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結構膠粘劑在汽車的應用
作者:管理員    發布于:2019-12-24 15:29:31    文字:【】【】【
摘要: 復合材料在汽車業的應用愈來愈多,而復合材料部件之間的連接以及復合材料與金屬部件的連接成為需要解決的題目。本文探討結構膠粘劑粘接的疲憊強度和壽命,比較數種結構膠粘劑的特點,并以客車為例先容其應用情況。
結構膠粘劑在汽車的應用

 

 

       復合材料在汽車業的應用愈來愈多,而復合材料部件之間的連接以及復合材料與金屬部件的連接成為需要解決的題目。本文探討結構膠粘劑粘接的疲憊強度和壽命,比較數種結構膠粘劑的特點,并以客車為例先容其應用情況。
       客車、汽車的前后圍、輪護面、行李艙門、保險杠等采用玻璃鋼蒙皮是近年發展的新技術。玻璃鋼蒙皮替換傳統的金屬蒙皮,可以減輕重量,進步強度/剛性,設計空間更廣,防腐,能將多個制件整合為一個組裝件,有利于換型、批量生產及降低本錢。由于上述優點,玻璃鋼制品在運輸行業的應用日益廣泛。但隨著復合材料在運輸行業愈來愈多的應用,這些復合材料部件之間的連接以及復合材料與金屬部件的連接就成了運輸行業中需要解決的題目。對于非金屬部件,如采用螺釘或鉚釘連接,在連接處會產生應力集中,使非金屬部件遭到破壞。大型重型卡車的風帽采用的就是玻璃鋼部件,假如采用鑼接,螺釘或鉚釘只能固定在風帽底部的幾個點,在行駛過程中,由于振動和顛簸,這幾個連接點處的玻璃鋼不斷受到沖擊,很快就會出現斷裂。

       FREIGHTLINER公司采用了PLEXUS(普萊克斯)丙烯酸改性結構膠粘劑,把頂部風帽直接與駕駛室的頂棚粘接在一起。由于風帽與駕駛室的連接是面-面連接,不會出現應力集中的情況,使風帽的連接更堅固。更重要的是,使用膠粘劑進行粘接,加工工藝更加簡單,節省了定位、轉孔打眼、螺釘固定等工序。粘接也應用在其它的部位,如粘接基本結構接頭、行李艙組裝、金屬托架、復合材料儀表盤等,其中也包括大客車的車身面板與金屬骨架的粘接。

 

膠粘劑粘接的強度和壽命

       膠粘劑除了在玻璃鋼、ABS等非金屬方面的應用外,在鋼及鋁等金屬構件上也被廣泛應用。這些膠粘劑幾乎能粘接所有基材、適用于各種加工時間以及不同的力學屬性。
       為了驗證膠粘劑粘接的強度和使用壽命,對相同部件的不同連接形式,即鉚釘連結和膠粘劑粘接分別作了靜態和動態的測試。樣片是由帶有涂層的鋼板組成,分別采用4個鉚釘連接和普萊克斯膠粘劑AO420粘接,膠層厚度為1mm,重迭部分的寬度為57mm。測試結果見下表。 

 

       由結果可以看出,膠粘劑粘接的使用壽命優于鉚釘連接。

運輸行業的結構膠粘劑比較

       在運輸行業,除了膠粘劑的靜態粘接強度以外,尤為重要的是粘接部件在動態載荷下的強度衰減,由于在靜態條件下高的粘接強度并不一定可以轉換成為振動條件下的長壽命,所以很多靜態強度很高的膠粘劑并不適合車輛部件的粘接。目前,用于運輸工具的結構膠粘劑有聚氨酯(單組分和雙組分)、甲基丙烯酸酯(雙組分體系)、環氧(雙組分體系)幾種類型。這三種膠粘劑各有特點:聚氨酯膠的韌性非常好,可以滿足運輸過程中不斷的振動帶來的沖擊,但粘接強度相對較低,不適合進行結構粘接;環氧膠的粘接強度非常高,可以滿足結構粘接的強度要求,但缺點是韌性較差,抗沖擊性能和疲憊性能不好,在頻繁振動中無法保證其最初的粘接強度;甲基丙烯酸酯膠的粘接強度高,但也同樣存在韌性差、抗沖擊性能和疲憊性能低的缺點。
       針對這種情況,美國普萊克斯公司研制發明了“核殼”結構的甲基丙烯酸酯膠粘劑,即在甲基丙烯酸酯中加進橡膠增韌劑,形成了甲基丙烯酸酯的“核”外面包裹著橡膠增韌劑的“殼”這樣一個嵌段共聚物,從根本上改變了傳統丙烯酸酯膠粘劑韌性差的缺點。核殼結構的甲基丙烯酸酯膠粘劑結合了環氧膠粘劑的高強度和聚氨酯膠粘劑高韌性的特點,充分滿足了運輸行業對膠粘劑的各項需求。
       采用ASTM D 3166“循環拉伸剪切載荷下膠粘劑的疲憊屬性”的方法,測試了三類膠粘劑(環氧、聚氨酯和甲基丙烯酸酯)的動態疲憊情況。當處于90%應力水平時,很難區分這幾種膠粘劑的性能。然而,在較低的應力水平時,區分兩者則較為輕易:達到50%應力水平時,“核殼結構”的丙烯酸顯示出優越的抗疲憊性能,循環次數可以達到近800萬次(7,884,231次),而普通增韌丙烯酸的循環次數明顯降低,只能達到不到20,000次(167,341),CTBN 改性環氧比ATBN改性環氧的抗疲憊性能更好 (93,391次循環與6,423次循環)。這表明了不同的增韌機制會影響膠粘劑的持久性。普通的聚氨酯膠粘劑的循環次數只能達到36,691次。

 

膠粘劑的應用

       隨著復合材料制造方法的不斷創新,使復合材料的加工更加輕易,因此更多應用都可以使用粘接工藝。由于目前的結構膠粘劑能進行化學熔合粘接,大部分組裝都能使用粘接工藝?,F以客車結構粘接為例。

*頂棚粘接:當今的客車制造商通常將復合材料頂棚與鋁結構框架進行粘接。由于沒有鉚釘,整個應用變得簡單而省時。用復合材料頂棚來代替鋁制頂棚,同樣減少了整個車體的凈重。采用粘接的另一個作用,是消除了頂棚/側板接口采用鉚釘時出現漏水等題目;
*上下窗的粘接:上下車門有兩扇窗,均由超級耐磨的樹脂玻璃制造而成。由于密封劑無法提供符合要求的粘接強度,所以樹脂玻璃周邊都先用結構膠粘劑與復合材料相粘連,然后在窗戶的整個邊沿使用密封劑和橡皮封條以達到防水的目的;
*支架的安裝:金屬支架需要粘接在聚酯或環氧玻璃鋼上,這個應用范例包括前圍、后圍、電纜支架、格子窗等。粘接可以消除鉚釘或螺釘等機械連接出現的孔,并且安裝更迅速。固化時應用夾具固定支架;
*行李艙門的粘接:隨著玻纖增強復合材料的應用,行李艙門仍然使用玻璃鋼材料。鋁質骨架通常與合葉和門卡子連接在一起,膠粘劑可將玻璃鋼板粘接在鋁骨架上。

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