表面處理方法對(duì)鋁鋰合金膠接強(qiáng)度的影響

李梓廈 劉庭欣 龔渝 向延鴻 李劍

（吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，吉首 416000）

文摘 為研究不同表面處理方法對(duì)鋁鋰合金膠接強(qiáng)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(yáng)極化（PAA）方法對(duì)鋁鋰合金進(jìn)行表面處理，并對(duì)不同改性表面微觀形貌、粗糙特性、潤(rùn)濕性能以及其膠接接頭強(qiáng)度性能進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，表面處理后的鋁鋰合金表面潤(rùn)濕性能改善與膠接性能提高。相對(duì)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(yīng)膠接接頭強(qiáng)度分別提升152.7%、204.1%、285.1%與413.5%。PAA 構(gòu)筑的多孔氧化膜結(jié)構(gòu)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(rùn)濕性明顯改善，膠接強(qiáng)度得到了顯著的提高，最高強(qiáng)度為38 MPa。

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)節(jié)能、環(huán)保要求的逐漸提高，結(jié)構(gòu)輕量化已成為航空航天、交通運(yùn)載等工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。鋁鋰合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天輕量化設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金連接工藝通常采用傳統(tǒng)的螺栓、鉚接以及焊接等連接方式，與傳統(tǒng)連接技術(shù)相比，膠接結(jié)構(gòu)具有承載面積大、應(yīng)力分布均勻、高比強(qiáng)度/比剛度等優(yōu)勢(shì)，且在連接成型中無(wú)需較大程度地破壞材料本身屬性，因此膠接技術(shù)在交通運(yùn)載等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)輕量化連接中具有廣闊的應(yīng)用前景。

膠接接頭的強(qiáng)度不僅與膠黏劑的力學(xué)屬性有關(guān)，而且與粘結(jié)的界面屬性有較大關(guān)聯(lián)，良好的被黏物表面特性是形成穩(wěn)定粘結(jié)界面的關(guān)鍵，因此通過(guò)不同表面處理方法來(lái)獲取合適的基板表面微觀特性得到了學(xué)者的研究與探索。PAN 等［1］與FLANAGAN等［2］對(duì)試樣表面進(jìn)行噴砂處理，通過(guò)調(diào)節(jié)基板表面粗糙度來(lái)增強(qiáng)其膠接性能。BOUTAR 等［3］采用不同型號(hào)砂紙對(duì)鋁合金表面進(jìn)行機(jī)械打磨，研究不同粗糙度對(duì)基板表面潤(rùn)濕性和膠接性能的影響。李長(zhǎng)青等［4］采用低溫空氣等離子技術(shù)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)改性后的鋁合金表面潤(rùn)濕性能顯著改善。吳瑤等［5］與劉良威等［6］對(duì)粘結(jié)基板表面進(jìn)行激光處理，發(fā)現(xiàn)改性后膠接接頭強(qiáng)度有顯著的提高。SALEEMA 等［7］對(duì)6061 鋁合金進(jìn)行氫氧化鈉刻蝕以提高其膠接性能。LUNDER 等［8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)相對(duì)于常用的堿刻蝕，鋯鈦涂層能夠更有效地提高接頭的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。XU等［9］發(fā)現(xiàn)磷酸陽(yáng)極化鋁合金表面比酸堿刻蝕更能顯著提高接頭的強(qiáng)度。盡管表面處理工藝對(duì)金屬膠接性能的影響得到眾多學(xué)者的研究，但對(duì)不同表面特性提升膠接接頭強(qiáng)度的作用機(jī)理與增強(qiáng)方式還有待更深入的研究。

本文對(duì)鋁鋰合金基板分別進(jìn)行砂紙打磨、噴砂、氯化銅刻蝕以及磷酸陽(yáng)極化工藝處理，分析不同表面處理對(duì)基板表面微觀形貌、粗糙度、潤(rùn)濕性能等理化特性的影響，并對(duì)膠接接頭強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，探索表面特性增強(qiáng)鋁鋰合金膠接強(qiáng)度的作用機(jī)理與影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

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(xué)組成如表1 所示，膠黏劑材料為美國(guó)Cytec公司生產(chǎn)的環(huán)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(xué)組成Tab.1 Chemical compositions of Al-Li allo %（w）

1.2 表面處理方法

對(duì)鋁鋰合金試樣表面進(jìn)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(yáng)極化（PAA）方法對(duì)試樣進(jìn)行改性處理，以獲取不同特性的表面形貌結(jié)構(gòu)，具體表面處理工藝參數(shù)如表2所示。處理后的試樣需用蒸餾水反復(fù)沖洗以清除表面黏附的殘余砂粒、化學(xué)殘余物等雜質(zhì)，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(guān)工藝參數(shù)Tab.2 Surface treatments and related process parameters

1.3 表面潤(rùn)濕性

接觸角是衡量金屬表面潤(rùn)濕性能的重要參數(shù)，利用Theta-Biolin 型光學(xué)接觸角測(cè)試儀對(duì)不同改性表面進(jìn)行接觸角表征，選取蒸餾水與二碘甲烷作為測(cè)試液體，采用座滴法測(cè)試其在鋁鋰合金表面接觸角數(shù)值。每次滴定的液體為4 μL，在10 s 內(nèi)完成測(cè)試，每個(gè)試樣選取三個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)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(shù)如表3所示。

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

試樣的表面自由能可通過(guò)測(cè)試其表面兩種不同液體的接觸角間接計(jì)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(jìn)行計(jì)算［10］。

浸潤(rùn)的實(shí)質(zhì)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(lái)表示

聯(lián)合式（1）和（2），通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的蒸餾水與二碘甲烷表面接觸角數(shù)值，基于Owens-Wendt 模型，表面自由能可聯(lián)立式（3）-（5）計(jì)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(duì)鋁鋰合金表面進(jìn)行粗糙度測(cè)試，每個(gè)試樣選取三個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)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(duì)不同表面處理基板進(jìn)行表面微觀形貌分析。

1.5 剪切強(qiáng)度測(cè)試

鋁鋰合金膠接單搭接接頭試樣尺寸如圖1所示，膠接區(qū)域面積為12.5 mm×25 mm，接頭制備好后在粘結(jié)區(qū)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(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)CMT5504對(duì)膠接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，每組接頭試樣設(shè)置5 組，測(cè)試后取其平均值作為最后強(qiáng)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(jié)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(guī)則溝槽，對(duì)粗糙度和表面實(shí)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(xué)反應(yīng)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(fā)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(shí)際表面積，提高了膠黏劑與試樣表面的接觸面積與機(jī)械嚙合力。PAA 過(guò)程中鋁鋰合金表面發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)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(jié)構(gòu)，極大增加了與膠黏劑的實(shí)際接觸面積，同時(shí)由于毛細(xì)作用增強(qiáng)，試樣表面具備很強(qiáng)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(jié)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(jié)構(gòu)，表層呈現(xiàn)出微觀刮痕，表面輪廓波動(dòng)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(xué)反應(yīng)使得表面鋁溶解較多，階梯狀的表面形貌也就導(dǎo)致粗糙度輪廓曲線有較大的波動(dòng)狀態(tài)，平均粗糙度為1.21 μm。噴砂試樣表面輪廓曲線上下波動(dòng)幅度最大，砂粒沖擊試樣表面時(shí)，表層金屬被沖擊成凹坑的同時(shí)也有部分金屬被砂粒沖擊力鏟起形成不規(guī)則凸峰，導(dǎo)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(guī)范，波動(dòng)幅度均勻且呈現(xiàn)出向表面內(nèi)側(cè)延伸的趨勢(shì)，這與試樣表面疏松多孔狀微觀形貌密切相關(guān)，其平均粗糙度為0.78 μm，多孔形貌增加了表面實(shí)際接觸面積，能夠很好地提升試樣表面的潤(rùn)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(jī)械鑲嵌與咬合力，從而有利于增強(qiáng)膠接接頭的連接強(qiáng)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(rùn)濕性分析

良好的基板表面潤(rùn)濕性有利于膠黏劑的黏附與滲透，是提升膠接接頭強(qiáng)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(cè)量平均值。未處理的原始表面潤(rùn)濕性最差，接觸角數(shù)值最高。經(jīng)不同表面工藝改性后，試樣表面潤(rùn)濕性能有不同程度的改善，砂紙打磨表面潤(rùn)濕性能提高較為有限，刻蝕和噴砂表面潤(rùn)濕性能有了較大的改善，接觸角數(shù)值較原始表面下降了接近50%。PAA改性表面潤(rùn)濕性能最好，表面疏松多孔形貌極大地促進(jìn)了液體的吸收與鋪展，相比原始表面接觸角數(shù)值降低了約70%，具備較理想的潤(rùn)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(jié)果對(duì)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(duì)應(yīng)原始表面分別提升了26.7%、48.8%、52.9%與71.1%，說(shuō)明表面改性對(duì)試樣表面自由能有較大提高，能夠積極促進(jìn)表面的潤(rùn)濕與黏附，同時(shí)，表面自由能的提升依賴于表面改性方式，不同改性方式構(gòu)筑的微觀形貌特性對(duì)試樣表面自由能數(shù)值影響較大，PAA構(gòu)筑的多孔氧化膜形貌對(duì)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(qiáng)度性能分析

對(duì)不同表面處理方式的膠接接頭進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。未處理的原始膠接接頭強(qiáng)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(qiáng)度分別提升152.7%、204.1%、285.1%與413.5%。砂紙打磨形成的不規(guī)則溝槽對(duì)表面形貌和粗糙度改善較為有限，其表面與膠黏劑的潤(rùn)濕性與黏附能力較弱，接頭拉伸強(qiáng)度也就相對(duì)較弱；氯化銅刻蝕表面通過(guò)劇烈的化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)度；而噴砂對(duì)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(jī)械鑲嵌力，接頭強(qiáng)度得到較高的提升；PAA處理試樣表面具備較高的潤(rùn)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(qiáng)度有顯著的提高。

圖5 不同表面處理方法膠接接頭剪切強(qiáng)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(xiàn)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(cè)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(shuō)明經(jīng)過(guò)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(xiàn)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(qū)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(jī)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(nèi)聚破壞模式，基板表面膠層分布均勻且覆蓋全面，說(shuō)明基板表面具備很強(qiáng)的黏結(jié)能力，PAA 工藝在試樣表面構(gòu)筑的多孔氧化膜結(jié)構(gòu)具備良好的表面潤(rùn)濕性，有利于膠接基板與膠黏劑形成穩(wěn)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(jié)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(duì)于未處理試樣分別提升了26.7%、48.8%、52.9%與71.1%，結(jié)果表明增大試樣表面粗糙度有利于其表面潤(rùn)濕性能的改善，PAA 形成的多孔氧化膜結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)度分別提升152.7%、204.1%、285.1%與413.5%，其中PAA 處理膠接接頭強(qiáng)度最高，為38 MPa。

（3）鋁鋰合金表面形貌特性是其潤(rùn)濕性改善與膠接性能提升的關(guān)鍵，增加表面粗糙度有助于提升膠接界面實(shí)際接觸面積與機(jī)械嚙合力，而多孔氧化膜結(jié)構(gòu)更有利于促進(jìn)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(rùn)濕性，提高膠接強(qiáng)度。