史付磊 黃紅端 張波 韋春萍

【摘 要】膠接是一種高效可靠的連接技術(shù)，具有良好的材料適應(yīng)性及優(yōu)異的力學(xué)性能，可以用于解決車身用輕量化材料的連接問題。文章對4種不同黏結(jié)母材的膠接接頭綜合性能進(jìn)行了測試與分析，包括剪切性能、拉伸性能、剝離性能、高速剪切性能等，探究了不同母材材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的膠接接頭在不同試驗(yàn)工況下的力學(xué)性能規(guī)律，為結(jié)構(gòu)膠在車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)膠;連接;測試與分析;力學(xué)性能

【中圖分類號】U465 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0135-06

0 引言

膠接技術(shù)由于其無需破壞母材且可連接異種材料的優(yōu)點(diǎn)，同時膠接工藝具有優(yōu)良的綜合性能，逐漸在非金屬車身上得到廣泛采用[1]，其接頭力學(xué)性能直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的連接可靠性，因此得到廣泛重視。

在膠接接頭性能方面，國外的學(xué)者也做了許多研究，無論是連接金屬材料或是復(fù)合材料，膠粘劑都需要一個合適的黏結(jié)表面，不同的表面處理方式對膠接接頭性能的影響是不可忽略的。Lucas. F. M. 等人[2-4]探究了表面處理方式、結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)及材料類型對單搭接接頭剪切性能的影響規(guī)律。V. Fiore[5]等人研究了固化時間對于膠接復(fù)合連接接頭性能的影響，Renata Kotynia[6]等人研究了加速固化條件下環(huán)氧膠粘劑剪切性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的變化。國內(nèi)方面，劉昌發(fā)[7]對膠層尺寸對鋁鋰合金單搭接膠接接頭剪切強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，確定了這種膠接接頭的最佳的膠層厚度和搭接邊寬度。余海州[8]等人研究了單搭接接頭膠層中的間隙對接頭拉伸強(qiáng)度和應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明，影響接頭強(qiáng)度的主要因素是間隙所在的位置，中間區(qū)域間隙的大小對其強(qiáng)度影響較小，間隙的存在使得名義強(qiáng)度降低，但接頭的實(shí)際拉伸強(qiáng)度卻提高了。趙寧[9]和楊小輝[10]等人分別對內(nèi)聚力在單搭接接頭膠層斷裂仿真方面的影響進(jìn)行了研究，得到了與實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果。

在膠接接頭實(shí)際的應(yīng)用中會面臨許多不同的工況，因此需要對膠接接頭多種條件下的性能進(jìn)行測試分析，并對膠接接頭的性能進(jìn)行綜合全面的評價。因此，本文利用試驗(yàn)分析手段探究了不同母材材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的膠接接頭在不同試驗(yàn)工況下的力學(xué)性能規(guī)律，為結(jié)構(gòu)膠在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 膠接接頭拉伸性能分析

1.1 拉伸試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆牟牧吓铺枮镠C420LA（簡稱420）、5182鋁合金（簡稱5182）、CFRP。3種板件的厚度分別為1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。接頭的搭接種類見表1。

1.2 拉伸試驗(yàn)方法

為了減小試驗(yàn)誤差，對于金屬材料的接頭試驗(yàn)采用對接的搭接方式，如圖1（a）所示，由于CFRP不能折彎，因此對于含有CFRP的接頭采用“十”字接頭的搭接方式，如圖1（b）所示。所有接頭黏結(jié)面面積為40 mm×40 mm，黏結(jié)面與拉伸方向垂直，膠層厚度為0.2 mm。加載時，將試樣通過螺栓和夾頭連接，垂直于黏結(jié)面的拉力作用在夾頭上，如圖2所示，拉力試驗(yàn)機(jī)以2 mm/min的恒定測試速度進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試樣剪切破壞的最大負(fù)荷作為破壞載荷。

1.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.3.1 “U”形對接拉伸

選取HC420LA和5182鋁合金作為母材，“回天”7130作為黏結(jié)用膠粘劑，進(jìn)行對接拉伸試驗(yàn)。HC420LA-HC420LA和5182-5182兩種接頭的失效形貌如圖3所示，由圖3可見，“回天”7130接頭失效主要為膠粘劑失效。圖4是兩種接頭拉伸力的對比直方圖。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，由于鋼板剛性較大，因此接頭抗拉伸性能比鋁板出色。

在“U”形對接拉伸加載過程中，在加載力的作用下，接頭會逐漸產(chǎn)生形變。由圖4可以看出，雖然兩種接頭的失效模式相近，主要為膠粘劑的內(nèi)聚失效，但兩種不同材料的接頭的變形情況是不一樣的。420鋼的變形量較小，而5182鋁合金板件則有明顯變形。這一變形導(dǎo)致了兩種接頭雖然失效模式相近但強(qiáng)度卻差別較大的結(jié)果。

對于膠接接頭而言，其抗剪切和抗拉伸性能都較為出色。但在實(shí)際的試驗(yàn)和應(yīng)用過程中，其受力狀況并不總是純剪切或純拉伸，由于受力方式的差異和材料本身性能的不同，在拉伸剪切中往往會產(chǎn)生形變而出現(xiàn)剝離，膠接接頭的抗剝離強(qiáng)度往往沒有其拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高，剝離的存在使得接頭的強(qiáng)度出現(xiàn)差異。在“U”形對接拉伸試驗(yàn)中，由于420高強(qiáng)鋼的剛度比5182鋁合金的剛度要高很多，在拉伸過程中，420高強(qiáng)鋼產(chǎn)生的形變比5182鋁合金接頭也要小很多。因此相比之下，在加載過程中，420高強(qiáng)鋼“U”形對接拉伸接頭更接近于一個純拉伸過程，其強(qiáng)度較高。而對于5182鋁合金而言，由于其板件剛度較小，在加載過程中發(fā)生了較大的形變，在拉伸過程中由于形變的存在，接頭局部會開始出現(xiàn)剝離的情況，從而使得接頭強(qiáng)度相比420高強(qiáng)鋼要低很多。

1.3.2 “十”字拉伸

選取CFRP和5182鋁合金作為母材，“回天”7130作為黏接用膠粘劑，進(jìn)行“十”字拉伸試驗(yàn)。CFRP-CFRP和5182-CFRP兩種接頭的失效形貌如圖5所示，由圖5可見，對于使用“回天”7130作為黏接用膠粘劑的接頭，當(dāng)母材為CFRP-CFRP時，接頭失效為碳纖維板層間失效;當(dāng)母材為CFRP-5182時，碳纖維板層間失效與界面失效各占失效模式的50%左右。導(dǎo)致兩種接頭的失效模式有差異的主要原因是兩種接頭材料的差異。CFRP和5182鋁合金兩者剛度差異較大，在“十”字拉伸加載過程中，5182鋁合金由于剛度較小，更易產(chǎn)生變形，而CFRP板剛度較大，很難產(chǎn)生較大的變形。因此，在拉伸過程中，CFRP-CFRP接頭兩端的板件都不會發(fā)生較大的變形，接近于一個純拉伸過程，由于碳纖維層間的抗剝離強(qiáng)度較低，所以接頭最終表現(xiàn)為碳纖維層間被剝離失效。而對于5182-CFRP“十”字拉伸接頭，在拉伸過程中兩種材料的變形情況是不一樣的，碳纖維板變形量小而5182鋁合金板變形較大。鋁合金板在拉伸過程中的大變形導(dǎo)致膠層比較容易在變形區(qū)域產(chǎn)生裂紋從而出現(xiàn)膠層失效，而碳纖維板的層間抗剝離強(qiáng)度較低，同時也會出現(xiàn)碳纖維層間剝離失效的失效模式。

圖6是兩種接頭在拉伸力的對比直方圖。由圖6可知，對于“回天”7130，CFRP-CFRP接頭強(qiáng)度與5182-CFRP接頭強(qiáng)度接近。兩種接頭的失效時都出現(xiàn)了碳纖維層間剝離失效的失效模式，這說明接頭“十”字拉伸時的強(qiáng)度極限基本等于碳纖維層間的拉伸或剝離強(qiáng)度極限，對于這兩種接頭而言，這一極限是接近的。

2 膠接接頭準(zhǔn)靜態(tài)剪切性能分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)剪切試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆牟牧吓铺枮镠C420LA（簡稱420）、5182鋁合金（簡稱5182）、CFRP。3種板件的厚度分別為1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。接頭的搭接種類包括HC420LA-HC420LA、AA5182-AA5182、AA5182-CFRP、CFRP-

CFRP 4種。

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)剪切試驗(yàn)方法

根據(jù)《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》（GBT 7124—2008）確定接頭的搭接形式，具體的板件長度為100 mm，寬度為25 mm，接頭長度為12.5 mm，膠層厚度為0.2 mm，使用墊片對膠層厚度進(jìn)行控制。固化時選取輔助預(yù)緊方式對接頭進(jìn)行夾持，固化時間根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取最佳參數(shù)。接頭固化完成后使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)以2 mm/min的加載速率對樣件進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)。

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果

在對試樣進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)后記錄最大剪切力F，接頭的剪切強(qiáng)度定義如公式（1）：

τ=F/（BL）（1）

公式（1）中，F(xiàn)代表最大剪切力，B代表搭接頭寬度，L代表接頭長度，τ代表接頭剪切強(qiáng)度。

當(dāng)使用“回天”7130膠粘劑，不同母材接頭的剪切失效情況如圖7所示。鋁合金接頭為混合失效，碳纖維-鋁合金接頭為膠層失效和纖維層間失效，碳纖維接頭為纖維層間失效，鋼板為膠層失效。

圖8為4種接頭剪切試驗(yàn)中載荷-位移曲線圖，從圖8中可以看出，HC420LA接頭能承受最大的剪切載荷，5182-CFRP有最大的剪切位移，而5182-5182接頭承受的載荷最低。圖9所示為不同母材接頭的剪切強(qiáng)度直方圖，滿足母材剛性越大，接頭強(qiáng)度越大的趨勢。造成母材強(qiáng)度越大，接頭強(qiáng)度越大的趨勢的原因之一為當(dāng)母材剛度越大時，接頭在剪切過程中所產(chǎn)生的形變更小，受到的剝離應(yīng)力較小，因此強(qiáng)度更高。

3 膠接接頭動態(tài)剪切性能分析

3.1 動態(tài)剪切試驗(yàn)材料

高速試驗(yàn)的接頭材料與搭接參數(shù)與接頭剪切試驗(yàn)所使用材料一致。試驗(yàn)?zāi)覆牟牧吓铺枮镠C420LA（簡稱420）、5182鋁合金（簡稱5182）、CFRP。3種板件的厚度分別為1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。接頭的搭接種類包括HC420LA-HC420LA、AA5182-AA5182、AA5182-CFRP、CFRP-CFRP 4種。

3.2 動態(tài)剪切試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

將制備好的試樣在高速拉伸試驗(yàn)機(jī)上以10 m/s的拉伸速率測試?yán)鞆?qiáng)度。拉伸過程中試樣兩側(cè)均黏有墊片以保持負(fù)載平面與拉伸機(jī)的中央平面重合。

對于“回天”7130結(jié)構(gòu)膠，其高速拉伸時接頭力位移曲線如圖10所示，由圖10可知，當(dāng)母材中含有5182鋁合金時，接頭強(qiáng)度已經(jīng)超過了鋁合金的屈服強(qiáng)度，因此此類接頭具有較大的位移，體現(xiàn)出了良好的吸能特性。對于母材為HC420LA和CFRP的接頭，其接頭強(qiáng)度較高，且失效過程中母材變形都為彈性變形。圖11為使用“回天”7130作為膠粘劑時在準(zhǔn)靜態(tài)加載和高速加載狀態(tài)下的接頭強(qiáng)度對比圖，由圖11可知，膠接接頭在10 m/s的高速拉伸條件下，接頭強(qiáng)度明顯提高。420-420接頭強(qiáng)度由準(zhǔn)靜態(tài)的38.4 MPa提高了88%，達(dá)到72.3 MPa;5182-5182接頭強(qiáng)度由準(zhǔn)靜態(tài)的16.4 MPa提高了56%，達(dá)到25.6 MPa;5182-CFRP接頭強(qiáng)度由準(zhǔn)靜態(tài)的21.1 MPa提高了30%，達(dá)到27.5 MPa;CFRP-CFRP接頭強(qiáng)度由準(zhǔn)靜態(tài)的28.1 MPa提高了51.6%，達(dá)到42.6 MPa。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，剪切速度為10 m/s時的膠接接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)高于準(zhǔn)靜態(tài)剪切下的接頭。這一現(xiàn)象主要是由拉伸過程的差異引起的。在高速加載的狀態(tài)下，接頭的加載和失效過程都十分短，而接頭失效時所需要吸收的能量是一定的，當(dāng)失效過程變短時，為了在更短的時間內(nèi)達(dá)到接頭的失效能量，接頭上需要加載更大的剪切力。同時，剪切失效過程的變短也會對膠接接頭的微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程產(chǎn)生影響。膠接接頭在準(zhǔn)靜態(tài)剪切時失效過程持續(xù)時間長，微裂紋在失效前在接頭中能夠充分地?cái)U(kuò)展，導(dǎo)致接頭失效時強(qiáng)度較低。

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，接頭在高速剪切狀態(tài)下的強(qiáng)度相較于準(zhǔn)靜態(tài)剪切有所提高，造成這一現(xiàn)象的原因是多方面的：一是在高速剪切條件下，接頭失效過程持續(xù)時間變短，需要達(dá)到更高的載荷才能達(dá)到接頭失效時所需要的能量以滿足失效能的要求;二是接頭失效過程的變短使得接頭或者膠層內(nèi)的微裂紋來不及充分?jǐn)U展，從而使得接頭強(qiáng)度變高;三是接頭母材在高速剪切條件下出現(xiàn)了母材強(qiáng)化的現(xiàn)象，強(qiáng)化后的接頭剛度變大，更不容易產(chǎn)生變形，接頭受到的剝離應(yīng)力更小，強(qiáng)度得到提升。

在高速剪切試驗(yàn)中，對于不同母材的接頭，其失效面的失效模式與準(zhǔn)靜態(tài)剪切差別不大。圖12展示了高速剪切條件下的接頭失效面的失效模式，可以發(fā)現(xiàn)，420-420接頭與5182-5182接頭的失效模式與準(zhǔn)靜態(tài)剪切相近，均主要為膠粘劑內(nèi)聚失效，而5182-CFRP及CFRP-CFRP接頭則主要為混合失效模式，這是由于碳纖維層間基體強(qiáng)度與膠粘劑強(qiáng)度相近導(dǎo)致的。

4 膠接接頭剝離性能分析

4.1 剝離試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用HC420LA高強(qiáng)鋼、5182鋁合金、T300碳纖維板（CFRP）作為被連接母材，選用“回天”7130作為膠粘劑。搭接形式為420-5182、CFRP-5182。

4.2 剝離試驗(yàn)方法

根據(jù)國標(biāo)《高強(qiáng)度膠粘劑剝離強(qiáng)度的測定浮輥法》（GB/T 7122—1996）選用0.8 mm厚的5182鋁合金板材作為撓性被黏接材料，選用1.5 mm厚的420鋼板和2.5 mm厚的CFRP作為剛性被黏接材料進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的樣件尺寸如圖13所示。樣件完成后，插入剝離夾具中如圖14所示，然后使用萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行剝離試驗(yàn)。試驗(yàn)的加載速度為100 mm/min。試驗(yàn)完成后從力位移曲線中，截取有效剝離長度內(nèi)的單位寬度，平均剝離力用kN/m表示。

4.3 剝離試驗(yàn)結(jié)果分析

剝離實(shí)驗(yàn)完成后樣件的失效形貌如圖15所示，對于相同母材的接頭，接頭的失效模式如下：對于420-5182接頭，膠粘劑剝離失效形式為界面失效;對于CFRP-5182接頭，膠粘劑失效模式為混合失效（大面積的界面失效混合小部分碳纖維撕裂）。不同接頭的剝離強(qiáng)度分布如圖16所示。

膠粘劑的剝離強(qiáng)度主要膠粘劑本身的強(qiáng)度和膠粘劑與被黏接表面的結(jié)合情況有關(guān)，對于兩種材料的剝離試驗(yàn)用膠接接頭，材料本身的強(qiáng)度都要高于膠粘劑與被黏接材料表面的強(qiáng)度，因此兩種接頭的失效模式相近，均主要為膠粘劑與被黏接表面的界面失效，由于碳纖維的層間抗剝離強(qiáng)度較差，也出現(xiàn)了極少部分區(qū)域的碳纖維剝離失效。由于剝離試驗(yàn)中所選取的材料，其材料性能本身不對接頭剝離強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響，接頭的剝離強(qiáng)度主要由膠粘劑與被黏接表面的黏附情況影響。由于兩種接頭的附著情況相近，膠粘劑本身強(qiáng)度沒有差異，因此最終接頭的剝離強(qiáng)度差異也不大。

5 結(jié)論

（1）接頭拉伸試驗(yàn)（對接拉伸或“十”字拉伸）結(jié)果分析表明，不同母材接頭有著不同的失效形式：420-420和5182-5182兩種金屬接頭的失效模式為膠層失效，CFRP-CFRP接頭的接頭失效模式為纖維層間失效，5182-CFRP接頭失效模式為碳纖維層間失效與界面失效各占50%。不同母材接頭承受最大載荷的趨勢是一致的。不同母材的接頭強(qiáng)度隨母材剛度增加而增大;HC420LA接頭能承受最大的剪切載荷，且兩種接頭最大載荷接近。

（2）膠接接頭準(zhǔn)靜態(tài)剪切性能試驗(yàn)結(jié)果分析表明，不同母材接頭有著不同的失效形式：鋁合金接頭為混合失效，碳纖維-鋁合金接頭為膠層失效和纖維層間失效，碳纖維接頭為纖維層間失效，鋼板為膠層失效。不同母材接頭承受最大載荷的趨勢是一致的。HC420LA接頭能承受最大的剪切載荷，5182-CFRP有最大的剪切位移，而5182-5182接頭承受的載荷和剪切位移都最低。由接頭剪切強(qiáng)度直方圖可知，不同母材的接頭強(qiáng)度隨母材剛度增加而有增大的趨勢。動態(tài)剪切性能試驗(yàn)結(jié)果如下：高速拉伸對不同母材膠接接頭的影響規(guī)律類似，膠接接頭在高速拉伸下的接頭強(qiáng)度明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的強(qiáng)度;不同母材的接頭高速拉伸強(qiáng)度的區(qū)別比準(zhǔn)靜態(tài)大。

（3）在膠接接頭剝離性能的分析中，通過實(shí)驗(yàn)的方式針對“回天”7130膠粘劑測試了其接頭剝離強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種接頭的剝離強(qiáng)度接近。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王滿，楊松柏.動車組用膠粘劑及性能要求[C].北京國際粘接技術(shù)研討會，2010（8）：130-133.

[2]Silva L F M D，Carbas R J C，Critchlow G W.Ef-fect of material，geometry，surface treatment and environment on the shear strength of single lap joints[J].International Journal of Adhesion & Adh-esives，2009，29（6）：621-632.

[3]Park J H， Choi J H， Kweon J H.Evaluating the strengths of thick aluminum-to-aluminum joints withdifferent adhesive lengths and thicknesses[J].Co-mposite Structures，2010， 92（9）：2226-2235.

[4]Lijuan Liao，Chengguang Huang.Numerical analysis of effects of adhesive type and geometry on mixed-mode failure of adhesive joint[J].International Journal of Adhesion & Adhesives，2016（68）：389-396.

[5]V? Fiore，F(xiàn) Alagna，G? Galtieri，et al.Valenza.Ef-fect of curing time on the performances of hybrid/mixed joints[J].Composites，2013（Part B 45）：911-918.

[6]Renata Kotynia，Kinga Adamczewska，Anna Strako-wska，et al.Effect of accelerated curing conditions on shear strength and glass transition temperature of epoxy adhesives[J].Procedia Engineering，2017（193）：423-430.

[7]劉昌發(fā)，黃明輝，孫振起.膠層尺寸對鋁鋰合金單搭接膠接接頭剪切強(qiáng)度的影響[J].機(jī)械工程材料，2012，36（3）：85-88.

[8]余海洲，游敏，鄭小玲，等.單搭接接頭膠層間隙對強(qiáng)度和應(yīng)力的影響[J].機(jī)械強(qiáng)度，2006，28（5）：775-779.

[9]趙寧，歐陽海彬，戴建京，等.內(nèi)聚力模型在結(jié)構(gòu)膠接強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2009（11）：128-131.

[10]楊小輝，胡坤鏡，趙寧，等.內(nèi)聚力界面單元在膠接接頭分層仿真中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（10）：317-320.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]