GFRP／铝合金和铝合金／铝合金粘接接头失效对比研究*

秦国锋，那景新，慕文龙，谭 伟，刘浩垒

（1.广西师范大学职业技术师范学院，桂林 541004； 2.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022）

前言

随着汽车工业的发展，汽车产量和保有量逐年增多，给人们带来出行方便的同时，也产生了能耗、排放和安全等一系列问题，故汽车工业节能减排刻不容缓。轻量化是节能减排最直接和有效的手段之一，轻量化可通过采用轻质高强度材料、先进成形技术和优化设计来实现［1］。铝合金、纤维增强复合材料（增强纤维如碳纤维、玄武岩纤维、玻璃钢）因具有高的比强度，在汽车轻量化中应用越来越多。未来的发展将是利用多种材料的优势集成，以取得更好的轻量化效果［2-5］。因此，不同材料零部件的连接技术是新材料应用的关键技术之一，粘接技术不仅可实现复杂结构形状、不同材质的连接，还能在不破坏零件结构的前提下实现连接。此外，粘接结构具有承载面积大、应力分布均匀的特点，能在保证粘接强度的同时达到轻量化的目的［6］。

在汽车服役期间，温度是影响粘接强度的主要因素之一。胶粘剂作为一种高分子材料，其失效强度、伸长率、弹性模量在不同的温度下都会发生很大变化［7-8］；其中玻璃化转变温度Tg是决定胶粘剂性能的主要参数。一般说来，当温度高于Tg时，胶粘剂表现为高弹态，其失效强度、弹性模量快速下降，伸长率增大；而当温度低于 Tg时，性能却相反［8］。当温度变化时，粘接基材与胶粘剂之间不同的热膨胀系数也会导致热应力，特别是当胶层厚度很薄、粘接面积很大时，热应力不能被忽略［7］。当胶粘剂从高温固化冷却到室温时也会产生收缩应力，但收缩应力的影响微小［8］。粘接接头包括基材（本文中为纤维增强复合材料）和胶层。基材有基体开裂、分层、纤维撕裂和脱粘4种基本的失效形式，而在实际的失效过程中往往是多种失效形式的组合［9］。胶层的失效形式则分胶层内聚失效、界面失效和混合失效3种［6］。其中，胶层的“界面失效”和基材的“脱粘”实质是相同的失效形式，只是称谓不同。

温度不仅会影响粘接接头的失效强度，还会改变胶层的失效形式，特别是对于复合材料粘接接头，基材和胶粘剂都有可能发生失效，当温度超过胶粘剂的Tg时，胶粘剂性能下降，失效形式可能从复合材料的纤维撕裂或分层转变为胶层的界面失效［10-11］。当温度变化时，粘接接头中的应力分布状态会发生改变，引起热应力，从而影响接头的载荷承载能力［12］。国内外学者还研究温度和载荷速率共同作用下粘接接头的失效强度变化规律，发现随着温度的降低和载荷速率的升高，失效强度变大［13-14］。

大多数学者研究的是搭接接头，这代表的是一种以剪应力为主的受力状态，汽车在运动过程中，承受来自车上和地面的各种静动载荷，导致车上的粘接结构处于复杂的受力状态。因此，考虑到纤维增强复合材料失效的复杂性，在复合材料粘接结构失效预测时须考虑载荷形式的影响。目前针对金属／金属和金属／复合材料粘接接头失效机理的研究较少，本文中考虑了载荷形式和温度对粘接接头失效的影响，对比分析了GFRP／铝合金与铝合金／铝合金粘接接头失效的差异性，为复合材料在汽车上的应用提供指导。

为此，本文中设计了处于剪应力状态的剪切接头、拉应力状态的对接接头和拉剪组合应力状态的45°嵌接接头，在低温（-40℃）、常温（25℃）和高温（80℃）条件下进行测试，分析温度和受力形式对粘接头失效强度、失效模式和失效准则的影响，对比了同种材料铝合金／铝合金接头与异种材料GFRP／铝合金接头失效的差异性，揭示GFRP和铝合金粘接接头在不同温度、受力形式下的失效规律。

1 试验测试

1.1 试验材料

选择6005A铝合金制作铝合金接头，其材料属性参数如表1所示。GFRP板材（唐山今创四海特种复合材料有限公司提供）选用平纹预浸布真空加压成型而成，铺层方向均为0°，板材整体厚度为4 mm；选用双组份甲基丙烯酸酯类胶粘剂PlexusTM832，两组份配比为10∶1，这是一种广泛应用于车辆上的结构胶粘剂，对金属和复合材料具有优异的粘接性能，还具有优良的耐疲劳性、突出的抗冲击性和优越的韧性，使用温度范围是-40～82℃。

表1 铝合金材料属性参数

为更合理地分析温度对粘接接头的影响，采用DSC Q2000 V24.11 Build 124设备对PlexusTM832的胶粘剂玻璃化转变温度Tg进行了测试，测试在氮气中进行，温度变化为5℃／min。由于胶粘剂的玻璃化转变是一个过程，取起止温度的平均值作为参考玻璃化转变温度，由测试结果（图1）可知，PlexusTM832的Tg约为82.6℃。

图1 PlexusTM 832玻璃化转变温度

1.2 接头制作

剪切、嵌接和对接接头的几何尺寸如图2所示。GFRP／铝合金接头是GFRP板两侧通过胶粘剂与铝合金接头粘接在一起，而铝合金／铝合金接头则是采用胶粘剂将铝合金接头直接粘接，胶层厚度均为0.2 mm，为了防止GFRP板边界引起撕裂，GFRP板略大于铝合金截面。当角度α为45°时，为45°嵌接接头，当角度α为90°时为对接接头。为了提高接头的利用率和粘接夹具的统一性，对接接头不仅用来纯拉应力的测试，如图3（a）所示，还能在辅助装置下进行剪应力的测试，如图3（b）所示。本文中将图3（b）的装配称为剪切接头，定义α为0°和45°嵌接接头代表拉、剪组合应力受力状态，其测试原理与对接接头类似。虽然剪切接头和对接接头在胶层边界存在应力集中现象，且同时存在拉、剪组合应力，但将其受力状态分别假设为纯剪应力和纯拉应力，该假设在工程应用上是合理的［16］。将嵌接接头的轴向失效载荷F沿着粘接面法向和切向分解，并除以其粘接面积A，即可得到其拉应力σ和剪应力τ的大小，如式（1）和式（2）所示。定义接头中胶层拉应力比例Pσ的计算方法如式（3）所示，由此可知，3种接头随着α的增大，其拉应力的比例也逐渐增加。

图2 接头的几何尺寸（单位：mm）

图3 测试原理图

所有的粘接接头按照统一的流程进行制作，首先采用80目的砂纸打磨铝合金粘接表面，然后用丙酮去除铝合金和GFRP板表面的油脂和灰尘，使用专用胶枪混合双组份胶粘剂并施胶，将约20粒直径0.2 mm的玻璃珠均匀地放置在粘接面上用于控制胶层厚度，避免玻璃珠堆积在一起，一般说来，玻璃珠体积小于胶层体积的4%时对粘接强度几乎没有影响［15］；在工装夹具上（如图4所示）完成接头的制作，底座和盖板分别用于支撑和压紧粘接接头，旋钮与游标卡尺配合使用，用于压紧胶层保证其厚度的一致性；在胶粘剂固化之前，清除多余的胶粘剂。1天之后卸下粘接接头，最后在高低温环境箱（如图5所示，长春科新实验仪器有限公司提供）中固化2 h完成整个接头的制作过程。高低温环境箱的高温环境通过电阻丝加热实现，而低温环境是通过液氮降温实现，整个环境箱中的温度通过温度控制器调节。

图4 工装夹具

图5 高低温试验箱

1.3 试验测试

采用万能电子拉力试验机（长春科新实验仪器有限公司提供）进行试件测试，测试所需的高温和低温环境由高低温环境箱提供，为保证测试温度，粘接接头须在测试温度保温2 h，然后进行准静态试验测试。为消除非轴向力对试验测试的影响，在试件两头采用了十字万向节，拉伸机以2 mm／min的恒定速度拉伸试件直至破坏，记录拉伸作用力随位移的变化曲线，获得试件的失效载荷F，每组测试重复5次，取平均值作为最终结果。

2 结果与讨论

2.1 测试结果

GFRP／铝合金和铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的载荷位移曲线分别如图6和图7所示，该载荷／位移曲线由拉伸试验机直接获得。由图6和图7可知，所有接头的失效载荷、失效位移和接头刚度随着温度的升高而降低。

图6 GFRP／铝合金粘接接头在不同温度下的典型载荷／位移曲线

图7 铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的典型载荷／位移曲线

铝合金／铝合金和GFRP／铝合金粘接接头在不同温度下的失效断面分别如图8和图9所示。由图可见：GFRP／铝合金剪切接头在3个测试温度下的失效模式都是胶层内聚失效；45°嵌接接头在高温下是胶层内聚失效，在常温下是混合失效（GFRP板60%断面纤维表面撕裂和40%断面胶层内聚），在低温下是GFRP板全部表面的纤维撕裂；对接接头在高温下是混合失效（GFRP板95%断面纤维表面撕裂和5%断面胶层内聚），在常温和低温是GFRP板中间的分层失效。而铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的失效形式均为胶层内聚失效，因此图8只显示了常温下的失效断面图。

图8 铝合金／铝合金粘接接头在常温下的典型失效断面

图9 GFRP／铝合金粘接接头在不同温度下的典型失效断面（左侧为铝合金，右侧为GFRP）

2.2 温度影响

将粘接接头的最大失效载荷除以粘接面积，得到粘接接头的失效强度。GFRP／铝合金和铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下失效强度分别如图10和图11所示。

GFRP／铝合金剪切接头在低温下的失效强度比常温增大了36.5%，而高温下的失效强度比常温下降了55.1%；45°嵌接接头的失效强度在低温下增加了32.1%，在高温下下降了52.5%；对接接头的失效强度在低温和高温下分别增加了25.7%和下降了47.2%。由此可以发现，高温对失效强度的影响明显大于低温，这是由于高温接近胶粘剂的玻璃化转变温度，胶粘剂由玻璃态转变成了弹性态，其力学性能急剧下降引起的；低温对剪切接头失效强度的提升最大，其次是45°嵌接接头，最小的是对接接头，而高温对这3种接头失效强度影响大小的顺序与低温时相同。由于这3种接头的拉应力比例逐渐增加，因此随着拉应力比例的增加，温度对GFRP／铝合金接头失效强度的影响逐渐降低，这是由其复杂的失效模式所决定的。

图10 GFRP／铝合金粘接接头在不同温度下失效强度

图11 铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下失效强度

GFRP／铝合金剪切接头在3种测试温度下的失效模式均为胶层内聚失效，因此GFRP／铝合金剪切接头在不同温度下的失效强度主要由胶粘剂的性能决定；45°嵌接接头在高温下是胶层内聚失效，常温下为混合失效（GFRP板60%断面纤维表面撕裂和40%断面胶层内聚），低温下GFRP板全部表面的撕裂，说明随着温度的降低，GFRP板更容易发生撕裂，这是因为随着温度的降低，测试温度远离玻璃化转变温度，胶粘剂的性能增强导致的；对接接头在高温下是混合失效（GFRP板95%断面纤维表面撕裂和5%断面胶层内聚），在常温和低温下是GFRP板中间的分层失效，这说明在常温和低温下，随着胶层拉应力比例的增加，GFRP板撕裂面积的比例更大，45°嵌接接头和对接接头在不同温度下的失效强度受胶粘剂和GFRP板性能的共同影响。

铝合金／铝合金剪切接头、45°嵌接接头和对接接头在低温下的失效强度分别比常温下增加了35.5%，37.7%和34.9%，在高温下的失效强度分别下降了55.7%，54.3%和52.1%，说明同样是高温对失效强度的影响明显大于低温，但是不同类型接头之间没有明显区别，这是因为铝合金／铝合金粘接接头都是胶层内聚失效，其在不同温度下的性能主要受胶粘剂性能影响。

高低温对GFRP／铝合金和铝合金／铝合金剪切接头的影响程度几乎是一样的，因为它们都是胶层内聚失效；高低温对GFRP／铝合金45°嵌接接头和对接接头的影响低于铝合金／铝合金45°嵌接接头和对接接头，这是由于GFRP不同程度的撕裂引起的。

2.3 受力形式的影响

由图10和图11可知，GFRP／铝合金和铝合金／铝合金剪切接头的失效强度最高，其次是45°嵌接接头，对接接头的失效强度最低，也即随着拉应力比例的增加，粘接接头的失效强度逐渐降低。在常温和低温下，GFRP／铝合金接头的剪切强度比拉伸强度分别高23.6%和34.3%，这是由于GFRP／铝合金对接接头在低温下发生了更加严重的GFRP分层失效引起的；在高温下，GFRP／铝合金接头的剪切强度略高于拉伸强度，胶层受力形式的影响减弱了，因此，随着温度的升高，胶层受力形式对失效强度的影响逐渐减小。而在常温和低温下，铝合金／铝合金接头的剪切强度比拉伸强度分别高7.9%和10.3%，说明胶层的受力形式对铝合金／铝合金接头的影响明显小于GFRP／铝合金接头，这是GFRP板撕裂的影响结果。因此，在粘接结构设计时应尽量降低拉应力比例，减少纤维撕裂或分层失效，提高粘接结构的载荷承载能力。

受力形式不仅影响失效强度和失效模式，还影响失效位移。由图6和图7可知，GFRP／铝合金和铝合金／铝合金对接接头的失效位移最小，其次是45°嵌接接头，剪切接头失效位移最大，因此随着拉应力比例的升高，接头的失效位移逐渐降低。

2.4 GFRP的影响

GFRP／铝合金与铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下失效强度对比如图12所示。由图12可知，铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的失效强度高于GFRP／铝合金接头。铝合金／铝合金对接接头在低温下比GFRP／铝合金高25.9%，在常温下高17.4%，在高温下高6.6%，因此随着温度的升高，GFRP对GFRP／铝合金对接接头失效强度的影响逐渐减小，这是因为随着温度的升高，GFRP／铝合金接头的GFRP分层较小。在低温、常温和高温下，铝合金／铝合金45°嵌接接头的失效强度比GFRP／铝合金45°嵌接接头分别高12.6%，8.1%和3.9%，说明随着拉应力比例的降低，GFRP对GFRP／铝合金对粘接接头失效强度的影响逐渐减小。铝合金／铝合金剪切接头在不同温度下的失效强度略高于GFRP／铝合金剪切接头，因为剪切接头的失效形式都是胶层内聚失效，因此GFRP对GFRP／铝合金剪切接头的影响最小。

图12 GFRP／铝合金与铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下失效强度对比

2.5 温度和GFRP对失效准则的影响

通过有限元分析能获得粘接结构在任意复杂载荷下的应力状态，因此失效预测的关键在于建立合适的失效准则。二次应力准则广泛应用于粘接结构的失效预测［16］，如式（4）所示。

式中：σ，τ分别为拉应力和剪应力；N，S分别为模式I（拉应力）和模式II（剪应力）的失效强度。

理论上只须获得N和S，就能建立失效准则，但由于边界效应的影响，粘接接头胶层边界都存在拉应力和剪应力的组合，因此很难获得真正的N和S。本文中通过剪切接头、45°嵌接接头和对接接头进行测试，采用曲线拟合的方式建立GFRP／铝合金和铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的二次应力准则，并分析温度对二次应力准则的影响规律。

根据测试获得的失效载荷，采用式（1）和式（2）计算不同接头的拉应力σ和剪应力τ，以剪应力τ为横坐标、拉应力σ为纵坐标，建立失效准则坐标系，采用最小二乘法拟合得到任意拉、剪组合应力状态下的二次应力失效准则，GFRP／铝合金和铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的失效准则分别如图13和图14所示，在失效准则线内表示没有失效发生，在线上或者外面表示超过了失效准则，发生了失效。由图13可知，GFRP／铝合金粘接接头在低温、常温和高温下的失效准则拟合优度R2分别为0.983，0.991，0.996，因此随着温度的升高，其拟合优度逐渐升高，说明GFRP／铝合金粘接接头在高温下更符合二次应力失效准则。由图14可知，铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的失效准则拟合优度R2在0.996～0.999之间，说明其在不同温度下的失效准则都符合二次应力准则，温度对其影响不大。通过对比图13与图14发现，GFRP／铝合金粘接接头在低温和常温下的失效准则拟合优度R2明显低于铝合金／铝合金粘接接头，这是因为GFRP／铝合金粘接接头的纤维撕裂或者分层失效影响了其失效准则，因此，粘接接头在胶层内聚失效时，其失效准则更加符合二次应力失效准则，纤维撕裂或者分层失效会降低二次应力失效准则的拟合优度。

图13 GFRP／铝合金粘接接头在不同温度下的失效准则

图14 铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的失效准则

3 结论

本文中针对GFRP／铝合金和铝合金／铝合金粘接接头，考虑了温度和受力形式对失效强度、失效模式和失效准则的影响，结合玻璃化转变温度测试结果，揭示了同种材料粘接与异种材料粘接失效机理的差异，为GFRP在工程中的应用提供指导，得到如下结论。

（1）随着温度的升高，粘接接头的失效强度逐渐降低。对于GFRP／铝合金粘接接头，随着拉应力比例的增加，温度对失效强度的影响逐渐减弱；但温度对不同受力形式下铝合金／铝合金粘接接头失效强度的影响程度差别不大。总体上温度对铝合金／铝合金粘接接头的影响大于 GFRP／铝合金粘接接头。

（2）铝合金／铝合金粘接接头在不同温度和受力形式下都是胶层内聚失效，而GFRP／铝合金粘接接头在温度降低或者拉应力比例升高时，更容易发生纤维撕裂或分层失效，这也是GFRP／铝合金粘接接头失效的一个显著特点，因此工程中复合材料粘接结构应尽量降低拉应力的比例，减少纤维撕裂或者分层失效，提高承载能力。

（3）随着温度的升高，GFRP纤维撕裂或分层失效对GFRP／铝合金粘接接头强度的影响减弱，其失效准则更加符合二次应力准则，而铝合金／铝合金粘接接头在不同温度下的失效准则都符合二次应力准则，因此为更准确地预测复合材料粘接结构的失效，需要考虑其失效特点的影响。

粘接结构的失效强度除了受温度和载荷形式影响外，还受复合材料种类、胶粘剂类型和湿热老化的影响，今后将进行深入研究。