表面處理方法對鋁鋰合金膠接強度的影響

李梓廈 劉庭欣 龔渝 向延鴻 李劍

（吉首大學物理與機電工程學院，吉首 416000）

文摘 為研究不同表面處理方法對鋁鋰合金膠接強度性能的影響，分別采用砂紙打磨、氯化銅刻蝕、噴砂以及磷酸陽極化（PAA）方法對鋁鋰合金進行表面處理，并對不同改性表面微觀形貌、粗糙特性、潤濕性能以及其膠接接頭強度性能進行對比分析。結果表明，表面處理后的鋁鋰合金表面潤濕性能改善與膠接性能提高。相對于未處理試樣，砂紙打磨、氯化銅刻蝕、噴砂與PAA 處理試樣表面自由能分別提升了26.7%、48.8%、52.9%與71.1%，相應膠接接頭強度分別提升152.7%、204.1%、285.1%與413.5%。PAA 構筑的多孔氧化膜結構更有利于膠黏劑在鋁鋰合金表面的滲透與黏附，試樣表面潤濕性明顯改善，膠接強度得到了顯著的提高，最高強度為38 MPa。

0 引言

隨著經濟的快速發展和對節能、環保要求的逐漸提高，結構輕量化已成為航空航天、交通運載等工業領域的發展趨勢。鋁鋰合金具有密度小、強度高、耐腐蝕性好等優點，在航空航天輕量化設計中得到了廣泛的應用。鋁合金連接工藝通常采用傳統的螺栓、鉚接以及焊接等連接方式，與傳統連接技術相比，膠接結構具有承載面積大、應力分布均勻、高比強度/比剛度等優勢，且在連接成型中無需較大程度地破壞材料本身屬性，因此膠接技術在交通運載等領域的結構輕量化連接中具有廣闊的應用前景。

膠接接頭的強度不僅與膠黏劑的力學屬性有關，而且與粘結的界面屬性有較大關聯，良好的被黏物表面特性是形成穩定粘結界面的關鍵，因此通過不同表面處理方法來獲取合適的基板表面微觀特性得到了學者的研究與探索。PAN 等［1］與FLANAGAN等［2］對試樣表面進行噴砂處理，通過調節基板表面粗糙度來增強其膠接性能。BOUTAR 等［3］采用不同型號砂紙對鋁合金表面進行機械打磨，研究不同粗糙度對基板表面潤濕性和膠接性能的影響。李長青等［4］采用低溫空氣等離子技術對鋁合金表面進行改性處理，發現改性后的鋁合金表面潤濕性能顯著改善。吳瑤等［5］與劉良威等［6］對粘結基板表面進行激光處理，發現改性后膠接接頭強度有顯著的提高。SALEEMA 等［7］對6061 鋁合金進行氫氧化鈉刻蝕以提高其膠接性能。LUNDER 等［8］通過實驗分析發現相對于常用的堿刻蝕，鋯鈦涂層能夠更有效地提高接頭的強度和穩定性。XU等［9］發現磷酸陽極化鋁合金表面比酸堿刻蝕更能顯著提高接頭的強度。盡管表面處理工藝對金屬膠接性能的影響得到眾多學者的研究，但對不同表面特性提升膠接接頭強度的作用機理與增強方式還有待更深入的研究。

本文對鋁鋰合金基板分別進行砂紙打磨、噴砂、氯化銅刻蝕以及磷酸陽極化工藝處理，分析不同表面處理對基板表面微觀形貌、粗糙度、潤濕性能等理化特性的影響，并對膠接接頭強度進行對比分析，探索表面特性增強鋁鋰合金膠接強度的作用機理與影響規律。

1 實驗

1.1 材料

選用100 mm×25 mm×2 mm 尺寸的鋁鋰合金為膠接基板，化學組成如表1 所示，膠黏劑材料為美國Cytec公司生產的環氧薄膜狀改性膠黏劑FM94，厚度為0.2 mm。

表1 鋁鋰合金基板化學組成Tab.1 Chemical compositions of Al-Li allo %（w）

1.2 表面處理方法

對鋁鋰合金試樣表面進行乙醇清洗以去除油污，分別采用砂紙打磨、氯化銅刻蝕、噴砂與磷酸陽極化（PAA）方法對試樣進行改性處理，以獲取不同特性的表面形貌結構，具體表面處理工藝參數如表2所示。處理后的試樣需用蒸餾水反復沖洗以清除表面黏附的殘余砂粒、化學殘余物等雜質，隨后放入干燥箱中在60 ℃下干燥30 min。

表2 表面處理方法與相關工藝參數Tab.2 Surface treatments and related process parameters

1.3 表面潤濕性

接觸角是衡量金屬表面潤濕性能的重要參數，利用Theta-Biolin 型光學接觸角測試儀對不同改性表面進行接觸角表征，選取蒸餾水與二碘甲烷作為測試液體，采用座滴法測試其在鋁鋰合金表面接觸角數值。每次滴定的液體為4 μL，在10 s 內完成測試，每個試樣選取三個不同位置進行測量，取平均值作為最終接觸角值。蒸餾水與二碘甲烷的色散力與極性力參數如表3所示。

表3 測試液體表面自由能參數Tab.3 Surface free energy parameters of the tested liquid mJ/m2

試樣的表面自由能可通過測試其表面兩種不同液體的接觸角間接計算，鋁鋰合金表面自由能通常利用蒸餾水與二碘甲烷接觸角值進行計算［10］。

浸潤的實質是液體在金屬表面的黏附，黏附功可以定義為：

而黏附功還可以用兩相中各自極性分量和色散分量來表示

聯合式（1）和（2），通過實驗獲取的蒸餾水與二碘甲烷表面接觸角數值，基于Owens-Wendt 模型，表面自由能可聯立式（3）-（5）計算所得：

1.4 試樣表面形貌特性

采用三維表面白光輪廓儀（WYKO NT9100，Veeco Metrology Inc，America）對鋁鋰合金表面進行粗糙度測試，每個試樣選取三個不同位置進行測試，取平均值作為最終粗糙度值。采用掃描電子顯微鏡（SEM，TESCAN，MIRA3）對不同表面處理基板進行表面微觀形貌分析。

1.5 剪切強度測試

鋁鋰合金膠接單搭接接頭試樣尺寸如圖1所示，膠接區域面積為12.5 mm×25 mm，接頭制備好后在粘結區域施加0.28 MPa 壓力，在120 ℃加熱爐中保持60 min，隨后隨爐冷卻。參照ASTM D1002—72，利用萬能力學試驗機CMT5504對膠接接頭進行力學性能測試，每組接頭試樣設置5 組，測試后取其平均值作為最后強度值。

圖1 單搭接膠接接頭示意圖Fig.1 Schematic diagram of single lap bonding joint

2 結果與討論

2.1 表面微觀形貌分析

圖2 為不同改性處理后的試樣表面微觀形貌。砂紙打磨表面形成較淺的不規則溝槽，對粗糙度和表面實際接觸面積的提升比較有限。氯化銅刻蝕試樣表面粗糙性較均勻，劇烈的化學反應使得試樣表面鋁元素不斷溶解，在表面形成凹凸的階梯狀形貌，較大地增加試樣表面的粗糙度。噴砂表面粗糙度最大，高速的砂粒與試樣表面發生激烈的碰撞與摩擦，形成層疊密布的褶皺狀表面形貌，增加了試樣表面的粗糙度和實際表面積，提高了膠黏劑與試樣表面的接觸面積與機械嚙合力。PAA 過程中鋁鋰合金表面發生劇烈的電化學反應，通過鋁鋰合金的不斷溶解和生成在試樣表面形成多孔狀氧化膜結構，極大增加了與膠黏劑的實際接觸面積，同時由于毛細作用增強，試樣表面具備很強的吸附力，有利于膠黏劑在表面孔狀膜層中的滲透與黏附。

圖2 不同處理試樣表面微觀形貌Fig.2 The surface morphology of samples with different treatments

2.2 表面粗糙度分析

圖3 為不同表面處理方法獲取的表面粗糙度輪廓，結合微觀形貌圖和粗糙度輪廓圖可以直觀地看出噴砂表面皺褶狀形貌粗糙度最大且凹坑和尖銳特征明顯。砂紙打磨表面粗糙度形貌結構，表層呈現出微觀刮痕，表面輪廓波動幅度較小，平均粗糙度值為0.39 μm。氯化銅刻蝕表面因劇烈的化學反應使得表面鋁溶解較多，階梯狀的表面形貌也就導致粗糙度輪廓曲線有較大的波動狀態，平均粗糙度為1.21 μm。噴砂試樣表面輪廓曲線上下波動幅度最大，砂粒沖擊試樣表面時，表層金屬被沖擊成凹坑的同時也有部分金屬被砂粒沖擊力鏟起形成不規則凸峰，導致金屬表面凸起和凹坑差異較大，其平均粗糙度值為2.95 μm。PAA 處理試樣表面輪廓曲線較為規范，波動幅度均勻且呈現出向表面內側延伸的趨勢，這與試樣表面疏松多孔狀微觀形貌密切相關，其平均粗糙度為0.78 μm，多孔形貌增加了表面實際接觸面積，能夠很好地提升試樣表面的潤濕性與黏附能力。綜合以上分析，提高試樣表面粗糙度能夠增加膠黏劑與被粘物表面的接觸面積，增大膠接界面機械鑲嵌與咬合力，從而有利于增強膠接接頭的連接強度。

圖3 不同處理方式的試樣表面粗糙度以及其表面粗糙度輪廓Fig.3 Surface roughness and roughness profile of samples with different treatments

2.3 表面潤濕性分析

良好的基板表面潤濕性有利于膠黏劑的黏附與滲透，是提升膠接接頭強度的重要因素。表4為不同表面改性鋁鋰合金試樣與蒸餾水、二碘甲烷接觸角測量平均值。未處理的原始表面潤濕性最差，接觸角數值最高。經不同表面工藝改性后，試樣表面潤濕性能有不同程度的改善，砂紙打磨表面潤濕性能提高較為有限，刻蝕和噴砂表面潤濕性能有了較大的改善，接觸角數值較原始表面下降了接近50%。PAA改性表面潤濕性能最好，表面疏松多孔形貌極大地促進了液體的吸收與鋪展，相比原始表面接觸角數值降低了約70%，具備較理想的潤濕性與黏附性。

表4 鋁鋰合金試樣表面與水、二碘甲烷的接觸角Tab.4 The contact angle between the surface of Al-Li alloy sample and water，diiodomethane

2.4 表面自由能分析

圖4為不同改性試樣表面自由能結果對比，原始試樣表面自由能最低為45.7 mJ/m2，砂紙打磨、氯化銅刻蝕、噴砂和PAA改性表面自由能相對應原始表面分別提升了26.7%、48.8%、52.9%與71.1%，說明表面改性對試樣表面自由能有較大提高，能夠積極促進表面的潤濕與黏附，同時，表面自由能的提升依賴于表面改性方式，不同改性方式構筑的微觀形貌特性對試樣表面自由能數值影響較大，PAA構筑的多孔氧化膜形貌對表面自由能的提升效果最為明顯。

圖4 不同處理試樣表面自由能Fig.4 Surface free energy of samples with different treatments

2.5 接頭強度性能分析

對不同表面處理方式的膠接接頭進行準靜態拉伸試驗，結果如圖5所示。未處理的原始膠接接頭強度最低僅為7.4 MPa，相比原始表面，砂紙打磨、氯化銅刻蝕、噴砂與PAA 處理膠接接頭，強度分別提升152.7%、204.1%、285.1%與413.5%。砂紙打磨形成的不規則溝槽對表面形貌和粗糙度改善較為有限，其表面與膠黏劑的潤濕性與黏附能力較弱，接頭拉伸強度也就相對較弱；氯化銅刻蝕表面通過劇烈的化學反應形成階梯狀表面形貌，較大程度增加了試樣表面粗糙度，有利于膠黏劑的黏附和嵌合從而提升其膠接強度；而噴砂對試樣表面粗糙度提升最為明顯，表面層疊褶皺形貌增大了與膠黏劑接觸的表面積，提升了膠黏劑與基板的機械鑲嵌力，接頭強度得到較高的提升；PAA處理試樣表面具備較高的潤濕性與自由能，多孔氧化膜層具有較大的吸附力，有助于膠黏劑在試樣表面的滲透與黏附，極大地提高了鋁鋰合金被黏物與膠黏劑的接觸面積與黏附性能，膠接接頭強度有顯著的提高。

圖5 不同表面處理方法膠接接頭剪切強度Fig.5 Shear strength of adhesive joints with different surface treatments

2.6 接頭斷裂形貌分析

不同表面處理的膠接接頭斷裂模式如圖6所示。原始表面膠接接頭斷裂表面呈現典型的界面失效模式，膠層與基板表面沒有形成有效的黏附，一側基板表面沒有粘附膠層。砂紙打磨和氯化銅刻蝕膠接接頭斷裂表面存在較大面積界面破壞，但基板表面都有大量膠層黏附，說明經過表面改性后基板與膠層的黏附性能有所提升。噴砂處理膠接接頭斷裂表面呈現混合破壞模式，基板上膠層黏附較為均勻但膠層較薄且微小脫黏區域較多，噴砂形成的粗糙形貌增大了試樣表面與膠黏劑的接觸面積以及機械嚙合力，膠層黏附能力提升較快。PAA 改性膠接接頭斷裂表面顯示較典型的內聚破壞模式，基板表面膠層分布均勻且覆蓋全面，說明基板表面具備很強的黏結能力，PAA 工藝在試樣表面構筑的多孔氧化膜結構具備良好的表面潤濕性，有利于膠接基板與膠黏劑形成穩定可靠的黏附界面。

圖6 不同表面處理膠接接頭斷裂形貌Fig.6 Fracture morphologies of adhesive joints with different surface treatments

3 結論

（1）砂紙打磨、氯化銅刻蝕、噴砂與PAA 處理試樣的表面自由能相對于未處理試樣分別提升了26.7%、48.8%、52.9%與71.1%，結果表明增大試樣表面粗糙度有利于其表面潤濕性能的改善，PAA 形成的多孔氧化膜結構則更有利于膠黏劑的滲透與黏附，表面自由能提升最為明顯。

（2）表面處理有效提升了試樣的膠接強度，相比未處理試樣接頭，砂紙打磨、氯化銅刻蝕、噴砂與PAA 處理膠接接頭強度分別提升152.7%、204.1%、285.1%與413.5%，其中PAA 處理膠接接頭強度最高，為38 MPa。

（3）鋁鋰合金表面形貌特性是其潤濕性改善與膠接性能提升的關鍵，增加表面粗糙度有助于提升膠接界面實際接觸面積與機械嚙合力，而多孔氧化膜結構更有利于促進膠黏劑在基板表面的滲透與黏附，能夠顯著改善鋁鋰合金基板表面潤濕性，提高膠接強度。