第51卷第1期2021年1月
吉林大学学报（工学版）
Journal of Jilin University (Engineering a nd T e c h n o l o g y Edition)
Vol. 51 No. 1
Jan. 2021
基于F T I R分析的C F R P-铝合金粘接接头
剩余强度预测
慕文龙〃，那景新谭伟\王广彬\申浩\栾建泽1
(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022:2.河南科技大学机电工程学院，郑州450002)
摘要：对CFRP-铝合金粘接接头在湿热环境下的老化行为及机理进行了研究。将接头在
80°C/95%相对湿度环境下老化不同周期，然后进行准静态拉伸、剪切测试。分析总结接头剩
余强度及失效形式变化规律，并结合肢粘剂红外光谱分析，揭示老化机理。结果表明：湿热老 化造成接头强度显著下降，变化规律近似服从指数函数；老化前、后接头断面均以内聚失效为
主。随着老化周期的增加，肢粘剂-基材界面出现损伤并不断加剧。由于肢粘剂的增塑，老化 后接头失效断面变得相对粗糙；肢粘剂在湿热环境下主要发生水解反应，出现断链现象，同时 在老化初期肢粘剂发生后固化。肢粘剂退化是造成接接头强度下降的主要原因。建立了粘接 接头剩余强度快速预测方法，采用该方法可以通过测试胶粘剂化学特性，实现老化后接头的剩 余强度预测。
关键词：碳纤维增强复合材料；粘接接头；湿热老化；F T IR分析；剩余强度预测
中图分类号：U463.82 文献标志码：A文章编号：1671-5497(2021)01-0139-08
DOI：10. ki.jdxbgxb20191063
Residual strength prediction of adhesive CFRP-aluminum alloy
adhesively bonded joint bad on FTIR analysis
MU Wen4ong12,NA Jin g W,T A N Wei1,WANG G u angW.S H E N Hao'.LUAN Jian-ze1 State Key Laboratory of A utomotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China \2.Coll
ege of Mechnical and Electrical Engineering,Henan Agricultural University,Zhengzhou ^500021 China)
Abstract：The aging behavior and mechanism of adhesively bonded joints of CFRP- aluminum alloy exposured to hygrothermal environment were studied in this paper.First,the joints were aged at 80°C with 95%relative humidity (RH)for different durations and then the quasi-static tensile and shear tests were performed.Second,the residual strength and failure mode of the joint were analyzed.Third,combined with the Fourier transform infrared spectroscopy(F T IR)results of adhesive,the aging mechanism of adhesive joints was revealed.The results indicate that the strength of joint decreas significantly due to hygrothermal aging,which approximates the exponential function.The failure modes of unaged and aged
收稿日期=2019-09-27.
基金项目：国家自然科学基金项目（51775230)；吉林大学研究生创新基金项目（101832018C198).
作者简介：慕文龙（199卜），男，讲师，博士 .研究方向：车身结构设计理论与轻量化技术，新材料粘接技术.
E-m a i l： m u w l l992@h o t m a i l.c o m
通信作者：那景新（1957-)，男，教授，博士生导师.研究方向：汽车轻量化技术.E-mail:*****************
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joints all prented cohesive failure primarily.However,with the increa in aging duration the adhesive-substrate interface was damaged,and the surfaces of aged joints became relatively rough due to the plasticizing of the adhesive.The hydrolysis reaction occurred in the adhesive due to hygrothermal aging, resulting in chain scission.The post curing of adhesive was also obrved at the initial stage of aging. Adhesive degradation is the primary cau of the decrea in the strength of the joint.Finally a residual strength prediction method was established，which can be ud to predict residual strength of hygrothermally aged joints by testing the chemical characteristics of adhesive.
Key words：carbon fiber reinforced polymer composites(CFRP) ；adhesively bonded joint；hygrothermal aging；fourier transform infrared spectroscopy analysis;residual strength prediction
〇引言
考虑到汽车已成为能源消耗和污染物排放的主要来源，通过采用新材料实现汽车轻量化，达到节能减
排的目的是十分必要的。碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)凭借其优异性能，成为实现汽车轻量化的重要候选材料之一[1]。C FR P连接技术为其在工程实际中的应用带来了新的挑战。相比于机械连接方式(铆接、螺接等），粘接技术具有应力分布均匀、能够保证基材完整、密封性好、耐腐蚀、轻量化效果好等优点，在C FR P连接中起到越来越重要的角色气
为了保证车辆的安全性，粘接结构需要在不同的服役工况下提供一定的强度。在实际服役过程中，车用粘接结构往往会经受长期湿热环境的作用，而胶粘剂作为高分子化合物，对湿热环境比较敏感，有可能会出现材料性能退化，从而造成粘接结构力学性能下降，威胁整车的结构完整性和安全性[3'4]。因此针对湿热工况下的粘接接头耐久性进行研究，揭示湿热老化机理并提供相应的强度预测方法具有十分重要的意义。
针对湿热环境作用下的胶粘剂、复合材料退化及粘接接头老化行为，国内外学者展开了相关研究。Lin等[5]通过接头剪切试验研究了湿热老化对环氧树脂胶粘剂粘接强度的影响，并利用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy,FT IR)分析了老化前后胶粘剂分子结构的变化。结果表明，经历湿热老化后接头强度出现显著下降，胶粘剂在湿热环境下主要发生了化学水解和后固化。Xiao等[6]研究发现，湿热老化造成了环氧树脂中化学键的断裂，从而降低了交联密度，引起了不可逆的化学结构改变和玻璃转化温度（Tg)的下降。牛一凡等[7]研究了湿、热耦合作用下碳纤维/环氧树脂复合材料弯曲性能变化规律，并分析其湿热损伤机制。发现高温高湿环境对纤维-树脂界面及纤维都造
成了明显的损伤，同时树脂出现了增塑和水解现象，最终复合材料弯曲性能大幅衰减。Liu等[8]对经历湿热老化后的胶粘剂及CFRP双搭接粘接接头的力学性能进行了测试，结果显示在高温高湿条件下，胶粘剂本体弹性模量、拉伸强度以及接头剪切强度均出现了明显的下降。
现有的复合材料粘接结构湿热老化研究主要采用定性分析的方法，揭示其老化机理，尚缺乏行之有效的结构剩余强度定量预测方法。为了进一步研究CFR P粘接接头的老化行为及失效机理，建立基于化学特性分析的剩余强度预测方法，本文制作了 CFRP-铝合金粘接接头，并对其进行0、15、30、45、60 天的 80°C/95 相对湿度（Relative humidity,RH)环境的加速老化试验。对老化后粘接接头在拉伸、剪切加载模式下的剩余强度变化规律及对应接头失效形式进行分析。采用FTIR 确定老化前、后胶粘剂化学结构，研究湿热环境对胶粘剂的影响，揭示粘接接头老化机理。通过相关性分析确定对接头强度影响显著的特征官能团，并建立一种湿热老化后粘接接头剩余强度预测方法。
1试验过程
1.1材料选择及试件设计
本文中所采用粘接基材为6061铝合金及C FR P板材。6061铝合金有较高的强度，良好的耐腐蚀性、可焊接性，并且易于加工，广泛用于汽车制造。参考目前国内汽车及轨道车辆行业较为常用的C FR P类型，选取本文的C FR P板材。其
第1期慕文龙，等：基于F T I R分析的C F R P-铝合金粘接接头剩余强度预测•141 •
由斜纹、单向预浸料加工而成，整体厚度为2 mm,
铺层顺序为[(0/90)/0/90/0/90/0/90/(0/90)];
所选用胶粘剂为双组份环氧树脂胶粘剂
Araldite® 2015(亨斯迈先进材料有限公司），其具
有较高的粘接强度并适用于复合材料材料粘接。
胶粘剂Araldite® 2015材料属性参数如下：弹性模
量为1850 M Pa，剪切模量为560 M Pa，泊松比为
0.33。C FR P主要材料参数如表1所示（制造商
提供）。铝合金属性参数如下：密度为2730 kg/
m3，泊松比为0. 33，弹性模量为71 000 MPa。
表1CFRP材料属性参数
Table 1Mechanical properties of CFRP
E j G P a E y/
GPa
G J
GPa
G J
GPa
G y j
GPa
单向125 士 1210 士20.077 士 0.6 2 士 0.5 2 士 0.3
斜纹55±555 士 50.13 4 士0.52±0.32±0.3 1.2接头制作
为了研究湿热环境对CFRP粘接结构耐久性的影响，设计了 CFRP-铝合金粘接接头。具体尺寸如图1所示，其中C FR P板与铝合金块胶接在一起，两侧胶粘剂厚度均为0.2 mm，粘接面积大小为25 m m X25 mm。为了防止在力学性能测试时C FR P从边界发生撕裂，而不能获得准确的CFRP-铝合金粘接性能，所采用的C FR P板材横截面积大于粘接面积，为35 mmX35 mm。
图1CFRP-铝合金粘接接头尺寸示意图
Fig. 1Geometries and dimensions of adhesive joints 在试验环境（温度保持在（25±3)°C，相对湿度保持在50%±5%)条件下，完成所有接头的粘接。参考标准IS017212—2004，分别采用喷砂(80#氧化铝，空气压力为0.5 M Pa，喷砂时间为10 s)和砂纸打磨（800#砂纸轻微打磨）的方式对铝合金、CFRP进行表面预处理，并使用丙酮对粘接表面进行去脂和清洁。待粘接表面干燥后，采用所设计的专用夹具进行接头制作。粘接夹具如图2所示，其中铝合金块通过V型槽和压板进行固定。旋转推动螺杆挤压胶层，达到所需厚度。胶层厚度由直径0.2 mm玻璃珠进行控制。为了保证试验结果的一致性，在胶粘剂固化前采用刮板清除余胶。在试验环境下进行24 h的常温固化，然后将接头从夹具上拆卸下来，在高温干燥箱内进行2 h的80 °C高温固化后取出晾至常温，完成接头制作。
压板
底座粘接接头v型槽推动螺杆
图2粘接夹具
Fig. 2 Model of adhesive fixture
1.3 试验方案
1.3. 1湿热老化试验
参考车辆实际服役环境，选取80°C/95%RH 作为湿热老化工况。将制作完成的粘接接头均匀地放置于高低温湿热环境箱（中国无锡惠尔环境实验设备厂）内，分别老化0、15、30、45、60天。老化结束后将接头在试验环境中放置24 h，然后进行准静态拉伸、剪切试验。考虑到叙述方便，将进行拉伸、剪切测试的接头分别称为对接接头和剪切接头。为了保证试验数据的可靠性，每组力学性能试验至少重复5次。
力学性能试验采用WDW3100微机控制电子万能试验机（长春科新试验仪器有限公司）进行，试验机拉伸速度为lm m/min。拉伸、剪切试验测试如图3所示。为了进行剪切试验，专门设计了相应的剪切加载装置，如图3(b)中红色框内所示。考虑到粘接接头在非轴向力作用下容易发生
⑷拉伸（b)剪切
图3粘接接头准静态测试
Fig. 3
Quasi-static testing of joints
• 142 •吉林大学学报（工学版）
第51卷
■对接接头 •剪切接头
-对接接头剩余强度拟合曲线 剪切接头剩余强度拟合曲线
v =18.05+8.45exp (-//10.63)
R 2=0.9999
0 15
30 45 60
老化时间/天
图4粘接接头失效剩余强度随老化时间变化规律
Fig. 4 Residual strength loads of joints as a func
tion of exposure time
(a )未老化
(b ) 15天
n
(c ) 30天(d ) 45天
(e ) 60天
图5湿热老化前、后对接接头失效断面
Fig. 5 Reprentative fracture surfaces of butt joints
before and after hygrothermal aging
(a )未老化(b ) 15天
(e ) 60天
图6湿热老化前、后剪切接头失效断面
Fig. 6 Reprentative fracture surfaces of shear joints
before and after hygrothermal aging
提前失效，因此接头/剪切加载装置与试验机米用 十字万向节连接，以消除横向力。1.3.2 FTIR 测试
在长期湿热环境作用下，胶粘剂发生老化，其 化学结构可能会发生改变。为了反映湿热老化对 胶粘剂的影响，对不同周期的老化后胶粘剂进行 了 F T IR 分析。用干净的刀片从接头失效断面刮 下胶粘剂粉末1〜2 mg ，作为测试试样。所使用 的显微红外光谱仪型号为VERTEX 70 (Bruker , 德国），基于衰减全反射（Attenuated total reflec
tion ， A T R ) 的方 式获得 胶粘剂 FTIR 波谱图 ，波
谱范围为4000〜600 cm —\分辨率为4 cm —1。
2结果与分析
2.1湿热环境作用下接头耐久性分析
将拉伸、剪切试验中由万能试验机所记录的
接头失效载荷除以粘接面积，获得接头剩余强度， 并计算平均剩余强度。对接、剪切接头平均剩余 强度随老化周期变化规律如图4所示。由图可 知，湿热老化对接头承载能力存在显著的影响，经 历6 0天老化后，对接、剪切接头强度相比于对砬 未老化接头初始强度分别下降了 35. 51%、 32.26%。同时两种接头失效强度下降速率随着 老化时间的增加逐渐变慢，在老化15天和30天 后，对接、剪切接头强度分别下降了 25.22%和 24.11 %, 31. 5%和30. 0%，而在45天后强度逐 渐趋于稳定，强度变化均不超过3%。由图4可以 发现，随着老化时间的增加，剩余强度试验数据标 准差增大，这可能是由于长期湿热老化造成胶粘 剂内部微小缺陷影响更加明显，裂纹容易产生和 扩展，从而增加了试验结果的离散性。根据接头 平均剩余强度随老化周期的变化规律，分别选取 二次多项式、指数函数及有理数函数对试验数据 进行拟合，通过对比拟合优度只2(越接近1则拟合 效果越好），发现两种接头剩余强度变化规律都更 接近指数函数，拟合曲线及拟合优度i ?2如图4 所示。
湿热老化不同周期的对接、剪切接头典型失 效断面宏观观察如图5、图6所示。选取接头断面 典型区域进行扫描电镜（Scanning electron micro -
scope , SEM )观察，如图7所tk 。由图5〜图7可
知，老化前、后的接头断面均以内聚失效为主，同 时局部发生了一定程度的改变。
086420864
3 2 2 2 2 2 1 1
1
第1期慕文龙，等：基于F T I R分析的C F R P-铝合金粘接接头剩余强度预测.143•
如图5所示，未老化对接接头出现局部
CFRP纤维撕裂，而老化15天以后纤维撕裂消
失，呈现完全的内聚失效，说明相比于CFRP，胶
粘剂性能下降较为明显。30天老化后断面边界
开始出现局部界面失效，而且随着老化周期的增
加界面失效面积增大（见图5中红色矩形框所标
注），说明长期湿热老化造成胶粘剂-基材界面的
损伤[9]。如图7(a)所示，老化前接头断面胶粘剂
均匀附着于基材表面，其具有一定的厚度，而图7
(b)中断面十分贴近基材表面，附着胶层厚度明显
变薄，呈现界面失效。值得注意的是，在老化45
天和60天后，接头断面边界重新出现轻微纤维撕裂，说明长时间的湿热环境作用导致CFRP也出现了一定程度的退化。
由图6可知，未老化的剪切接头为完全的内聚失效，湿热老化15天后，仍为内聚失效，而持续老化30天后，与对接接头类似，同样在失效断面边缘出现界面失效，并且其面积随着老化周期的增加呈现增大的趋势（见图6中红色矩形框所标注）。由于所采用的CFRP为铺层结构，其沿厚度方向并没有纤维增强，因此沿厚度拉伸方向的承载能力小于剪切方向。尽管CFRP也出现了一定程度的老化，但由于其剪切方向强度较高，剪切接头断面并没有观察到CFRP撕裂。
同时可以发现，经历湿热老化后接头断面相对于未老化前变得更加粗糙，出现了更多褶皱，如图7(c)所示。湿热环境下胶粘剂吸收水分会出现增塑现象，导致断裂时部分胶粘剂被拉长，从而形成相对粗糙的表面[8]。综上分析可知，在湿热环境作用下，胶粘剂和CFRP发生退化，同时胶粘剂-基材界面也会出现损伤。针对本文所采用的湿热环境及老化周期，考虑到接头失效形式主要以内聚失效为主，因此胶粘剂退化是接头力学性能下降的主要原因，详细的胶粘剂退化分析见2.2节。2. 2 F T I R测试结果
湿热老化前、后的胶粘剂F T IR光谱图如图8所示。为了定量地分析湿热老化对胶粘剂各官能团吸光度的影响，需要对F T IR测试结果进行标准化处理。考虑到聚合物中苯环相对稳定，不参与湿热老化反应，老化前、后其含量基本不发生改变，因此以苯环1508 cnT1的吸光度为内标，对光谱图进行标准化处理[5a°]。图8即为标准化处理后光谱图，其各吸收峰位置及其对应官能团与现
⑷未老化接头内聚失效-图5中区域A
(b>界面失效-图5中区域B
(c)老化后接头内聚失效-图6中区域C
图7接头断面典型区域S E M图-放大100倍Fig. 7 Reprentative S E M photos of
fracture surfaces -x l〇〇
有文献[5,11,12]基本类似，环氧树脂典型官能团类别及其吸收峰位置如表2所示。
由图8可知，湿热老化前、后各吸收峰位置基本没有发生迁移，但某些波数所对应的吸光强度发生了改变。典型官能团吸光度随老化时间变
化
