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石腾龙，齐叶龙，李明桓，熊芬，陈林，张丽萍
东风汽车集团有限公司技术中心
【摘要】 未来的汽车车身是由混合材料例如钢、铝合金、镁合金、碳纤维、塑料等轻质材料共同制造的。不同材料间差异化的物理属性导致用常规的焊接技术难以实现有效连接，粘接技术因其连接异种材料的特殊优势受到越来越多的关注。特别是针对碳纤维增强复合材料和金属材料连接应用场景下胶粘剂的选型思路，接头设计，工业化工艺流程尚未形成完整的开发体系。本文以轻量化多材料混合车身为主体，介绍粘接技术在多材料车身中的应用。研究表明双组分丙烯酸胶粘剂适合碳纤维和铝合金材料的粘接，当粘接厚度在0.5～2mm范围内接头的剪切强度最优 ； 同时研究了涂胶工艺以及在车辆结构服役温度区间下的粘接接头剪切强度随温度变化的趋势。
【关键词】 双组分丙烯酸结构胶，混合材料车身
Adhesive Technology Creates a New Height for Hybrid Material Body System
Shi Tenglong, Qi Yelong, Li Minghuan, Xiong Fen, Chen Lin, Zhang Liping
Dongfeng Motor Corporation Technology Center
Abstract: The car of the future should be made of a mixture of steel, aluminum alloy, magnesium alloy, carbon fiber reinforced plastic(CFRP), plastic and other lightweight materials.Due to the different physical properties of different materials, it is difficult to realize effective connection with conventional welding technology.Growing interests have been refilled in the adhesive bonding technique attributable to its compelling advantages to bond dissimilar materials.However the selection of adhesives, joint design and industrial process flow have not yet formed a development system especially for CFRP and metals.This article takes the lightweight multi-material hybrid car as the main body, introduces the application of bonding technology in the multi-material car.The results show that the two-component acrylic adhesive is suitable for bonding CFRP and aluminum alloy, and the shear strength of the joint is the best when the bonding thickness is in the range of 0.5-2mm .At the same time, the gluing process and the change trend of shear strength of adhesive joint with temperature in the service temperature range of vehicle structure were studied.
Key words: two-component acrylic structural adhesive, car body with multi-material
近年来随着收入水平上升，人们出行需求日益增长，中国汽车行业得到快速发展，据统计自2016年到2020年中国汽车连续5年产销量突破2500万辆。汽车在给我们带来出行方便的同时也带来了环境污染、能源大量消耗等问题。2020年9月，中国政府提出了“努力争取2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的应对气候变化新目标。汽车是未来能源消耗和排放增长的主要来源之一。针对此问题汽车主机厂也出台了很多对策，其中采用新能源汽车和整车轻量化便是最重要的措施。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量每减少100kg，100kg油耗可降低0.3～0.6L [1] 。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，汽车轻量化技术路线明确表示多材料混合车身是未来汽车轻量化发展的趋势 [2] 。轻质材料由于其在轻量化方面的显著优势，其在汽车上的应用已经越来越多，但是由于异种材料之间的物理、化学及力学性能方面存在较大差异，其对连接技术提出了新的挑战；因此异种材料之间的连接技术成为研究热点。传统连接技术在进行异种材料的连接时具有很明显的缺点，点焊连接、铆接和螺栓连接的应力集中现象较为明显，而粘接作为一种新型连接技术，具有良好的异种材料连接性能，且有利于车身轻量化、提高车辆的碰撞性能、增加车身结构的刚度、强度以及耐久性，同时也解决了传统连接技术所出现的应力集中现象和疲劳性能差等问题 [3] 。
东风汽车公司自主开发的一款兼具轻量化、智能化、网联化、电动化、共享化的适用于多种交通场景的L4级无人驾驶和5G平行驾驶的智慧汽车sharing-van采用多材料混合车身技术，其整车材料构成如图1所示，车身重量359kg（含门及碳纤维外覆盖件，不含玻璃），车辆轻量化系数达到1.95。
图1 sharing-van整车材料构成
sharing-van全铝车身骨架与碳纤维外覆盖件之间、铝板与铝型材铆接区域采用结构胶粘接，车身结构详如图2所示，粘接区域结构举例如图3所示，结构胶选用回天-1320型号双组分丙烯酸结构胶，共计应用84m。碳纤维增强复合材料（Carbon Fibre-reinforced Polymer，CFRP）的基材是环氧树脂。
图2 车身结构图
图3 粘接结构图
全铝车身与传统的钢结构车身制造工艺流程差异很大。在车身制造工艺中，铝合金车身不需要电泳、中涂等涂装工序，只需在总装工艺中将碳纤维复合材料零件与铝合金车身桁架采用胶接的方式进行连接。因此需要选择室温固化的胶粘剂。由于铝合金材料的线性热膨胀系数为2.4×10 -5 /℃，本项目所用碳纤维复合材料的线性热膨胀系数为1.2×10 -6 /℃，二者差异较大，且外覆盖件有外观平整的要求，因此要求胶粘剂具有较高的断裂伸长率。
基于以上因素，重点考虑选择双组分聚氨酯胶粘剂和双组分丙烯酸胶粘剂。某品牌上述两种胶粘剂的相关参数见表1。
表1 胶粘剂主要性能参数对比
由于双组分聚氨酯胶在粘接铝合金和碳纤维材料时，铝合金需使用底涂剂才能达到8MPa的剪切强度，如果没有底涂处理，剪切样品失效模式为铝材侧发生界面失效。采用这种胶粘剂增加了前处理工序，影响了作业节拍。
而丙烯酸树脂胶粘剂粘接碳纤维和铝材时不需要底涂工艺，这是其最大的特点。甲基丙烯酸甲酯单体是这类胶的主要组成部分，它是一种超强的溶剂，可穿透多种机油、蜡和脱模剂到达被粘接基体的表面 [4] ，因此一般无须在施胶前对要粘接的表面进行打磨或底涂；另外其可操作时间和固化时间较短，更能满足现场装配节拍的需要，提高效率。
丙烯酸胶粘剂的模量和强度比聚氨酯胶粘剂高，本项目应用的高性能丙烯酸胶粘剂断裂伸长率也可达到50%以上，避免了普通丙烯酸胶粘剂的脆性，同时也可解决碳纤维和铝合金热膨胀系数差异较大带来的尺寸收缩问题。高模量可保证轻量化车身所需的刚度，这样可确保客厢在侧面碰撞或侧翻时的稳定性，并在保证最小质量的同时提高驾驶和操控性能，降低噪声、振动和声振粗糙度（NVH），增强车辆的扭转刚度。
针对双组分丙烯酸胶粘剂，考察不同胶层厚度和湿热老化对粘接强度的影响。铝合金和碳纤维增强复合材料的样片尺寸参考图4；粘接厚度0.5～3.0mm（使用硅胶垫片调整胶厚），为了避免刚度不平衡对接头强度的影响，剪切试验时铝合金和CFRP的厚度均为2mm；样品固化条件23℃×50%RH×24h，拉伸速度10mm/min；气候老化条件60℃，95%RH，168h。剪切试验方法按照GB/T 7124—2008执行。
图4 剪切试样形状和尺寸
1—被粘接金属 2—被粘接复合材料 3—胶层厚度 4 —L 为搭接区域长度，推荐长度为（12.7±0.25）mm 5 —h 1 为被粘接金属的厚度， h 2 为被粘接复合材料的厚度。
从实验结果图5可得出结论，随着胶层厚度增加，初期及湿热老化后的剪切强度也逐渐下降。
图5 胶层厚度/湿热老化对剪切强度的影响
胶层厚度0.5～1mm范围内，粘接强度较高达到13MPa，破坏方式以内聚破坏为主，甚至会出现胶层把环氧树脂层拉脱的现象。当胶层厚度增加，剪切强度降低，胶层厚度超过2mm时材料破坏方式由内聚破坏转向粘附破坏。剪切试验样品失效照片如图6所示。
图6 剪切试验样品失效照片
图6 剪切试验样品失效照片（续）
这是因为胶层厚度增加，胶层可能存在气泡或者其他缺陷，导致强度下降。同时胶层较厚时，胶层充分暴露在湿热环境下，胶层失效老化更加明显，在外界受力作用下裂纹生长加快，导致湿热老化后强度下降明显。结合现场涂胶工艺，建议涂胶厚度控制在0.5～2mm。
针对双组分丙烯酸胶粘剂进行的试验研究，试验片为铝合金和CFRP互粘，试验片表面处理方式为异丙醇擦拭，粘接厚度为2mm，拉伸速度10mm/min，养护温度（23±2）℃，环境湿度（50%±5%）RH，测试温度23℃。试片贴合后经过约18min出现0.5MPa的剪切强度，如图7所示，此时样品即可移动，结合零件实际涂胶轨迹，为了确保最优的涂胶效果，实际操作时涂胶20min后移除固定夹具，进行下一步操作。要达到相同的固化速度，双组分环氧和双组分聚氨酯胶通常需要通过加热来加速固化，但是由于加热型夹具的成本是非加热型夹具的数倍，这意味着采用双组分丙烯酸可以在控制模具成本的同时提高生产效率。
图7 养护时间对剪切强度的影响
试验片为铝合金和CFRP互粘，试验片表面处理方式为异丙醇擦拭，粘接厚度为2mm，拉伸速度10mm/min，养护温度（23±2）℃，环境湿度（50%±5%）RH，养护时间24h。测试温度为-40℃、23℃、85℃。在低温-40℃及高温85℃状态均有5MPa以上的剪切强度，剪切强度保持率大于50%，-40℃和85℃状态下均呈现被粘接面的破坏模式由内聚破坏转变为界面粘附破坏，详见图8。
图8 温度对剪切强度的影响
采用粘接技术进行碳纤维复合材料、铝合金轻金属材料连接具有应力分布均匀、疲劳性能好、耐老化、连接效率高、外观质量好等优势 [5] 。在进行结构粘接设计时应依据实际情况合理调整及选用胶层厚度，往往在一定范围内胶层越薄越好；并且考虑碳纤维零部件的使用工况温度，避免低温或者高温致使粘接失效。
把CFRP材质的左侧围总成、右侧围总成、顶盖装饰板总成依次与铝车身骨架适配，按照零件涂胶图用记号笔在铝车身表面画线标记涂胶轨迹。
用异丙醇把无纺布完全润湿，清洗铝车身表面和需要粘接的碳纤维部位的灰尘和油脂。
待粘接表面的异丙醇干燥后，开始涂丙烯酸酯胶，在左右侧围、顶盖上涂胶时，按照从左至右、自上而下的顺序施胶，且控制涂胶厚度2mm，宽度5mm。先粘接左、右侧围总成，再粘接顶盖装饰板。
将碳纤维外覆盖件压合到施胶的铝车身骨架上，此操作应确保在打胶完毕后10min之内完成，并用十字夹固定。压合、移除顺序与涂胶顺序相同，仍依次为左侧围总成、右侧围总成、顶盖装饰板。在15～35℃，35%～65%RH温湿度环境下，固化20min方可移除十字夹。
随着轻量化技术的进一步发展，车身材料应用更加丰富，多种不同轻量化材料的应用在未来相当长一段时间内仍是车身轻量化的主要发展方向，车身连接技术也是趋向于多样性，而粘接技术可以很好地解决异种材料结构物理性能（如膨胀系数、力学性能）相异带来的连接耐久可靠性问题。这是其他连接技术例如SPR、FDS等机械连接技术和焊接技术不具备的。尤其是树脂基复合材料的使用大大拓宽了结构胶的应用范围；例如塑料尾门、扰流板的粘接 [6] 。某些时候可能需要粘接和其他连接方式同时使用，例如地板区域板材与车身骨架铝型材间的连接采用FDS+胶接的方式，这些都需要在项目设计时统筹考虑，选择最佳的连接方式。
粘接技术成功地解决了CFRP、铝合金等轻量化材料在车身上应用遇到的连接问题，为CFRP、铝合金等轻量化材料在汽车上的大量使用提供了连接技术保障，也为汽车轻量化连接设计提供了一种新型技术方案。
[1]范喜龙，于红，周宇飞.结构粘接技术在轻量化前瞻车上的应用[J].汽车工艺与材料，2018（12）：6-10.
[2]HEDRICH K,AUGUSTIN S,FARGES O.Lightweight Design for New Car Generations Material Concepts of a Chemical Tier2 Supplier[J].SAE-C2009M166:1195-1198.
[3]刘少华，王立，闫雪燕.车身用结构胶在实际生产中的应用试验研究[J].2018中国汽车工程学会年会论文集：569-573.
[4]美国ITW.PLexus结构胶在车辆制造业复合材料零部件粘接中的应用[J].汽车工艺与材料，2005（4）：42-43.
[5]刁涵.基于FSAC的赛车碳纤维悬架粘接工艺优化[C]//2020中国汽车工程学会年会论文集：3245-3249.
[6]张丽萍，熊芬，石腾龙.塑料尾门粘接用双组分聚氨酯胶粘剂的制备及应用研究[J].汽车工艺与材料，2020（4）：23-27.