杜美娜，黃海江

（北京天山新材料技術(shù)有限公司，北京 100041）

丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠單搭接剪切疲勞性能的影響因素

杜美娜，黃海江

（北京天山新材料技術(shù)有限公司，北京 100041）

研究了結(jié)構(gòu)膠拉伸剪切疲勞性能的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理過(guò)程，較為系統(tǒng)地研究了膠層厚度、平均應(yīng)力τm、 頻率等對(duì)剪切件耐久極限的影響。研究結(jié)果表明，隨著膠層厚度的增加，剪切件的疲勞耐久極限先增大后減?。黄骄鶓?yīng)力升高，會(huì)降低結(jié)構(gòu)件的疲勞耐久極限；測(cè)試頻率為20 Hz時(shí)剪切件的耐久極限低于30 Hz時(shí)的耐久極限。不同類(lèi)型的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠，疲勞耐久極限不同。

汽車(chē)輕量化；結(jié)構(gòu)粘接；疲勞性能；耐久極限；影響因素

由于材料、能源、環(huán)境和市場(chǎng)的需求，汽車(chē)的輕量化需求越來(lái)越大。所謂汽車(chē)輕量化，是指在保證汽車(chē)強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能降低汽車(chē)的重量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗以降低污染排放［1］。

隨著汽車(chē)輕量化的發(fā)展，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼材、工程塑料及質(zhì)輕金屬［2，4］及結(jié)構(gòu)膠粘劑在汽車(chē)工業(yè)中得到大量應(yīng)用［3］。

結(jié)構(gòu)粘接技術(shù)作為一種輕量化連接技術(shù)，是未來(lái)汽車(chē)輕量化發(fā)展中的關(guān)鍵性技術(shù)之一。與傳統(tǒng)點(diǎn)焊等連接方式相比，除了具有理想異質(zhì)連接性能，同時(shí)還存在良好的密封性、抗疲勞性能等優(yōu)勢(shì)。由于不需要高溫加熱，基材的性能沒(méi)有變化。與其他連接工藝相比，粘接工藝不僅能使結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布均勻，改善抗疲勞和抗沖擊特性，而且還能提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力，利于生產(chǎn)工程自動(dòng)化［3］。結(jié)構(gòu)粘接接頭可以在整個(gè)使用過(guò)程中傳遞靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)載荷。因此，掌握粘接力學(xué)性能，完善典型粘接接頭的強(qiáng)度和耐久性能預(yù)測(cè)粘接方法及理論，可對(duì)該技術(shù)在車(chē)身連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程中的有效應(yīng)用起到指導(dǎo)作用［5］。

本文根據(jù)《GB/T 27595-2011膠粘劑——結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗(yàn)方法》［6，7］系統(tǒng)研究了膠層厚度、平均應(yīng)力、頻率等對(duì)單搭接剪切結(jié)構(gòu)粘接件的耐久極限的影響。

1 膠層厚度對(duì)耐久極限的影響

在粘接結(jié)構(gòu)中，膠層厚度對(duì)總體性能的影響一直以來(lái)都非常引人關(guān)注，人們通常希望能在減少膠粘劑用量的前提下使粘接結(jié)構(gòu)的總體性能達(dá)到最優(yōu)［8］，工程中這需要對(duì)膠層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)才能做到。盡管目前在膠層厚度方面已有較多的研究，然而，這些研究大多給出的是隨膠層厚度改變粘接構(gòu)件靜態(tài)強(qiáng)度的變化規(guī)律，以及膠粘劑固有物理屬性對(duì)該變化規(guī)律的影響［8］。彭興財(cái)?shù)龋?］在風(fēng)電葉片用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠疲勞性能研究中考查了膠層厚度對(duì)疲勞性能的影響，但是結(jié)果較為籠統(tǒng)。為此，本文詳細(xì)研究了膠層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)膠疲勞性能的影響。

選擇的結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品TS828為高性能雙組分丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠，2組分體積比為10：1。

參考GB/T 7124—2008按照VA：VB=10：1進(jìn)行混合，并用混合好的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠粘接單搭接剪切片，膠層厚度分別為0.05、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 mm，使用的基材是3.0 mm厚的5754-H111型鋁片，粘接前用丙酮進(jìn)行清潔。粘接好的樣件在恒溫室固化24 h。每個(gè)厚度分別取5個(gè)樣品，根據(jù)GB/T 7124—2008測(cè)

試其靜態(tài)剪切強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 TS828不同膠層厚度的靜態(tài)剪切強(qiáng)度Tab.1 Static shear strength of TS828 with different layer thicknesses

從表1可以看出，隨著膠層厚度的增加，剪切強(qiáng)度略有降低，但變化不大。根據(jù)GB/T 27595—2011，疲勞測(cè)試時(shí)，平均應(yīng)力τm可在0.25τR到 0.50τR內(nèi) 取值，τm一 般可取0.35τR。

為了便于比較，在做疲勞測(cè)試時(shí)，τm未按照0.35τR來(lái) 對(duì)每一個(gè)膠層厚度的樣件進(jìn)行取值，而是統(tǒng)一選擇τm=7.5 MPa，但所有取值均在0.25τR～ 0.50τR區(qū) 間里。

當(dāng)膠層的厚度為0.05 mm，樣件的疲勞測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 膠層厚度為0.05 mm時(shí)TS828的疲勞測(cè)試結(jié)果Tab.2 Fatigue test results of TS828 with layer thickness of 0.05 mm

其中，ni為 第i級(jí)觀察到的最少試驗(yàn)次數(shù)；k是從特定的破壞測(cè)試結(jié)果到未破壞測(cè)試結(jié)果必須經(jīng)過(guò)的級(jí)數(shù)（0＜i＜k）。

如果破壞的試樣個(gè)數(shù)少，則用值-（1/ 2）；如果未破壞的試樣個(gè)數(shù)少，則用值+ （1/2）。

標(biāo)準(zhǔn)偏差按照式（2）計(jì)算：

所以，當(dāng)膠層厚度為0.05 mm時(shí)，TS828樣品的耐久極限結(jié)果如下：

其中，N=106，τ=7.5 MPa

因?yàn)?3個(gè)樣品中，破壞的樣品數(shù)量是5個(gè)，未破壞的樣品數(shù)量是8個(gè)，破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“± ”取“-”號(hào)［7］。

對(duì)于上述13個(gè)樣件中，經(jīng)過(guò)106循環(huán)后仍然未斷裂的樣品，在恒溫室平衡24 h后，測(cè)試了其殘余靜態(tài)剪切強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同應(yīng)力振幅下未斷裂樣件的殘余應(yīng)力Tab.3 Residual stress of non-failed samples at different stress amplitudes

從表3可見(jiàn)，當(dāng)疲勞測(cè)試的振幅增大時(shí)，殘余應(yīng)力的保持率會(huì)降低。

用同樣的計(jì)算過(guò)程，得到了TS828粘接鋁剪切件其余膠層厚度的疲勞耐久極限計(jì)算結(jié)果如下：

以膠層厚度為橫坐標(biāo)，耐久極限為縱坐標(biāo)，得到圖1。

圖1 TS828不同厚度膠層的耐久極限Fig.1 Endurance limits of TS828 with different thickness of adhesive layer

對(duì)于靜態(tài)剪切強(qiáng)度，膠層表面von Mises應(yīng)力隨著膠層厚度的增加而增大，單搭接接頭的強(qiáng)度隨著膠層厚度的增加而降低［8，9］。從圖1可以看出，對(duì)于動(dòng)態(tài)疲勞性能，并不是膠層越薄耐久極限越高，而是隨著膠層厚度的增加，耐久極限先增大后減小。膠層太厚，膠層中缺陷增多，耐久極限反而會(huì)下降?？梢?jiàn)膠層厚度對(duì)動(dòng)態(tài)疲勞性能與靜態(tài)剪切強(qiáng)度的影響略有不同。

2 平均應(yīng)力對(duì)耐久極限的影響

平均應(yīng)力在疲勞測(cè)試以及實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在疲勞測(cè)試當(dāng)中，平均應(yīng)力的取值是一個(gè)范圍，τm=（0.25～0.50）τR。 表4是不同平均應(yīng)力下的疲勞耐久極限的測(cè)試結(jié)果。

表4 平均應(yīng)力為9.0 MPa時(shí)TS828的疲勞測(cè)試結(jié)果Tab.4 Fatigue test results of TS828 at mean stress of 9.0 MPa

因?yàn)?3個(gè)樣品中，破壞的樣品數(shù)量是7個(gè)，未破壞的樣品數(shù)量是6個(gè)，未破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“± ”取“+”號(hào)。

而當(dāng)平均應(yīng)力為7.5 MPa時(shí)，耐久極限［7］是：

可見(jiàn)隨著平均應(yīng)力的提高，耐久極限大幅下降。

3 頻率對(duì)耐久極限的影響

疲勞測(cè)試的頻率是非常重要的參數(shù)，通常情況下，測(cè)試頻率會(huì)選擇30 Hz。頻率太高，膠層會(huì)發(fā)熱，影響測(cè)試結(jié)果；頻率太低，會(huì)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間。

為了考查頻率對(duì)耐久極限的影響，同樣選用TS828高性能結(jié)構(gòu)粘接劑，測(cè)試了頻率為20 Hz時(shí)剪切件的疲勞性能，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 當(dāng)頻率為20 Hz時(shí)TS828的疲勞測(cè)試結(jié)果Tab.5 Fatigue test results of TS828 at frenquency of 20 Hz

因?yàn)?3個(gè)樣品中，破壞的樣品數(shù)量是8個(gè)，未破壞的樣品數(shù)量是5個(gè)，未破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“±”取“+”號(hào)［7］。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)其他參數(shù)都不變，將頻率從30 Hz降為20 Hz時(shí)，結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品剪切件的耐久極限反而由4.85 MPa降低到3.15 MPa。由于時(shí)間的限制，目前僅研究了這2個(gè)頻率的疲勞性能。

4 不同類(lèi)型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠的耐久極限

表6給出了2款不同性能的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠的基本力學(xué)性能。

表6 2款丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠的基本力學(xué)性能Tab.6 Main mechanical properties of two kinds of acrylate structural adhesives

由表6可以看出，TS819屬于剛性較強(qiáng)的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠，剪切強(qiáng)度非常高；而TS828則屬于綜合性能優(yōu)異的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠，粘接強(qiáng)度高、韌性好、抗老化性能優(yōu)異。

為了進(jìn)行平行比較，2款膠的剪切件粘接基材都選擇3.0 mm厚的5754-H111鋁，平均應(yīng)力選擇7.5 MPa，頻率是30 Hz，膠層厚度0.05 mm，TS828的耐久極限計(jì)算結(jié)果如下：

TS819高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠的疲勞測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 TS819的疲勞性能測(cè)試結(jié)果Tab.7 Fatigue test results of TS819

因?yàn)?3個(gè)樣品中，破壞的樣品數(shù)量是6個(gè)，未破壞的樣品數(shù)量是7個(gè)，破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“±”取“-”號(hào)［7］。

可見(jiàn)，TS819高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠的耐久極限小于TS828的耐久極限。相對(duì)而言，還是綜合性能優(yōu)異、尤其是韌性較好的TS828高性能結(jié)構(gòu)粘接劑疲勞性能更好。這與產(chǎn)品的定位相同。

5 結(jié)論

（1）隨著膠層厚度的增加單搭接剪切件的疲勞耐久極限先增大后減小。

（2）平均應(yīng)力對(duì)單搭接剪切件的耐久極限有很大影響，平均應(yīng)力越大，耐久極限越小。

（3）頻率為20 Hz時(shí)結(jié)構(gòu)膠剪切件的耐久極限低于頻率為30 Hz時(shí)的耐久極限。

（4）韌性較好的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠疲勞耐久極限會(huì)相對(duì)較大。

［1］楊艷.輕量化引領(lǐng)未來(lái)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)［J］.汽車(chē)與配件，2014，45：54-57.

［2］Martin Hormung，Michael Hajj.用于汽車(chē)輕量化的結(jié)構(gòu)粘接［J］.汽車(chē)工藝與材料，2009，10：61-65.

［3］曲軍.結(jié)構(gòu)膠粘劑在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用［C］//2007北京國(guó)際粘接技術(shù)研討會(huì)暨第二屆亞洲粘接技術(shù)研討會(huì)論文集.北京，2007.

［4］徐偉，潘杰花，蔣艷云.PP類(lèi)材料在汽車(chē)輕量化方案中的應(yīng)用研究［J］.研究與開(kāi)發(fā)，2014，11：048-051.

［5］李龍.車(chē)身單搭接粘接接頭靜強(qiáng)度性能試驗(yàn)及強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法的研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2011.

［6］彭興財(cái)，張力平，解祥夫，等.風(fēng)電葉片用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠疲勞性能研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2014，4：62-65.

［7］杜美娜，胡紅梅，陳亞菊，等. GB/T 27595-2011膠粘劑——結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗(yàn)方法［S］.2011.

［8］許巍，于慧臣，陶春虎.輕質(zhì)合金膠接接頭強(qiáng)度的膠層厚度依賴(lài)性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2015，37（1）：32-38.

［9］王玉奇，何曉聰，邢保英，等.膠厚對(duì)單搭粘接接頭強(qiáng)度影響的試驗(yàn)與仿真研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2014，36（6）：873-877.

Influence factors on fatigue properties of acrylate structural adhesives in tensile shear

DU Mei-na， HUANG Hai-jiang
（BEIJING TONSAN Adhesive Co.， Ltd.， Beijing 100041， China）

The experimental method and the data processing process on the tensile shear fatigue properties of the structural adhesive were demonstrated in this paper. The influence of the thickness of adhesive layer， frequency and mean stress on the limit of endurance was studied. The results showed that with increasing the thickness of adhesive layer， the endurance limit firstly increased and then decreased； the increase of mean stress reduced the endurance limit； the endurance limit at frequency of 20 Hz was less than that at frequency of 30 Hz. And different kind of acrylate structural adhesive had different endurance limits.

lightweight of automotive； structural adhesion； fatigue properties； endurance limit； influence factors

TQ 436+.2

A

1001-5922（2015）11-0059-06

2015-03-19

杜美娜（1981-），女，博士，高級(jí)工程師，從事丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠粘劑的研發(fā)工作，已在國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表論文數(shù)十篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)，作為主要起草人參與起草國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，獲得2011北京市科技新星、2012北京市優(yōu)秀人才等多個(gè)項(xiàng)目的資助。E-mail：meina.du@hbfuller.com。