不同環境溫度疊加老化對粘接接頭拉伸剪切強度影響

摘要：以常用Sikaflex?-268膠粘劑粘接接頭為研究對象，研究其在軌道交通車輛長期服役中，在不同環境溫度以及濕熱和冷循環老化、鹽霧老化、紫外老化等不同老化條件疊加下拉伸剪切強度的變化規律。結果表明，環境溫度對Sikaflex?-268膠粘劑粘接試件的拉伸剪切強度影響顯著，隨著溫度升高，粘接試件的拉伸剪切強度明顯呈減小趨勢。在濕熱和冷循環老化、鹽霧老化、紫外老化等不同老化條件疊加下，Sikaflex?-268膠粘劑與鋁合金（環氧底漆）之間均具有有良好的粘附性能。低溫和鹽霧老化對底漆附著力影響較大，從而影響粘接接頭剪切強度。

關鍵詞：粘接接頭；老化；強度；破壞模式

中圖分類號：TQ433.4+32文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0021-04

The effect of superimposed aging at different ambienttemperatures on the tensile shear strength of bonded joints

GENG Zhu，LIU Bin

（CRRC Zhuzhou Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，Hunan China）

Abstract：Taking the commonly used Sikaflex?-268 adhesive bonding joint as the research object，the variation of tensile shear strength under different ambient temperatures and different aging conditions such as hot and humid and cold cycle aging，salt spray aging and ultraviolet aging was studied in the long-term service of rail transit vehi-cles.The results show that the ambient temperature has a significant effect on the tensile shear strength of the Sikaf-lex?-268 adhesive bonded specimens.As the temperature increases，the tensile shear strength of the bonded speci-mens decreases significantly.Under the superposition of different aging conditions such ashot and humid and cold cycle aging，salt spray aging，and ultraviolet aging，the Sikaflex?-268 adhesive has good adhesion properties with aluminum alloy（epoxy primer）.Low temperature and salt spray aging have a great influence on the adhesion of theprimer，thus affecting the shear strength of the bonded joint.

Key words：bonding joint；aging；strength；failure mode

隨著“節能環保、低碳高效”設計理念的不斷加深，以及對車身輕量化的要求，各種新型輕質材料，如鎂、鋁合金材料[1-2]、復合材料[3]等在工程結構中的使用越來越廣泛[4-5]。材料之間可通過經濟和簡單可行的焊接或鉚接方式進行連接，但這兩種技術在實現不同材料，尤其是新材料間的有效連接方面受到了一定限制[6-7]，粘接技術由于具有適用材料廣泛、可實現異種材料連接、減輕結構質量、密封性好等優點，在工程結構的設計生產中越來越重要。研究環境對膠粘劑性能的影響，對其在軌道交通中的應用具有非常重要的意義[8-9]。膠粘劑屬于環境敏感性材料，在使用過程中不可避免會受到紫外線、熱、雨水、機械應力等外界環境因素的影響，其耐久性也顯得尤其重要[10]。不同環境溫度下，膠粘劑性能差異明顯，并且膠粘劑長期在溫度，以及溫度與其他因素耦合作用下會發生老化，可能導致連接結構提前失效，給車身結構安全帶來隱患[11]。因此，研究不同老化環境對粘接接頭力學性能的影響機理和規律，對于接頭的耐久性預測具有重要意義。

本文通過對Sikaflex?-268膠粘劑粘接接頭在不同溫度環境、不同老化環境疊加下的拉伸剪切性能的研究，評估溫度和老化環境對粘接接頭力學性能的影響機理和規律[12-14]。

1材料的選擇與制備

1.1材料的選擇

本文選擇的膠粘劑為常用聚氨酯膠粘劑Sikaflex?-268。它是一款特別為鐵路市場開發的單組分高性能彈性聚氨酯粘接密封膠，與空氣中的濕氣反應而固化，形成永久彈性體，具有良好的耐天候性能和獨特的耐多種清潔劑的能力[15]。粘接試件的基體材料是車身常用的6005A型鋁合金，表面噴涂環氧底漆。

1.2試件制備

材料規格及制樣按照中車企業標準Q/CRRC J 64.4—2020《軌道交通車輛及其零部件的粘接第4部分：試驗》規定進行。本試驗選擇鋁合金尺寸為100 mm×25 mm×5 mm，試件搭接長度為20 mm，搭接厚度為5 mm，試驗速度為30 mm/min。

試件制作按照粘接工藝流程完成：環境控制→試件清潔→試件打磨→試件清潔→試件底涂→試件粘接→試件固化→試件清理。試件制作及固化溫度控制在（23±2）℃，濕度控制在（50±5）%RH。試件清潔采用無紡布蘸異丙醇進行擦拭，清除表面污漬、油脂，擦拭朝一個方向進行，清潔后確保清潔劑揮發無殘留。試件打磨采用80目砂紙45°交叉打磨鋁合金粘接表面，除去易脫落或難以化學結合的物質。試件底涂采用海綿刷朝一個方向刷涂一層薄且均勻的Si-ka207底涂。試件粘接采用專用的剪切樣件制作工裝進行[16]。試件固化采用在工裝中固定并固化30 d。試件清理是清除粘接區域外側的膠粘劑。

2試驗方案

2.1不同溫度下的拉伸剪切試驗

結合Sikaflex?-268 TDS給出的使用溫度范圍及軌道交通中實際使用工況，選取-40、-20、0、20、40、70、90℃這7個溫度點對粘接接頭進行準靜態拉伸剪切試驗。試驗采用日本島津QBY-11（帶溫控）高低溫萬能試驗機。將試件安裝在試驗機上，設定試驗溫度，待溫度穩定后，保持此溫度下1 h，然后按GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》進行拉伸剪切試驗，試驗速度為30 mm/min，直至試件失效，每組包含5個試件。

2.2不同老化環境疊加后的拉伸剪切試驗

結合目前對膠粘劑采取的老化試驗，選取濕熱和冷循環老化、鹽霧老化、紫外老化3種老化試驗進行疊加，共包括8組工況：標準工況、濕熱和冷循環老化、鹽霧老化、紫外老化、紫外+濕熱和冷循環、紫外+鹽霧、鹽霧+濕熱和冷循環、紫外+濕熱和冷循環+鹽霧。經老化環境疊加處理后的試件在標況下恒溫24h后按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》進行拉伸剪切試驗，試驗速度為30 mm/min，直至試件失效，每組包含5個試件。

標準工況試驗的溫度控制在（23±2）℃，濕度控制在（50±5）%RH。

濕熱和冷循環老化試驗參照DIN EN ISO 9142∶2003《膠粘劑粘接接頭測試用標準試驗室老化條件的選擇指南》中D4循環—濕熱和冷循環，試驗周期28 d，利用重慶銀河SDJ6026FA恒溫恒濕試驗箱。

鹽霧老化試驗參照GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗—鹽霧試驗》，試驗周期1 000 h，試驗設備為慶生SH160鹽霧試驗箱。

紫外老化試驗參照GB/T 16422.3—2022《塑料實驗室光源暴露試驗方法第3部分：熒光紫外燈》中方法A循序2，試驗周期1 000 h，試驗設備為Q-LAB QUV-Spray紫外老化試驗箱。

3試驗結果與討論

3.1不同溫度下的拉伸剪切試驗

3.1.1拉伸剪切強度影響分析

記錄試件載荷的最大值，計算拉伸剪切強度，取5個試件數據的平均值作為該溫度下的拉伸剪切強度。不同溫度下的拉伸剪切強度如表1所示，柱狀圖見圖1。

從圖1可以看出環境溫度對Sikaflex?-268膠粘劑粘接試件的拉伸剪切強度影響顯著。-40℃時，所有試件均出現底漆破壞見圖2，此時拉伸剪切強度并非膠粘劑的破壞強度，故忽略-40℃數據。-20℃時試件拉伸剪切強度最大，以-20℃時的拉伸剪切強度作為基準，粘接試件在0、20、40、70、90℃時的拉伸剪切強度分別降低了2.66%、15.99%、34.48%、43.73%、64.26%。隨著溫度升高，粘接試件拉伸剪切強度明顯呈減小趨勢。

3.1.2破壞模式的影響分析

根據破壞模式分析，除-40℃組外，其余6組試件主要破壞模式均為內聚破壞，符合粘附性能測試中內聚破壞類型占比不少于95%的參考指標。測得的粘接接頭拉伸剪切強度基本為膠粘劑的破壞強度，說明Sikaflex?-268膠粘劑與鋁合金（環氧底漆）之間在-20～90℃環境溫度下均有良好的粘附性能。但-40℃工況時，試件出現較大比例的底漆破壞模式，此種失效形式不能充分發揮膠粘劑性能，說明低溫對粘接試件的粘附性能有較大影響，主要表現為對底漆附著力的影響。

3.1.3斷面形貌分析

使用奧林巴斯DSX110三維視頻顯微鏡對拉伸剪切后的斷面進行觀察。如圖3所示，放大24倍后可觀察到不同溫度下的粘接接頭斷面形貌明顯不同。-40℃時，斷面較光滑平整；隨著溫度升高，斷面粗糙度提高，斷面上出現越來越多的撕裂臺階，溫度越高，裂紋越明顯。說明低溫條件下膠粘劑韌性降低，呈現脆性斷裂的趨勢；而在高溫作用下，膠粘劑彈性特性更加明顯，從而造成更多的裂紋。

3.2不同老化環境疊加后的拉伸剪切試驗

3.2.1拉伸剪切強度影響分析

不同老化環境疊加后的拉伸剪切強度如表2所示，拉伸剪切強度、拉伸剪切強度保持率柱狀圖如圖4所示。

標準工況下拉伸剪切強度為4.63 MPa，符合中車標準中關于Ⅰ類單組分聚氨酯膠粘劑拉伸剪切強度≥4.0 MPa參考指標。與標況相比，濕熱和冷循環老化、鹽霧老化后試件的拉伸剪切強度略有降低，紫外老化后的拉伸剪切強度略有升高，3種工況拉伸剪切強度保持率在80%～120%。

與標況相比，兩種老化工況疊加后的拉伸剪切強度均有所下降，其中鹽霧+濕熱和冷循環的組合降幅最大，拉伸剪切強度保持率為77.97%。

3種老化條件疊加后，拉伸剪切強度依然可以達到3.19 MPa，拉伸剪切強度保持率為68.90%，依然大于中車標準中Ⅰ類單組分聚氨酯膠粘劑的相關參考指標（單一濕熱和冷循環老化后拉伸剪切強度保持率≥55%）。

3.2.2破壞模式影響分析

根據破壞模式分析，8組試件的主要破壞模式均為內聚破壞，符合滿足粘附性能測試中，內聚破壞類型占比不少于95%的參考指標。測得的粘接接頭拉伸剪切強度基本為膠粘劑的破壞強度，說明Sikaflex?-268膠粘劑與鋁合金（環氧底漆）之間在幾種工況下都具有粘附性能的長期穩定性。但有鹽霧試驗參與的工況中，部分試件周邊有較小比例的底漆破壞模式見圖5，說明鹽霧試驗對粘附性能有較大影響，主要表現為對底漆附著力的影響。

3.2.3粘接接頭衰減系數分析

根據目前粘接接頭評定方法，粘接接頭多因素老化衰減系數通常通過各單一老化衰減系數累乘的方式預估。從上述結果來看，單一老化衰減系數的累乘值與多因素疊加老化系數的實測值相近。因此，目前采用的多因素老化衰減系數預估方法是適合的。

4結語

（1）環境溫度對Sikaflex?-268膠粘劑粘接試件的拉伸剪切強度影響顯著，隨著溫度升高，粘接試件的拉伸剪切強度明顯呈減小趨勢。低溫對粘接試件的粘附性能有較大影響，主要表現為對底漆附著力的影響；

（2）Sikaflex?-268膠粘劑與鋁合金（環氧底漆）之間在幾種老化工況下都具有粘附性能的長期穩定性，但鹽霧試驗對粘接試件的粘附性能有較大影響，主要表現為對底漆附著力的影響；

（3）3種老化條件疊加后，拉伸剪切強度保持率滿足相關參考指標，粘接接頭衰減系數預估方法是適合的。

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（責任編輯：伍鈺）