丙烯酸酯結構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有限公司，北京 100041）

丙烯酸酯結構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有限公司，北京 100041）

研究了結構膠拉伸剪切疲勞性能的試驗方法和數據處理過程，較為系統地研究了膠層厚度、平均應力τm、 頻率等對剪切件耐久極限的影響。研究結果表明，隨著膠層厚度的增加，剪切件的疲勞耐久極限先增大后減小；平均應力升高，會降低結構件的疲勞耐久極限；測試頻率為20 Hz時剪切件的耐久極限低于30 Hz時的耐久極限。不同類型的丙烯酸酯結構膠，疲勞耐久極限不同。

汽車輕量化；結構粘接；疲勞性能；耐久極限；影響因素

由于材料、能源、環境和市場的需求，汽車的輕量化需求越來越大。所謂汽車輕量化，是指在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能降低汽車的重量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗以降低污染排放［1］。

隨著汽車輕量化的發展，先進高強度鋼材、工程塑料及質輕金屬［2，4］及結構膠粘劑在汽車工業中得到大量應用［3］。

結構粘接技術作為一種輕量化連接技術，是未來汽車輕量化發展中的關鍵性技術之一。與傳統點焊等連接方式相比，除了具有理想異質連接性能，同時還存在良好的密封性、抗疲勞性能等優勢。由于不需要高溫加熱，基材的性能沒有變化。與其他連接工藝相比，粘接工藝不僅能使結構應力分布均勻，改善抗疲勞和抗沖擊特性，而且還能提高結構的抗腐蝕能力，利于生產工程自動化［3］。結構粘接接頭可以在整個使用過程中傳遞靜態或者動態載荷。因此，掌握粘接力學性能，完善典型粘接接頭的強度和耐久性能預測粘接方法及理論，可對該技術在車身連接結構設計及優化過程中的有效應用起到指導作用［5］。

本文根據《GB/T 27595-2011膠粘劑——結構膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗方法》［6，7］系統研究了膠層厚度、平均應力、頻率等對單搭接剪切結構粘接件的耐久極限的影響。

1 膠層厚度對耐久極限的影響

在粘接結構中，膠層厚度對總體性能的影響一直以來都非常引人關注，人們通常希望能在減少膠粘劑用量的前提下使粘接結構的總體性能達到最優［8］，工程中這需要對膠層厚度進行優化設計才能做到。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件靜態強度的變化規律，以及膠粘劑固有物理屬性對該變化規律的影響［8］。彭興財等［6］在風電葉片用環氧結構膠疲勞性能研究中考查了膠層厚度對疲勞性能的影響，但是結果較為籠統。為此，本文詳細研究了膠層厚度對結構膠疲勞性能的影響。

選擇的結構膠產品TS828為高性能雙組分丙烯酸酯結構膠，2組分體積比為10：1。

參考GB/T 7124—2008按照VA：VB=10：1進行混合，并用混合好的丙烯酸酯結構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，粘接前用丙酮進行清潔。粘接好的樣件在恒溫室固化24 h。每個厚度分別取5個樣品，根據GB/T 7124—2008測

試其靜態剪切強度，結果見表1。

表1 TS828不同膠層厚度的靜態剪切強度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，剪切強度略有降低，但變化不大。根據GB/T 27595—2011，疲勞測試時，平均應力τm可在0.25τR到 0.50τR內 取值，τm一 般可取0.35τR。

為了便于比較，在做疲勞測試時，τm未按照0.35τR來 對每一個膠層厚度的樣件進行取值，而是統一選擇τm=7.5 MPa，但所有取值均在0.25τR～ 0.50τR區 間里。

當膠層的厚度為0.05 mm，樣件的疲勞測試結果見表2。

表2 膠層厚度為0.05 mm時TS828的疲勞測試結果Tab.2 Fatigue test results of TS828 with layer thickness of 0.05 mm

其中，ni為 第i級觀察到的最少試驗次數；k是從特定的破壞測試結果到未破壞測試結果必須經過的級數（0＜i＜k）。

如果破壞的試樣個數少，則用值-（1/ 2）；如果未破壞的試樣個數少，則用值+ （1/2）。

標準偏差按照式（2）計算：

所以，當膠層厚度為0.05 mm時，TS828樣品的耐久極限結果如下：

其中，N=106，τ=7.5 MPa

因為13個樣品中，破壞的樣品數量是5個，未破壞的樣品數量是8個，破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“± ”取“-”號［7］。

對于上述13個樣件中，經過106循環后仍然未斷裂的樣品，在恒溫室平衡24 h后，測試了其殘余靜態剪切強度，結果見表3。

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

從表3可見，當疲勞測試的振幅增大時，殘余應力的保持率會降低。

用同樣的計算過程，得到了TS828粘接鋁剪切件其余膠層厚度的疲勞耐久極限計算結果如下：

以膠層厚度為橫坐標，耐久極限為縱坐標，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

對于靜態剪切強度，膠層表面von Mises應力隨著膠層厚度的增加而增大，單搭接接頭的強度隨著膠層厚度的增加而降低［8，9］。從圖1可以看出，對于動態疲勞性能，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，耐久極限反而會下降。可見膠層厚度對動態疲勞性能與靜態剪切強度的影響略有不同。

2 平均應力對耐久極限的影響

平均應力在疲勞測試以及實際應用中是一個非常重要的參數。在疲勞測試當中，平均應力的取值是一個范圍，τm=（0.25～0.50）τR。 表4是不同平均應力下的疲勞耐久極限的測試結果。

表4 平均應力為9.0 MPa時TS828的疲勞測試結果Tab.4 Fatigue test results of TS828 at mean stress of 9.0 MPa

因為13個樣品中，破壞的樣品數量是7個，未破壞的樣品數量是6個，未破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“± ”取“+”號。

而當平均應力為7.5 MPa時，耐久極限［7］是：

可見隨著平均應力的提高，耐久極限大幅下降。

3 頻率對耐久極限的影響

疲勞測試的頻率是非常重要的參數，通常情況下，測試頻率會選擇30 Hz。頻率太高，膠層會發熱，影響測試結果；頻率太低，會延長測試時間。

為了考查頻率對耐久極限的影響，同樣選用TS828高性能結構粘接劑，測試了頻率為20 Hz時剪切件的疲勞性能，結果見表5。

表5 當頻率為20 Hz時TS828的疲勞測試結果Tab.5 Fatigue test results of TS828 at frenquency of 20 Hz

因為13個樣品中，破壞的樣品數量是8個，未破壞的樣品數量是5個，未破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“±”取“+”號［7］。

從上述數據可以看出，當其他參數都不變，將頻率從30 Hz降為20 Hz時，結構膠產品剪切件的耐久極限反而由4.85 MPa降低到3.15 MPa。由于時間的限制，目前僅研究了這2個頻率的疲勞性能。

4 不同類型丙烯酸酯結構膠的耐久極限

表6給出了2款不同性能的丙烯酸酯結構膠的基本力學性能。

表6 2款丙烯酸酯結構膠的基本力學性能Tab.6 Main mechanical properties of two kinds of acrylate structural adhesives

由表6可以看出，TS819屬于剛性較強的丙烯酸酯結構膠，剪切強度非常高；而TS828則屬于綜合性能優異的丙烯酸酯結構膠，粘接強度高、韌性好、抗老化性能優異。

為了進行平行比較，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的耐久極限計算結果如下：

TS819高強度結構膠的疲勞測試結果見表7。

表7 TS819的疲勞性能測試結果Tab.7 Fatigue test results of TS819

因為13個樣品中，破壞的樣品數量是6個，未破壞的樣品數量是7個，破壞的試樣占的百分比小，所以上式中“±”取“-”號［7］。

可見，TS819高強度結構膠的耐久極限小于TS828的耐久極限。相對而言，還是綜合性能優異、尤其是韌性較好的TS828高性能結構粘接劑疲勞性能更好。這與產品的定位相同。

5 結論

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

（3）頻率為20 Hz時結構膠剪切件的耐久極限低于頻率為30 Hz時的耐久極限。

（4）韌性較好的丙烯酸酯結構膠疲勞耐久極限會相對較大。

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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，高級工程師，從事丙烯酸酯結構膠粘劑的研發工作，已在國內外期刊發表論文數十篇，申請國家發明專利5項，作為主要起草人參與起草國家標準1項，獲得2011北京市科技新星、2012北京市優秀人才等多個項目的資助。E-mail：meina.du@hbfuller.com。