碳纤维和铝合金的粘接技术

碳纤维和铝合金的粘接技术
作者：王伟臣郝益华黄浦淳陈致远董洁
来源：《中国科技纵横》2014年第05期
【摘要】简述了FSAE赛车悬架导向机构中碳纤维和铝合金的粘接工艺，通过破坏性力学实验、不同的胶层粘接厚度和采用二次粘接工艺研究了适当增加粘接表面的粗糙度、胶层厚度控制在0.02mm-0.08mm及采用二次粘接工艺可获得较好的粘接质量和力学性能。

【关键词】粘接工艺二次粘接工艺胶层厚度粘接表面处理
碳纤维在FSAE赛车领域的应用变得越来越广泛，传统的金属结构已经不能满足赛车减重的要求。

碳纤维在FSAE赛车中的应用，特别是在导向机构的应用，要求粘接位置有一定的强度。

在粘接方面国内已有部分关于碳纤维与合金粘接的研究，并能达到较好的粘接强度，但不足以满足FSAE赛车的某些正常行驶和极限工况的要求。

本项研究目的在于进一步发掘碳纤维复合材料在汽车悬架上的应用，使其能满足FSAE赛车各种极限工况下的力学需求。

本文研究能改善现有的粘接工艺，提高粘接强度，从而解决在大学生方程式大赛中碳纤维复合材料悬架在比赛中因力学性能不足导致的脱胶等一系列问题，并使碳纤维复合材料悬架的进一步推广成为可能，提高粘接强度也利于碳纤维复合材料在其他机械领域、机械机构中进行使用。

同时，利用实车测试的机会，将材料的经济效益提升到最大，使其在一定成本条件下更具有推广意义。

本文介绍的粘接技术应用在国内最早使用碳纤维不等长双横臂结构作为悬架结构的FSAE 方程式赛车上。

该方程式赛车采用碳纤维复合材料制成悬架杆系，用粘接的方式与铝合金接头连接作为悬架支撑结构，通过粘接形式粘接剂工艺参数的选择与试验，得到了较好的效果，采用本文方案粘接的方程式赛车已通过多次路试和比赛的考验，希望对其他人起到一定的借鉴作用。

1 粘接方式
碳纤维悬架杆在该系统中作为主要承力部件，由于主要受力方向是沿轴的方向，因此采用了套接的连接方式，将碳纤维管套接与铝制接头上。

如图1.1。

此种粘接方式的优势在于碳纤维材料主要强度方向于粘接受力方向一致，可以充分利用碳纤维材料的强度；粘接面积大，形式简单，易于操作，可靠性高，受力状况好。

2 粘接剂的选择
碳纤维复合材料是由增强材料和基体树脂组成。

复合材料基体树脂与胶粘剂主体树脂的相容性直接影响粘接的界面结构与性能对碳纤维复合材料的粘接，如果选胶匹配不当，很容易发生脱粘，界面分离。

常用的粘接剂为改性环氧树脂，见表2.1
以上各种胶粘剂与碳纤维材料可得到较高的粘结强度，已得到应用本文选择了DP490胶粘剂作为铝合金和碳纤维材料的胶粘剂，主要原因有以下几点：
（1）DP490是改性环氧树脂类粘接剂，粘接强度较高。

环氧树脂中含有极性基团，环氧基能与金属表面形成化学键增大结合力，且环氧树脂固化后内聚力大，所以具有较高的粘接强度。

改性环氧树脂，因为通过改性处理，所以提高了粘接剂的耐老化性能和韧性，保证了粘接零件在长期承受变化载荷和冲击时，不易产生疲劳破坏。

（2）DP490作为环氧树脂类，收缩率小，尺寸稳定性好。

粘接剂无论用什么方法固化，都一定会产生一定程度的体积收缩，粘接剂在失去流动性之后如果体积还未达到平衡数值，那么进一步固化就会产生内应力。

DP490作为改性环氧树脂粘接剂，在固化时几乎不放出低分子产物，收缩率仅为1%～2%，所以就不会产生很大的内应力，从而提高了粘接效果和粘接强度。

（3）DP490可以室温固化，可以很大程度上减小粘接时的热应力。

碳纤维杆件作为悬架系统中的主要承力结构件，轴向尺寸较大，并且需要保证较高的精度。

碳纤维材料的线弹性系数趋近于0，而铝合金的线弹性系数为23.6。

将两种线弹性系数差异较大粘接在一起，在温度变化较大时，会产生在粘接界面产生温度应力。

热应力的大小正比于两种被粘接物的线弹性系数的差值、温差变化以及材料弹性模量。

如果，粘接剂可以采用低温固化，就可以避免因为粘接温度和使用温度差异过大而产生较大的温度应力导致的胶层破裂。

DP490胶的高粘结强度低收缩率室温固化与二种材料可有效的粘结，是被选择的重要依据。

3 粘接工艺
3.1 粘接接面处理
适当增加粘接面的粗糙度可以加强粘接的强度，碳纤维管件的处理方法为打磨粘接内壁，使之暴露出纤维，铝合金常用的表面处理方法为滚花和打磨粘接表面。

我们对此做了破坏性试验。

试验条件：
（1）采用套接接头形式粘接碳纤维和铝合金试验件，采用DP490胶粘剂；（2）碳纤维采用机械打磨的方法处理粘接表面，铝合金零件采用较易于实现的机械法表面处理方法；（3）接头长度按L=（0.8D+6）计算得到，胶层厚度控制在0.2±0.02mm；（4）相同的固化工艺。

采取以上试验条件，进行了破坏性试验，所得试验数据见表3.1。

由结果可见，铝合金与碳纤维经砂纸打磨、滚花表面处理后粘接强度会提升13.5%和
9.9%，但结果显示砂纸手工打磨效果优于滚花处理，滚花处理后粘接表面过渡不平滑，会出现应力集中，由于胶层为脆性材料，一旦胶层在应力集中处产生裂纹就会快速扩散，导致脱胶现象。

3.2 胶层控制
胶层长度和厚度的控制是粘接时最为重要的部分。

粘接强度与粘接长度呈正相关关系，在一定范围内粘接前度会随着粘接长度的增加而明显增加，超过一定长度后粘接强度随粘接长度的增加而增加缓慢。

因此接头的粘接长度一般不超过碳纤管外直径的2倍。

胶层厚度对粘接强度有重要影响，理论上大多数粘接剂的粘接前度会随着胶层厚度减小而增加，但在胶层过小的情况下容易造成胶层缺陷，粘接强度反而会有所下降。

因此胶层厚度应该控制在特定范围，在该范围内，胶层具有较强的力学性能和稳定性。

为了得到用DP490胶粘剂粘接碳纤维和铝合金零件的最佳胶层厚度，进行了胶层厚度与力学性能关系的试验。

试验条件：
（1）采用套接接头形式粘接碳纤维和铝合金试验件，采用DP490胶粘剂；（2）碳纤维采打磨出碳纤维，铝合金零件采用砂纸打磨的方法处理粘接表面；（3）胶层厚度控制在
0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm几种；（4）相同的固化工艺
根据以上条件所进行的试验结果如表3所示。

根据试验结果绘制DP490胶粘剂的胶层厚度与剪切强度的曲线，如图2所示与胶层厚度为0.05mm时相比，胶层厚度为递增0.05mm时，强度分别下降25.1%、34.0%和38.8%。

由图像、数据分析可知，胶层厚度在0.05mm-0.10mm时剪切强度随胶层厚度增加而下降迅速，而胶层在0.10mm-0.20mm时剪切强度下降相对缓慢。

理论上较厚的胶层需要较小的剪切应力即可发生变形，而且胶层过厚会引起固化不均匀与缺陷密度上升等现象使得剪切强度下降。

虽然较小的胶层厚度理论上能承受较大的剪切强度，但较小的胶层厚度会造成胶层不连续，会导致能承受的剪切应力迅速下降。

在胶层小于0.05mm时，粘接性能十分不稳定。

因此粘接时需要合适的胶层厚度。

结合实验数据与以上理论，本文认为在该套接形式中DP490胶粘剂的胶层厚度控制在0.05-0.10mm之间时可保证较稳定的粘接质量，获得较良好的力学性能。

3.3 二次粘接技术
经过我们在实验中的经验，以及总结另外传统碳纤维管的粘接方法的不足。

我们提出了二次粘管技术。

将铝制接头制成台阶状，接头较小处直径与碳纤管内壁相同，接头较大处直径与碳纤管外壁相同。

将已粘接好的碳纤管外壁进行打磨，直至暴露出3K布层，用一定宽度的
3K预浸布缠绕碳纤管与铝制接头相接处，并包有一定长度的碳纤维管与铝合金接头，涂匀粘接用胶。

使用专用的缠管机将塑料带缠至碳纤管上，以给予3K预浸布足够的预紧力，放入150度烤箱中烘烤1小时至3K预浸布内树脂固化。

我们对此做了破坏性实验。

实验条件：
（1）采用台阶形接头，伸入碳纤管内接头长度按L=（0.8D+6）计算得到，胶层厚度控制在0.1mm；（2）3K预浸布包裹长度20mm；（3）相同的表面打磨处理。

实验结果如表3.3。

二次粘管的优势：碳纤维管与铝制接头粘接时，最内层的一层碳纤维布与铝制接头接触，并承受大部分的轴向力，一层3K预浸布与整个碳纤维管经高温处理后形成一体，相比传统粘接方式，二次粘接工艺增加了粘接面积，充分利用了一层3K碳纤布的力学性能，平均剪切强度提高百分之二十四，工艺简单，可操作性高，结构美观。

4 结语
碳纤维悬架结构以其较轻的质量，会在汽车产品得到越来越多的应用，粘接技术作为其连接手段之一同样会得到研究。

本文通过对碳纤维悬架与铝合金接头粘接形式胶粘剂粘接工艺的选取与验证，为汽车产品中铝合金和碳纤维二种材料的粘接提供一定的依据。

（1）DP490胶粘剂与碳纤维与铝合金两种材料之间能够良好的粘结，且可在一定程度上减少粘接过程中的内应力，得到较高的粘接强度和粘接质量；（2）针对被粘物的材质选择合理可行的表面处理工艺可以在很大程度上影响粘接强度；（3）使用本文的粘接情况下，
DP490胶胶层厚度控制在0.02mm-0.08mm之间可以得到良好的力学性能和粘接质量；（4）采用二次粘管技术可以提高百分之二十到三十的粘接强度。