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复合材料在汽车业的应用愈来愈多，而复合材料部件之间的连接以及复合材料与金属部件的连接成为需要解决的问题。本文探讨结构胶粘剂粘接的疲劳强度和寿命，比较数种结构胶粘剂的特点，并以客车为例介绍其应用情况。
客车、汽车的前后围、轮护面、行李舱门、保险杠等采用玻璃钢蒙皮是近年发展的新技术。玻璃钢蒙皮替代传统的金属蒙皮，可以减轻重量，提高强度/刚性，设计空间更广，防腐，能将多个制件整合为一个组装件，有利于换型、批量生产及降低成本。由于上述优点，玻璃钢制品在运输行业的应用日益广泛。但随着复合材料在运输行业愈来愈多的应用，这些复合材料部件之间的连接以及复合材料与金属部件的连接就成了运输行业中需要解决的问题。对于非金属部件，如采用螺钉或铆钉连接，在连接处会产生应力集中，使非金属部件遭到破坏。大型重型卡车的风帽采用的就是玻璃钢部件，如果采用锣接，螺钉或铆钉只能固定在风帽底部的几个点，在行驶过程中，由于振动和颠簸，这几个连接点处的玻璃钢不断受到冲击，很快就会出现断裂。
FREIGHTLINER公司采用了PLEXUS（普莱克斯）丙烯酸改性结构胶粘剂，把顶部风帽直接与驾驶室的顶棚粘接在一起。由于风帽与驾驶室的连接是面-面连接，不会出现应力集中的情况，使风帽的连接更坚固。更重要的是，使用胶粘剂进行粘接，加工工艺更加简单，节省了定位、转孔打眼、螺钉固定等工序。粘接也应用在其它的部位，如粘接基本结构接头、行李舱组装、金属托架、复合材料仪表盘等，其中也包括大客车的车身面板与金属骨架的粘接。
胶粘剂粘接的强度和寿命
胶粘剂除了在玻璃钢、ABS等非金属方面的应用外，在钢及铝等金属构件上也被广泛应用。这些胶粘剂几乎能粘接所有基材、适用于各种加工时间以及不同的力学属性。
为了验证胶粘剂粘接的强度和使用寿命，对相同部件的不同连接形式，即铆钉连结和胶粘剂粘接分别作了静态和动态的测试。样片是由带有涂层的钢板组成，分别采用4个铆钉连接和普莱克斯胶粘剂AO420粘接，胶层厚度为1mm，重迭部分的宽度为57mm。测试结果见下表。 （图片） 由结果可以看出，胶粘剂粘接的使用寿命优于铆钉连接。
运输行业的结构胶粘剂比较
在运输行业，除了胶粘剂的静态粘接强度以外，尤为重要的是粘接部件在动态载荷下的强度衰减，因为在静态条件下高的粘接强度并不一定可以转换成为振动条件下的长寿命，所以许多静态强度很高的胶粘剂并不适合车辆部件的粘接。目前，用于运输工具的结构胶粘剂有聚氨酯(单组分和双组分)、甲基丙烯酸酯(双组分体系)、环氧(双组分体系)几种类型。这三种胶粘剂各有特点：聚氨酯胶的韧性非常好，可以满足运输过程中不断的振动带来的冲击，但粘接强度相对较低，不适合进行结构粘接；环氧胶的粘接强度非常高，可以满足结构粘接的强度要求，但缺点是韧性较差，抗冲击性能和疲劳性能不好，在频繁振动中无法保证其最初的粘接强度；甲基丙烯酸酯胶的粘接强度高，但也同样存在韧性差、抗冲击性能和疲劳性能低的缺点。
针对这种情况，美国普莱克斯公司研制发明了“核壳”结构的甲基丙烯酸酯胶粘剂，即在甲基丙烯酸酯中加入橡胶增韧剂，形成了甲基丙烯酸酯的“核”外面包裹着橡胶增韧剂的“壳”这样一个嵌段共聚物，从根本上改变了传统丙烯酸酯胶粘剂韧性差的缺点。核壳结构的甲基丙烯酸酯胶粘剂结合了环氧胶粘剂的高强度和聚氨酯胶粘剂高韧性的特点，充分满足了运输行业对胶粘剂的各项需求。
采用ASTM D 3166“循环拉伸剪切载荷下胶粘剂的疲劳属性”的方法，测试了三类胶粘剂（环氧、聚氨酯和甲基丙烯酸酯）的动态疲劳情况。当处于90%应力水平时，很难区分这几种胶粘剂的性能。然而，在较低的应力水平时，区分两者则较为容易：达到50%应力水平时，“核壳结构”的丙烯酸显示出优越的抗疲劳性能，循环次数可以达到近800万次（7,884,231次），而普通增韧丙烯酸的循环次数明显降低，只能达到不到20,000次（167,341），CTBN 改性环氧比ATBN改性环氧的抗疲劳性能更好 (93,391次循环与6,423次循环)。这表明了不同的增韧机制会影响胶粘剂的持久性。普通的聚氨酯胶粘剂的循环次数只能达到36,691次。
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图1 几种胶粘剂的疲劳性能对比 胶粘剂的应用
随着复合材料制造方法的不断创新，使复合材料的加工更加容易，因此更多应用都可以使用粘接工艺。由于目前的结构胶粘剂能进行化学熔合粘接，大部分组装都能使用粘接工艺。现以客车结构粘接为例。
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图2 客车可用胶粘剂进行粘接的部位示意图 *顶棚粘接：当今的客车制造商通常将复合材料顶棚与铝结构框架进行粘接。由于没有铆钉，整个应用变得简单而省时。用复合材料顶棚来代替铝制顶棚，同样减少了整个车体的净重。采用粘接的另一个作用，是消除了顶棚/侧板接口采用铆钉时出现漏水等问题；
*上下窗的粘接：上下车门有两扇窗，均由超级耐磨的树脂玻璃制造而成。因为密封剂无法提供符合要求的粘接强度，所以树脂玻璃周边都先用结构胶粘剂与复合材料相粘连，然后在窗户的整个边缘使用密封剂和橡皮封条以达到防水的目的；
*支架的安装：金属支架需要粘接在聚酯或环氧玻璃钢上，这个应用范例包括前围、后围、电缆支架、格子窗等。粘接可以消除铆钉或螺钉等机械连接出现的孔，并且安装更迅速。固化时应用夹具固定支架；
*行李舱门的粘接：随着玻纤增强复合材料的应用，行李舱门仍然使用玻璃钢材料。铝质骨架通常与合叶和门卡子连接在一起，胶粘剂可将玻璃钢板粘接在铝骨架上。
10/30/2004
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