基于汽車沖擊剝離不同強度的環氧結構膠性能測試研究

許亞軍

摘要：本文主要針對汽車環氧結構膠的沖擊性能進行了試驗測試，就參數測試參數、增韌劑、環境溫度、粘接界面、微觀形貌等方面對沖擊剝離韌性的影響做了深入探析。結果表明，落錘質量與沖擊初始速率參數設置對于評估結構膠的性能影響并不顯著;添加增韌劑的結構膠沖擊韌性較高;粘接界面對于沖擊剝離韌性的影響主要取決于增韌劑;在測試溫度較低的狀態下，能夠有效辨別普通環氧結構膠與低溫抗沖擊環氧結構膠。

關鍵詞：汽車;沖擊剝離強度;環氧結構膠

中圖分類號：TQ433文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0009-03

1引言

膠粘劑性能在汽車穩定與安全中的作用不容忽視，在膠固化之后，粘接強度是最基礎的力學指標。汽車使用過程中需要全面應對各種復雜多變且惡劣的環境，為了防止出現車身金屬粘接失效的不良現象，衍生了特殊的耐碰撞結構膠（CDA）。就固化的化學機理角度而言，CDA主要以環氧樹脂系列膠粘劑為主。而對此膠的耐碰撞性進行評估的主要指標是沖擊剝離韌度與沖擊吸收能量。

2實驗

2.1材料

選用材料為DC00型冷軋鋼片材，尺寸是100mm×20mm×0.7mm，于寶山鋼鐵股份有限公司生產;普通環氧結構膠與低溫抗沖擊環氧結構膠則為實驗室自制;環氧樹脂則于長春化工有限公司生產;增韌劑為自制;雙氰胺于贏創德固賽化學有限公司生產;固化促進劑為美國空氣化工產品有限公司生產;氣相二氧化硅為瓦克化學有限公司生產;填料為江西一環礦產有限公司生產。

2.2儀器設備

選擇美國Flack Tek公司生產的Speed Mixer高速分散機以及美國Instron公司生產的CEAST9350落錘沖擊試驗機，落錘質量為40kg，沖擊速度為2m/s。

2.3制備工藝

把環氧樹脂、增韌劑、氣相白炭黑基于高速分散機進行全面分散，然后依次添加固化劑、促進劑、填料，分散到膠體充分均衡和細膩，然后真空攪拌脫泡大約10分鐘。

2.4試件制備

試件制備過程中，在各金屬片涂膠范圍的兩端固定耐高溫聚酰亞胺膜，尺寸為25mm×5mm×0.1mm，控制膠層的厚度是0.2mm。試樣放置到180℃的烘箱內部進行固化，30min之后再取出，在室溫狀態下靜置1d之后，根據標準要求彎折，確保形成標準形狀。

2.5性能測試

就具體標準要求，制備對稱型與不對稱型試樣，就不同實驗條件分組，選擇5個有效測試樣品。根據標準彎折成為規定形狀，以此對沖擊剝離韌度進行測試。環境測試溫度非明確指定，都規定為常溫23℃，測試溫度則為-40℃與60℃，主要通過落錘沖擊試驗機環境箱供給。

3結果與討論分析

3.1韌性性能

就沖擊性能結果表述標準而言，力-位移曲線去除之前25%與之后10%，再進行積分計算獲取平均剝離力，然后除以試件寬度，獲得沖擊剝離韌度。力-位移曲線積分計算之后，獲得沖擊吸收能力。對此標準所相關測試方式的精確度，因為缺乏多項實驗室橫向對比驗證，所以尚且不能明確定論。通過采用抗沖擊韌性不同的結構膠進行試件制備，基于-40℃進行沖擊實驗，選出最具代表性數據制成曲線圖，具體如圖1所示。

曲線線性擬合曲線標準偏差與調整R值表征沖擊剝離韌度與吸收能量之間存在顯著的線性相關性，說明二者可以客觀定量反映試件抗沖擊韌性。本文以沖擊剝離韌度為標準表示材料韌性。

3.2沖擊時物理量變化

選取結構膠進行落錘沖擊試驗，以反映沖擊時重要物理量在時間影響的變化。落錘下落時，實際受力太過復雜，為了進一步簡化分析，設定豎直方向只受落錘重力與膠層造成的抗沖擊剝離力。

不同膠抗沖擊剝離力存在一定差異，就落錘重力而言，分別是超出重力、近似重力、小于重力狀態。就牛頓第二定律而言，落錘運動分別對應的是勻減速運動、勻速運動、勻加速運動，具體速率變化情況各不相同。其中在抗沖擊剝離力從小變大的趨勢下，速率與時間的關系則為從正向負轉變的變化趨勢。因為落錘運動時動能變化可以看作沖擊剝離力和重力共同作用帶來的結果。但是，沖擊剝離力為負功作用，重力為正功作用，而吸收能量為沖擊剝離力負功。

結構膠沖擊剝離力各不一致，所吸收能量也存在顯著差異。由于力一時間變化曲線的一般特性是在破壞初始階段產生了大約2ms時間的劇烈波動，后來又出現了大約10ms時間的平穩狀態，這一部分沖擊剝離力并未發生太大變化，這就代表破壞是均衡性的。因為落錘沖擊位移比較固定，所以對此階段進行詳細分析，所吸收能量和平均沖擊剝離力之間呈現正相關關系。在試件被全方位破壞知乎，剝離力會快速縮減成0。就反復測驗數據信息綜合可以看出，平穩破壞的部分主要在曲線15%-19%之間。

所以，ISO11343標準中，對于數據處理環節明確要求詳細記錄沖擊曲線上選擇位移15%-19%階段破壞的沖擊剝離力與所吸收能量。通過詳細分析可知，基于測試沖擊中所吸收能量與平均剝離力，可全面辨別結構膠的韌性差異，以此有效評估膠的韌性。

3.3測試參數影響

落錘沖擊試驗包含兩個硬件參數，即落錘質量和沖擊初始速率。其中，落錘質量以增加或縮減加載標準砝碼數量，而沖擊初始速率則通過改變沖擊前落錘進行自由落體運動的高度加以調整。為了進一步簡化問題，測試則應選擇普通環氧結構膠。落錘質量與沖擊初始速率在測試結果中的影響具體如表1與表2所示。

3.4增韌劑影響

為了進一步適應流水線生產工藝需要，耐碰撞結構膠一般會選擇設計成高溫固化，在焊裝施膠時，與漆面共同完成固化。為了增強沖擊剝離韌度，添加增韌劑，以此為固化物增添韌性。增韌劑類型各式各樣，最常用的是橡膠彈性體材料、納米粒子、核殼結構粒子等等。

添加增韌劑的試件特性完全不同，選擇可以體現增韌劑效應的沖擊曲線，其共性為曲線都具備顯著的平臺發展時期，這一時期作用力變化趨勢較小。但是也存在差異，有的是先快速出現高峰期，再進行小幅度波動，但是其他的峰型并不顯著，可看作是基于沖擊作用便經歷了穩定的破壞過程。而通過各種實驗表明，環氧膠在添加有效增韌劑之后，才能夠賦予結構膠抗沖擊枠性。

就實驗觀察分析，沖擊曲線可以定性定量反映試件的抗沖擊韌性，在遭遇破壞之后，粘接界面表層也會區分為兩種情況，即穩定破壞與不穩定破壞。一般來說，穩定破壞主要發生在韌性測試件，以內聚失效為主，不穩定破壞主要發生在脆性或低韌性測試試件，以粘接失效或混合失效為主。

3.5環境溫度影響

材料韌性與環境溫度之間息息相關，溫度低，則脆性大。為驗證此規律，選擇普通環氧結構膠與低溫抗沖擊環氧結構膠為對象，測試常溫與-40℃狀態下的沖擊曲線。二者在常溫狀態下沖擊韌性都相對較好，具體如表3所示。

3.6粘接界面影響

環氧結構膠主要應用在汽車車身焊裝中，金屬材料是冷軋鋼板，還會進行鍍鋅鋼、電鍍鋼、高強度鋼板粘接。由于耐碰撞膠應用基材為油面，為了確保粘接性良好，碰撞膠中的增韌劑則應具備親油性。選擇普通環氧結構膠與低溫抗沖擊環氧結構膠兩種結構膠，以及三種不同基材進行對稱型試件比較分析，即普通CRS、防銹油處理CRS、鍍鋅鋼片。就兩種結構膠而言，基材表層進行油浸漬處理，對比除油處理狀況，不論是峰型還是力都未出現顯著變化，代表兩種結構膠的油耐受性與融合性較好。但是，基材轉變為鍍鋅鋼，沖擊曲線則會產生巨大改變。盡管兩種結構膠都添加了增韌劑，但是界面轉換為鍍鋅層之后，結果卻存在顯著差異。這代表不同界面屬性對于膠的沖擊玻璃韌度影響與增韌劑息息相關。因此，在選擇具體產品時，需要進行匹配試驗。

3.7微觀形貌

盡管比常溫與低溫狀態下，所吸收能力與沖擊剝離強度都會顯著降低，但是樣品依舊是內聚破壞類型。但是，不同的是低溫抗沖擊環氧結構膠處于常溫與低溫狀態下，受到沖擊，斷面均勻分布的斑塊按照從小到大的趨勢變化，紋路也越來越模糊。而普通環氧結構膠在常溫狀態下，受到沖擊，斷面均勻分布的斑塊也是按照從小到大的趨勢變化，但是在低溫狀態下，受到沖擊，斷面上會出現清晰的水平條紋，與脆性材料受外力作用裂紋迅速擴大的特性相符。

4結論

綜上，按照ISO11343標準，針對汽車沖擊剝離不同強度的環氧結構膠性能做了詳細分析，就參數測試參數、增韌劑、環境溫度、粘接界面、微觀形貌等方面對沖擊剝離韌性的影響進行了深入探究。結果表明，落錘質量與沖擊初始速率參數設置對于評估結構膠的性能影響并不顯著，而不對稱型試件相對于對稱型試件的沖擊剝離韌性相對較大，而添加增韌劑的結構膠沖擊韌性較高，粘接界面對于沖擊剝離韌性的影響主要取決于增韌劑，并且在測試溫度較低的狀態下，能夠有效區分普通環氧結構膠與低溫抗沖擊環氧結構膠。