王偉臣 郝益華 黃浦淳 陳致遠(yuǎn) 董潔

(吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)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(chē)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130022)

簡(jiǎn)述了FSAE賽車(chē)懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中碳纖維和鋁合金的粘接工藝,通過(guò)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(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足賽車(chē)減重的要求。碳纖維在FSAE賽車(chē)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(guó)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(chē)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(chē)懸架上的應(yīng)用，使其能滿足FSAE賽車(chē)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(wèn)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(chē)測(cè)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(guó)內(nèi)最早使用碳纖維不等長(zhǎng)雙橫臂結(jié)構(gòu)作為懸架結(jié)構(gòu)的FSAE方程式賽車(chē)上。該方程式賽車(chē)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(guò)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(chē)已通過(guò)多次路試和比賽的考驗(yàn)，希望對(duì)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(shì)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(jiǎn)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(shù)脂組成。復(fù)合材料基體樹(shù)脂與膠粘劑主體樹(shù)脂的相容性直接影響粘接的界面結(jié)構(gòu)與性能對(duì)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(shù)脂，見(jiàn)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(shù)脂類(lèi)粘接劑，粘接強(qiáng)度較高。環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)脂，因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(zhǎng)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(shù)脂類(lèi)，收縮率小，尺寸穩(wěn)定性好。粘接劑無(wú)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(shù)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^(guò)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(duì)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(zhǎng)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(jiàn)表3.1。

由結(jié)果可見(jiàn)，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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度的增加而明顯增加，超過(guò)一定長(zhǎng)度后粘接強(qiáng)度隨粘接長(zhǎng)度的增加而增加緩慢。因此接頭的粘接長(zhǎng)度一般不超過(guò)碳纖管外直徑的2倍。

膠層厚度對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)我們?cè)趯?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(zhǎng)度的碳纖維管與鋁合金接頭，涂勻粘接用膠。使用專(zhuān)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(shù)脂固化。我們對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)：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(jiǎn)單，可操作性高，結(jié)構(gòu)美觀。

4 結(jié)語(yǔ)

碳纖維懸架結(jié)構(gòu)以其較輕的質(zhì)量，會(huì)在汽車(chē)產(chǎn)品得到越來(lái)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(guò)對(duì)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(chē)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(guò)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(duì)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。