簡介

近些年，汽車行業(yè)趨向用減重和使用燃油經(jīng)濟(jì)性更高的發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)顯著降低車輛的燃油消耗率，以便達(dá)到法規(guī)的要求。這些技術(shù)進(jìn)步大大地降低了燃油的消耗和二氧化碳的排放。低能耗，環(huán)境友好，駕駛舒適性以及安全性成為眾多汽車生產(chǎn)商在制定他們的市場(chǎng)策略時(shí)，更加重視的賣點(diǎn)。為此，汽車供應(yīng)商和材料生產(chǎn)商支持汽車廠家開發(fā)現(xiàn)代輕量化設(shè)計(jì)和解決潛在的各種技術(shù)和材料應(yīng)用問題，以滿足對(duì)未來汽車制造需求的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代輕量化設(shè)計(jì)需要新的粘合劑技術(shù)，以便連接新的材料和新的材料組合，不同材料的粘接在這里顯得尤為重要。對(duì)粘合劑技術(shù)的需求是新材料工藝發(fā)展的必然，他們之間的技術(shù)組合會(huì)充分體現(xiàn)出粘接技術(shù)的優(yōu)越性。

近年來，最重要的汽車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢(shì)是高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼的使用。歐洲的緊湊型轎車的車身甚至采用了重量比50%到65%的高強(qiáng)鋼。無一例外地，如今轎車的所謂“安全客艙”周圍在結(jié)構(gòu)上都大量采用了高強(qiáng)鋼。而激光拼焊的差厚板和軋制差厚板則作為更深層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化元素。

利用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)膠技術(shù)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼零件連接和裝配是非常高效和可靠的。這些粘合劑的高彈性模量提供了連接處的高靜態(tài)強(qiáng)度。而特種增韌技術(shù)能夠使粘合劑在承受各種載荷的情況下不發(fā)生破壞。相比于傳統(tǒng)的連接技術(shù)，粘接技術(shù)的耐疲勞度大大提升。相比于過去的結(jié)構(gòu)膠，新一代的結(jié)構(gòu)粘合劑顯示了更高的斷裂伸長率，這就降低了接頭受腐蝕后粘接強(qiáng)度的損失，同時(shí)也降低了在高強(qiáng)鋼接頭在低溫下的動(dòng)態(tài)剝離強(qiáng)度的損失。

本文重點(diǎn)討論結(jié)構(gòu)粘合劑粘接高強(qiáng)鋼的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞程度的最新趨勢(shì)。

高強(qiáng)度和極端強(qiáng)度鋼鐵級(jí)別的粘合

今天，許多不同級(jí)別的鋼材被用于制造汽車，而高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼的使用正在不斷地增長。在車身設(shè)計(jì)采用更多些新的鋼材級(jí)別有多重理由，因?yàn)樗麄兡軌蛲ㄟ^降低鋼板的厚度和簡化零部件設(shè)計(jì)來減重，比如各個(gè)立柱。另外，使用新的鋼材能夠提高車身剛度和減少轎車在碰撞時(shí)的客艙侵入量，比如說側(cè)碰。這些高強(qiáng)鋼的表面通常有硅鋁涂層，涂層的一個(gè)缺點(diǎn)是在有載荷時(shí)易于分層。BETAMATETM抗沖性結(jié)構(gòu)粘合劑(CDA;BETAMATETM是陶氏化學(xué)的結(jié)構(gòu)粘合劑商標(biāo))能夠高效地粘接這些高強(qiáng)鋼，相對(duì)于傳統(tǒng)連接方法比如點(diǎn)焊可以顯著提高耐疲勞度，這種抗沖性結(jié)構(gòu)粘合劑必須經(jīng)過性能優(yōu)化而特別適合于高強(qiáng)鋼甚至超高強(qiáng)鋼的粘接。

新一代開發(fā)出的抗沖性結(jié)構(gòu)粘合劑不但符合以上描述的要求，并且為供應(yīng)全球汽車制造業(yè)提供了更加穩(wěn)定的配方設(shè)計(jì)。

高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼的粘接

抗沖性結(jié)構(gòu)粘合劑對(duì)于高強(qiáng)鋼的粘合以及它們的表面涂層都是非常好的，使得涂層在載荷作用下幾乎不分層。相比于老的粘合劑，新的配方顯示了一個(gè)更高的延展性，腐蝕測(cè)試后更少的強(qiáng)度衰減，而隨著鋼材強(qiáng)度的提高，粘合劑的沖擊剝離性能并沒有降低。

　　表 1: 粘合劑的性能比較.

照片1顯示一種帶AlSi硅鋁涂層的超強(qiáng)鋼USIBOR用三種不同配方的抗沖性結(jié)構(gòu)粘合劑CDA粘接后的界面。左邊是低模量的CDA粘合劑;右邊則是兩種新配方的CDA粘合劑。當(dāng)前的配方使涂層完全分離。

圖1比較了不同強(qiáng)度的鋼材在23°C 和-40°C下的沖擊剝離強(qiáng)度。隨著鋼材強(qiáng)度的升高，沖擊剝離是不斷下降的，但是和老配方的CDA相比，低溫下的強(qiáng)度下降是非常有限的。從圖2可以看出這種提高的柔性，圖2顯示0°C以下普通鋼粘接的沖擊剝離強(qiáng)度，即使是在-40°C下數(shù)值讓然很高。

圖3顯示不同強(qiáng)度鋼材粘接在德標(biāo)VDA腐蝕后的粘接強(qiáng)度，耐腐蝕性是非常優(yōu)越的，因?yàn)榧羟袕?qiáng)度的下降非常小而失效模式主要是膠層失效(見照片2)

高柔性環(huán)氧結(jié)構(gòu)粘合劑用于多種材料的混合粘接

特殊粘合劑配方已經(jīng)發(fā)展成能夠很好地粘接不同材質(zhì)的底材比如鋁、鍍鋅鋼板和碳纖維的復(fù)合材料。在車身車間粘接多種材料的挑戰(zhàn)在于，不同的底材材料有著不同熱膨脹系數(shù)，它影響著粘接點(diǎn)的應(yīng)力集中度。普通的結(jié)構(gòu)膠可能失效的原因在于，這些集中的熱應(yīng)力影響了接頭的完整性而容易發(fā)生界面失效。

為此，經(jīng)過特別增韌處理的結(jié)構(gòu)膠已經(jīng)研發(fā)出來，它能夠承受極其高的應(yīng)力載荷，能夠讓車身的結(jié)構(gòu)接頭在經(jīng)過電泳烘爐的高溫后冷卻時(shí)的熱變形過程中仍然保持較高的殘余強(qiáng)度。這種新的粘合劑技術(shù)在降低了彈性模量的同時(shí)卻仍然具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。而它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度都很高，顯示了出眾的抗疲勞性和動(dòng)態(tài)負(fù)載下的抗沖擊性。而且靜態(tài)強(qiáng)度在溫度升高的時(shí)候仍然較高，它保證了粘接接頭即使在電泳的烘爐中也能保證一定的穩(wěn)定性。照片3a和3b顯示了在粘接CFRP和鋁板時(shí)的膠層失效模式。

照片3：a)粘接底材為Dow VORAFORCETM5300樹脂碳纖維板的失效模式，b)粘接底材為Dow VORAFORCETM5300樹脂碳纖維板和6016鋁板的失效模式

表2的數(shù)據(jù)總結(jié)了用新型CDA結(jié)構(gòu)粘合劑在粘接不同底材時(shí)的剪切強(qiáng)度, 而這種新型CDA結(jié)構(gòu)粘合劑是專為粘接異種材料而開發(fā)的。

表3的數(shù)據(jù)顯示了不同CDA結(jié)構(gòu)粘合劑的材料材料屬性。彈性模量相對(duì)較低，但是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度任然較高，而機(jī)械粘接力在模量降低的同時(shí)然能達(dá)到較高的數(shù)值。而且受到腐蝕后機(jī)械粘接力衰減非常有限。彈性模量的調(diào)節(jié)范圍很到，可以從400MPa到1000MPa。

下面的照片是經(jīng)受了VDA循環(huán)腐蝕后底材樣條的失效模式，結(jié)果顯示了膠層失效，而且沒有被腐蝕的跡象。

照片5顯示了新型CDA結(jié)構(gòu)粘合劑粘接接頭在130度下的膠層失效模式，右邊則比較給出了普通結(jié)構(gòu)粘合劑的失效模式，而被粘接的底材是兩種厚度為1mm的鍍鋅鋼板HC420Z100和HC340ZE50/50

工藝更方便的溫度穩(wěn)定配方粘合劑

此外，我們還開發(fā)了溫度穩(wěn)定性更高的結(jié)構(gòu)粘合劑，結(jié)構(gòu)粘合劑的存放溫度甚至高到60°C仍然顯示出良好的穩(wěn)定性，這為產(chǎn)品提供更長的保質(zhì)期以及在應(yīng)用時(shí)卓越的加工能力。粘度隨時(shí)間的增長曲線接近水平，保證了存儲(chǔ)穩(wěn)定性可達(dá)12個(gè)月。圖5粘度隨存貯時(shí)間而變化的情況。

用于車身返工和維修桶的雙組分環(huán)氧粘合劑

雙組分環(huán)氧結(jié)構(gòu)粘合劑被用于受損后的車身結(jié)構(gòu)修復(fù)。被修復(fù)的車身結(jié)構(gòu)需要達(dá)到受損前的性能狀態(tài)，為了達(dá)到這一目標(biāo)，雙組分結(jié)構(gòu)粘合劑仍然需要具有較高的彈性模量。通常，雙組分結(jié)構(gòu)粘合劑的彈性模量在做韌化改性后會(huì)有所衰減。然而新配方雙組分結(jié)構(gòu)粘合劑提供了與原先汽車車上上廣泛使用的單組份結(jié)構(gòu)粘合劑幾乎相同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度性能。圖5和圖6顯示了新配方雙組分結(jié)構(gòu)粘合劑剝離強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，對(duì)比過去老配方的用于汽車修復(fù)的結(jié)構(gòu)粘合劑。特別地，在23°C和甚至-20°C測(cè)試溫度下的動(dòng)態(tài)剝離強(qiáng)度得到了顯著的提升。

結(jié)論

基于特殊增韌改性的環(huán)氧單組份結(jié)構(gòu)粘合劑，已經(jīng)發(fā)展成有效地并且可靠地粘接各種高強(qiáng)鋼底材的有效零件連接手段。這種先進(jìn)的粘合劑不僅能夠很好地粘接帶鍍層的金屬，并且顯示出非常優(yōu)異的加工處理能力。另外，滿足車身修復(fù)的雙組份解決方案也在發(fā)展，保證了車身零件在修復(fù)后機(jī)械性能的完整性。這些用于售后維修的柔性雙組份環(huán)氧粘合劑，幾乎達(dá)到同汽車廠里用的單組份結(jié)構(gòu)粘合劑同樣的機(jī)械性能。