碳纖維和鋁合金的粘接技術(shù)

王偉臣 郝益華 黃浦淳 陳致遠(yuǎn) 董潔

(吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,吉林長春 130022)

碳纖維和鋁合金的粘接技術(shù)

王偉臣 郝益華 黃浦淳 陳致遠(yuǎn) 董潔

(吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,吉林長春 130022)

簡述了FSAE賽車懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中碳纖維和鋁合金的粘接工藝,通過破壞性力學(xué)實(shí)驗(yàn)、不同的膠層粘接厚度和采用二次粘接工藝研究了適當(dāng)增加粘接表面的粗糙度、膠層厚度控制在0.02mm-0.08mm及采用二次粘接工藝可獲得較好的粘接質(zhì)量和力學(xué)性能。

粘接工藝 二次粘接工藝 膠層厚度 粘接表面處理

碳纖維在FSAE賽車領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越廣泛，傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足賽車減重的要求。碳纖維在FSAE賽車中的應(yīng)用，特別是在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，要求粘接位置有一定的強(qiáng)度。在粘接方面國內(nèi)已有部分關(guān)于碳纖維與合金粘接的研究，并能達(dá)到較好的粘接強(qiáng)度，但不足以滿足FSAE賽車的某些正常行駛和極限工況的要求。本項(xiàng)研究目的在于進(jìn)一步發(fā)掘碳纖維復(fù)合材料在汽車懸架上的應(yīng)用，使其能滿足FSAE賽車各種極限工況下的力學(xué)需求。

本文研究能改善現(xiàn)有的粘接工藝，提高粘接強(qiáng)度，從而解決在大學(xué)生方程式大賽中碳纖維復(fù)合材料懸架在比賽中因力學(xué)性能不足導(dǎo)致的脫膠等一系列問題，并使碳纖維復(fù)合材料懸架的進(jìn)一步推廣成為可能，提高粘接強(qiáng)度也利于碳纖維復(fù)合材料在其他機(jī)械領(lǐng)域、機(jī)械機(jī)構(gòu)中進(jìn)行使用。同時(shí)，利用實(shí)車測試的機(jī)會(huì)，將材料的經(jīng)濟(jì)效益提升到最大，使其在一定成本條件下更具有推廣意義。

本文介紹的粘接技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)最早使用碳纖維不等長雙橫臂結(jié)構(gòu)作為懸架結(jié)構(gòu)的FSAE方程式賽車上。該方程式賽車采用碳纖維復(fù)合材料制成懸架桿系，用粘接的方式與鋁合金接頭連接作為懸架支撐結(jié)構(gòu)，通過粘接形式粘接劑工藝參數(shù)的選擇與試驗(yàn)，得到了較好的效果，采用本文方案粘接的方程式賽車已通過多次路試和比賽的考驗(yàn)，希望對其他人起到一定的借鑒作用。

1 粘接方式

碳纖維懸架桿在該系統(tǒng)中作為主要承力部件，由于主要受力方向是沿軸的方向，因此采用了套接的連接方式，將碳纖維管套接與鋁制接頭上。如圖1.1。此種粘接方式的優(yōu)勢在于碳纖維材料主要強(qiáng)度方向于粘接受力方向一致，可以充分利用碳纖維材料的強(qiáng)度；粘接面積大，形式簡單，易于操作，可靠性高，受力狀況好。

2 粘接劑的選擇

碳纖維復(fù)合材料是由增強(qiáng)材料和基體樹脂組成。復(fù)合材料基體樹脂與膠粘劑主體樹脂的相容性直接影響粘接的界面結(jié)構(gòu)與性能對碳纖維復(fù)合材料的粘接，如果選膠匹配不當(dāng)，很容易發(fā)生脫粘，界面分離。常用的粘接劑為改性環(huán)氧樹脂，見表2.1

以上各種膠粘劑與碳纖維材料可得到較高的粘結(jié)強(qiáng)度，已得到應(yīng)用本文選擇了DP490膠粘劑作為鋁合金和碳纖維材料的膠粘劑，主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)DP490是改性環(huán)氧樹脂類粘接劑，粘接強(qiáng)度較高。環(huán)氧樹脂中含有極性基團(tuán)，環(huán)氧基能與金屬表面形成化學(xué)鍵增大結(jié)合力，且環(huán)氧樹脂固化后內(nèi)聚力大，所以具有較高的粘接強(qiáng)度。改性環(huán)氧樹脂，因?yàn)橥ㄟ^改性處理，所以提高了粘接劑的耐老化性能和韌性，保證了粘接零件在長期承受變化載荷和沖擊時(shí)，不易產(chǎn)生疲勞破壞。(2)DP490作為環(huán)氧樹脂類，收縮率小，尺寸穩(wěn)定性好。粘接劑無論用什么方法固化，都一定會(huì)產(chǎn)生一定程度的體積收縮，粘接劑在失去流動(dòng)性之后如果體積還未達(dá)到平衡數(shù)值，那么進(jìn)一步固化就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。DP490作為改性環(huán)氧樹脂粘接劑，在固化時(shí)幾乎不放出低分子產(chǎn)物，收縮率僅為1%～2%，所以就不會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，從而提高了粘接效果和粘接強(qiáng)度。(3)DP490可以室溫固化，可以很大程度上減小粘接時(shí)的熱應(yīng)力。碳纖維桿件作為懸架系統(tǒng)中的主要承力結(jié)構(gòu)件，軸向尺寸較大，并且需要保證較高的精度。碳纖維材料的線彈性系數(shù)趨近于0，而鋁合金的線彈性系數(shù)為23.6。將兩種線彈性系數(shù)差異較大粘接在一起，在溫度變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生在粘接界面產(chǎn)生溫度應(yīng)力。熱應(yīng)力的大小正比于兩種被粘接物的線彈性系數(shù)的差值、溫差變化以及材料彈性模量。如果，粘接劑可以采用低溫固化，就可以避免因?yàn)檎辰訙囟群褪褂脺囟炔町愡^大而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力導(dǎo)致的膠層破裂。DP490膠的高粘結(jié)強(qiáng)度低收縮率室溫固化與二種材料可有效的粘結(jié)，是被選擇的重要依據(jù)。

3 粘接工藝

3.1 粘接接面處理

適當(dāng)增加粘接面的粗糙度可以加強(qiáng)粘接的強(qiáng)度，碳纖維管件的處理方法為打磨粘接內(nèi)壁，使之暴露出纖維，鋁合金常用的表面處理方法為滾花和打磨粘接表面。我們對此做了破壞性試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：

(1)采用套接接頭形式粘接碳纖維和鋁合金試驗(yàn)件，采用DP490膠粘劑；(2)碳纖維采用機(jī)械打磨的方法處理粘接表面，鋁合金零件采用較易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)械法表面處理方法；(3)接頭長度按L=(0.8D+6)計(jì)算得到，膠層厚度控制在0.2±0.02mm；(4)相同的固化工藝。

采取以上試驗(yàn)條件，進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.1。

由結(jié)果可見，鋁合金與碳纖維經(jīng)砂紙打磨、滾花表面處理后粘接強(qiáng)度會(huì)提升13.5%和9.9%，但結(jié)果顯示砂紙手工打磨效果優(yōu)于滾花處理，滾花處理后粘接表面過渡不平滑，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，由于膠層為脆性材料，一旦膠層在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋就會(huì)快速擴(kuò)散，導(dǎo)致脫膠現(xiàn)象。

3.2 膠層控制

圖1.1 粘接接頭形式

圖2 膠層厚度與剪切強(qiáng)度曲線

表2.1

表3.1

表3 膠層厚度與力學(xué)性能的關(guān)系

表3.3

膠層長度和厚度的控制是粘接時(shí)最為重要的部分。粘接強(qiáng)度與粘接長度呈正相關(guān)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)粘接前度會(huì)隨著粘接長度的增加而明顯增加，超過一定長度后粘接強(qiáng)度隨粘接長度的增加而增加緩慢。因此接頭的粘接長度一般不超過碳纖管外直徑的2倍。

膠層厚度對粘接強(qiáng)度有重要影響，理論上大多數(shù)粘接劑的粘接前度會(huì)隨著膠層厚度減小而增加，但在膠層過小的情況下容易造成膠層缺陷，粘接強(qiáng)度反而會(huì)有所下降。因此膠層厚度應(yīng)該控制在特定范圍，在該范圍內(nèi)，膠層具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。為了得到用DP490膠粘劑粘接碳纖維和鋁合金零件的最佳膠層厚度，進(jìn)行了膠層厚度與力學(xué)性能關(guān)系的試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：

(1)采用套接接頭形式粘接碳纖維和鋁合金試驗(yàn)件，采用DP490膠粘劑；(2)碳纖維采打磨出碳纖維，鋁合金零件采用砂紙打磨的方法處理粘接表面；(3)膠層厚度控制在0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm幾種；(4)相同的固化工藝

根據(jù)以上條件所進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制DP490膠粘劑的膠層厚度與剪切強(qiáng)度的曲線，如圖2所示與膠層厚度為0.05mm時(shí)相比，膠層厚度為遞增0.05mm時(shí)，強(qiáng)度分別下降25.1%、34.0%和38.8%。

由圖像、數(shù)據(jù)分析可知，膠層厚度在0.05mm-0.10mm時(shí)剪切強(qiáng)度隨膠層厚度增加而下降迅速，而膠層在0.10mm-0.20mm時(shí)剪切強(qiáng)度下降相對緩慢。理論上較厚的膠層需要較小的剪切應(yīng)力即可發(fā)生變形，而且膠層過厚會(huì)引起固化不均勻與缺陷密度上升等現(xiàn)象使得剪切強(qiáng)度下降。雖然較小的膠層厚度理論上能承受較大的剪切強(qiáng)度，但較小的膠層厚度會(huì)造成膠層不連續(xù)，會(huì)導(dǎo)致能承受的剪切應(yīng)力迅速下降。在膠層小于0.05mm時(shí)，粘接性能十分不穩(wěn)定。因此粘接時(shí)需要合適的膠層厚度。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與以上理論，本文認(rèn)為在該套接形式中DP490膠粘劑的膠層厚度控制在0.05-0.10mm之間時(shí)可保證較穩(wěn)定的粘接質(zhì)量，獲得較良好的力學(xué)性能。

3.3 二次粘接技術(shù)

經(jīng)過我們在實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)，以及總結(jié)另外傳統(tǒng)碳纖維管的粘接方法的不足。我們提出了二次粘管技術(shù)。將鋁制接頭制成臺(tái)階狀，接頭較小處直徑與碳纖管內(nèi)壁相同，接頭較大處直徑與碳纖管外壁相同。將已粘接好的碳纖管外壁進(jìn)行打磨，直至暴露出3K布層，用一定寬度的3K預(yù)浸布纏繞碳纖管與鋁制接頭相接處，并包有一定長度的碳纖維管與鋁合金接頭，涂勻粘接用膠。使用專用的纏管機(jī)將塑料帶纏至碳纖管上，以給予3K預(yù)浸布足夠的預(yù)緊力，放入150度烤箱中烘烤1小時(shí)至3K預(yù)浸布內(nèi)樹脂固化。我們對此做了破壞性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件：

(1)采用臺(tái)階形接頭，伸入碳纖管內(nèi)接頭長度按L=(0.8D+6)計(jì)算得到，膠層厚度控制在0.1mm；(2)3K預(yù)浸布包裹長度20mm；(3)相同的表面打磨處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3.3。

二次粘管的優(yōu)勢：碳纖維管與鋁制接頭粘接時(shí)，最內(nèi)層的一層碳纖維布與鋁制接頭接觸，并承受大部分的軸向力，一層3K預(yù)浸布與整個(gè)碳纖維管經(jīng)高溫處理后形成一體，相比傳統(tǒng)粘接方式，二次粘接工藝增加了粘接面積，充分利用了一層3K碳纖布的力學(xué)性能，平均剪切強(qiáng)度提高百分之二十四，工藝簡單，可操作性高，結(jié)構(gòu)美觀。

4 結(jié)語

碳纖維懸架結(jié)構(gòu)以其較輕的質(zhì)量，會(huì)在汽車產(chǎn)品得到越來越多的應(yīng)用，粘接技術(shù)作為其連接手段之一同樣會(huì)得到研究。本文通過對碳纖維懸架與鋁合金接頭粘接形式膠粘劑粘接工藝的選取與驗(yàn)證，為汽車產(chǎn)品中鋁合金和碳纖維二種材料的粘接提供一定的依據(jù)。

(1)DP490膠粘劑與碳纖維與鋁合金兩種材料之間能夠良好的粘結(jié)，且可在一定程度上減少粘接過程中的內(nèi)應(yīng)力，得到較高的粘接強(qiáng)度和粘接質(zhì)量；(2)針對被粘物的材質(zhì)選擇合理可行的表面處理工藝可以在很大程度上影響粘接強(qiáng)度；(3)使用本文的粘接情況下，DP490膠膠層厚度控制在0.02mm-0.08mm之間可以得到良好的力學(xué)性能和粘接質(zhì)量；(4)采用二次粘管技術(shù)可以提高百分之二十到三十的粘接強(qiáng)度。