車身結(jié)構(gòu)膠在汽車制造中的應(yīng)用研究

李偉紅，胡勝鷹，韓勝利，李東陽

（湖北回天新材料股份有限公司，湖北 襄陽 441057）

近年來，隨著汽車制造業(yè)新材料新工藝的不斷發(fā)展，汽車輕量化成為汽車制造的發(fā)展要求，制造車身用的鋼板厚度越來越薄，材料越來越輕，如鋁車身、碳纖維板的應(yīng)用，但有些部位的強(qiáng)度要求反而更高了[1～6]。高抗沖車身結(jié)構(gòu)膠應(yīng)運(yùn)而生，它的主要作用：

1）降低鋼板厚度，減輕汽車重量的同時，保持原有車身的剛度和防撞性能；2）推進(jìn)汽車車身骨架設(shè)計變革，解決鋁－鋼混合等不同金屬的連接問題，解決鋁車身、碳纖維板、邊角內(nèi)部位置等不適合點(diǎn)焊的連接問題；3）提高粘接密封性、耐久性、耐化學(xué)腐蝕和電腐蝕，提高車身NVH性能；4）簡化車身焊接工藝，減少焊點(diǎn)，降低汽車制造的綜合成本。

本文通過對比分析不同的拉伸速度、粘接材料、搭接長度、搭接厚度、預(yù)壓力對車身結(jié)構(gòu)膠粘接效果的影響，尋找最優(yōu)方案，應(yīng)用到汽車車身設(shè)計中，使車身連接的增強(qiáng)作用最大化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

環(huán)氧樹脂（E-51），長春化工有限公司；環(huán)氧增韌劑，鐘淵化學(xué)工業(yè)株式會社；稀釋劑，安徽恒遠(yuǎn)化工有限公司；雙氰胺固化劑[7]，寧夏嘉峰化工有限公司；有機(jī)脲促進(jìn)劑[8]，美國CVC化學(xué)公司；重質(zhì)碳酸鈣，江陰市廣源超源粉有限公司；氣相白炭黑，卡博特公司。

1.2 儀器和設(shè)備

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，日本島津公司；高速拉伸試驗(yàn)機(jī)HTM 5020，Zwick公司；真空捏合機(jī)ZH-500，江蘇如皋市井上捏合機(jī)械廠；強(qiáng)力分散機(jī)QL-1100，佛山市金銀河智能裝配股份有限公司；及一般實(shí)驗(yàn)室儀器。

1.3 結(jié)構(gòu)膠的制備

將環(huán)氧樹脂、增韌劑和稀釋劑加入捏合機(jī)中，捏合3 h，制備成預(yù)混料。

將環(huán)氧樹脂、預(yù)混料加入雙行星動力混合機(jī)，攪拌30 min，轉(zhuǎn)數(shù)20 Hz/20 Hz（自轉(zhuǎn)/公轉(zhuǎn)），混合均勻后，再加入固化劑、促進(jìn)劑、填料、觸變劑，在5～45 ℃下攪拌30 min，轉(zhuǎn)數(shù)10 Hz/20 Hz，刮壁后，抽真空攪拌脫泡60 min，轉(zhuǎn)數(shù)10 Hz/20 Hz，真空壓力控制在-0.09 MPa以上，出料，備用。

1.4 性能測試

拉伸剪切試件按GB/T 7124—2008的尺寸進(jìn)行制樣供拉伸剪切強(qiáng)度及靜態(tài)剪切強(qiáng)度測試。制樣過程見圖1。

圖1 制作樣件流程圖Fig.1 Flow chart of sample making

將板件按要求搭接好，并放置墊片保證其膠層厚度，用夾具將搭接件及墊片夾緊，刮去溢出的多余的膠粘劑，170 ℃固化20 min制成樣片供測試使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同拉伸速度對接頭載荷的影響

選擇不同的粘接材料，如鋁-鋁、鋼-鋼、碳纖維-碳纖維、鋁-碳纖維，按照上圖1流程要求，制備拉伸剪切試件測試高速剪切強(qiáng)度，結(jié)果見表1。

表1 不同拉伸速度對接頭載荷的影響Tab.1 Influence of tensile rate on joint load

從表1可以看出：

1）高速剪切下的接頭拉伸強(qiáng)度比準(zhǔn)靜態(tài)剪切下接頭的拉伸強(qiáng)度都有較大的提升，特別是鋼-鋼，提升最快。

2）相同拉伸速度，剪切強(qiáng)度與基材的強(qiáng)度有關(guān)：鋼＞碳纖維＞鋁（全部內(nèi)聚破壞）。

2.2 不同搭接長度對接頭載荷的影響

選擇不同的粘接材料，如鋁-鋁、鋁-碳纖維、鋼-鋼、碳纖維-碳纖維，制備不同搭接長度的拉伸剪切試件測試準(zhǔn)靜態(tài)剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖2。

圖2 不同搭接長度對接頭載荷的影響Fig.2 Influence of lap length on joint load

從圖2可以看出，1）鋼-鋼、鋁-鋁、鋁-碳纖維基材，隨著搭接長度的增加，載荷提升，當(dāng)搭接長度增加至30 mm時，載荷超過基材屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致基材屈服發(fā)生塑性形變，載荷增加不明顯；2）碳纖維材料屈服強(qiáng)度高，失效載荷與搭接長度成線性增加關(guān)系。

2.3 不同膠層厚度對接頭載荷的影響

選擇鋁-鋁的粘接材料，制備不同膠層厚度的拉伸剪切試件，使用萬能試驗(yàn)機(jī)測試準(zhǔn)靜態(tài)剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖3。

圖3 不同膠層厚度對接頭載荷的影響Fig.3 Influence of adhesive thickness on joint load

從圖3可以看出，粘接厚度由0.2 mm到0.3 mm，剪切強(qiáng)度變化不大，厚度由0.3 mm繼續(xù)增加，剪切強(qiáng)度下降明顯。

2.4 預(yù)壓力的影響

選擇鋁-鋁的粘接材料，按照上圖1流程要求，通過不同預(yù)壓力制備拉伸剪切試件，測試準(zhǔn)靜態(tài)剪切強(qiáng)度，結(jié)果見圖4。

圖4 不同預(yù)壓力對接頭載荷的影響Fig.4 Influence of prepressure on joint load

從圖4可以看出，隨著預(yù)壓力的提升，載荷逐漸提高。

3 結(jié)語

（1）不同基材的剪切強(qiáng)度與基材的強(qiáng)度相關(guān)，基材強(qiáng)度越大，對應(yīng)的剪切強(qiáng)度越大：鋼＞碳纖維＞鋁（全部內(nèi)聚破壞）。

（2）高速剪切比準(zhǔn)靜態(tài)剪切在接頭失效時的載荷高，失效所需的能量也更大。

（3）搭接長度越長，失效載荷越大，碳纖維材料成線性增加關(guān)系；鋼、鋁材料搭接長度增加至30 mm時，載荷增加不明顯。

（4）膠層厚度從0.2到0.3 mm，失效載荷相當(dāng)，0.3 mm以上，膠層厚度越大，失效載荷越小。

（5）隨著預(yù)壓力的提升，載荷提高。