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影響汽車板材粘接性能的研究進展

返回列表 來源:未知 瀏覽: 發布日期:2019-02-20 16:44【
文章導讀:主要介紹了膠粘劑的性能,以及不同因素(如表面處理、膠層厚度、粘接體系的內應力、粘接接頭的形狀與尺寸和濕熱環境等)對汽車新型輕質板材膠接件粘接性能的影響。最后對汽車新型輕質板材的粘接技術進行了展望。

近年來,隨著環境和能源問題的凸顯,節能型汽車備受關注,有效途徑便是輕量化設計。在減少油耗和尾氣排放的同時,如何保證結構件的安全無疑是首要問題。在汽車的輕量化過程中,新型輕質高強材料(如高強度鋼、鋁、鎂和復合材料)逐漸被運用到現代車輛的車身設計中,這其中的難點之一就是如何實現這些輕質高強材料的連接。有研究表明,粘接是解決連接問題有效方法。


粘接技術即利用適宜的膠粘劑作為加工制造和修補工藝原料,采用適當的搭接形式和合理的粘接工藝將兩種或多種基材結合在一起,也就是將待加工和制造的設施、零部件進行連接的技術。同時,也是將各種材質、尺寸、厚度、軟硬程度相同或相異的材料(零部件)連接成為一個連續、穩固的整體的一種工藝方式。粘接技術具有工藝設備簡單、操作方便、成本低廉、應力集中小、密封防腐性能好和耐疲勞強度高等優點。然而,也同時存在耐候性差、抗沖擊性能較低及力學性能在高低溫條件下會變差等缺點。本研究主要對汽車板材粘接性能影響因素的研究進展進行簡單介紹,以期為相關深入研究提供參考。


1、影響接頭粘接性能的因素
1.1 膠粘劑自身的性能
膠粘劑自身性能是影響汽車板材粘接性能的重要因素,其一方面會對自身內聚力產生影響,另一方面對膠粘劑與被粘物表面之間的黏附力也有較大的影響。膠粘劑性能的好壞主要與其潤濕性、極性、柔性和結晶性有較大關系。為提高接頭的粘接強度,針對膠粘劑改性方面的研究一直是國內外的研究重點。顏財彬[改性水性聚氨酯膠粘劑的制備及其對非極性膜粘接性能的研究]選用2,2,3,4,4,4-甲基丙烯酸六氟丁酯(HFBMA)對水性聚氨酯(WPU)進行改性,制備了改性水性聚氨酯(SiO2/FWPU)。研究表明:隨著HFBMA的加入,SiO2/FWPU膠粘劑的表面張力減小,非極性膜的潤濕性得到改善,從而提高了粘接強度;當w(HFBMA)>15%(相對于膠粘劑質量而言)時,含量對膠粘劑表面張力的影響變小,粘接強度增大的速率減緩并趨于平穩。此外,Tuzun等[The effect of finelydivided fillers on the adhesion strengths of epoxy- based adhesives]分別向EPIKOTE 828型和DURATEK型環氧樹脂(EP)中添加5種不同的填充物[滑石粉、方解石涂層、4.97 μm(數值為顆粒尺寸,下同)方解石、0.7 μm方解石和重晶石]進行改性,并通過搭接剪切試驗探討了各填充物對改性EP粘接強度的影響,如圖1所示。研究表明:當填料種類相同時,EPIKOTE 828膠粘劑的剪切強度比DURATEK 膠粘劑高;當以0.7 μm方解石為填充料時,改性體系的強度最高。

圖表

 

1.2 表面處理
表面情況對粘接強度的影響主要與被粘物表面的清潔度、物理化學性質、粗糙度和溫度等相關。被粘物的表面狀況是影響粘接性能的一個重要因素,故板材粘接前通常會進行適當的表面處理。Yue等[Effect of phosphatesilanepretreatment on the corrosion resistance andadhesive- bonded performance of the AZ31 magnesiumalloys]在粘接前對AZ31鎂合金表面進行了硅烷處理,研究表明:鎂合金表面形成連續均勻的轉化膜,該硅烷膜層中有大量的Si—O—Si和Si—O—Mg共價鍵,這些共價鍵不僅提高了耐蝕性還大大改善了鎂合金的粘接性能。Gao 等[Effect of Na2SiO3solution concentration of micro- arc oxidation process onlap-shear strength of adhesive-bonded magnesium alloys] 對經不同濃度Na2SiO3溶液表面處理后的鎂合金板的單搭接剪切強度進行了研究,發現:鎂合金板的搭接強度隨Na2SiO3濃度的上升呈緩慢下降的趨勢(詳見圖2)。

圖表

這是由于不同濃度的電解質溶液影響了薄膜的形貌與構成所致,而膜的主要成分為Mg2SiO4 和MgO,MgO 的量會隨Mg2SiO4 的增加而減少。當Na2SiO3的濃度較低時,反應生成的Mg2SiO4少,這使反應獲得的MgO 相對增加,而MgO 可以催化羥基群,加強了膠粘劑和鎂合金表面氫鍵的結合,故粘接效果得以提升。


1.3 膠層厚度
對于大多數膠粘劑而言,膠層厚度大便不利于粘接,這主要是因為厚的膠層易產生氣孔等不利因素,使內應力增加。張艷芳等[復材/復材二次膠接膠接質量及強度影響因素研究]通過結構膠-雙馬基碳纖維層壓板膠接試驗表明:剪切強度隨著膠層厚度的增加而增大;當膠層厚度為0.3 mm時,剪切強度達到相對最大,之后隨著膠層厚度增加而急速下降。然而,粘接強度與膠層厚度兩者的關系會隨著膠粘劑的種類和被粘物材料的品種變化而改變。


1.4 粘接體系的內應力
粘接體系的內應力主要分為兩類:一是在固化過程中,膠層體積發生變化時膠層內部產生的收縮應力;二是當溫度變化時,由于膠層與被粘物的膨脹系數不同,兩者熱脹冷縮后而產生的內應力。粘接體系的內應力是由這兩方面組合而成,是降低粘接強度的因素之一??赏ㄟ^降低膠粘劑固化溫度(或在膠粘劑中添加適當填料)來減小粘接體系的內應力。室溫固化可有效避免膠粘劑固化后因冷卻產生的較大內應力,這在高分子材料粘接中被廣泛應用。此外,通過添加變形能力較強的柔性粒子,也能有效減小粘接接頭的內應力。Zhao等[Simultaneously enhancedcryogenic tensile strength and fracture toughness of epoxyresins by carboxylic nitrile- butadiene nano- rubber]向EP中添加納米橡膠。研究表明:軟相的加入可減少固化樹脂系統內部的殘余應力,EP交聯密度的增加可改善固化系統的拉伸強度。


1.5 粘接接頭的形狀與粘接尺寸

粘接接頭的選擇應當依據實際受力情況和使用需要,遵循設計原則,選取合適的接頭構造形狀,進而確定接頭尺寸。對強度要求較高的地方則相應部位需要采取補強措施。Mattos等[Static failure analysis of adhesive single lap joints]改變粘接接頭的寬度和搭接長度,通過比較剪切強度的大小得出搭接接頭尺寸變化對粘接性能的影響。研究表明:基于ANOVA(方差分析)發現搭接接頭的寬度對粘接性能的影響大于搭接長度,增加一定量的搭接寬度比增加等量的搭接長度對粘接性能的提高有更為明顯的效果。


1.6 濕熱環境暴露

汽車在使用期間會經歷多種環境條件(溫度、濕度和輻射等),粘接接頭的穩定性至關重要。對金屬和聚合型結構(如復合材料和結構膠)這兩類而言,腐蝕是危害結構穩定性的最大殺手,相關研究也較多。Sugiman 等[Experimental and numerical investigation of the static response of environmentally aged adhesively bonded joints/The fatigue response of environmentally degraded adhesivelybonded aluminium structures]將粘接接頭浸入去離子水中放置2 a,在靜載和疲勞載荷條件下模擬水分在膠層中的擴散過程。研究表明:接頭強度和抗疲勞性能在長時間的浸泡后均有下降。Hu等[Strength predictionof adhesively bonded joints under cyclic thermal loadingusing a cohesive zone model]將單搭接接頭置于循環熱載荷環境下的試驗與Sugiman的一致。研究表明:循環熱載荷環境明顯減弱了接頭的粘接強度,削減速率隨著暴露時間的延長而減小。Lu 等[Effect of moisturecontent in uncured adhesive on static strength of bondedgalvanized DP600 steel joints]探討了濕熱環境暴露對鍍鋅鋼接頭強度的影響。研究表明:高溫高濕環境(40 ℃,相對濕度96%)對接頭強度的削弱作用較為明顯,1 008 h暴露后接頭強度降低了96%;尤其是暴露試驗的前24 h,強度損失率高達50%;隨著暴露時間繼續增加,強度降低速率有所減小。這是由于空氣中的水分子滲透到膠層內部,并橫向擴散到周圍區域,使膜層與膠層的接觸面發生破壞,直接導致了粘接性能的顯著下降。

2、結語

  粘接技術作為一種連接技術,在未來汽車輕量化發展中發揮著舉足輕重的作用。因此,開展結構粘接技術的相關研究,尤其是粘接強度性能研究,對指導國內自主品牌汽車的設計、生產及對汽車輕量化產業的推動均具有現實意義和深遠的戰略意義。
 

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內容來源:(汽車材料網微信公眾號)

作者:李媛,王勝男,蔡彬,劉忠俠

(鄭州大學物理工程學院材料物理教育部重點實驗室)

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