基于試驗的膠接接頭力學性能分析

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，具有良好的材料適應性及優(yōu)異的力學性能，可以用于解決車身用輕量化材料的連接問題。文章對4種不同黏結母材的膠接接頭綜合性能進行了測試與分析，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、結構參數組合的膠接接頭在不同試驗工況下的力學性能規(guī)律，為結構膠在車身結構的應用提供指導。

【關鍵詞】結構膠;連接;測試與分析;力學性能

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

0 引言

膠接技術由于其無需破壞母材且可連接異種材料的優(yōu)點，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]，其接頭力學性能直接關系到結構的連接可靠性，因此得到廣泛重視。

在膠接接頭性能方面，國外的學者也做了許多研究，無論是連接金屬材料或是復合材料，膠粘劑都需要一個合適的黏結表面，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、結構幾何參數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變溫度的變化。國內方面，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度的影響進行了研究，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度和應力分布的影響。結果表明，影響接頭強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度影響較小，間隙的存在使得名義強度降低，但接頭的實際拉伸強度卻提高了。趙寧[9]和楊小輝[10]等人分別對內聚力在單搭接接頭膠層斷裂仿真方面的影響進行了研究，得到了與實驗相符合的結果。

在膠接接頭實際的應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行測試分析，并對膠接接頭的性能進行綜合全面的評價。因此，本文利用試驗分析手段探究了不同母材材料、結構參數組合的膠接接頭在不同試驗工況下的力學性能規(guī)律，為結構膠在車身結構中的應用提供指導。

1 膠接接頭拉伸性能分析

1.1 拉伸試驗材料

試驗母材材料牌號為HC420LA（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 拉伸試驗方法

為了減小試驗誤差，對于金屬材料的接頭試驗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。所有接頭黏結面面積為40 mm×40 mm，黏結面與拉伸方向垂直，膠層厚度為0.2 mm。加載時，將試樣通過螺栓和夾頭連接，垂直于黏結面的拉力作用在夾頭上，如圖2所示，拉力試驗機以2 mm/min的恒定測試速度進行試驗，記錄試樣剪切破壞的最大負荷作為破壞載荷。

1.3 拉伸試驗結果及分析

1.3.1 “U”形對接拉伸

選取HC420LA和5182鋁合金作為母材，“回天”7130作為黏結用膠粘劑，進行對接拉伸試驗。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，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。這一變形導致了兩種接頭雖然失效模式相近但強度卻差別較大的結果。

對于膠接接頭而言，其抗剪切和抗拉伸性能都較為出色。但在實際的試驗和應用過程中，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生形變而出現剝離，膠接接頭的抗剝離強度往往沒有其拉伸強度和剪切強度高，剝離的存在使得接頭的強度出現差異。在“U”形對接拉伸試驗中，由于420高強鋼的剛度比5182鋁合金的剛度要高很多，在拉伸過程中，420高強鋼產生的形變比5182鋁合金接頭也要小很多。因此相比之下，在加載過程中，420高強鋼“U”形對接拉伸接頭更接近于一個純拉伸過程，其強度較高。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剝離的情況，從而使得接頭強度相比420高強鋼要低很多。

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，進行“十”字拉伸試驗。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，當母材為CFRP-CFRP時，接頭失效為碳纖維板層間失效;當母材為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，更易產生變形，而CFRP板剛度較大，很難產生較大的變形。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度較低，所以接頭最終表現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致膠層比較容易在變形區(qū)域產生裂紋從而出現膠層失效，而碳纖維板的層間抗剝離強度較低，同時也會出現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接頭強度與5182-CFRP接頭強度接近。兩種接頭的失效時都出現了碳纖維層間剝離失效的失效模式，這說明接頭“十”字拉伸時的強度極限基本等于碳纖維層間的拉伸或剝離強度極限，對于這兩種接頭而言，這一極限是接近的。

2 膠接接頭準靜態(tài)剪切性能分析

2.1 準靜態(tài)剪切試驗材料

試驗母材材料牌號為HC420LA（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 準靜態(tài)剪切試驗方法

根據《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（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行控制。固化時選取輔助預緊方式對接頭進行夾持，固化時間根據試驗結果選取最佳參數。接頭固化完成后使用萬能拉伸試驗機以2 mm/min的加載速率對樣件進行剪切拉伸試驗。

2.3 準靜態(tài)剪切試驗結果

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

τ=F/（BL）（1）

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

當使用“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度直方圖，滿足母材剛性越大，接頭強度越大的趨勢。造成母材強度越大，接頭強度越大的趨勢的原因之一為當母材剛度越大時，接頭在剪切過程中所產生的形變更小，受到的剝離應力較小，因此強度更高。

3 膠接接頭動態(tài)剪切性能分析

3.1 動態(tài)剪切試驗材料

高速試驗的接頭材料與搭接參數與接頭剪切試驗所使用材料一致。試驗母材材料牌號為HC420LA（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)剪切試驗方法及結果分析

將制備好的試樣在高速拉伸試驗機上以10 m/s的拉伸速率測試拉伸強度。拉伸過程中試樣兩側均黏有墊片以保持負載平面與拉伸機的中央平面重合。

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

由試驗結果可知，剪切速度為10 m/s時的膠接接頭強度遠高于準靜態(tài)剪切下的接頭。這一現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，當失效過程變短時，為了在更短的時間內達到接頭的失效能量，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生和擴展過程產生影響。膠接接頭在準靜態(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擴展，導致接頭失效時強度較低。

從圖11中可以發(fā)現，接頭在高速剪切狀態(tài)下的強度相較于準靜態(tài)剪切有所提高，造成這一現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，需要達到更高的載荷才能達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的微裂紋來不及充分擴展，從而使得接頭強度變高;三是接頭母材在高速剪切條件下出現了母材強化的現象，強化后的接頭剛度變大，更不容易產生變形，接頭受到的剝離應力更小，強度得到提升。

在高速剪切試驗中，對于不同母材的接頭，其失效面的失效模式與準靜態(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，420-420接頭與5182-5182接頭的失效模式與準靜態(tài)剪切相近，均主要為膠粘劑內聚失效，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度與膠粘劑強度相近導致的。

4 膠接接頭剝離性能分析

4.1 剝離試驗材料

試驗選用HC420LA高強鋼、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 剝離試驗方法

根據國標《高強度膠粘劑剝離強度的測定浮輥法》（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行試驗。試驗的樣件尺寸如圖13所示。樣件完成后，插入剝離夾具中如圖14所示，然后使用萬能試驗機對試件進行剝離試驗。試驗的加載速度為100 mm/min。試驗完成后從力位移曲線中，截取有效剝離長度內的單位寬度，平均剝離力用kN/m表示。

4.3 剝離試驗結果分析

剝離實驗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）。不同接頭的剝離強度分布如圖16所示。

膠粘劑的剝離強度主要膠粘劑本身的強度和膠粘劑與被黏接表面的結合情況有關，對于兩種材料的剝離試驗用膠接接頭，材料本身的強度都要高于膠粘劑與被黏接材料表面的強度，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度較差，也出現了極少部分區(qū)域的碳纖維剝離失效。由于剝離試驗中所選取的材料，其材料性能本身不對接頭剝離強度產生較大的影響，接頭的剝離強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，膠粘劑本身強度沒有差異，因此最終接頭的剝離強度差異也不大。

5 結論

（1）接頭拉伸試驗（對接拉伸或“十”字拉伸）結果分析表明，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）膠接接頭準靜態(tài)剪切性能試驗結果分析表明，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。由接頭剪切強度直方圖可知，不同母材的接頭強度隨母材剛度增加而有增大的趨勢。動態(tài)剪切性能試驗結果如下：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度明顯高于準靜態(tài)拉伸的強度;不同母材的接頭高速拉伸強度的區(qū)別比準靜態(tài)大。

（3）在膠接接頭剝離性能的分析中，通過實驗的方式針對“回天”7130膠粘劑測試了其接頭剝離強度，實驗結果表明，兩種接頭的剝離強度接近。

參 考 文 獻

[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 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度的影響[J].機械工程材料，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度和應力的影響[J].機械強度，2006，28（5）：775-779.

[9]趙寧，歐陽海彬，戴建京，等.內聚力模型在結構膠接強度分析中的應用[J].現代制造工程，2009（11）：128-131.

[10]楊小輝，胡坤鏡，趙寧，等.內聚力界面單元在膠接接頭分層仿真中的應用[J].計算機仿真，2010，27（10）：317-320.

[責任編輯：陳澤琦]