【摘要】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(nèi)應(yīng)力、粘接接頭的形狀與尺寸和濕熱環(huán)境等）對(duì)汽車新型輕質(zhì)板材膠接件粘接性能的影響。最后對(duì)汽車新型輕質(zhì)板材的粘接技術(shù)進(jìn)行了展望。

　　【關(guān)鍵詞】汽車；輕量化；粘接技術(shù)；粘接強(qiáng)度；影響因素

　　0 前言

　　近年來(lái)，隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的凸顯，節(jié)能型汽車備受關(guān)注，有效途徑便是輕量化設(shè)計(jì)。在減少油耗和尾氣排放的同時(shí)，如何保證結(jié)構(gòu)件的安全無(wú)疑是首要問(wèn)題。在汽車的輕量化過(guò)程中，新型輕質(zhì)高強(qiáng)材料（如高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和復(fù)合材料）逐漸被運(yùn)用到現(xiàn)代車輛的車身設(shè)計(jì)中，這其中的難點(diǎn)之一就是如何實(shí)現(xiàn)這些輕質(zhì)高強(qiáng)材料的連接。有研究表明，粘接是解決連接問(wèn)題有效方法。

　　粘接技術(shù)即利用適宜的膠粘劑作為加工制造和修補(bǔ)工藝原料，采用適當(dāng)?shù)拇罱有问胶秃侠淼恼辰庸に噷煞N或多種基材結(jié)合在一起，也就是將待加工和制造的設(shè)施、零部件進(jìn)行連接的技術(shù)。同時(shí)，也是將各種材質(zhì)、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(gè)連續(xù)、穩(wěn)固的整體的一種工藝方式。粘接技術(shù)具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、應(yīng)力集中小、密封防腐性能好和耐疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。然而，也同時(shí)存在耐候性差、抗沖擊性能較低及力學(xué)性能在高低溫條件下會(huì)變差等缺點(diǎn)。本研究主要對(duì)汽車板材粘接性能影響因素的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，以期為相關(guān)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(huì)對(duì)自身內(nèi)聚力產(chǎn)生影響，另一方面對(duì)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(rùn)濕性、極性、柔性和結(jié)晶性有較大關(guān)系。為提高接頭的粘接強(qiáng)度，針對(duì)膠粘劑改性方面的研究一直是國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。顏財(cái)彬[改性水性聚氨酯膠粘劑的制備及其對(duì)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(duì)水性聚氨酯（WPU）進(jìn)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(rùn)濕性得到改善，從而提高了粘接強(qiáng)度；當(dāng)w（HFBMA）>15%（相對(duì)于膠粘劑質(zhì)量而言）時(shí)，含量對(duì)膠粘劑表面張力的影響變小，粘接強(qiáng)度增大的速率減緩并趨于平穩(wěn)。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(huán)氧樹(shù)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(shù)值為顆粒尺寸，下同）方解石、0.7 μm方解石和重晶石]進(jìn)行改性，并通過(guò)搭接剪切試驗(yàn)探討了各填充物對(duì)改性EP粘接強(qiáng)度的影響，如圖1所示。研究表明：當(dāng)填料種類相同時(shí)，EPIKOTE 828膠粘劑的剪切強(qiáng)度比DURATEK 膠粘劑高；當(dāng)以0.7 μm方解石為填充料時(shí)，改性體系的強(qiáng)度最高。

　　1.2 表面處理

　　表面情況對(duì)粘接強(qiáng)度的影響主要與被粘物表面的清潔度、物理化學(xué)性質(zhì)、粗糙度和溫度等相關(guān)。被粘物的表面狀況是影響粘接性能的一個(gè)重要因素，故板材粘接前通常會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?。Yue等[Effect of phosphatesilanepretreatment on the corrosion resistance andadhesive- bonded performance of the AZ31 magnesiumalloys]在粘接前對(duì)AZ31鎂合金表面進(jìn)行了硅烷處理，研究表明：鎂合金表面形成連續(xù)均勻的轉(zhuǎn)化膜，該硅烷膜層中有大量的Si—O—Si和Si—O—Mg共價(jià)鍵，這些共價(jià)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(duì)經(jīng)不同濃度Na₂SiO₃溶液表面處理后的鎂合金板的單搭接剪切強(qiáng)度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：鎂合金板的搭接強(qiáng)度隨Na₂SiO₃濃度的上升呈緩慢下降的趨勢(shì)（詳見(jiàn)圖2）。

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

　　1.3 膠層厚度

　　對(duì)于大多數(shù)膠粘劑而言，膠層厚度大便不利于粘接，這主要是因?yàn)楹竦哪z層易產(chǎn)生氣孔等不利因素，使內(nèi)應(yīng)力增加。張艷芳等[復(fù)材/復(fù)材二次膠接膠接質(zhì)量及強(qiáng)度影響因素研究]通過(guò)結(jié)構(gòu)膠-雙馬基碳纖維層壓板膠接試驗(yàn)表明：剪切強(qiáng)度隨著膠層厚度的增加而增大；當(dāng)膠層厚度為0.3 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)最大，之后隨著膠層厚度增加而急速下降。然而，粘接強(qiáng)度與膠層厚度兩者的關(guān)系會(huì)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(nèi)應(yīng)力

　　粘接體系的內(nèi)應(yīng)力主要分為兩類：一是在固化過(guò)程中，膠層體積發(fā)生變化時(shí)膠層內(nèi)部產(chǎn)生的收縮應(yīng)力；二是當(dāng)溫度變化時(shí)，由于膠層與被粘物的膨脹系數(shù)不同，兩者熱脹冷縮后而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。粘接體系的內(nèi)應(yīng)力是由這兩方面組合而成，是降低粘接強(qiáng)度的因素之一?？赏ㄟ^(guò)降低膠粘劑固化溫度（或在膠粘劑中添加適當(dāng)填料）來(lái)減小粘接體系的內(nèi)應(yīng)力。室溫固化可有效避免膠粘劑固化后因冷卻產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力，這在高分子材料粘接中被廣泛應(yīng)用。此外，通過(guò)添加變形能力較強(qiáng)的柔性粒子，也能有效減小粘接接頭的內(nèi)應(yīng)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(shù)脂系統(tǒng)內(nèi)部的殘余應(yīng)力，EP交聯(lián)密度的增加可改善固化系統(tǒng)的拉伸強(qiáng)度。

　　1.5 粘接接頭的形狀與粘接尺寸

　　粘接接頭的選擇應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際受力情況和使用需要，遵循設(shè)計(jì)原則，選取合適的接頭構(gòu)造形狀，進(jìn)而確定接頭尺寸。對(duì)強(qiáng)度要求較高的地方則相應(yīng)部位需要采取補(bǔ)強(qiáng)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(zhǎng)度，通過(guò)比較剪切強(qiáng)度的大小得出搭接接頭尺寸變化對(duì)粘接性能的影響。研究表明：基于ANOVA（方差分析）發(fā)現(xiàn)搭接接頭的寬度對(duì)粘接性能的影響大于搭接長(zhǎng)度，增加一定量的搭接寬度比增加等量的搭接長(zhǎng)度對(duì)粘接性能的提高有更為明顯的效果。

　　1.6 濕熱環(huán)境暴露

　　汽車在使用期間會(huì)經(jīng)歷多種環(huán)境條件（溫度、濕度和輻射等），粘接接頭的穩(wěn)定性至關(guān)重要。對(duì)金屬和聚合型結(jié)構(gòu)（如復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)膠）這兩類而言，腐蝕是危害結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的最大殺手，相關(guān)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(kuò)散過(guò)程。研究表明：接頭強(qiáng)度和抗疲勞性能在長(zhǎng)時(shí)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(huán)熱載荷環(huán)境下的試驗(yàn)與Sugiman的一致。研究表明：循環(huán)熱載荷環(huán)境明顯減弱了接頭的粘接強(qiáng)度，削減速率隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)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(huán)境暴露對(duì)鍍鋅鋼接頭強(qiáng)度的影響。研究表明：高溫高濕環(huán)境（40 ℃，相對(duì)濕度96%）對(duì)接頭強(qiáng)度的削弱作用較為明顯，1 008 h暴露后接頭強(qiáng)度降低了96%；尤其是暴露試驗(yàn)的前24 h，強(qiáng)度損失率高達(dá)50%；隨著暴露時(shí)間繼續(xù)增加，強(qiáng)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(nèi)部，并橫向擴(kuò)散到周圍區(qū)域，使膜層與膠層的接觸面發(fā)生破壞，直接導(dǎo)致了粘接性能的顯著下降。

　　2 結(jié)語(yǔ)

　　粘接技術(shù)作為一種連接技術(shù)，在未來(lái)汽車輕量化發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。因此，開(kāi)展結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)的相關(guān)研究，尤其是粘接強(qiáng)度性能研究，對(duì)指導(dǎo)國(guó)內(nèi)自主品牌汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及對(duì)汽車輕量化產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)均具有現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。