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1 2019 年第 5 期玻璃钢 / 复合材料 89 碳纤维复合材料 / DC04 钢 胶接剪切性能研究 张然然 1ꎬ2 ꎬ 陈伊宁 1 ꎬ 熊建民 1 1 ꎬ 苏一畅 (1 众泰汽车工程研究院 ꎬ 杭州 ꎻ 2 浙江大学材料科学与工程学院 ꎬ 杭州 ) 摘要 : 本文采用室温固化的高韧性环氧与丙烯酸酯两类结构胶对异种材料碳纤维复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Poly mersꎬ 简称 CFRP ) 和钢进行连接 ꎬ 分析了这两类结构胶的剪切强度 失效模式及环境耐久性 ꎮ 结果表明 : 高韧性环氧结构胶 固化后剪切强度为 23 5 MPaꎬ 胶层呈现以内聚破坏为主兼有界面破坏的失效模式 ꎻ 高韧性丙烯酸酯结构胶固化后的剪切强度 为 MPaꎬ 失效模式以界面破坏为主 ꎮ 此外 ꎬ 本文还探究了电泳烘烤工序对两类结构胶的剪切强度及失效模式的影响 ꎮ 环氧结构胶电泳烘烤后剪切强度为 7 28 MPaꎬ 较电泳前降低 69%ꎬ 失效模式为胶层内聚破坏 ꎻ 丙烯酸酯结构胶电泳烘烤后剪 切强度为 MPaꎬ 较电泳前提高 22%ꎬ 破坏模式兼有胶层内聚破坏和基材破坏 ꎬ 可见电泳烘烤工序对不同类结构胶的剪切 强度有不同的影响 ꎮ 因此 ꎬ 当 CFRP 件需随钢制车身电泳烘烤时 ꎬ 丙烯酸酯结构胶可满足剪切强度的要求 ꎮ 关键词 : 室温固化 ꎻ 结构胶 ꎻ 碳纤维复合材料 ꎻ 钢 ꎻ 剪切性能 中图分类号 : TB332 文献标识码 : A 文章编号 : (2019) 我国汽车保有量的不断增加带来了一系列能源 环境等问题 ꎬ 制约了汽车工业的快速发展 ꎮ 因此推进汽车节能减排来实现汽车工业的可持续发展成为各大车企的重要任务之一 ꎮ 对汽车进行轻量化设计是实现节能减排的有效途径 ꎮ 据报道 ꎬ 汽车质量每减少 100 kgꎬ 可节省燃油 0 3 L/ (100 km) ~0 5 L/ (100 km)ꎬ 减少 CO 2 排放 8 g / (100 km) ~ 11 g / (100 km) [1ꎬ2] ꎮ 目前实现汽车轻量化的途径主要有三种 ꎬ 即优化结构 应用轻量化材料和采用先进制造工艺 ꎬ 其中应用轻量化材料是汽车轻量化技术的一个主要研究方向 ꎮ CFRP 因密度小 比强度和比模量高 耐久 耐腐蚀 集成度高 可设计性强等特点 ꎬ 被认为是一种理想的汽车轻量化材料 [3 5] ꎬ 并在宝马 奥迪等多款车型上得到了应用 ꎮ 例如 : 宝马 i3 的乘员舱 Life 模块大量采用了 CFRPꎬ 轻量化效果显著 ꎬ 整车质量仅有 1195 kg [6] ꎻ 宝马新 7 系提出了 carbon core 车身概念 ꎬ 在 B 柱 中央通道 车身纵梁 车顶横梁 门槛等多处共使用了 16 个 CFRP 部件 ꎬ 与上一代车型相比 ꎬ 最大减重达 130 kg [7] ꎻ 奥迪 A8(D5) 的座舱后隔板也使用了 CFRPꎮ 众泰汽车工程研究院自主开发了 CFRP 的 B 柱中部支撑板 ꎬ 对钣金 B 柱加强板进行增强 ꎬ 同时提高了 B 柱强度和刚度 ꎬ 其模型图如图 1 所示 ꎮ 由于 CFRP 在汽车上的规模应用 ꎬ 不可避免地要与金属件进行连接 ꎬ 而连接部位通常是结 构的薄弱环节 ꎬ 因此获得满足要求的连接性能对 CFRP 在汽车上的应用具有重要意义 ꎮ 目前广泛应用于传统车身的连接方式 ꎬ 如焊接等 ꎬ 很难适用于 CFRP 车身零部件的连接 [8] ꎮ 胶接连接因工艺简单 连接效率高 应力分布均匀 密封和抗疲劳性好等特点成为 CFRP 与金属之间一种有效的连接技术 ꎬ 逐步应用于现代汽车的生产制造中 [9 11] ꎮ 结构胶按固化温度不同 ꎬ 可分为室温固化结构胶 中温固化结构胶和高温固化结构胶 ꎬ 其中室温固化结构胶因施工方便 适用性强 节能 使用方便等优势 ꎬ 在汽车制造中得到了越来越多的关注 [12ꎬ13] ꎮ 图 1 CFRP B 柱支撑板模型图 Fig 1 The model diagram of B pillar support plate made of CFRP 收稿日期 : 本文作者还有牛丽媛 1 ꎬ 王纳新 1 ꎬ 王方玉 1 ꎬ 张宁 1 ꎬ 李韶茂 1 ꎮ 作者简介 : 张然然 (1990 )ꎬ 女 ꎬ 博士 ꎬ 主要从事碳纤维复合材料方面的研究 ꎮ 通讯作者 : 熊建民 (1981 )ꎬ 男 ꎬ 博士 ꎬ 主要从事汽车新材料应用等方面的研究 ꎬ xiong jianmin@zotye comꎮ

2 90 碳纤维复合材料 / DC04 钢 胶接剪切性能研究 2019 年 5 月 当 CFRP 作为结构件应用于车身时 ꎬ 需要随钢 制车身进行共线涂装 ꎬ 而 CFRP 与钢的热膨胀系数 存在差异 ꎬ 因此在进行胶接连接时需要选用高韧性 结构胶进行粘接来吸收二者因热膨胀系数不同引起 的位置公差 ꎮ 本文选择室温固化的高韧性环氧和丙 烯酸酯结构胶对 CFRP / 钢进行胶接 ꎬ 探究这两类结 构胶的常温剪切强度及环境耐久性 ꎬ 并从汽车行业 的实际生产出发 ꎬ 对胶接样条进行随车电泳处理 ꎬ 分 析电泳工序对这两类胶剪切强度的影响机制 ꎬ 电泳 烘烤炉温曲线如图 2 所示 ꎮ 需对 CFRP 和钢样条表面进行打磨 清洗处理 ꎬ 以去 除表面附着物并增加表面粗糙度 ꎮ 具体试验条件见 表 1ꎮ 此外 ꎬ 本文试验中环境耐久性试验条件见表 2ꎬ 玻璃化转变温度测试条件为 : 温度范围为 40 ~ 200 ꎬ 升温速率为 10 / minꎮ 样 条 表 1 Table 1 尺寸 / mm CFRP 样条 DC04 钢样条 试验条件 Test conditions 胶接面积 / mm 2 胶层厚度 / mm 测试标准 ISO 4587 Table 2 试验项目 表 2 环境耐久性试验条件 The test condition of environmental durability 试验条件 高温 79 ꎬ3 h 低温 -40 ꎬ3 h Fig 2 图 2 电泳烘烤炉温曲线 The temperature curve of electrophoretic drying 环境耐久性 热老化 80 ꎬ168 h 湿热相对湿度为 95%ꎬ 温度为 (50±2) ꎬ480 h 耐候性 一个循环 :90 ꎬ4 hꎻ 标态 ꎬ0.5 hꎻ-40 ꎬ2 hꎻ 标态 ꎬ0.5 hꎻ70 ꎬ95%RHꎬ3 hꎻ 标态 ꎬ0.5 hꎻ -40 ꎬ2 hꎻ 标态 ꎬ0.5 hꎮ 共四个循环 盐雾 NaCl 含量为 (50±5) g / Lꎬ35 ꎬ720 h 1 试验部分 1 1 试验材料 碳纤维预浸料 ꎬT300ꎬ12 kꎬ150 g / m 2 ꎬ 中复神鹰 碳纤维有限责任公司 ꎻ 钢板 ꎬDCO4ꎬ 马钢 ( 合肥 ) 钢 材加工有限公司 ꎻ 进口高韧性室温固化环氧结构胶 ꎬ 陶氏化学 ( 中国 ) 有限公司 ꎻ 进口高韧性室温固化丙 烯酸酯结构胶 ꎬ 洛德化学 ( 上海 ) 有限公司 ꎮ 1 2 试验设备差示扫描量热仪 ꎬMETTLER TOLEDOꎻ 万能拉 伸试验机 ꎬ30 吨液压夹持 ꎬ 美特斯工业系统 ( 中国 ) 有限公司 MTSꎻ 扫描电子显微镜 ꎬ 型号为 SU1510ꎬ 日 立 ꎻ 鼓风干燥箱 ꎬ 型号为 DHG 9246Aꎬ 上海精宏实验 设备有限公司 ꎻ 高低温试验箱 ꎬ 型号为 HRT402Pꎬ 重 庆市威尔试验仪器有限公司 ꎻ 盐雾腐蚀试验箱 ꎬ 型号 为 TMJ 9703Bꎬ 铁木真电子科技 ( 昆山 ) 有限公司 ꎮ 1 3 试验方法 CFRP 试验样板采用预浸料热压罐工艺制作 ꎬ 铺层方式为 [ ±45 / 0 6 / ±45]ꎬ 成型压力为 0 4 MPaꎬ 固 化条件为 120 ꎬ2 hꎬ 样条使用 CNC 雕刻机进行加 工 ꎮ 钢样条采用激光切割的工艺进行切割 ꎮ 胶接前 2 结果与讨论 2 1 室温固化后剪切强度 断裂伸长率及失 效模式分析 两种结构胶室温固化后的剪切强度及断裂伸长 率结果如表 3 所示 ꎮ 由表 3 可知 ꎬ 环氧结构胶室温 固化后的剪切强度为 23 5 MPaꎬ 约为丙烯酸酯结构 胶强度的 2 倍 ꎮ 两种结构胶的断裂延伸率分别为 31% 和 22 72%ꎬ 均为高韧性结构胶 ꎮ 环氧结构胶的 拉伸失效模式以内聚破坏为主兼有少量界面破坏 ꎬ 而丙烯酸酯结构胶的失效模式基本为界面破坏 ꎮ 这 是由于试验所用的 CFRP 树脂基体为环氧树脂 ꎬ 与 环氧结构胶的相容性较好 ꎬ 因此粘接强度较高 [14] ꎮ 而丙烯酸酯结构胶与 CFRP 环氧基体的相容性相对 较差 ꎬ 导致二者界面结合性差 ꎬ 发生界面破坏 ꎬ 因此 剪切强度较低 ꎮ 表 3 室温固化后剪切强度及断裂伸长率 Table 3 Shear strength and elongation at break after curing at room temperature 结构胶类型环氧结构胶丙烯酸酯结构胶 剪切强度 / MPa 断裂伸长率 / %

3 2019 年第 5 期玻璃钢 / 复合材料 环境耐久性对于结构胶来说 ꎬ 基于其本身为高分子聚合物 材料的特性 ꎬ 因此胶接接头的环境耐久性成为连接 可靠性和长期服役可靠性的一个非常关键的问题 ꎮ 此外 ꎬ 在汽车服役期间会经历各种各样复杂的环境 条件 ꎬ 因此该研究对于结构胶在汽车领域的应用具 有非常重要的意义 ꎮ 这两类结构胶的环境耐久性测 试结果见表 4 和图 3ꎬ 其中变化率为较室温固化后 剪切强度的变化情况 ꎮ 试验 项目 环境 耐久性 Table 4 试验 内容 表 4 环境耐久性测试结果 The results of environmental durability 环氧结构胶 剪切强度 / MPa 变化率 / % 丙烯酸酯结构胶 剪切强度 / MPa 变化率 / % 高温 低温 热老化 湿热 耐候 过盐雾处理后 ꎬ 两类胶的剪切强度分别降低 6% 和 4 9%ꎬ 这是由于盐雾中的 Cl - 扩散到结构胶中 ꎬ 破坏 了胶体的交联网络结构 ꎬ 导致性能衰减 [15] ꎮ 由以上 测试结果可知 ꎬ 胶接接头环境耐久性方面要重点关 注高温和盐雾环境 ꎮ 2 3 电泳烘烤后胶接剪切强度及失效模式 分析 这两类结构胶电泳烘烤后的剪切强度见表 5ꎮ 从该测试结果可知 ꎬ 汽车电泳烘烤工序对胶接接头的 剪切强度有着显著的影响 ꎬ 且这种影响与结构胶自身 的性质有关 ꎮ 环氧类结构胶电泳烘烤后的剪切强度 仅为 7 28 MPaꎬ 较电泳前降低 69%ꎬ 失效模式为内 聚破坏 ꎮ 可见电泳工序对该款高韧性环氧结构胶有 较大的负面影响 ꎮ 而丙烯酸酯结构胶电泳后的剪切 强度增大至 MPaꎬ 较电泳前提高 22%ꎬ 失效模 式为内聚破坏与基材破坏兼有的模式 ꎮ Table 5 表 5 电泳烘烤后的胶接剪切强度测试结果 Shear strength results after electrophoresis drying 盐雾 结构胶类型环氧结构胶丙烯酸酯结构胶 剪切强度 / MPa 图 3 不同环境下的剪切强度 Fig 3 Shear strength under different environments 高温环境下两类胶的剪切强度均降低 ꎬ 其中环氧胶下降率达 70 8%ꎬ 表明环氧胶的高温性能较差 ꎮ 在低温 热老化 湿热和耐候性这四种环境下 ꎬ 环氧和丙烯酸酯结构胶的强度均呈现不同程度的升高 ꎮ 其中丙烯酸酯结构胶在热老化 湿热和耐候处理后 ꎬ 剪切强度提升较大 ꎬ 这主要是因为丙烯酸酯结构胶在进行室温固化时固化不完全 ꎬ 而热老化 湿热和耐候性三种环境处理使其固化度提高 ꎬ 从而使得剪切强度获得了较大提升 ꎮ 虽然在湿热和耐候性试验中水分的存在会对胶接强度产生一定的负面影响 ꎬ 但固化度提高带来的强度的提升发挥着主要作用 ꎮ 经 2 4 电泳烘烤工序对结构胶剪切性能的影响机制为了探究电泳烘烤工序对这两类结构胶剪切强度的影响机制 ꎬ 本文对这两类胶电泳烘烤前 后失效的微观结构 ( 见图 4) 及玻璃化转变温度 ( T g ) ( 见图 5) 进行了表征 ꎮ 由图 4 可知 ꎬ 这两类胶电泳烘烤前均表现出蜂窝状结构 ꎮ 对比图 4(a) 和图 4(b) 可以发现 ꎬ 环氧结构胶电泳烘烤后表现出一种典型的脆性断裂现象 ꎬ 破坏表面没有明显的蜂窝状结构 ꎬ 而是表现出较平整的块状胶层断面 ꎬ 因此剪切强度降低 ꎮ 而丙烯酸酯结构胶在电泳烘烤后表现出一种韧性断裂 ꎬ 交联密度增大 ꎬ 蜂窝状结构更加紧密且蜂窝孔的孔径变小 ꎬ 这有利于强度的提升 ꎬ 见图 4( c) 和图 4 (d)ꎮ 图 5 所示为这两类结构胶电泳烘烤前后的玻璃化转变温度曲线 ꎮ 由图 5(a) 可知 ꎬ 环氧结构胶电泳烘烤后的 T g 有所降低 ꎬ 对粘接强度有一定的负面影响 [16] ꎬ 这与 SEM 测试结果一致 ꎮ 这是由于该胶在电泳时发生热老化作用 ꎬ 交联密度降低 ꎮ 而丙烯酸酯结构胶在电泳烘烤时发生了后固化作用 ꎬ 交联密度增加 ꎬ 导致 T g 升高 ꎮ

4 碳纤维复合材料 / DC04 钢 胶接剪切性能研究 92 2019 年 5 月 3 小 结 本文对室温固化的高韧性环氧与丙烯酸酯两类 结构胶胶接 CFRP / 钢的剪切性能进行试验ꎬ并对试 验结果进行了对比分析ꎬ结论如下: (1) 室温固化后两类结构胶均表现出较好的剪 切强度ꎬ其中环氧结构胶的剪切强度为 23 5 MPaꎬ 失效模式以内聚破坏为主ꎬ丙烯酸酯类结构胶的强 度为 12 83 MPaꎬ表现为界面破坏ꎻ (2) 在环境耐久性方面ꎬ环氧类结构胶高温环 境下的性能较差ꎬ强度下降达 70 8 ꎬ此外ꎬ盐雾环 境对两类结构胶强度均有一定的负面影响ꎻ (3) 汽车电泳烘烤工序对结构胶胶接接头的剪 切强度有显著影响ꎬ环氧类结构胶电泳后剪切强度 图 4 环氧与丙烯酸酯结构胶电泳烘烤前 后 SEM 图 Fig 4 SEM images before and after electrophoresis drying of epoxy and acrylate structural adhesives 仅有 7 28 MPaꎬ较电泳前降低了 69 ꎬ而丙烯酸酯 结构胶电泳后的剪切强度为 15 65 MPaꎬ较电泳前 提高了 22 ꎻ (4) 结构胶连接车用 CFRP 与钣金件时ꎬ要充分 考虑结构胶的力学属性ꎬ同时要根据 CFRP 零部件 在车身上的装配情况( 装配完过电泳 后装配) 选择 合适的结构胶进行粘接ꎬ若 CFRP 零部件进行后装 配ꎬ两种结构胶的强度均满足要求ꎬ若 CFRP 零部件 需经过电泳烘烤ꎬ则可选择丙烯酸酯结构胶ꎮ 参考文献 [1] 范子杰ꎬ 桂良进ꎬ 苏瑞意. 汽车轻量化技术的研究与进展[ J]. 汽车安全与节能学报ꎬ 2014ꎬ 5(1) : 1 16. [2] 宋燕利ꎬ 杨龙ꎬ 郭巍ꎬ 等. 面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材 ( a) 环氧结构胶 ( a) Epoxy structural adhesive 料关键技术[ J]. 材料导报 A: 综述篇ꎬ 2016ꎬ 30(9) : 16 25ꎬ 50. [3] 侯雅男. 碳纤维复合材料特性及其在汽车单体壳上的应用[ J]. 工业技术创新ꎬ 2016ꎬ 3(6) : 1293 1295. [4] Martin K S B. Crash modified two componebt adhesives for joining CFRP and aluminium in automotive body in white[ J]. Weld Worldꎬ 2016ꎬ 60: 767 776. [ 5] Hao X Fꎬ Wang Hꎬ Hua Lꎬ et al. Study on the law of ultrasonic vi bration assisted adhesive bonding of CFRP to Aluminum joints[c] / / 2017 International Conference on Mechanical and Mechatronics En gineering ( ICMME 2017). 2017: 239 245. [6] 张宇星. 创新 BMW i3 电动汽车全球首发[ N]. 国际商报ꎬ 2013 8 2ꎬ C02 版. ( b) 丙烯酸酯结构胶 图5 Fig 5 ( b) Acrylate structural adhesive 结构胶电泳烘烤前 后的玻璃化转变温度曲线 Glass transition temperature curve before and after electrophoresis drying of structural adhesives FRP / CM 2019 No 5 [7] 刘万双ꎬ 魏毅ꎬ 余木火. 汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应 用现状[ J]. 纺织导报ꎬ 2016(5) : 48 52. [8] Wu Cꎬ Zhao X Lꎬ Duan W Hꎬ et al. Bond characteristics between ultra high modulus CFRP laminates and steel[ J]. Thin walled Struc turesꎬ 2012ꎬ 51: 147 157. [9] 胡平ꎬ 韩啸ꎬ 李伟东ꎬ 等. 考虑汽车车身涂装工艺影响的非平衡 胶接接头强度[ J]. 机械工程学报ꎬ 2012ꎬ 48(20) : 93 102.

5 2019 年第 5 期 玻璃钢 / 复合材料 93 [10] Bastien Eꎬ Romain Eꎬ Fabienne Tꎬ et al. Development of a laser [13] 钟霞 ꎬ 任天斌 ꎬ 黄超. 低放热室温固化环氧胶黏剂的制备及其 shock adhesion test for the assessment of weak adhesive bonded 性能研究 [J]. 热固性树脂 ꎬ 2011ꎬ 26(3): 29 31ꎬ35. CFRP structure[j]. International Journal of Adhesion & Adhesivesꎬ [14] 赵丽滨 ꎬ 徐吉峰. 先进复合材料连接结构分析方法 [M]. 北京 : 2014ꎬ 52: 北京航空航天大学出版社 ꎬ 2015: [11] 杨艳. Steel / CFRP 异质材料胶接工艺及接头性能的仿真与实验 [15] 高云龙 ꎬ 刘延年 ꎬ 梁爽 ꎬ 等. 盐雾作用对环氧胶黏剂的影响 研究 [D]. 镇江 : 江苏大学 ꎬ [J]. 四川建筑科学研究 ꎬ 2017ꎬ 43(3): [12] 宋军军 ꎬ 张君. 室温快速固化环氧胶黏剂的发展现状 [J]. 黑龙 [16] 张军 ꎬ 贾宏 ꎬ 陈旭. 环境对各向异性导电胶膜性能参数的影响 江学报 ꎬ 2013ꎬ 4(1): [J]. 电子与封装 ꎬ 2006ꎬ 6(8): STUDY ON SHEAR PROPERTIES OF "CARBON FIBER REINFORCED POLYMERS / DC04" STEEL ZHANG Ran ran 1ꎬ2 ꎬ CHEN Yi ning 1 ꎬ XIONG Jian min 1 ꎬ SU Yi chang 1 (1 Zotye Automotive Engineering Research Instituteꎬ Hangzhou ꎬ Chinaꎻ 2 School of Materials Science and Engineeringꎬ Zhejiang Universityꎬ Hangzhou ꎬ China) Abstract:In this paperꎬ room temperature curing and high toughness epoxy and acrylate structural adhesives were used to join the Carbon Fiber Reinforced Polymers ( CFRP) and steel plates. The shear strengthꎬ failure mode and environmental durability of these two kinds of structural adhesives were analyzed. The results show that the shear strength of the high toughness epoxy structural adhesive was 23 5 MPa after curingꎬ and the failure modes were mainly cohesive failure as well as interface failure. Andꎬ the shear strength of the high toughness acrylate structural adhesive was MPa after curingꎬ with the failure mode being dominated by interface failure. In additionꎬ the paper also explored the effect of electrophoresis baking process on the shear strength and failure mode of two struc tural adhesives. The results show that the shear strength of the epoxy structural adhesive after electrophoresis was 7 28 MPaꎬ which was 69% lower than that before electrophoresisꎬ and the failure mode was cohesive failure of the adhesive layer. Besidesꎬ the strength of the acrylate structural adhesive was MPaꎬ which was 21 6% higher than that before electrophoresis. The failure modes were both cohesive failure and substrate failure. It could be seen that the electrophoretic baking process had different effects on the shear strength of different structural adhesives. When the CFRP parts need to be electrophoreled with the steel bodyꎬ the acrylate structural adhesive can meet the requirement of shear strength. Key words:room temperature curingꎻ structural adhesiveꎻ carbon fiber reinforced polymersꎻ steelꎻ shear prop erties

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