鹽霧腐蝕老化對粘接接頭面外沖擊和疲勞性能的影響研究

中圖分類號：TQ433.437 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）10-0017-04

Research on the effect of salt spray corrosion aging on the out-of-plane impact and fatigue properties of adhesive joints

YU Ning，ZHANG Jingxuan， ZHANG Yanhong，HU Shengxiang， XU Congming，YANG Zhongkui （Zhengzhou Zhongyuan Silande High Technology Co.，Ltd.，Zhengzhou 45ooO7，China

Abstract：The salt spray corosion aging resistance，cyclic fatigue and surface impact properties of two typical connection methods and two diferent epoxy adhesives Aand B（ourcompanyand foreign comparison samples） bonded joints with diferent substrates were studied.The effects of salt sprayaging，fatigue cycle and surface impact on the tensile shear strength of the same and diferent materials bonded byadhesive bonding and screw+adhesive bonding were studied.Theresults show thatthe bonding strength of epoxyadhesiveA toorganic glass is higher，and it is more suitableforthe bonding of organic glassthanB，which is beter than thatofBcontrastsample.The tensile strength of carbon fiber/carbon fiberis higher than thatof aluminumally/aluminum alloy hybrid connection test piece.After salt spray aging，out-of-plane impactand fatigue aging，the overall performance is relatively stable and does not decrease significantly.

Key words： different joint forms;epoxy adhesive; tensile shear strength ;salt spray aging

各種輕質(zhì)合金、高性能復合材料等新型材料在汽車、航空飛行器、艦船等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。鉚接、焊接和螺栓連接等傳統(tǒng)連接工藝雖會破壞纖維增強材料的連續(xù)性，但在實際應(yīng)用中也必不可少。與之相比，膠接連接使得粘接區(qū)域分布更加均勻，有較好的防腐蝕作用和密封作用[2，但由于膠接的能量吸收值低，失效模式一般為脆性失效，因此其安全性和可靠性有待進一步提升[3-5]

國內(nèi)外早已開展了大量關(guān)于鋁合金、鋼等材料在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕沖擊疲勞性能的相關(guān)研究[6-8]，也有相關(guān)研究開展了膠粘劑在混合連接方法中的應(yīng)用研究，以提高混合連接的強度、疲勞和耐腐蝕性[10]

本研究使用我司與國外對比樣品2種環(huán)氧膠（A與B），粘接鋁合金、碳纖維復合材料和有機玻璃3種基材，針對膠接以及螺接 + 膠接兩種連接方式制備搭接接頭，然后利用鹽霧試驗箱模擬鹽霧環(huán)境，對粘接接頭進行加速老化試驗，之后進行疲勞性能和面外沖擊性能試驗，測試剪切強度的變化，從而研究鹽霧腐蝕對不同接頭形式面外沖擊和疲勞性能的影響。本研究結(jié)果，有望對不同接頭形式的選擇以及長期鹽霧腐蝕環(huán)境下的性能研究、膠粘劑的設(shè)計和選用等，提供參考和幫助。

1試驗部分

1.1 試驗件設(shè)計

試驗件設(shè)計如表1所示。

表1各典型連接結(jié)構(gòu)試驗件信息

Tab.1 Information of each typical connection structure test piece

1.2 試驗設(shè)備及原料

微機控制電子萬能試驗機（CMT4104，深圳新三思材料檢測有限公司）；鹽霧環(huán)境箱（W-CS120A）；疲勞試驗機（SDZ-0006；落錘式?jīng)_擊試驗機（DIT302A-1）。

粘接基材：鋁合金（2024T-3，厚 2，0.5mm ，西安四方鋁業(yè)）;碳纖維復材（ACTECH 1203/GW7011/38，鋪層 [0/45]_5s ，厚度 4.2mm ，國內(nèi)某復合材料公司）；有機玻璃（YB-3，厚度4、 2mm ，市售）；螺栓（HB1-103M5），螺母（GB1337M5，市售）；120目砂紙、無水乙醇、直徑 1mm 不銹鋼珠、工業(yè)擦拭布等（市售）。

1.3 試樣制備

鋁合金和碳纖維，首先使用無水乙醇清潔待粘接表面，晾干，使用120目砂紙打磨，再使用無紡布蘸酒精清潔，晾干；有機玻璃，再使用無紡布蘸酒精清潔，晾干；螺接 + 膠接這種方式制樣需要在基材上鉆相應(yīng)的螺栓孔，便于固定螺栓。

按比例分別將我司與國外兩種環(huán)氧膠粘劑進行混膠，并均勻涂抹在基材上，均勻撒數(shù)粒 1mm 直徑的不銹鋼珠，疊合，使用夾子預固定試驗件，固定螺栓，并清理多余的膠液，完成搭接制樣，試驗件數(shù)量按表1執(zhí)行，在標準試驗條件 （T23‰ 下放置7d完成固化，然后進行力學測試，鹽霧老化測試，面上沖擊和疲勞性能測試。

1.4性能測試

拉伸剪切強度，按GB/T7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》，加載速度為 5mm/min

面外沖擊試驗，按ASTMD7136測試，鋁合金/鋁 合金、鋁合金/碳纖維樣件條件為沖擊能量3J，跨距 140mm ；碳纖維/碳纖維、碳纖維/有機玻璃樣件條件 為沖擊能量2J，跨距 30mm

鹽霧老化，按照GJB150.11A—2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法鹽霧試驗》測試，試驗前調(diào)節(jié)試驗箱溫度為 35^qC ，并在噴霧前將試件保持在這種條件下至少2 h 噴鹽霧48h，在此期間，鹽霧沉降率和沉降溶液的 pH 值至少每隔 24h 測量一次，保證鹽溶液的沉降率為 （1～3）mL/（80cm²?h ）。干燥48h 分別于鹽霧試驗時間（ 320，640，960h 后取出試驗件，在標準條件下放置 24h 后進行性能測試。

疲勞試驗，按照GB/T27595—2011《膠粘劑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗方法》測試，以 20Hz 的頻率和相應(yīng)的應(yīng)力幅對不同樣件進行循環(huán)疲勞試驗。分別于疲勞循環(huán)次數(shù)（33.32、66.6、100萬次）后取出試驗件，在標準條件下放置 24h 后進行性能測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同典型連接方式樣件的初始拉伸剪切強度

對于膠接和螺接 + 膠接兩種連接方式，對初始的拉伸剪切強度進行測定，這是膠粘劑和粘接接頭研究的重要參數(shù)，可以表征粘接接頭可承受靜態(tài)拉伸作用力下的最大載荷。使用2種環(huán)氧膠粘劑進行膠接和螺接 + 膠接樣件制得拉伸剪切試驗件，進行拉伸剪切測試，結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看到，在膠接試驗件中，2種環(huán)氧膠對鋁合金/鋁合金、鋁合金/碳纖維、碳纖維/碳纖維的剪切強度相近，說明環(huán)氧膠A與B對鋁合金、碳纖維基材的粘接性能良好，但環(huán)氧膠B對有機玻璃基材的粘接性能較差，僅為 2.7MPa ，而我司環(huán)氧膠對有機玻璃基材的粘接性能較好，為 7.8MPa 。

表2不同基材的拉伸剪切強度Tab.2Tensile shearstrength ofdifferentsubstrates

螺接 + 膠接的混合連接試驗件，碳纖維/碳纖維試驗件的強度高于鋁合金/鋁合金試驗件和鋁合金/碳纖維試驗件的強度，其中鋁合金/碳纖維試驗件的強度最小，分析認為這是由于鋁合金與碳纖維本身模量差異大，在受到載荷作用后，由于兩者變形不能同步進行，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，故其強度值最小。

2.2環(huán)氧膠粘接鋁合金/鋁合金基材、碳纖維/碳纖維基材的耐鹽霧腐蝕、疲勞性能及面外沖擊性能

為研究鹽霧腐蝕疲勞沖擊對環(huán)氧膠與鋁合金基材、碳纖維基材粘接接頭的影響[11-13]，使用2種環(huán)氧膠分別制備鋁合金/鋁合金、碳纖維/碳纖維的拉伸剪切試驗件，進行鹽霧老化、循環(huán)疲勞試驗和面外沖擊試驗后，測試剪切強度的變化情況。結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1和圖2可知，經(jīng)面外沖擊后，2種膠粘劑膠接形式連接的鋁合金/鋁合金基材、碳纖維/碳纖維基材的拉伸剪切強度均無明顯變化；經(jīng)過鹽霧 320h 和疲勞面外沖擊后，兩者下降無明顯差異。經(jīng)過鹽霧640h 和疲勞面外沖擊后，鋁合金/鋁合金基材國外對比樣件強度下降 30% ，而我司膠粘劑樣件下降 52% ：碳纖維/碳纖維基材國外對比樣膠接試驗件強度下降37.5% ，而我司強度增加 6% ，兩者變化趨勢有明顯差異。經(jīng)過鹽霧 960h 和疲勞面外沖擊后，鋁合金/鋁合金基材國外對比樣樣件強度下降 20% ，而我司膠粘劑樣件強度無明顯下降；而碳纖維/碳纖維基材中兩種膠粘劑連接的破壞形式均呈現(xiàn)碳纖維層間剝離和粘接界面破壞，我司試驗件下降幅度略大，粘接樣件破壞的形式包括碳纖維基材表面破壞和少量的粘接表面破壞，由此可知，膠粘劑粘接強度下降，部分原因為碳纖維基材表面強度下降所致。而剪切強度降低說明膠粘劑與基材的粘接性能下降。

2.3環(huán)氧膠粘接鋁合金/碳纖維基材和碳纖維/有機玻璃基材的耐鹽霧腐蝕、疲勞性能及面外沖擊性能

為研究鹽霧腐蝕老化對環(huán)氧膠與鋁合金/碳纖維基材和碳纖維/有機玻璃基材粘接接頭的影響[1416]，使用2種環(huán)氧膠分別制備鋁合金/碳纖維和碳纖維/有機玻璃的拉伸剪切試驗件，進行鹽霧老化、循環(huán)疲勞試驗和面外沖擊后，測試剪切強度的變化情況。結(jié)果如圖3所示。

由圖1和圖3可知，經(jīng)面外沖擊后，2種膠粘劑粘接的鋁合金/碳纖維連接接頭的拉伸剪切強度呈下降趨勢；經(jīng)過鹽霧 320h 和疲勞面外沖擊后，兩者下降無明顯差異；經(jīng)過鹽霧640h和疲勞面外沖擊后，兩者均下降，我司試驗件下降幅度略大；經(jīng)過鹽霧960h和疲勞面外沖擊后，對比樣樣件在疲勞和沖擊時已被破壞，而我司所得樣件強度下降不明顯。綜上所述，膠接連接的鋁合金/碳纖維試樣樣件，經(jīng)過面外沖擊、鹽霧腐蝕及疲勞和面外沖擊后，剪切強度均出現(xiàn)下降，其中我司下降程度低于國外對比樣。

我司環(huán)氧膠粘接碳纖維/有機玻璃的粘接強度，以及經(jīng)過面外沖擊及鹽霧腐蝕老化后的強度，明顯優(yōu)于國外對比樣環(huán)氧膠。

2.4螺接 ⁺ 環(huán)氧膠混合連接的耐鹽霧腐蝕、疲勞性能及面外沖擊性能

為研究鹽霧腐蝕疲勞沖擊對螺接 ⁺ 膠接混合方式連接的不同基材粘接接頭的影響，使用2種環(huán)氧膠和螺接接頭分別制備拉伸剪切試驗件，進行鹽霧老化、循環(huán)疲勞和面外沖擊后，測定剪切強度的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，二者的螺接 ⁺ 膠接的混合連接試驗件，碳纖維/碳纖維試驗件的強度高于鋁合金/鋁合金試驗件的強度，鋁合金/碳纖維試驗件的強度最小。而經(jīng)過老化后，三類試驗件強度和載荷均無明顯變化。

將兩種環(huán)氧膠粘劑膠接連接試驗件與混合連接相同材質(zhì)的試驗件對比，發(fā)現(xiàn)混合連接方式能夠顯著提高試驗件的初始剪切強度；相較純膠接連接而言，在經(jīng)過鹽霧、疲勞沖擊試驗后仍保持較高的剪切強度。對比圖4（a）（b），我司混合連接對鋁合金/碳纖維和碳纖維/碳纖維試驗件的剪切強度略高于國外對比樣混合連接。

3結(jié)語

（1）使用混合連接形式制備的樣件，碳纖維/碳纖維的拉伸強度高于鋁合金/鋁合金的混合連接試驗件，并且在經(jīng)鹽霧老化、面外沖擊和疲勞老化后，整體性能較為穩(wěn)定，無明顯下降；

（2）環(huán)氧膠粘接鋁合金/鋁合金、鋁合金/碳纖維、碳纖維/碳纖維的膠接試驗件，經(jīng)過鹽霧老化、面外沖擊和疲勞老化后，拉伸剪切強度均明顯下降。國外對比樣對鋁合金/鋁合金基材的老化性能優(yōu)于我司，而我司對鋁合金/碳纖維基材的老化性能優(yōu)于國外對比樣；

（3）我司對有機玻璃的粘接強度較高，相對國外對比樣而言更適用于對有機玻璃的粘接。

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