慕仙蓮，何衛(wèi)平，張雪原，劉元海，朱利敏

（中國(guó)特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，荊門(mén) 448035）

引言

涂層與基體會(huì)通過(guò)相互咬合，像鉤、錨一樣牢固的連接在一起，從而實(shí)二者的機(jī)械結(jié)合[1,2]。粗糙度在二者的相互咬合過(guò)程中，起到了主要的作用。一些學(xué)者的研究結(jié)果表明[4]：粗糙度大的表面，其縫隙多且深，形成的機(jī)械互鎖作用就強(qiáng)，從而具有較高的附著力，因?yàn)榘纪共黄降幕w表面為涂層的機(jī)械附著提供了大量的錨固點(diǎn)，所以，好的基體表面幾何形狀為涂層機(jī)械附著起到了鉚釘式的錨固作用。近年來(lái)，薄膜/基體系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于很多領(lǐng)域[5]。不同的薄膜／基體其性能各不相同，主要在于薄膜／基體間的結(jié)合強(qiáng)度，要工件只有具有很好的結(jié)合強(qiáng)度，其在使用壽命內(nèi)才不會(huì)膜層脫落。粘接界面模型屬于連續(xù)損傷力學(xué)范疇，它是介于斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)之間，模型中材料的強(qiáng)度、韌度及裂紋的萌生或擴(kuò)展都由界面的本構(gòu)關(guān)系所決定[6-14]。

本文選取LY12 鋁合金、硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂涂層為研究對(duì)象，開(kāi)展不同粗糙度下涂層與基體間附著力的影響關(guān)系研究，確定粗糙度對(duì)涂層機(jī)械附著力的微觀作用機(jī)理，并基于薄膜/基體系統(tǒng)理論，通過(guò)有限元軟件ABAQUS6.12 建立硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂涂層/鋁合金基體的界面損傷粘結(jié)模型，模擬涂層/基體界面從起始剝離到完全開(kāi)裂的過(guò)程，并通過(guò)對(duì)比分析不同基體粗糙度與涂層S22 應(yīng)力值的關(guān)系，驗(yàn)證基體表面粗糙度對(duì)涂層附著力的作用機(jī)理為機(jī)械互鎖理論。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)選用的涂料樹(shù)脂為德國(guó)TegoChemie 公司生產(chǎn)的Silikopon EF 硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂[15～22]，固化劑選用德國(guó)固賽Dynasylan AMEO。樹(shù)脂與固化劑質(zhì)量配比4∶1。

試驗(yàn)材料：LY12 鋁合金板材，材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 LY12 鋁合金的化學(xué)成分

試驗(yàn)件尺寸：150 mm×70 mm×0.8 mm。

試驗(yàn)件制備過(guò)程：采用60 目、150 目水砂紙打磨及機(jī)械拋光的方式制備三組不同Ra 值的試驗(yàn)件，并采用乙酸丁酯溶液清洗LY12 鋁合金板材，從而減少表面濕潤(rùn)性對(duì)涂層附著力的影響，涂層噴涂厚度為（30±2）um，三組試樣的編號(hào)分別為2021、2022、2023。以2021 組為例，其樣板制備流程：YL12 鋁合金裸板→60#水砂紙打磨→乙酸丁酯脫脂清洗→噴涂涂料，其它兩組類(lèi)似。基板不同粗糙度的宏觀形貌如圖1 所示。采用PSI 便攜式粗糙度儀對(duì)試樣進(jìn)行粗糙度測(cè)量，結(jié)果如表2 所示。

表2 LY12 鋁合金打磨及拋光后的粗糙度Ra 測(cè)試值(單位：um)

圖1 基板不同粗糙度的宏觀形貌

試驗(yàn)條件：附著力測(cè)試設(shè)備為美國(guó)的PosiTest AT-A全自動(dòng)液壓附著力檢測(cè)儀，測(cè)試參數(shù)為：錠子尺寸為D=20 mm、加壓速率1.00 MPa/s、測(cè)試單位MPa。試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行（溫度為23 ℃、濕度為60 %）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

三組試樣的附著力測(cè)試值如圖2 所示，涂層附著力最小的試樣為2023 組，最大的試樣為2022 組，而2022組與2021 組試樣測(cè)試結(jié)果差異較小。

圖2 三組試樣的附著力測(cè)試值

將三組試樣的基體粗糙度值與其對(duì)應(yīng)附著力測(cè)試值進(jìn)行數(shù)值擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)圖3 所示。由圖3 可見(jiàn)，基體粗糙度與涂層附著力呈正相關(guān)，但當(dāng)基體粗糙度值在Ra=（4.75～4.80）um 之間，涂層附著力出現(xiàn)下降的拐點(diǎn)值，由此可見(jiàn)基體粗糙度與涂層附著力并非線性相關(guān)。

圖3 基體粗糙度-涂層附著力關(guān)系圖

綜上可知，基體粗糙度的增大對(duì)涂層附著力的影響具有雙面性。對(duì)于硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂涂層/LY12 鋁合金結(jié)構(gòu)而言，涂層厚度為（30±2）um 時(shí)，將基體表面粗糙度控制在Ra=4.75 um 左右時(shí)，才可保證該涂層良好的附著性，最大附著強(qiáng)度為8.84 MPa。粗糙度大的表面縫隙較多且較深，形成的機(jī)械互鎖作用就強(qiáng)，同時(shí)，凹凸不平的基體表面為涂層的機(jī)械附著提供了大量的錨固點(diǎn)，該原理的基體SEM 掃描結(jié)果見(jiàn)圖4 所示[23-26]，由圖可見(jiàn)基體尖銳的鉤狀形貌增強(qiáng)了與涂層的咬合深度和結(jié)合強(qiáng)度，從而具有較高的附著力。

圖4 基體粗糙度對(duì)涂層機(jī)械附著的錨固作用

3 有限元分析

3.1 模型建立

3.1.1 模型參數(shù)簡(jiǎn)化

為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略模型幾何參數(shù)對(duì)涂層附著力的影響，其單位為毫米，各參數(shù)值僅供參考，具體數(shù)值見(jiàn)表3 所示。該拉開(kāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖5 所示，縱向組成部分依次為：鋁合金YL12（a）、膠層（a）、硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂涂層、膠層（b）、鋁合金YL12（b）。其中，膠層（a）、膠層（b）、硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂涂層厚度分別為：0.135 mm、0.135 mm、0.03 mm。

表3 模型尺寸參數(shù)(單位：mm)

圖5 拉開(kāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.1.2 建模過(guò)程

該涂層附著力拉開(kāi)測(cè)試模型具有很好的對(duì)稱(chēng)性，其下側(cè)模型如圖6 所示。該圖中，放大區(qū)域是運(yùn)用余弦波模擬的涂層與基體之間理想化界面層，該余弦函數(shù)波長(zhǎng)變化范圍值為（0.002～0.008）mm，幅值A(chǔ) 變化范圍（0.001～0.004）mm。為避免各材料間的接觸與摩擦問(wèn)題，本節(jié)選擇在有限元軟件ABAQUS6.12 網(wǎng)格子模塊中調(diào)用余弦函數(shù)腳本的方法。此外，通過(guò)python 語(yǔ)言改變腳本中余弦函數(shù)波形，從而建立不同基體粗糙度模型，在模型計(jì)算時(shí)約劃分了26 000 個(gè)2D-CPS4R 網(wǎng)格，界面處約劃分了5 000 個(gè)2D-CPS3 網(wǎng)格，薄膜與基體之間的粘結(jié)單元采用COH2D4 單元類(lèi)型，該試樣各力學(xué)性能參數(shù)如表4 所示。

表4 薄膜/基體材料力學(xué)屬性

圖6 有限元模型

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 粗糙度對(duì)粘結(jié)單元力學(xué)性能影響分析

在結(jié)構(gòu)右端上下兩塊基體板各施加2 mm 的位移，其計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，圖中放大區(qū)域?yàn)榻缑鎸討?yīng)力集中情況，以及其拉伸擴(kuò)展變形特征。采用SDEG-單元的完全失效標(biāo)量值表征粘接區(qū)域單元的線性擴(kuò)展破壞標(biāo)量D。當(dāng)SDEG 值為1 時(shí)，表明該單元已經(jīng)達(dá)到了預(yù)先定義的破壞準(zhǔn)則，粘接結(jié)構(gòu)脫粘、該單元失效。

圖7 剝離模擬結(jié)果

粘接區(qū)最右端第一個(gè)單元的SDEG 值與位移之間的關(guān)系，如圖8 所示。不同粗糙度值的計(jì)算結(jié)果均顯示：隨著位移載荷逐漸增大，單元的SDEG 值由0 增長(zhǎng)至1，粘接單元也逐漸失效。此外，由圖8 可知，隨著基體粗糙度值增加，粘接單元SDEG=1 時(shí)，單元承受位移載荷逐漸增大，但該趨勢(shì)并非線性增長(zhǎng)，當(dāng)Ra=4.8 um 時(shí)，單元承受載荷位移出現(xiàn)最大值，即為0.215 mm。

圖8 剝離過(guò)程中SDEG 值與位移之間的關(guān)系

圖9 為剝離過(guò)程中拉力-位移關(guān)系圖，結(jié)合圖8 可見(jiàn)，四組粗糙度模型的均表明：拉力值最大時(shí)，SDEG 值開(kāi)始增長(zhǎng)，但未達(dá)到1，說(shuō)明粘接單元在逐漸破壞，而隨著拉力值作用時(shí)間持續(xù)增大、粘接單元位移逐漸增加，SDEG 值為1，說(shuō)明該單元已經(jīng)出現(xiàn)斷裂破壞，粘接結(jié)構(gòu)也已經(jīng)脫粘。同時(shí)，由圖9 可知，隨著基體粗糙度值增大，單元承受最大拉力值逐漸增加，其中Ra=0 um 時(shí)，單元承受最大拉力值僅為102.5 N，而當(dāng)Ra=4.8 um 時(shí)，單元承受最大拉力達(dá)到最大值，即226.26 N。綜合圖8、圖9計(jì)算結(jié)果，當(dāng)涂層厚度為30 um 時(shí)，其基體表面粗糙度Ra=4.8 um 可保證界面層單元較好的力學(xué)性能。

圖9 剝離過(guò)程中拉力與位移之間的關(guān)系

3.2.2 粗糙度對(duì)粘接模型剝離破壞位置影響分析

上節(jié)分析了粗糙對(duì)粘接界面開(kāi)裂強(qiáng)度的影響，本節(jié)將通過(guò)調(diào)整粘結(jié)模型中薄膜上下界面層的粗糙度，研究不同粗糙度對(duì)粘接模型剝離破壞位置的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果：凹凸不平的表面形貌增加涂層的機(jī)械附著力。如圖10 所示，該粘接模型至上而下材料依次為：鋁合金基體（a）、膠層（a）、涂層、膠層（b）、鋁合金基體（b）。其中，膠層（a）粗糙度值為Ra=0 um，膠層（b）粗糙度值為Ra=2.5 um，其它力學(xué)參數(shù)保持不變，在結(jié)構(gòu)右端上下兩塊基體板各施加2 mm 的位移。該圖放大區(qū)域表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)隨著位移載荷值的作用增加，試樣整體結(jié)構(gòu)逐漸剝離破壞，膠層（a）與基體率先剝離破壞，膠層（a）由彈性變形轉(zhuǎn)為塑形破壞。而膠層（b）與涂層在整個(gè)剝離破壞過(guò)程中無(wú)裂紋萌生，但涂層發(fā)生彈性變形。

圖10 剝離破壞計(jì)算結(jié)果

圖11 剝離破壞計(jì)算結(jié)果中，粘接模型S22 最大應(yīng)力值為32.01 MPa，其應(yīng)力集中區(qū)域中，膠層（a）、膠層（b）S22 應(yīng)力如圖12、圖13 所示，當(dāng)膠層（a）與鋁基體剝離破壞，其最大S22 應(yīng)力值為7.851 MPa，而膠層（b）與涂層無(wú)裂紋萌生，且涂層承受最大S22 應(yīng)力值為10.07 MPa?？梢?jiàn)，粘接模型中，各界面層粗糙度不僅影響結(jié)構(gòu)的破壞位置，而且可提高界面結(jié)合強(qiáng)度。比較圖12、圖13，膠層（a）右端變形明顯，是應(yīng)力集中區(qū)域，SDEG 值為1，發(fā)生塑形變形，而涂層右端雖有微小變形，但整體受力均勻，其SDEG 值遠(yuǎn)小于1，在彈性變形內(nèi)。

圖11 剝離破壞結(jié)構(gòu)S22 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖12 剝離破壞膠層(a)S22 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖13 剝離破壞涂層S22 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

綜上所述，粘接模型界面層的開(kāi)裂位置與層間接觸面粗糙程度關(guān)系密切，在有限元計(jì)算時(shí)，界面層表面較光滑時(shí)，其初始裂紋更容易萌生，即增大界面層的接觸面積，可有效提高粘接層的結(jié)合強(qiáng)度。該結(jié)論驗(yàn)證了粗糙度對(duì)涂層附著力影響分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即通過(guò)調(diào)整基體材料表面粗糙度，可提高涂層的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度，由于良好的幾何尺寸避免了涂層在與鋁合金基體結(jié)合時(shí)的“移滑”，使得二者之間產(chǎn)生鉚釘式的牢固結(jié)合作用力。

3.2.3 粗糙度對(duì)涂層S22 應(yīng)力的影響分析

為進(jìn)一步研究基體表面不同粗糙度對(duì)涂層機(jī)械結(jié)合力的影響，將余弦函數(shù)幅值A(chǔ) 依次定義為0 mm、0.004 mm、0.008 mm、0.016 mm、0.032 mm，對(duì)應(yīng)粗糙度值Ra=0 um、2.5 um、4.8 um、6.4 um。粘結(jié)區(qū)最右端第一個(gè)單元的SDEG 值與其對(duì)應(yīng)的S22 應(yīng)力的關(guān)系如圖14 所示。

圖14 剝離破壞計(jì)算中S22 應(yīng)力與SDEG 之間的關(guān)系

圖14 中，隨著位移載荷施加時(shí)間的持續(xù)，單元的SDEG 值由0 增長(zhǎng)至1，粘接單元也逐漸破壞。在該作用過(guò)程中，涂層最右端第一個(gè)單元隨著SDEG 值的增加，其S22 應(yīng)力值逐漸增大，達(dá)到峰值后逐漸遞減；隨著粗糙度值的增加，該單元承受S22 最大應(yīng)力值也逐漸增加，但并非線性相關(guān)。各粗糙度粘結(jié)模型中，涂層最后端第一個(gè)單元承受S22 應(yīng)力峰值如圖14 所示，其中Ra=4.8 um 時(shí)，S22 應(yīng)力最大值為17 MPa，而試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為8.84 MPa，同時(shí)Ra=0 um 時(shí)，S22 應(yīng)力最大值為7.8513 MPa，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為3.8 MPa。有限元計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試值雖有差異，但二者在一個(gè)量級(jí)之內(nèi)，而且在有限元計(jì)算中，鋁合金基體材料凹凸形貌分布均勻，而且涂層厚度均勻一致，計(jì)算結(jié)果略高于測(cè)試值是合理的，該結(jié)論很好的驗(yàn)證了機(jī)械互鎖理論。

4 結(jié)論

本研究采用試驗(yàn)測(cè)試、有限元分析兩種方法對(duì)比研究了鋁合金基體表面粗糙度對(duì)硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂涂層附著力的影響規(guī)律。首先，通過(guò)試驗(yàn)分析基體粗糙度與涂層附著力的關(guān)系，并結(jié)合SEM 電鏡掃描結(jié)果，得出粗糙度對(duì)涂層機(jī)械附著力的微觀作用機(jī)理；其次，通過(guò)有限元模擬了剝離的界面開(kāi)裂過(guò)程，描述了粘接界面從起始剝離到完全開(kāi)裂過(guò)程的力學(xué)性能，并通過(guò)對(duì)比分析不同基體粗糙度與涂層S22 應(yīng)力值的影響，論證了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。具體結(jié)論如下：

1）通過(guò)調(diào)整基體表面幾何形貌，可一定程度提高涂層附著力；

2）隨著基體表面粗糙度的增加，涂層與其附著強(qiáng)度逐漸增加，但二者并非線性相關(guān)，對(duì)于硅烷環(huán)氧雜化樹(shù)脂涂層/鋁合金基體結(jié)構(gòu)，其涂層厚度為30 um 時(shí)，基體表面粗糙度Ra=（3.6～4.8）um 范圍內(nèi)，可保證涂層較好的附著力；

3）凹凸不平的基體表面不僅可增加涂層與基體的錨固點(diǎn)數(shù)量，使得涂層與基體達(dá)到鉚釘式的牢固結(jié)合，還可增大涂層與基體的接觸面積，從而提高涂層與基體的吸附作用力。