠接接頭的失效模式，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，膠層厚度增加，膠接接頭的失效模式與開始發(fā)生改變，逐漸從內(nèi)聚失效轉(zhuǎn)換為混合失效，界面破壞區(qū)域和氣孔數(shù)量也有一定增加，同時， 界面失效區(qū)域也朝中間靠攏。

表1為斷面情況對比結(jié)果。

由表1可觀察到，膠層厚度從0.1 mm增加至0.5 mm時，氣孔總數(shù)相對較少，破壞形式也基本為內(nèi)聚失效，因此可認定，引發(fā)剪切強度降低的原因主要是膠層內(nèi)部應(yīng)力的變化。當膠層厚度超過0.5 mm后，同時受氣孔缺陷和應(yīng)力離散的影響，因此下降趨勢表現(xiàn)出非線性變化［11-12］。

綜上，適合的膠層厚度為0.1 mm，此時試件剪切強度為34.8 MPa，膠層失效形式為內(nèi)聚失效。

2.2 表面處理方式的影響

圖5為表面處理方式的影響結(jié)果。

由圖5可知，表面處理對提升膠接接頭剪切強度產(chǎn)生積極的影響。其中噴砂處理的膠接接頭剪切速率最高，為26.1 MPa，其次為320目砂紙打磨的試件，剪切強度約為24.85 MPa。當砂紙目數(shù)超過320目時，隨砂紙目數(shù)的增加，試件的剪切強度反而有一定下降。當砂紙目數(shù)達到2 000目時，試件剪切強度較320目砂紙打磨的試件降低了約22.8%。砂紙目數(shù)為80目時，打磨的試件剪切強度較320目砂紙打磨的試件下降了約4.7%。這是因為，膠接接頭強度受母材表面粗糙度影響。經(jīng)過噴砂處理和砂紙打磨后的樣品，材料表面的粗糙度明顯增加，因此試件的剪切強度也明顯增加。

圖6為不同目數(shù)砂紙打磨的母材表面（以較典型的80目、320目和2 000目砂紙打磨的木材為代表）。

由圖7可觀察到，經(jīng)過砂紙打磨后，母材表面均留下一些劃痕。但砂紙目數(shù)不同，刮痕深度和間隙均有一定差異。經(jīng)過80目砂紙打磨的母材刮痕較寬，且刮痕間間隙較大，這就使得結(jié)構(gòu)膠與母材間無法完全接觸，中間存在氣孔和間隙。而320目砂紙打磨的母材刮痕寬度小，且分布的更為密集，可以實現(xiàn)母材與膠粘劑最大程度的嵌合［13］。經(jīng)過2 000目砂紙打磨后的母材表面較為平滑，刮痕較為細膩，使得膠粘劑與母材間機械嵌合強度不夠，降低了膠接接頭試件的剪切強度［14］。

圖7為經(jīng)過噴砂處理的母材微觀形貌。

由圖7可觀察到，噴砂母材表面同時存在噴砂過程中留下的劃痕和沙粒直射留下的孔洞，以及花瓣狀的濺射痕跡，這就使得膠粘劑可以快速浸入母材內(nèi)部，兩者間產(chǎn)生較強的機械嚙合［15］。

綜上，噴砂處理的母材與結(jié)構(gòu)膠的機械嚙合作用最好，320目砂紙打磨的母材與結(jié)構(gòu)膠機械嚙合作用次之，僅用乙醇清洗表面的母材與結(jié)構(gòu)膠機械嚙合作用最差，因此在實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)需求選擇適合的處理方式。

2.3 固化條件的影響

圖8為固化條件的影響結(jié)果。

由圖8可知，在180 ℃固化的膠接接頭試件的剪切強度明顯高于130 ℃固化膠接接頭試件，而180 ℃固化的試件幾乎不受固化時間的影響。在130 ℃條件下固化的接頭斷面存在明顯的未固化完全的深紅色膠粘劑，這就說明在該溫度條件下，膠粘劑難以固化完全，因此剪切強度有一定降低［16］。而180 ℃條件下固化的樣品，并未出現(xiàn)未固化的膠粘劑，且失效形式為內(nèi)聚失效，因此剪切強度相對較高。對比180 ℃固化30 min的樣品和180 ℃固化60 min的樣品接頭斷面，二者并沒有出現(xiàn)明顯的差別，也就是說，溫度180 ℃、固化30 min已經(jīng)足夠使得膠粘劑完全固化，繼續(xù)增加固化時間也幾乎不會對膠結(jié)接頭剪切強度產(chǎn)生影響。

圖9為固化溫度的影響。

由圖9可觀察到，在同時固化時間條件下，隨固化溫度的增加，膠接接頭剪切強度表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。當固化溫度為180 ℃時，剪切強度最高，約為35.68 MPa。出現(xiàn)這個變化的原因在于，膠粘劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率隨溫度的增加而增加。因此從130～150 ℃時，膠接接頭剪切強度上升較快。而固化溫度從150 ℃上升至180 ℃的過程中，膠接接頭剪切強度上升較慢，這是因為在此時，固化完全的有機分子逐漸飽和，固化反應(yīng)速率也變慢，剪切強度上升的較慢［17-18］。繼續(xù)增加固化溫度，膠接接頭試件的剪切強度反而有一定下降，這是因為超過固化溫度后，膠層出現(xiàn)碳化變脆的情況，膠接接頭剪切強度下降［19-20］。因此選擇適合的固化條件為溫度180 ℃，固化時間30 min。

3 結(jié)語

（1）膠層厚度對膠粘劑失效模式和剪切強度均產(chǎn)生影響，當膠層厚度為0.1 mm時，試件剪切強度最大為34.8 MPa，膠層失效模式為內(nèi)聚失效；

（2）經(jīng)過噴砂處理和砂紙打磨后的樣品，材料表面的粗糙度明顯增加，因此試件的剪切強度也明顯增加。在3種處理方式中，噴砂處理的母材與結(jié)構(gòu)膠的機械嚙合作用最好，320目砂紙打磨的母材與結(jié)構(gòu)膠機械嚙合作用次之。僅用乙醇清洗表面的母材與結(jié)構(gòu)膠機械嚙合作用最差，因此在實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)需求選擇適合的處理方式；

（3）當固化溫度為180 ℃，固化時間為30 min時，結(jié)構(gòu)膠的固化效果最好。在此固化條件下，結(jié)構(gòu)膠完全固化，膠接接頭試件剪切強度約為35.68 MPa。

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收稿日期：2023-06-10；修回日期：2023-09-22

作者簡介：王 博（1988-），男，碩士，講師，研究方向：汽車專業(yè)教學(xué)、校企合作與成果轉(zhuǎn)化；E-mail：wb09015@163.com。

引文格式：王 博.車用環(huán)氧樹脂型結(jié)構(gòu)膠施膠厚度對粘接性能的影響研究［J］.粘接，2023，50（11）：37-40.