GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金粘接接頭失效對比研究*

秦國鋒，那景新，慕文龍，譚 偉，劉浩壘

（1.廣西師范大學職業(yè)技術(shù)師范學院，桂林 541004； 2.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)量和保有量逐年增多，給人們帶來出行方便的同時，也產(chǎn)生了能耗、排放和安全等一系列問題，故汽車工業(yè)節(jié)能減排刻不容緩。輕量化是節(jié)能減排最直接和有效的手段之一，輕量化可通過采用輕質(zhì)高強度材料、先進成形技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)［1］。鋁合金、纖維增強復(fù)合材料（增強纖維如碳纖維、玄武巖纖維、玻璃鋼）因具有高的比強度，在汽車輕量化中應(yīng)用越來越多。未來的發(fā)展將是利用多種材料的優(yōu)勢集成，以取得更好的輕量化效果［2-5］。因此，不同材料零部件的連接技術(shù)是新材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，粘接技術(shù)不僅可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀、不同材質(zhì)的連接，還能在不破壞零件結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)連接。此外，粘接結(jié)構(gòu)具有承載面積大、應(yīng)力分布均勻的特點，能在保證粘接強度的同時達到輕量化的目的［6］。

在汽車服役期間，溫度是影響粘接強度的主要因素之一。膠粘劑作為一種高分子材料，其失效強度、伸長率、彈性模量在不同的溫度下都會發(fā)生很大變化［7-8］；其中玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg是決定膠粘劑性能的主要參數(shù)。一般說來，當溫度高于Tg時，膠粘劑表現(xiàn)為高彈態(tài)，其失效強度、彈性模量快速下降，伸長率增大；而當溫度低于 Tg時，性能卻相反［8］。當溫度變化時，粘接基材與膠粘劑之間不同的熱膨脹系數(shù)也會導(dǎo)致熱應(yīng)力，特別是當膠層厚度很薄、粘接面積很大時，熱應(yīng)力不能被忽略［7］。當膠粘劑從高溫固化冷卻到室溫時也會產(chǎn)生收縮應(yīng)力，但收縮應(yīng)力的影響微?。?］。粘接接頭包括基材（本文中為纖維增強復(fù)合材料）和膠層?；挠谢w開裂、分層、纖維撕裂和脫粘4種基本的失效形式，而在實際的失效過程中往往是多種失效形式的組合［9］。膠層的失效形式則分膠層內(nèi)聚失效、界面失效和混合失效3種［6］。其中，膠層的“界面失效”和基材的“脫粘”實質(zhì)是相同的失效形式，只是稱謂不同。

溫度不僅會影響粘接接頭的失效強度，還會改變膠層的失效形式，特別是對于復(fù)合材料粘接接頭，基材和膠粘劑都有可能發(fā)生失效，當溫度超過膠粘劑的Tg時，膠粘劑性能下降，失效形式可能從復(fù)合材料的纖維撕裂或分層轉(zhuǎn)變?yōu)槟z層的界面失效［10-11］。當溫度變化時，粘接接頭中的應(yīng)力分布狀態(tài)會發(fā)生改變，引起熱應(yīng)力，從而影響接頭的載荷承載能力［12］。國內(nèi)外學者還研究溫度和載荷速率共同作用下粘接接頭的失效強度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低和載荷速率的升高，失效強度變大［13-14］。

大多數(shù)學者研究的是搭接接頭，這代表的是一種以剪應(yīng)力為主的受力狀態(tài)，汽車在運動過程中，承受來自車上和地面的各種靜動載荷，導(dǎo)致車上的粘接結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的受力狀態(tài)。因此，考慮到纖維增強復(fù)合材料失效的復(fù)雜性，在復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)失效預(yù)測時須考慮載荷形式的影響。目前針對金屬／金屬和金屬／復(fù)合材料粘接接頭失效機理的研究較少，本文中考慮了載荷形式和溫度對粘接接頭失效的影響，對比分析了GFRP／鋁合金與鋁合金／鋁合金粘接接頭失效的差異性，為復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

為此，本文中設(shè)計了處于剪應(yīng)力狀態(tài)的剪切接頭、拉應(yīng)力狀態(tài)的對接接頭和拉剪組合應(yīng)力狀態(tài)的45°嵌接接頭，在低溫（-40℃）、常溫（25℃）和高溫（80℃）條件下進行測試，分析溫度和受力形式對粘接頭失效強度、失效模式和失效準則的影響，對比了同種材料鋁合金／鋁合金接頭與異種材料GFRP／鋁合金接頭失效的差異性，揭示GFRP和鋁合金粘接接頭在不同溫度、受力形式下的失效規(guī)律。

1 試驗測試

1.1 試驗材料

選擇6005A鋁合金制作鋁合金接頭，其材料屬性參數(shù)如表1所示。GFRP板材（唐山今創(chuàng)四海特種復(fù)合材料有限公司提供）選用平紋預(yù)浸布真空加壓成型而成，鋪層方向均為0°，板材整體厚度為4 mm；選用雙組份甲基丙烯酸酯類膠粘劑PlexusTM832，兩組份配比為10∶1，這是一種廣泛應(yīng)用于車輛上的結(jié)構(gòu)膠粘劑，對金屬和復(fù)合材料具有優(yōu)異的粘接性能，還具有優(yōu)良的耐疲勞性、突出的抗沖擊性和優(yōu)越的韌性，使用溫度范圍是-40～82℃。

表1 鋁合金材料屬性參數(shù)

為更合理地分析溫度對粘接接頭的影響，采用DSC Q2000 V24.11 Build 124設(shè)備對PlexusTM832的膠粘劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg進行了測試，測試在氮氣中進行，溫度變化為5℃／min。由于膠粘劑的玻璃化轉(zhuǎn)變是一個過程，取起止溫度的平均值作為參考玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，由測試結(jié)果（圖1）可知，PlexusTM832的Tg約為82.6℃。

圖1 PlexusTM 832玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

1.2 接頭制作

剪切、嵌接和對接接頭的幾何尺寸如圖2所示。GFRP／鋁合金接頭是GFRP板兩側(cè)通過膠粘劑與鋁合金接頭粘接在一起，而鋁合金／鋁合金接頭則是采用膠粘劑將鋁合金接頭直接粘接，膠層厚度均為0.2 mm，為了防止GFRP板邊界引起撕裂，GFRP板略大于鋁合金截面。當角度α為45°時，為45°嵌接接頭，當角度α為90°時為對接接頭。為了提高接頭的利用率和粘接夾具的統(tǒng)一性，對接接頭不僅用來純拉應(yīng)力的測試，如圖3（a）所示，還能在輔助裝置下進行剪應(yīng)力的測試，如圖3（b）所示。本文中將圖3（b）的裝配稱為剪切接頭，定義α為0°和45°嵌接接頭代表拉、剪組合應(yīng)力受力狀態(tài)，其測試原理與對接接頭類似。雖然剪切接頭和對接接頭在膠層邊界存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且同時存在拉、剪組合應(yīng)力，但將其受力狀態(tài)分別假設(shè)為純剪應(yīng)力和純拉應(yīng)力，該假設(shè)在工程應(yīng)用上是合理的［16］。將嵌接接頭的軸向失效載荷F沿著粘接面法向和切向分解，并除以其粘接面積A，即可得到其拉應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ的大小，如式（1）和式（2）所示。定義接頭中膠層拉應(yīng)力比例Pσ的計算方法如式（3）所示，由此可知，3種接頭隨著α的增大，其拉應(yīng)力的比例也逐漸增加。

圖2 接頭的幾何尺寸（單位：mm）

圖3 測試原理圖

所有的粘接接頭按照統(tǒng)一的流程進行制作，首先采用80目的砂紙打磨鋁合金粘接表面，然后用丙酮去除鋁合金和GFRP板表面的油脂和灰塵，使用專用膠槍混合雙組份膠粘劑并施膠，將約20粒直徑0.2 mm的玻璃珠均勻地放置在粘接面上用于控制膠層厚度，避免玻璃珠堆積在一起，一般說來，玻璃珠體積小于膠層體積的4%時對粘接強度幾乎沒有影響［15］；在工裝夾具上（如圖4所示）完成接頭的制作，底座和蓋板分別用于支撐和壓緊粘接接頭，旋鈕與游標卡尺配合使用，用于壓緊膠層保證其厚度的一致性；在膠粘劑固化之前，清除多余的膠粘劑。1天之后卸下粘接接頭，最后在高低溫環(huán)境箱（如圖5所示，長春科新實驗儀器有限公司提供）中固化2 h完成整個接頭的制作過程。高低溫環(huán)境箱的高溫環(huán)境通過電阻絲加熱實現(xiàn)，而低溫環(huán)境是通過液氮降溫實現(xiàn)，整個環(huán)境箱中的溫度通過溫度控制器調(diào)節(jié)。

圖4 工裝夾具

圖5 高低溫試驗箱

1.3 試驗測試

采用萬能電子拉力試驗機（長春科新實驗儀器有限公司提供）進行試件測試，測試所需的高溫和低溫環(huán)境由高低溫環(huán)境箱提供，為保證測試溫度，粘接接頭須在測試溫度保溫2 h，然后進行準靜態(tài)試驗測試。為消除非軸向力對試驗測試的影響，在試件兩頭采用了十字萬向節(jié)，拉伸機以2 mm／min的恒定速度拉伸試件直至破壞，記錄拉伸作用力隨位移的變化曲線，獲得試件的失效載荷F，每組測試重復(fù)5次，取平均值作為最終結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 測試結(jié)果

GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的載荷位移曲線分別如圖6和圖7所示，該載荷／位移曲線由拉伸試驗機直接獲得。由圖6和圖7可知，所有接頭的失效載荷、失效位移和接頭剛度隨著溫度的升高而降低。

圖6 GFRP／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的典型載荷／位移曲線

圖7 鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的典型載荷／位移曲線

鋁合金／鋁合金和GFRP／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效斷面分別如圖8和圖9所示。由圖可見：GFRP／鋁合金剪切接頭在3個測試溫度下的失效模式都是膠層內(nèi)聚失效；45°嵌接接頭在高溫下是膠層內(nèi)聚失效，在常溫下是混合失效（GFRP板60%斷面纖維表面撕裂和40%斷面膠層內(nèi)聚），在低溫下是GFRP板全部表面的纖維撕裂；對接接頭在高溫下是混合失效（GFRP板95%斷面纖維表面撕裂和5%斷面膠層內(nèi)聚），在常溫和低溫是GFRP板中間的分層失效。而鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效形式均為膠層內(nèi)聚失效，因此圖8只顯示了常溫下的失效斷面圖。

圖8 鋁合金／鋁合金粘接接頭在常溫下的典型失效斷面

圖9 GFRP／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的典型失效斷面（左側(cè)為鋁合金，右側(cè)為GFRP）

2.2 溫度影響

將粘接接頭的最大失效載荷除以粘接面積，得到粘接接頭的失效強度。GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下失效強度分別如圖10和圖11所示。

GFRP／鋁合金剪切接頭在低溫下的失效強度比常溫增大了36.5%，而高溫下的失效強度比常溫下降了55.1%；45°嵌接接頭的失效強度在低溫下增加了32.1%，在高溫下下降了52.5%；對接接頭的失效強度在低溫和高溫下分別增加了25.7%和下降了47.2%。由此可以發(fā)現(xiàn)，高溫對失效強度的影響明顯大于低溫，這是由于高溫接近膠粘劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，膠粘劑由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成了彈性態(tài)，其力學性能急劇下降引起的；低溫對剪切接頭失效強度的提升最大，其次是45°嵌接接頭，最小的是對接接頭，而高溫對這3種接頭失效強度影響大小的順序與低溫時相同。由于這3種接頭的拉應(yīng)力比例逐漸增加，因此隨著拉應(yīng)力比例的增加，溫度對GFRP／鋁合金接頭失效強度的影響逐漸降低，這是由其復(fù)雜的失效模式所決定的。

圖10 GFRP／鋁合金粘接接頭在不同溫度下失效強度

圖11 鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下失效強度

GFRP／鋁合金剪切接頭在3種測試溫度下的失效模式均為膠層內(nèi)聚失效，因此GFRP／鋁合金剪切接頭在不同溫度下的失效強度主要由膠粘劑的性能決定；45°嵌接接頭在高溫下是膠層內(nèi)聚失效，常溫下為混合失效（GFRP板60%斷面纖維表面撕裂和40%斷面膠層內(nèi)聚），低溫下GFRP板全部表面的撕裂，說明隨著溫度的降低，GFRP板更容易發(fā)生撕裂，這是因為隨著溫度的降低，測試溫度遠離玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，膠粘劑的性能增強導(dǎo)致的；對接接頭在高溫下是混合失效（GFRP板95%斷面纖維表面撕裂和5%斷面膠層內(nèi)聚），在常溫和低溫下是GFRP板中間的分層失效，這說明在常溫和低溫下，隨著膠層拉應(yīng)力比例的增加，GFRP板撕裂面積的比例更大，45°嵌接接頭和對接接頭在不同溫度下的失效強度受膠粘劑和GFRP板性能的共同影響。

鋁合金／鋁合金剪切接頭、45°嵌接接頭和對接接頭在低溫下的失效強度分別比常溫下增加了35.5%，37.7%和34.9%，在高溫下的失效強度分別下降了55.7%，54.3%和52.1%，說明同樣是高溫對失效強度的影響明顯大于低溫，但是不同類型接頭之間沒有明顯區(qū)別，這是因為鋁合金／鋁合金粘接接頭都是膠層內(nèi)聚失效，其在不同溫度下的性能主要受膠粘劑性能影響。

高低溫對GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金剪切接頭的影響程度幾乎是一樣的，因為它們都是膠層內(nèi)聚失效；高低溫對GFRP／鋁合金45°嵌接接頭和對接接頭的影響低于鋁合金／鋁合金45°嵌接接頭和對接接頭，這是由于GFRP不同程度的撕裂引起的。

2.3 受力形式的影響

由圖10和圖11可知，GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金剪切接頭的失效強度最高，其次是45°嵌接接頭，對接接頭的失效強度最低，也即隨著拉應(yīng)力比例的增加，粘接接頭的失效強度逐漸降低。在常溫和低溫下，GFRP／鋁合金接頭的剪切強度比拉伸強度分別高23.6%和34.3%，這是由于GFRP／鋁合金對接接頭在低溫下發(fā)生了更加嚴重的GFRP分層失效引起的；在高溫下，GFRP／鋁合金接頭的剪切強度略高于拉伸強度，膠層受力形式的影響減弱了，因此，隨著溫度的升高，膠層受力形式對失效強度的影響逐漸減小。而在常溫和低溫下，鋁合金／鋁合金接頭的剪切強度比拉伸強度分別高7.9%和10.3%，說明膠層的受力形式對鋁合金／鋁合金接頭的影響明顯小于GFRP／鋁合金接頭，這是GFRP板撕裂的影響結(jié)果。因此，在粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量降低拉應(yīng)力比例，減少纖維撕裂或分層失效，提高粘接結(jié)構(gòu)的載荷承載能力。

受力形式不僅影響失效強度和失效模式，還影響失效位移。由圖6和圖7可知，GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金對接接頭的失效位移最小，其次是45°嵌接接頭，剪切接頭失效位移最大，因此隨著拉應(yīng)力比例的升高，接頭的失效位移逐漸降低。

2.4 GFRP的影響

GFRP／鋁合金與鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下失效強度對比如圖12所示。由圖12可知，鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效強度高于GFRP／鋁合金接頭。鋁合金／鋁合金對接接頭在低溫下比GFRP／鋁合金高25.9%，在常溫下高17.4%，在高溫下高6.6%，因此隨著溫度的升高，GFRP對GFRP／鋁合金對接接頭失效強度的影響逐漸減小，這是因為隨著溫度的升高，GFRP／鋁合金接頭的GFRP分層較小。在低溫、常溫和高溫下，鋁合金／鋁合金45°嵌接接頭的失效強度比GFRP／鋁合金45°嵌接接頭分別高12.6%，8.1%和3.9%，說明隨著拉應(yīng)力比例的降低，GFRP對GFRP／鋁合金對粘接接頭失效強度的影響逐漸減小。鋁合金／鋁合金剪切接頭在不同溫度下的失效強度略高于GFRP／鋁合金剪切接頭，因為剪切接頭的失效形式都是膠層內(nèi)聚失效，因此GFRP對GFRP／鋁合金剪切接頭的影響最小。

圖12 GFRP／鋁合金與鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下失效強度對比

2.5 溫度和GFRP對失效準則的影響

通過有限元分析能獲得粘接結(jié)構(gòu)在任意復(fù)雜載荷下的應(yīng)力狀態(tài)，因此失效預(yù)測的關(guān)鍵在于建立合適的失效準則。二次應(yīng)力準則廣泛應(yīng)用于粘接結(jié)構(gòu)的失效預(yù)測［16］，如式（4）所示。

式中：σ，τ分別為拉應(yīng)力和剪應(yīng)力；N，S分別為模式I（拉應(yīng)力）和模式II（剪應(yīng)力）的失效強度。

理論上只須獲得N和S，就能建立失效準則，但由于邊界效應(yīng)的影響，粘接接頭膠層邊界都存在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的組合，因此很難獲得真正的N和S。本文中通過剪切接頭、45°嵌接接頭和對接接頭進行測試，采用曲線擬合的方式建立GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的二次應(yīng)力準則，并分析溫度對二次應(yīng)力準則的影響規(guī)律。

根據(jù)測試獲得的失效載荷，采用式（1）和式（2）計算不同接頭的拉應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ，以剪應(yīng)力τ為橫坐標、拉應(yīng)力σ為縱坐標，建立失效準則坐標系，采用最小二乘法擬合得到任意拉、剪組合應(yīng)力狀態(tài)下的二次應(yīng)力失效準則，GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效準則分別如圖13和圖14所示，在失效準則線內(nèi)表示沒有失效發(fā)生，在線上或者外面表示超過了失效準則，發(fā)生了失效。由圖13可知，GFRP／鋁合金粘接接頭在低溫、常溫和高溫下的失效準則擬合優(yōu)度R2分別為0.983，0.991，0.996，因此隨著溫度的升高，其擬合優(yōu)度逐漸升高，說明GFRP／鋁合金粘接接頭在高溫下更符合二次應(yīng)力失效準則。由圖14可知，鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效準則擬合優(yōu)度R2在0.996～0.999之間，說明其在不同溫度下的失效準則都符合二次應(yīng)力準則，溫度對其影響不大。通過對比圖13與圖14發(fā)現(xiàn)，GFRP／鋁合金粘接接頭在低溫和常溫下的失效準則擬合優(yōu)度R2明顯低于鋁合金／鋁合金粘接接頭，這是因為GFRP／鋁合金粘接接頭的纖維撕裂或者分層失效影響了其失效準則，因此，粘接接頭在膠層內(nèi)聚失效時，其失效準則更加符合二次應(yīng)力失效準則，纖維撕裂或者分層失效會降低二次應(yīng)力失效準則的擬合優(yōu)度。

圖13 GFRP／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效準則

圖14 鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效準則

3 結(jié)論

本文中針對GFRP／鋁合金和鋁合金／鋁合金粘接接頭，考慮了溫度和受力形式對失效強度、失效模式和失效準則的影響，結(jié)合玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測試結(jié)果，揭示了同種材料粘接與異種材料粘接失效機理的差異，為GFRP在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)，得到如下結(jié)論。

（1）隨著溫度的升高，粘接接頭的失效強度逐漸降低。對于GFRP／鋁合金粘接接頭，隨著拉應(yīng)力比例的增加，溫度對失效強度的影響逐漸減弱；但溫度對不同受力形式下鋁合金／鋁合金粘接接頭失效強度的影響程度差別不大?？傮w上溫度對鋁合金／鋁合金粘接接頭的影響大于 GFRP／鋁合金粘接接頭。

（2）鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度和受力形式下都是膠層內(nèi)聚失效，而GFRP／鋁合金粘接接頭在溫度降低或者拉應(yīng)力比例升高時，更容易發(fā)生纖維撕裂或分層失效，這也是GFRP／鋁合金粘接接頭失效的一個顯著特點，因此工程中復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量降低拉應(yīng)力的比例，減少纖維撕裂或者分層失效，提高承載能力。

（3）隨著溫度的升高，GFRP纖維撕裂或分層失效對GFRP／鋁合金粘接接頭強度的影響減弱，其失效準則更加符合二次應(yīng)力準則，而鋁合金／鋁合金粘接接頭在不同溫度下的失效準則都符合二次應(yīng)力準則，因此為更準確地預(yù)測復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)的失效，需要考慮其失效特點的影響。

粘接結(jié)構(gòu)的失效強度除了受溫度和載荷形式影響外，還受復(fù)合材料種類、膠粘劑類型和濕熱老化的影響，今后將進行深入研究。