本文所选取的粘接剂为Sikaflex-265, 该粘接剂是一种高性能、固化后具有弹性可填缝的单组分聚氨酯粘接胶, 广泛用于客车、卡车及轨道列车。其通过大气中的湿气反应固化形成一种永久性的弹性物质, 玻璃转化温度为-45 ℃, 工作温度为-40 ~90 ℃。粘接试件的基体材料为车体结构中经常使用的6005A型铝合金。Sikaflex-265、6005A铝合金的主要材料参数如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 Sikaflex-265、6005A铝合金的主要材料参数值 Table 1 Mechanical properties of Sikaflex-265 and 6005A aluminum 材料 弹性模量/MPa 泊松比 密度/(kg· m-3) Sikaflex-265 2.7 0.48 1200 6005A铝合金 71000 0.33 2730

表1 Sikaflex-265、6005A铝合金的主要材料参数值 Table 1 Mechanical properties of Sikaflex-265 and 6005A aluminum

本文选取铝合金单搭接试件用来研究纯剪应力状态下粘接接头的性能。铝合金单搭接试件总体尺寸为175 mm× 25 mm× 20 mm, 其中粘接表面尺寸为25 mm× 25 mm, 粘接层厚度为1 mm, 具体几何尺寸如图1所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 单搭接接头示意图及其结构尺寸Fig.1 Geometries and dimensions of SLJ specimens

粘接试件的制备需要在无尘、稳定的环境(温度为23± 3 ℃, 湿度为50%± 5%下进行。涂胶之前, 首先使用80目的砂纸以45° 角交叉打磨铝合金粘接表面, 除去表面氧化层, 增加表面粗糙度, 然后先后使用清洁剂Sika Remover208及活化剂Sika Aktivator, 底涂Sika Primer-206 G+P擦拭粘接表面。为了更好地研究Sikaflex-265相对于铝基材的粘接性能, 应尽量保证铝粘接表面前处理一致性。待试件干燥后通过所设计的专用夹具完成粘接, 并对粘接接头进行为期4周的固化, 粘接夹具如图2所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 单搭接接头夹具Fig.2 Bonding fixtures for SLJ specimens

为了研究不同温度和湿度组合对Sikaflex-265粘接剂性能的影响, 本文分别选择20、40、60、80 ℃四个温度点及55%、65%、75%、85%、95% RH五个湿度点, 通过不同的温度湿度组合形成20组试验, 每组试验重复4次。将粘接接头按照不同的湿热组合放置在高低温湿热环境箱96 h后, 将其从高低温湿热试验箱取出, 晾至常温, 湿热环境箱如图3所示。之后将其安装在WDW3100微机控制电子万能试验机上, 粘接接头的两端通过万向节与拉伸试验机相连, 以保证测试过程中的试验力沿着试件轴线中心通过, 消除非轴向的作用力。拉伸试验机以1 mm/min的恒定速度拉伸试件直至破坏。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 湿热环境箱Fig.3 Environmental chamber

2.1.1 一定湿度水平下温度变化对失效强度的影响

将拉伸试验所得到的粘接接头失效强度数据进行统计处理, 其中失效强度由失效载荷除以粘接面积获得, 而平均失效强度则取4组有效测试试件的平均值, 得到单搭接接头在一定的湿度水平下平均失效强度随温度变化的趋势, 如图4所示。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 一定湿度水平下温度变化对粘接强度的影响Fig.4 Average joint strength of specimens as a function of temperature

由图4可知, 温度变化对Sikaflex-265铝合金粘接接头的失效强度存在显著的影响, 且在不同的湿度水平下的影响也有所不同。在一定的湿度水平下, 温度越低, 接头的平均失效强度的下降幅度越明显, 随着温度的升高, 粘接接头平均失效强度的下降幅度逐渐趋于平缓。以20 ℃/55% RH条件下的接头的平均失效强度值为参考, 随着温度增加到40、60、80 ℃时, 粘接接头的平均失效强度值分别下降了18.9%、29.2%、34.1%。其他湿度水平下, 随着温度的升高, 接头平均失效强度表现出相似的衰减规律, 且湿度水平越高, 接头平均失效强度衰减比率越大。以20 ℃/95% RH条件下的接头的平均失效强度值为参考, 随着温度增加到40、60、80 ℃时, 粘接接头的平均失效强度值分别下降了24.1%、35.7%、42.6%, 说明Sikaflex-265粘接剂在高温高湿环境下老化现象更加显著。这是由于聚氨酯粘接剂在高温环境中粘接剂分子链中的酯基和氨基甲酸酯会出现热降解, 使分子链发生断裂, 随着热分解温度升高, 分子链断裂加剧, 最终造成接头平均失效强度降低^{[18, 19]}。

2.1.2 一定湿度水平下粘接接头平均失效强度拟合曲线

为了获得粘接接头失效强度在不同湿度水平下随温度的变化规律, 指导Sikaflex-265粘接结构在工程中的应用, 本文根据接头平均失效强度的变化趋势, 分别采用二次多项式函数及指数函数拟合了不同湿度水平下接头平均失效强度随温度变化的关系曲线, 并得到相应的拟合曲线公式及每条拟合曲线的残差平方和值(RSS)与拟合优度值(R²), 对两种拟合曲线精度进行了比较。同一湿度水平下的拟合曲线、拟合公式及对应残差平方和值与拟合优度值如图5所示。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 一定湿度水平下的拟合曲线、拟合公式及对应残差平方和值与拟合优度值Fig.5 Fitting curves, fitting formula and corresponding residual squared value and fitting goodness value under certain humidity level

根据图5的拟合曲线结果发现, 同一湿度水平下, 指数函数相较于二次多项式函数, 其残差平方和更小, 拟合精度值也更接近于1。因此, 在同一湿度水平下, 选用指数函数作为粘接接头失效强度变化的理想表达式。

2.2.1 一定温度水平下湿度变化对失效强度的影响

对由拉伸试验所得到的粘接接头失效强度数据进行统计处理, 得到如图6所示的单搭接接头在一定的温度水平下, 平均失效强度随湿度变化的曲线。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 一定温度水平下湿度变化对粘接强度的影响Fig.6 Average joint strength of specimens as a function of relative humidity

由图6中变化曲线发现:在一定的温度水平下, 接头失效强度随着湿度的升高呈现出相似的下降趋势。但是, 在不同的温度水平下, 接头失效强度的下降幅度有所不同。以20 ℃/55% RH接头的平均失效强度值为参考, 随着湿度增加到65%、75%、85%、95% RH时, 粘接接头的平均失效强度值分别下降了5.5%、6.3%、13.1%、14.2%。在40、60、80 ℃条件下, 以80 ℃/55% RH条件下的接头的平均失效强度值为参考, 随着湿度增加, 粘接接头的平均强度值下降了7.0%、14.6%、18.0%、25.3%, 说明温度加速了聚氨酯粘接剂的水解降解, 从而导致接头失效强度下降更快。这是因为Sikaflex-265 聚氨酯粘接剂分子结构含有官能团-NH-CO-NH-和-NH-COO-, 这些官能团尤其在高温高湿环境中易发生水解, 生成-NH₂和-COOH, 造成聚合物分子链断裂, 进一步导致其粘接强度的下降, Boubakri等^[20]采用差示扫描量热法(DSC)和傅里叶变换红外光谱测试(FTIR)对以上结论进行了验证。

2.2.2 一定温度水平下粘接接头平均失效强度拟合曲线

为了更好地研究在不同温度水平下粘接失效强度随湿度的变化规律, 本文针对单搭接接头, 根据平均失效强度的变化趋势, 分别采用二次多项式函数及指数函数拟合了不同温度水平下, 接头平均失效强度随湿度变化的关系曲线, 并得到相应的拟合曲线公式。同时计算出每条拟合曲线的残差平方和值(RSS)和拟合优度值(R²), 以此对两种拟合曲线精度进行了比较。同一温度水平下的拟合曲线、拟合公式及对应残差平方和值与拟合优度值如图7所示。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 同一温度水平下的拟合曲线、拟合公式及对应残差平方和值与拟合优度值Fig.7 Fitting curves, fitting formula and corresponding residual squared value and fitting goodness value under certain temperature level

根据图7的拟合曲线结果发现, 同一温度水平下, 二次多项式函数相较于指数函数, 其残差平方和更小, 拟合精度值也更接近于1。因此, 同一温度水平下, 选用二次多项式函数作为粘接接头失效强度变化的理想表达式。

为了进一步分析出温度、湿度对接头失效强度的影响程度, 本文采用响应面分析法中的中心复合旋转试验方法, 借助Design expert软件进行了响应面分析。通过选取二阶多项式回归模型, 建立接头平均失效强度与温度及湿度之间的数学模型, 如下所示:

S=a0+a1U+a2T+a11U2+a22T2+a12UT(1)

式中:S为接头平均失效强度; U为相对湿度; T为温度。

在进行响应面分析过程中, 为了消除不同变量间因量纲不同产生的误差, 需要采用中心组合设计进行数据处理。中心组合设计试验表是以代码形式编排, 代码主要为-α 、-1、0、+1、+α 。

根据中心组合设计原理, 当试验因素为两组时, 取α =1.41, 编码如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 试验因素水平编码 Table 2 Level coding of experimental factor 因素 编码 -1.41 -1 0 1 1.41 湿度U/% 55 60.86 75 89.14 95 温度T/℃ 20 28.79 50 71.21 80

表2 试验因素水平编码 Table 2 Level coding of experimental factor

根据表2代码所对应的温度、湿度进行补充试验, 获得各温度和湿度条件下接头平均失效强度值, 设计试验方案如表3所示。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 响应面试验设计方案 Table 3 Experimental design of response surface 标准顺序 试验顺序 湿度/% 温度/℃ 平均失效强度/MPa 1 4 1 1 4.21 2 12 0 0 5.39 3 3 -1 1 5.09 4 9 0 0 5.52 5 6 1.41 0 4.60 6 2 1 -1 6.03 7 10 0 0 5.60 8 11 0 0 5.24 9 1 -1 -1 6.87 10 13 0 0 5.44 11 8 0 1.41 4.46 12 7 0 -1.41 7.28 13 5 -1.41 0 5.81

表3 响应面试验设计方案 Table 3 Experimental design of response surface

将表3中试验数据输入Design expert进行回归拟合, 得到温度、湿度与接头平均失效强度I之间的二次多项回归方程如下:

I=5.44-0.43U-0.95T-1×10-2UT-0.11U2+0.22T2(2)

对上述回归模型进行方差分析, 得到温度和湿度显著性检验结果, 如表4所示。其中, Radj2为校正决定系数。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 回归模型系数显著性检验结果 Table 4 Test results of regression model coefficients’ significance 方差来源 平方和 F值 P值 标记 模型 9.15 136.76 < 0.0001 significant U 1.47 110.03 < 0.0001 / T 7.20 538.10 < 0.0001 / UT 4× 10-4 0.030 0.8676 / U2 0.089 6.69 0.0362 / T2 0.33 24.97 0.0016 / 失拟项 0.019 0.34 0.7972 Not significant R2= 0.990 Radj2=0.983

表4 回归模型系数显著性检验结果 Table 4 Test results of regression model coefficients’ significance

由表4可知, 该模型的相关值P< 0.05表明模型项具有统计学意义; 失拟项(P> 0.05)不显著, 拟合度R²为0.990, 说明预测值与试验测试值之间具有高度的相关性; 校正决定系数为0.983, 说明该模型能够解释98.3%的变化。因此, 该模型可以用于分析及预测温度、湿度对接头平均失效强度的影响。另外, 根据表4的显著性检验可知, 交互项UT影响不显著(P> 0.05), 而U(湿度)、T(温度)以及二次项U²、T²对接头平均失效强度影响显著(P< 0.05), 且相较于U(湿度), T(温度)对接头平均失效强度的影响更加显著。

为了进一步验证所得到数学模型的有效性和准确性, 将通过数学模型计算和试验测试得到的接头平均失效强度进行对比, 并计算相对误差, 如表5所示。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 接头强度试验值、数学模型计算值及相对误差 Table 5 Experimental value, mathematical model calculation value and relative error of joint strength 试验顺序 试验值/MPa 理论值/MPa 相对误差/% 1 6.87 6.91 0.58 2 6.03 6.07 0.66 3 5.09 5.03 1.18 4 4.21 4.16 1.19 5 5.81 5.82 0.17 6 4.60 4.60 0 7 7.28 7.22 0.82 8 4.46 4.53 1.57 9 5.52 5.44 1.45 10 5.60 5.44 2.86 11 5.24 5.44 3.82 12 5.39 5.44 0.93 13 5.44 5.44 0

表5 接头强度试验值、数学模型计算值及相对误差 Table 5 Experimental value, mathematical model calculation value and relative error of joint strength

由表5可知, 数学模型的计算值和试验值之间的最大相对误差为3.82%。因此, 由方差分析所得到的数学模型与试验值具有一致性, 可以用来近似地反映温度和湿度对接头平均失效强度的影响。

此外, 根据Design expert生成的接头平均失效强度响应面曲线随温度、湿度的变化趋势, 如图8所示, 可见, 在温度和湿度的交互区间内, 随温度上升及湿度的增大, 接头平均失效强度呈现出明显的下降趋势, 且在高温高湿状态下, 粘接接头性能的老化更为显著。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 3D响应面云图Fig.8 Three-dimensional response surface cloud