近年来，随着环境和能源问题的凸显，节能型汽车备受关注，有效途径便是轻量化设计。在减少油耗和尾气排放的同时，如何保证结构件的安全无疑是首要问题。在汽车的轻量化过程中，新型轻质高强材料（如高强度钢、铝、镁和复合材料）逐渐被运用到现代车辆的车身设计中，这其中的难点之一就是如何实现这些轻质高强材料的连接。有研究表明，粘接是解决连接问题有效方法。

粘接技术即利用适宜的胶粘剂作为加工制造和修补工艺原料，采用适当的搭接形式和合理的粘接工艺将两种或多种基材结合在一起，也就是将待加工和制造的设施、零部件进行连接的技术。同时，也是将各种材质、尺寸、厚度、软硬程度相同或相异的材料（零部件）连接成为一个连续、稳固的整体的一种工艺方式。粘接技术具有工艺设备简单、操作方便、成本低廉、应力集中小、密封防腐性能好和耐疲劳强度高等优点。然而，也同时存在耐候性差、抗冲击性能较低及力学性能在高低温条件下会变差等缺点。本研究主要对汽车板材粘接性能影响因素的研究进展进行简单介绍，以期为相关深入研究提供参考。

1、影响接头粘接性能的因素
1.1 胶粘剂自身的性能
胶粘剂自身性能是影响汽车板材粘接性能的重要因素，其一方面会对自身内聚力产生影响，另一方面对胶粘剂与被粘物表面之间的黏附力也有较大的影响。胶粘剂性能的好坏主要与其润湿性、极性、柔性和结晶性有较大关系。为提高接头的粘接强度，针对胶粘剂改性方面的研究一直是国内外的研究重点。颜财彬[改性水性聚氨酯胶粘剂的制备及其对非极性膜粘接性能的研究]选用2，2，3，4，4，4-甲基丙烯酸六氟丁酯（HFBMA）对水性聚氨酯（WPU）进行改性，制备了改性水性聚氨酯（SiO2/FWPU）。研究表明：随着HFBMA的加入，SiO2/FWPU胶粘剂的表面张力减小，非极性膜的润湿性得到改善，从而提高了粘接强度；当w（HFBMA）>15%（相对于胶粘剂质量而言）时，含量对胶粘剂表面张力的影响变小，粘接强度增大的速率减缓并趋于平稳。此外，Tuzun等[The effect of finelydivided fillers on the adhesion strengths of epoxy- based adhesives]分别向EPIKOTE 828型和DURATEK型环氧树脂（EP）中添加5种不同的填充物[滑石粉、方解石涂层、4.97 μm（数值为颗粒尺寸，下同）方解石、0.7 μm方解石和重晶石]进行改性，并通过搭接剪切试验探讨了各填充物对改性EP粘接强度的影响，如图1所示。研究表明：当填料种类相同时，EPIKOTE 828胶粘剂的剪切强度比DURATEK 胶粘剂高；当以0.7 μm方解石为填充料时，改性体系的强度最高。

1.2 表面处理
表面情况对粘接强度的影响主要与被粘物表面的清洁度、物理化学性质、粗糙度和温度等相关。被粘物的表面状况是影响粘接性能的一个重要因素，故板材粘接前通常会进行适当的表面处理。Yue等[Effect of phosphatesilanepretreatment on the corrosion resistance andadhesive- bonded performance of the AZ31 magnesiumalloys]在粘接前对AZ31镁合金表面进行了硅烷处理，研究表明：镁合金表面形成连续均匀的转化膜，该硅烷膜层中有大量的Si—O—Si和Si—O—Mg共价键，这些共价键不仅提高了耐蚀性还大大改善了镁合金的粘接性能。Gao 等[Effect of Na2SiO3solution concentration of micro- arc oxidation process onlap-shear strength of adhesive-bonded magnesium alloys] 对经不同浓度Na2SiO3溶液表面处理后的镁合金板的单搭接剪切强度进行了研究，发现：镁合金板的搭接强度随Na2SiO3浓度的上升呈缓慢下降的趋势（详见图2）。

这是由于不同浓度的电解质溶液影响了薄膜的形貌与构成所致，而膜的主要成分为Mg2SiO4 和MgO，MgO 的量会随Mg2SiO4 的增加而减少。当Na2SiO3的浓度较低时，反应生成的Mg2SiO4少，这使反应获得的MgO 相对增加，而MgO 可以催化羟基群，加强了胶粘剂和镁合金表面氢键的结合，故粘接效果得以提升。

1.3 胶层厚度
对于大多数胶粘剂而言，胶层厚度大便不利于粘接，这主要是因为厚的胶层易产生气孔等不利因素，使内应力增加。张艳芳等[复材/复材二次胶接胶接质量及强度影响因素研究]通过结构胶-双马基碳纤维层压板胶接试验表明：剪切强度随着胶层厚度的增加而增大；当胶层厚度为0.3 mm时，剪切强度达到相对最大，之后随着胶层厚度增加而急速下降。然而，粘接强度与胶层厚度两者的关系会随着胶粘剂的种类和被粘物材料的品种变化而改变。

1.4 粘接体系的内应力
粘接体系的内应力主要分为两类：一是在固化过程中，胶层体积发生变化时胶层内部产生的收缩应力；二是当温度变化时，由于胶层与被粘物的膨胀系数不同，两者热胀冷缩后而产生的内应力。粘接体系的内应力是由这两方面组合而成，是降低粘接强度的因素之一。可通过降低胶粘剂固化温度（或在胶粘剂中添加适当填料）来减小粘接体系的内应力。室温固化可有效避免胶粘剂固化后因冷却产生的较大内应力，这在高分子材料粘接中被广泛应用。此外，通过添加变形能力较强的柔性粒子，也能有效减小粘接接头的内应力。Zhao等[Simultaneously enhancedcryogenic tensile strength and fracture toughness of epoxyresins by carboxylic nitrile- butadiene nano- rubber]向EP中添加纳米橡胶。研究表明：软相的加入可减少固化树脂系统内部的残余应力，EP交联密度的增加可改善固化系统的拉伸强度。

1.5 粘接接头的形状与粘接尺寸

粘接接头的选择应当依据实际受力情况和使用需要，遵循设计原则，选取合适的接头构造形状，进而确定接头尺寸。对强度要求较高的地方则相应部位需要采取补强措施。Mattos等[Static failure analysis of adhesive single lap joints]改变粘接接头的宽度和搭接长度，通过比较剪切强度的大小得出搭接接头尺寸变化对粘接性能的影响。研究表明：基于ANOVA（方差分析）发现搭接接头的宽度对粘接性能的影响大于搭接长度，增加一定量的搭接宽度比增加等量的搭接长度对粘接性能的提高有更为明显的效果。

1.6 湿热环境暴露

汽车在使用期间会经历多种环境条件（温度、湿度和辐射等），粘接接头的稳定性至关重要。对金属和聚合型结构（如复合材料和结构胶）这两类而言，腐蚀是危害结构稳定性的最大杀手，相关研究也较多。Sugiman 等[Experimental and numerical investigation of the static response of environmentally aged adhesively bonded joints/The fatigue response of environmentally degraded adhesivelybonded aluminium structures]将粘接接头浸入去离子水中放置2 a，在静载和疲劳载荷条件下模拟水分在胶层中的扩散过程。研究表明：接头强度和抗疲劳性能在长时间的浸泡后均有下降。Hu等[Strength predictionof adhesively bonded joints under cyclic thermal loadingusing a cohesive zone model]将单搭接接头置于循环热载荷环境下的试验与Sugiman的一致。研究表明：循环热载荷环境明显减弱了接头的粘接强度，削减速率随着暴露时间的延长而减小。Lu 等[Effect of moisturecontent in uncured adhesive on static strength of bondedgalvanized DP600 steel joints]探讨了湿热环境暴露对镀锌钢接头强度的影响。研究表明：高温高湿环境（40 ℃，相对湿度96%）对接头强度的削弱作用较为明显，1 008 h暴露后接头强度降低了96%；尤其是暴露试验的前24 h，强度损失率高达50%；随着暴露时间继续增加，强度降低速率有所减小。这是由于空气中的水分子渗透到胶层内部，并横向扩散到周围区域，使膜层与胶层的接触面发生破坏，直接导致了粘接性能的显著下降。

2、结语

　　粘接技术作为一种连接技术，在未来汽车轻量化发展中发挥着举足轻重的作用。因此，开展结构粘接技术的相关研究，尤其是粘接强度性能研究，对指导国内自主品牌汽车的设计、生产及对汽车轻量化产业的推动均具有现实意义和深远的战略意义。
 

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内容来源：（汽车材料网微信公众号）

作者：李媛，王胜男，蔡彬，刘忠侠

（郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室）