简介

　　近些年，汽车行业趋向用减重和使用燃油经济性更高的发动机来实现显著降低车辆的燃油消耗率，以便达到法规的要求。这些技术进步大大地降低了燃油的消耗和二氧化碳的排放。低能耗，环境友好，驾驶舒适性以及安全性成为众多汽车生产商在制定他们的市场策略时，更加重视的卖点。为此，汽车供应商和材料生产商支持汽车厂家开发现代轻量化设计和解决潜在的各种技术和材料应用问题，以满足对未来汽车制造需求的挑战。现代轻量化设计需要新的粘合剂技术，以便连接新的材料和新的材料组合，不同材料的粘接在这里显得尤为重要。对粘合剂技术的需求是新材料工艺发展的必然，他们之间的技术组合会充分体现出粘接技术的优越性。

　　近年来，最重要的汽车轻量化结构设计趋势是高强钢和超高强钢的使用。欧洲的紧凑型轿车的车身甚至采用了重量比50%到65%的高强钢。无一例外地，如今轿车的所谓“安全客舱”周围在结构上都大量采用了高强钢。而激光拼焊的差厚板和轧制差厚板则作为更深层次的结构优化元素。

　　利用现代结构胶技术实现高强钢零件连接和装配是非常高效和可靠的。这些粘合剂的高弹性模量提供了连接处的高静态强度。而特种增韧技术能够使粘合剂在承受各种载荷的情况下不发生破坏。相比于传统的连接技术，粘接技术的耐疲劳度大大提升。相比于过去的结构胶，新一代的结构粘合剂显示了更高的断裂伸长率，这就降低了接头受腐蚀后粘接强度的损失，同时也降低了在高强钢接头在低温下的动态剥离强度的损失。

　　本文重点讨论结构粘合剂粘接高强钢的机械强度和抗疲劳程度的最新趋势。

　　高强度和极端强度钢铁级别的粘合

　　今天，许多不同级别的钢材被用于制造汽车，而高强钢和超高强钢的使用正在不断地增长。在车身设计采用更多些新的钢材级别有多重理由，因为他们能够通过降低钢板的厚度和简化零部件设计来减重，比如各个立柱。另外，使用新的钢材能够提高车身刚度和减少轿车在碰撞时的客舱侵入量，比如说侧碰。这些高强钢的表面通常有硅铝涂层，涂层的一个缺点是在有载荷时易于分层。BETAMATETM抗冲性结构粘合剂(CDA;BETAMATETM是陶氏化学的结构粘合剂商标)能够高效地粘接这些高强钢，相对于传统连接方法比如点焊可以显著提高耐疲劳度，这种抗冲性结构粘合剂必须经过性能优化而特别适合于高强钢甚至超高强钢的粘接。

　　新一代开发出的抗冲性结构粘合剂不但符合以上描述的要求，并且为供应全球汽车制造业提供了更加稳定的配方设计。

　　高强钢和超高强钢的粘接

　　抗冲性结构粘合剂对于高强钢的粘合以及它们的表面涂层都是非常好的，使得涂层在载荷作用下几乎不分层。相比于老的粘合剂，新的配方显示了一个更高的延展性，腐蚀测试后更少的强度衰减，而随着钢材强度的提高，粘合剂的冲击剥离性能并没有降低。

　　表 1: 粘合剂的性能比较.

　　照片1显示一种带AlSi硅铝涂层的超强钢USIBOR用三种不同配方的抗冲性结构粘合剂CDA粘接后的界面。左边是低模量的CDA粘合剂;右边则是两种新配方的CDA粘合剂。当前的配方使涂层完全分离。

　　图1比较了不同强度的钢材在23°C 和-40°C下的冲击剥离强度。随着钢材强度的升高，冲击剥离是不断下降的，但是和老配方的CDA相比，低温下的强度下降是非常有限的。从图2可以看出这种提高的柔性，图2显示0°C以下普通钢粘接的冲击剥离强度，即使是在-40°C下数值让然很高。

　　图3显示不同强度钢材粘接在德标VDA腐蚀后的粘接强度，耐腐蚀性是非常优越的，因为剪切强度的下降非常小而失效模式主要是胶层失效(见照片2)

　　高柔性环氧结构粘合剂用于多种材料的混合粘接

　　特殊粘合剂配方已经发展成能够很好地粘接不同材质的底材比如铝、镀锌钢板和碳纤维的复合材料。在车身车间粘接多种材料的挑战在于，不同的底材材料有着不同热膨胀系数，它影响着粘接点的应力集中度。普通的结构胶可能失效的原因在于，这些集中的热应力影响了接头的完整性而容易发生界面失效。

　　为此，经过特别增韧处理的结构胶已经研发出来，它能够承受极其高的应力载荷，能够让车身的结构接头在经过电泳烘炉的高温后冷却时的热变形过程中仍然保持较高的残余强度。这种新的粘合剂技术在降低了弹性模量的同时却仍然具有较高的玻璃化转变温度。而它的静态和动态强度都很高，显示了出众的抗疲劳性和动态负载下的抗冲击性。而且静态强度在温度升高的时候仍然较高，它保证了粘接接头即使在电泳的烘炉中也能保证一定的稳定性。照片3a和3b显示了在粘接CFRP和铝板时的胶层失效模式。

　　照片3：a)粘接底材为Dow VORAFORCETM5300树脂碳纤维板的失效模式，b)粘接底材为Dow VORAFORCETM5300树脂碳纤维板和6016铝板的失效模式

　　表2的数据总结了用新型CDA结构粘合剂在粘接不同底材时的剪切强度, 而这种新型CDA结构粘合剂是专为粘接异种材料而开发的。

　　表3的数据显示了不同CDA结构粘合剂的材料材料属性。弹性模量相对较低，但是玻璃化转变温度任然较高，而机械粘接力在模量降低的同时然能达到较高的数值。而且受到腐蚀后机械粘接力衰减非常有限。弹性模量的调节范围很到，可以从400MPa到1000MPa。

　　下面的照片是经受了VDA循环腐蚀后底材样条的失效模式，结果显示了胶层失效，而且没有被腐蚀的迹象。

　　照片5显示了新型CDA结构粘合剂粘接接头在130度下的胶层失效模式，右边则比较给出了普通结构粘合剂的失效模式，而被粘接的底材是两种厚度为1mm的镀锌钢板HC420Z100和HC340ZE50/50

　　工艺更方便的温度稳定配方粘合剂

　　此外，我们还开发了温度稳定性更高的结构粘合剂，结构粘合剂的存放温度甚至高到60°C仍然显示出良好的稳定性，这为产品提供更长的保质期以及在应用时卓越的加工能力。粘度随时间的增长曲线接近水平，保证了存储稳定性可达12个月。图5粘度随存贮时间而变化的情况。

　　用于车身返工和维修桶的双组分环氧粘合剂

　　双组分环氧结构粘合剂被用于受损后的车身结构修复。被修复的车身结构需要达到受损前的性能状态，为了达到这一目标，双组分结构粘合剂仍然需要具有较高的弹性模量。通常，双组分结构粘合剂的弹性模量在做韧化改性后会有所衰减。然而新配方双组分结构粘合剂提供了与原先汽车车上上广泛使用的单组份结构粘合剂几乎相同的静态和动态强度性能。图5和图6显示了新配方双组分结构粘合剂剥离强度的数据，对比过去老配方的用于汽车修复的结构粘合剂。特别地，在23°C和甚至-20°C测试温度下的动态剥离强度得到了显著的提升。

　　结论

　　基于特殊增韧改性的环氧单组份结构粘合剂，已经发展成有效地并且可靠地粘接各种高强钢底材的有效零件连接手段。这种先进的粘合剂不仅能够很好地粘接带镀层的金属，并且显示出非常优异的加工处理能力。另外，满足车身修复的双组份解决方案也在发展，保证了车身零件在修复后机械性能的完整性。这些用于售后维修的柔性双组份环氧粘合剂，几乎达到同汽车厂里用的单组份结构粘合剂同样的机械性能。

　　作者简介

　　陶氏欧洲公司粘合剂与密封剂研发总监:AndreasLutz博士

　　陶氏化学(中国)投资有限公司粘合剂技术部负责人：杨晓军