時(shí)紅宇

(安徽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，合肥 230601)

分子鏈中含有—NHCOO—基團(tuán)或—NCO—基團(tuán)的膠粘劑稱為聚氨酯膠粘劑，這種膠粘劑由于具備良好的抗剪切強(qiáng)度和抗沖擊特性等而在汽車零件修復(fù)中有著廣泛應(yīng)用[1]。隨著汽車零部件使用環(huán)境改變和對(duì)汽車零件要求的提高，膠接接頭需要長(zhǎng)期承受高溫、高濕和載荷耦合作用，這就對(duì)膠粘劑及其膠接接頭提出了更高的要求[2-3]。然而，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中影響膠接接頭力學(xué)性能的影響因素較多，如高溫、濕度和靜載荷等[4-6]，這些參數(shù)對(duì)聚氨酯膠粘劑膠接接頭的力學(xué)性能影響規(guī)律及其具體作用機(jī)理仍然不清楚[7]。本文考察了高溫、高溫高濕和高溫高濕載荷耦合條件下膠接接頭的力學(xué)性能變化，并擬合了失效強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系式，結(jié)果有助于汽車零件修復(fù)用膠接接頭性能老化機(jī)理的研究及預(yù)測(cè)膠接接頭的服役壽命等。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

本文選取的汽車零件基材為西南鋁業(yè)股份有限公司提供的6082鋁合金(密度2 730 kg/m3、泊松比0.33、楊氏模量71 000 MPa)，膠粘劑選用山東華誠(chéng)高科膠粘劑有限公司提供的M-52C型單組分聚氨酯膠粘劑(表干時(shí)間45 min、泊松比0.45、密度1 200 kg/m3)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

HE-WS-150C8系列高低溫濕熱環(huán)境氣候箱，東莞市豪恩檢測(cè)儀器有限公司；CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南美特斯測(cè)試技術(shù)有限公司；華為P40手機(jī)，華為技術(shù)有限公司。

1.3 試件制備

根據(jù)GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定方法》制備單搭膠接接頭試樣，其尺寸如圖1所示。對(duì)鋁合金試樣進(jìn)行黏接前，采用120#砂紙將表面打磨干凈，然后清水沖洗干凈后吹干備用，采用M-52C型單組分聚氨酯膠粘劑膠接后進(jìn)行5 MPa壓力條件下固化24 h，卸載后繼續(xù)固化36 h，并保持室溫和60%相對(duì)濕度。在高低溫濕熱環(huán)境氣候箱中對(duì)膠接接頭試樣進(jìn)行不同時(shí)間和環(huán)境的老化處理[8]，老化時(shí)間為0～30 d，高溫高濕載荷耦合試驗(yàn)中靜載荷為200 N。

(a)正面

1.4 測(cè)試與表征

采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)膠接接頭試樣進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，拉伸速率為2 mm/min，結(jié)果為5組試樣測(cè)試結(jié)果平均值；采用華為P40手機(jī)對(duì)膠接接頭斷面進(jìn)行形貌拍攝。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫老化

圖2為老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效載荷的影響，此時(shí)溫度為80 ℃。可見(jiàn)，隨著老化時(shí)間從0 d增加至30 d，汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效載荷呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；在老化時(shí)間為0 d時(shí)，膠接接頭的失效載荷為5 625 N，而當(dāng)老化時(shí)間為30 d時(shí)，膠接接頭的失效載荷為5 316 N，相較于老化時(shí)間為0 d時(shí)約下降了5.49%，對(duì)汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d高溫老化并不會(huì)對(duì)膠接接頭的失效載荷產(chǎn)生明顯影響。

圖2 老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效載荷的影響

圖3為老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效強(qiáng)度的影響，此時(shí)溫度為80 ℃，名義失效強(qiáng)度為失效載荷與黏結(jié)面積的比值?？梢?jiàn)，隨著老化時(shí)間從0 d增加至30 d，汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但是對(duì)汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d高溫老化并不會(huì)對(duì)膠接接頭的失效強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。分別對(duì)不同老化時(shí)間下膠接接頭的失效強(qiáng)度進(jìn)行二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合、三次多項(xiàng)式函數(shù)擬合和指數(shù)函數(shù)擬合，可以得到膠接接頭失效強(qiáng)度與老化時(shí)間的擬合關(guān)系式，分別為：y=9.01-0.038x+6.35×10-4x2、y=9.04-0.053x+1.93×10-1x2-2.96×10-5x3和y=8.33-0.71e-0.07x，擬合擾度值分別為0.998，0.987，0.984，表明擬合度較高[9]。

圖3 老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效強(qiáng)度的影響

2.2 高溫高濕

圖4為高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效載荷的影響，此時(shí)溫度為80 ℃、相對(duì)濕度為95%。隨著老化時(shí)間從0 d增加至30 d，汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效載荷呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；在老化時(shí)間為0 d時(shí)，膠接接頭的失效載荷為5 625 N，而當(dāng)老化時(shí)間為30 d時(shí)，高溫高濕膠接接頭的失效載荷為3 260 N，相較于老化時(shí)間為0 d時(shí)下降了42.04%。可見(jiàn)，高溫高濕條件下汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低。此外，在相同老化時(shí)間下，高溫老化膠接接頭的失效載荷要明顯高于高溫高濕老化接頭。在高溫高濕老化條件下，初期老化6 d時(shí)間內(nèi)，膠接接頭的失效載荷下降較為明顯，這主要是因?yàn)楦邷馗邼窭匣瘲l件下初期膠接接頭會(huì)發(fā)生水分揮發(fā)與擴(kuò)散現(xiàn)象，從而造成膠粘劑與水產(chǎn)生塑化(水分子與極性基形成氫鍵所致)，且水分揮發(fā)會(huì)造成膠粘劑分子主鏈發(fā)生斷裂，兩方面共同作用下膠接接頭的強(qiáng)度減小；但是隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，水分揮發(fā)作用減小，水解作用減弱，膠接接頭的失效載荷下降速率有所減緩。

圖4 高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效載荷的影響

圖5為高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效強(qiáng)度的影響，此時(shí)溫度為80 ℃、相對(duì)濕度為95%，名義失效強(qiáng)度為失效載荷與黏結(jié)面積的比值。可見(jiàn)，隨著老化時(shí)間從0 d增加至30 d，汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，且對(duì)汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d高溫高濕老化會(huì)對(duì)膠接接頭的失效強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。分別對(duì)不同老化時(shí)間下膠接接頭的失效強(qiáng)度進(jìn)行二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合、三次多項(xiàng)式函數(shù)擬合和指數(shù)函數(shù)擬合，可以得到膠接接頭失效強(qiáng)度與老化時(shí)間的擬合關(guān)系式，分別為：y=8.70-0.28x+5.63×10-3x2、y=8.95-0.47x+2.29×10-2x2-3.85×10-4x3和y=5.31+3.68e-0.15x，擬合擾度值分別為0.934，0.979，0.980，擬合擾度值都較高，表明3種擬合關(guān)系式都可以較好地反映高溫高濕條件下膠接接頭失效強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系。

圖5 高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效強(qiáng)度的影響

2.3 高溫高濕載荷耦合

圖6為高溫高濕載荷耦合條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效載荷的影響，此時(shí)溫度為80 ℃、相對(duì)濕度為95%。隨著老化時(shí)間從0 d增加至30 d，汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效載荷呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；在老化時(shí)間為0 d時(shí)，膠接接頭的失效載荷為5 625 N，而當(dāng)老化時(shí)間為30 d時(shí)，膠接接頭的失效載荷為3 236 N，相較于老化時(shí)間為0 d時(shí)約下降了42.47%?？梢?jiàn)，高溫高濕載荷耦合條件下汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低。此外，在相同老化時(shí)間下，高溫高濕老化膠接接頭的失效載荷要略高于高溫高濕載荷耦合老化接頭，二者的失效載荷隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同?？傮w來(lái)講，在高溫高濕條件下進(jìn)一步耦合靜載荷，相同老化時(shí)間下膠接接頭的失效載荷會(huì)進(jìn)一步降低，這主要是因?yàn)殪o載荷是施加會(huì)使得膠接接頭中的膠結(jié)劑發(fā)生一定程度的蠕變，且膠層中的水分?jǐn)U散會(huì)由于靜載荷的存在而加速擴(kuò)散[10]，引起膠粘劑膠接接頭老化現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

圖6 高溫高濕載荷耦合條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效載荷的影響

圖7為高溫高濕載荷耦合條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效強(qiáng)度的影響，此時(shí)溫度為80 ℃、相對(duì)濕度為95%，名義失效強(qiáng)度為失效載荷與黏結(jié)面積的比值。可見(jiàn)，隨著老化時(shí)間從0 d增加至30 d，汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，且對(duì)汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d高濕載荷耦合老化會(huì)對(duì)膠接接頭的失效強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。分別對(duì)不同老化時(shí)間下膠接接頭的失效強(qiáng)度進(jìn)行二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合、三次多項(xiàng)式函數(shù)擬合和指數(shù)函數(shù)擬合，可以得到膠接接頭失效強(qiáng)度與老化時(shí)間的擬合關(guān)系式，分別為：y=8.85-0.41x+1.31×10-2x2、y=9.01-0.69x+6.18×10-2x2-2.03×10-3x3和y=5.42+3.56e-0.17x，擬合擾度值分別為0.958，0.991，0.978，擬合擾度值都較高，表明3種擬合關(guān)系式都可以較好地反映高溫高濕載荷耦合條件下膠接接頭失效強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系。

圖7 高溫高濕載荷耦合條件下老化時(shí)間對(duì)膠接接頭失效強(qiáng)度的影響

圖8為不同老化條件下膠接接頭斷面形貌，分別列出了老化時(shí)間為0 d、高溫老化16 d、高溫高濕老化16 d和高溫高濕載荷耦合老化16 d后膠接接頭斷面形貌。對(duì)比分析可見(jiàn)，相較于老化時(shí)間為0 d的試樣，高溫老化16 d后斷面出現(xiàn)了較多的褶皺；在高溫老化條件下耦合高濕條件，膠接接頭斷面褶皺更加嚴(yán)重、粗糙度增大，這主要與此時(shí)膠粘劑發(fā)生水解等有關(guān)[11]；繼續(xù)在高溫高濕條件下耦合載荷，膠接接頭斷面更加粗糙、起伏更大，這主要是因?yàn)檩d荷耦合會(huì)促使膠粘劑發(fā)生蠕變并加速水解而造成老化現(xiàn)象愈發(fā)突出[12]。整體而言，高溫條件下耦合高濕會(huì)顯著降低膠接接頭的失效載荷和失效強(qiáng)度，且繼續(xù)耦合靜載荷會(huì)進(jìn)一步降低膠接接頭的失效載荷和失效強(qiáng)度。

(a)0 d

3 結(jié)論

1)隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)，汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效載荷呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，對(duì)汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d高溫老化并不會(huì)對(duì)膠接接頭的失效載荷產(chǎn)生明顯影響。

2)隨著老化時(shí)間從0 d增加至30 d，高溫高濕條件下汽車零件修復(fù)用膠接接頭的失效載荷呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，高溫高濕條件下汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低，且在相同老化時(shí)間下，高溫老化膠接接頭的失效載荷要明顯高于高溫高濕老化接頭。

3)高溫高濕載荷耦合條件下汽車零件修復(fù)用膠接接頭進(jìn)行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低；在相同老化時(shí)間下，高溫高濕老化膠接接頭的失效載荷要略高于高溫高濕載荷耦合老化接頭，二者的失效載荷隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同。