王 詢，林建平，萬海浪

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

鋁合金表面特性對其膠接性能影響的研究進展

王 詢，林建平，萬海浪

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

不同的表面處理方法會導(dǎo)致鋁合金表面的表面理化特性發(fā)生改變，從而對鋁合金板材與膠黏劑的界面結(jié)合強度以及膠接接頭的耐腐蝕性能有很大的影響。本文從鋁合金表面粗糙度、微觀織構(gòu)、表面氧化層和涂層化學(xué)特性等方面入手，對鋁合金膠接接頭的界面強度和耐腐蝕性能影響的研究現(xiàn)狀進行了綜述。探討了鋁合金膠接研究發(fā)展趨勢，并認為鋁合金表面理化特性的參數(shù)化表征以及表面特性與膠接性能的關(guān)系模型建立等方面是今后研究的重要方向。

鋁合金；表面特性；膠接接頭；界面強度；耐腐蝕性能

鋁合金以其高強度比和易加工性而廣泛應(yīng)用于汽車和航空領(lǐng)域[1-3]，但由于鋁合金的電阻低，還易與點焊電極發(fā)生相互作用，鋁合金的點焊連接并不容易實現(xiàn)。因此，作為一種連續(xù)連接技術(shù)，具有承載面積大、應(yīng)力分布均勻、疲勞性能好、吸能性能優(yōu)良、制造維修成本低等優(yōu)點，膠接成為鋁合金焊接的重要替代連接方式。以波音767為例，其飛機機體上由膠黏劑連接的結(jié)構(gòu)件已超過60%，膠接零部件連接面積在1225m2左右[4]。而隨著膠黏劑不斷改進，鋁合金膠接結(jié)構(gòu)不僅具有輕量化，比強度和比剛度高等優(yōu)勢，而且還能顯著提高結(jié)構(gòu)件的連接效率，在汽車工業(yè)輕量化發(fā)展趨勢下有著廣闊的應(yīng)用前景。

由于鋁合金板材在成形與制造過程中所產(chǎn)生的油污等表面吸附物及其自身疏松氧化層表面會對其膠接結(jié)構(gòu)強度造成不利影響[5]。因此，在膠接結(jié)構(gòu)件制作過程中鋁合金表面處理成為重要環(huán)節(jié)[6-8]，而不同的表面處理方式，包括機械處理[9,10]，化學(xué)刻蝕[11]，等離子處理[12,13]以及激光處理[14]都會導(dǎo)致鋁合金表面的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性發(fā)生不同程度的改變，而直接影響其膠接界面強度。另外，由于水分子等腐蝕介質(zhì)在接頭區(qū)域的擴散會在板材和膠層的界面結(jié)合處發(fā)生腐蝕，從而導(dǎo)致鋁合金膠接接頭在長時間的腐蝕暴露環(huán)境下其表面理化特性發(fā)生變化和界面強度的退化，最后體現(xiàn)為接頭強度的下降和失效模式的轉(zhuǎn)變[15,16]。

不同方式的表面處理和環(huán)境暴露等外界因素都會導(dǎo)致鋁合金表面特性發(fā)生改變，因此了解鋁合金表面物理和化學(xué)特性對于其膠接界面強度的影響機制，探索物理特性和化學(xué)特性對其膠接界面強度的關(guān)系模型是明確鋁合金膠接界面黏合機理的關(guān)鍵。但目前的研究熱點多集中于鋁合金表面處理的工藝與參數(shù)的優(yōu)化，相關(guān)綜述也主要側(cè)重于膠接黏合理論的討論[5]，而關(guān)于其表面理化特性的控制影響研究并未見系統(tǒng)的綜述。由此，本文在相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，從鋁合金表面粗糙度與微觀織構(gòu)、鋁合金表面氧化層與涂層化學(xué)特性以及環(huán)境暴露下鋁合金表面特性等3方面對其膠接接頭強度影響的研究進展進行綜述，并就國內(nèi)外進一步研究方向進行了討論。

1 鋁合金表面宏觀粗糙度及微觀織構(gòu)對其膠接強度的影響研究

膠接結(jié)構(gòu)的界面強度主要取決于膠黏劑自身特性與被黏物的表面特性，而在膠黏劑確定的前提下板材的表面特性是決定其界面結(jié)合強度的關(guān)鍵因素。鋁合金的表面粗糙度和微觀織構(gòu)是描述其表面物理特性的最基本特征，同時該物理特征直接決定了膠接界面的結(jié)合面積和表面的潤濕性能，近20年來，很多學(xué)者對于鋁合金物理表面特征對膠接性能的影響做了大量的研究，研究主要集中在鋁合金表面宏觀粗糙度和微觀織構(gòu)兩個方面。

1.1 鋁合金表面宏觀粗糙度對其膠接強度的影響

機械處理由于具有便捷性和低成本等優(yōu)勢，而成為目前鋁合金膠接表面處理最為普遍的方式。然而，不同的機械處理方式(拋光處理，砂紙打磨，表面刻痕)會產(chǎn)生不同形式的表面粗糙度從而直接影響了鋁合金膠接接頭的界面強度與結(jié)構(gòu)可靠性[17-20]。如Borsellino等[21]對不同表面粗糙度的AA6082鋁合金和4種典型結(jié)構(gòu)膠膠接接頭的剪切強度進行了實驗研究，膠黏劑采用兩種鄰苯聚酯膠，一種乙烯基酯樹脂膠以及一種環(huán)氧樹脂膠。通過P180型號和P40型號的砂紙控制其粗糙度，分別得到Ra值為1.10μm和2.35μm處理后的表面，而未經(jīng)過打磨處理的表面粗糙度為0.33μm。通過接觸角測試實驗，研究者比較了不同膠黏劑在不同粗糙度的鋁合金表面的潤濕性，其中除去乙烯基酯樹脂外，其余3種膠黏劑與鋁合金表面的接觸角都隨著表面粗糙度的增大而增大。4種膠黏劑中乙烯基酯樹脂膠具有最好的潤濕性，在實驗范圍內(nèi)隨著粗糙度增大其潤濕性能更是明顯提升。4種膠黏劑制成的單搭接頭強度實驗結(jié)果顯示(見圖1)，當鋁合金表面Ra值在 0.33～1.10μm范圍內(nèi)4種膠黏劑對應(yīng)接頭的剪切強度隨著表面粗糙度增大均有所提升，但當粗糙度超過這一范圍，環(huán)氧樹脂膠接接頭強度反而出現(xiàn)下降趨勢。

圖1 不同粗糙度表面鋁合金膠接接頭強度變化圖[21]Fig.1 Joint strength of adhesively bonded aluminum with different roughness[21]

近期，為更好地理解表面粗糙度對鋁合金表面潤濕性以及膠接剪切強度的影響規(guī)律，在Boutar等[22]的研究工作中，利用3種典型的粗糙度統(tǒng)計值(Ra,Rz,Rq)來表征鋁合金表面粗糙狀態(tài)。膠黏劑采用的是聚氨酯單組分膠，并采用1000，180，50，3種不同目數(shù)的砂紙對鋁合金基板進行打磨獲得不同粗糙度的表面。總結(jié)實驗結(jié)果(見圖2)可知，相比于原始板表面，膠接接頭剪切強度在粗糙度為0.6μm時得到最大的剪切強度為3.97MPa，在該范圍內(nèi)接觸角由74.6°下降到62°，研究者認為在該范圍內(nèi)剪切強度的提升是由于表面形成的鎖合結(jié)構(gòu)造成的。然而在達到其強度峰值后膠接接頭的剪切強度開始逐步下降，同時其表面接觸角也由62°增加到80.3°，該變化可能是由于表面的粗糙形貌阻礙了膠黏劑在其表面的鋪展。因此，液態(tài)的膠黏劑并未充分地滲透到鋁板表面的溝槽結(jié)構(gòu)中，從而在膠層與板材的界面間形成了氣孔與間隙，導(dǎo)致其接觸不充分而強度下降。該現(xiàn)象與Saleema等[23]的相關(guān)研究結(jié)果趨勢基本吻合。而Pereira等[24]在膠接接頭制造工藝對其剪切強度影響的研究中表明，經(jīng)過不同表面處理后鋁合金表面粗糙度Ra值在5～20μm范圍內(nèi)，而接頭強度隨著粗糙度增大而明顯下降。以上實驗說明，鋁合金表面粗糙度不僅直接決定著膠接接觸面積，同時也對其潤濕性能有一定影響，而強度變化顯示粗糙度對鋁合金膠接界面強度的影響存在一定的合理范圍和區(qū)間。

圖2 不同表面粗糙度鋁合金對應(yīng)接頭強度與接觸角[22]Fig.2 Average shear strength and contact angles for aluminum alloy with different surface roughness[22]

分析相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，粗糙度對膠接界面強度影響研究不僅局限于鋁合金材料，其他金屬材料的相關(guān)研究也有一定的參考價值。Rudawska[25]利用不同的機械打磨方法(包括磨削，研磨和超精拋光)對C45鋼板表面進行處理獲得不同粗糙度表面，發(fā)現(xiàn)機械打磨后鋼板膠接接頭剪切強度相比于僅僅脫脂處理的鋼板表面都有一定的提高，但提高幅度與粗糙度大小并無顯著相關(guān)性。而Shahid和Hashim[26]的研究表明表面粗糙度增加對鋼板與環(huán)氧樹脂膠黏劑膠接接頭的剝離強度有著明顯的提升作用。

1.2 鋁合金表面微觀織構(gòu)對其膠接強度的影響

除了宏觀粗糙度的影響，鋁合金表面的微納米織構(gòu)對其表面潤濕性和膠接性能影響也是相關(guān)研究人員關(guān)注的重點。Rider等[27]對鋁合金表面拋光和堿溶液刻蝕后進行不同時間的沸水浸泡處理，獲得到如圖3所示的微米級別的孔洞結(jié)構(gòu)。通過接頭強度測試發(fā)現(xiàn)，相比于原始膠接接頭沸水處理后的鋁合金環(huán)氧樹脂接頭有著顯著的強度提升，同時接頭耐久性也明顯提高。對比其與環(huán)氧樹脂膠接強度發(fā)現(xiàn)，水溫在80～100℃范圍內(nèi)，浸泡時間在4～60min內(nèi)可以得到最優(yōu)膠接性能。

圖3 不同沸水浸泡時間得到的鋁合金表面組織[27] (a)30s；(b)60min；(c)240minFig.3 High-resolution SEM micrograph of boiling water treatment of aluminum for different time[27] (a)30s;(b)60min;(c)240min

Feng等[28]通過溶膠凝膠法在鋁合金表面生成聚乙烯醇蓮花瓣結(jié)構(gòu)，如圖4(a),(b)所示。隨后在濃度為15%(質(zhì)量分數(shù))的聚苯乙烯溶液中對該表面進行修飾，制備了聚苯乙烯仿花瓣結(jié)構(gòu)表面，如圖4(c),(d)所示。其表面微米級別的均勻仿花瓣狀結(jié)構(gòu)改善了鋁合金表面的疏水性，并表現(xiàn)出極高的表面黏附性。Grignard等[29]在電壓為20V，電流0.8mL/h條件下，通過氟化聚合物溶液的靜電紡絲工藝在鋁合金表面制備了雙層微納米結(jié)構(gòu)，其表面呈現(xiàn)出超疏水性和較好的黏附性能。Wu等[30]利用不同脈沖能量的激光對6022鋁合金進行了表面處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較低的能量脈沖下激光僅對鋁合金表面的污染物進行了清除而對板表面的物理形貌并未產(chǎn)生明顯變化，而高能量脈沖激光則會產(chǎn)生微米級別的毛絨狀全新氧化層。此外，通過接頭強度測試對比，發(fā)現(xiàn)高能激光處理后接頭強度提升接近25%，高于低能量處理的接頭。值得注意的是，盡管鋁合金在高能量激光燒蝕后出現(xiàn)了粗糙織構(gòu)，但其氧化層的化學(xué)變化也可能是界面強度變化的重要因素。

為了得到可控的微觀表面織構(gòu)，熊其玉等[31]利用激光微雕織構(gòu)技術(shù)，通過控制微凹坑形狀、深度和間距等參數(shù)，研究了工況條件及固體表面微觀結(jié)構(gòu)對其表面潤濕性能的影響規(guī)律及其表面三維形貌特征參數(shù)與其潤濕性的關(guān)聯(lián)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Ra值大致相同的鋁合金表面，微結(jié)構(gòu)的形狀和方向均會影響其表面的潤濕性能?？梢钥闯鲈阡X合金表面宏觀粗糙度相近的情況下，鋁合金表面的微觀織構(gòu)的尺度大小、表面織構(gòu)的形狀與方向均會影響其表面的潤濕性能與膠接強度，說明在宏觀尺度、介觀尺度以及微觀尺度，物理織構(gòu)對其界面結(jié)合的作用機理并不能一概而論。

圖4 鋁合金超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)與接觸角[28](a)，(b)聚乙烯醇蓮花瓣結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖；(c),(d)聚苯乙烯仿花瓣結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig.4 Microstructures and contact angles of the hydrophobic aluminum surface[28](a),(b)SEM images of the duplicated PVA film with inverse petal structures; (c),(d)SEM images of the duplicated PS film with the similar petal surface structures

總結(jié)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金及其他金屬材料的表面物理形貌和粗糙度大小對其膠接強度有著不同程度的影響，但并未形成統(tǒng)一的結(jié)論。其主要觀點可分為兩類：一類觀點認為粗糙度增加對金屬膠接有利，原因在于粗糙度可增加膠黏劑和基板的接觸面積，并且能在界面結(jié)合處產(chǎn)生機械鎖合力；另一類認為粗糙度的存在反而不利于膠在板表面的潤濕與鋪展尤其是對于黏度較大的膠黏劑，并且由于界面幾何不規(guī)則性可能導(dǎo)致接觸處的應(yīng)力集中而使得失效提前產(chǎn)生。目前關(guān)于鋁合金表面粗糙度大小和微納結(jié)構(gòu)對鋁合金膠接的界面強度的影響規(guī)律和作用機理還沒有明確定論，而且不同的處理方式可能會導(dǎo)致鋁合金表面氧化層的化學(xué)特性同時發(fā)生不同的變化。因此對于鋁合金表面物理特性對其膠接性能的影響還需要進行深入系統(tǒng)的實驗與理論研究。

2 鋁合金表面化學(xué)特性對其膠接界面強度的影響

根據(jù)金屬膠接界面吸附理論，膠黏劑與板材間的分子間作用力和可能存在的化學(xué)鍵力是構(gòu)成了界面結(jié)合力的主要成分。而鋁合金由于自身的活潑性，在自然環(huán)境中會形成氧化層以及在生產(chǎn)過程中的表面涂層均會直接影響鋁合金表面的化學(xué)特性從而決定了其界面的結(jié)合強度。

2.1 鋁合金表面氧化層化學(xué)特性對其膠接強度的影響

由于鋁元素的活潑性，鋁合金在暴露環(huán)境下極易生成一層厚度為數(shù)納米的氧化層結(jié)構(gòu)，但其表面氧化層的化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)會隨著環(huán)境變化和表面處理方法而產(chǎn)生區(qū)別。Van den Brand等[32]研究表明在經(jīng)過表面處理后的鋁合金原始氧化層被去除后會出現(xiàn)潔凈且具有活性的氧化層，該氧化層對于有機分子有極強吸附力。但在通常情況下在涂膠前鋁合金表面會暴露在空氣中一段時間，空氣中的水分子和有機分子在其表面吸附而影響其膠接性能。在其隨后的研究中[33]，作者利用紅外光譜對預(yù)處理后的鋁合金表面吸附物進行分析(見圖5)，結(jié)果表明在實驗室環(huán)境下放置20h之后其表面活性大幅下降，而在干燥環(huán)境暴露下鋁合金表面氧化層的活性基本維持在原始水平。

圖5 鋁合金板不同放置時間內(nèi)表面紅外光譜變化圖[33]Fig.5 FTIR-RAS spectra from aluminium substrates after ageing in ambient air for indicated periods[33]

Golru和Attar等[34]對不同的化學(xué)表面處理方法對AA1050鋁合金與環(huán)氧涂層的黏附性能進行研究。處理方法包括：(1)僅用丙酮清洗；(2)丙酮清洗后5%的NaOH堿腐蝕處理；(3)丙酮清洗后接5%的NaOH堿腐蝕再50%濃度的硝酸清洗。經(jīng)過表面的SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)，相比后兩種處理方式，由于原始氧化層的存在導(dǎo)致脫脂處理后的鋁合金表面的氧含量最高。在堿處理后，由于NaOH對原始氧化層刻蝕導(dǎo)致氧化層退化，同時刻蝕產(chǎn)生氫氧化鋁使得氧含量仍然維持在較高水平。在酸處理之后，表面堿刻蝕產(chǎn)生的氫氧化鋁成分被去除導(dǎo)致氧元素明顯減少，鋁元素的含量得到明顯提高。通過表面接觸角測試測得脫脂處理的鋁合金表面接觸角為89.6°，經(jīng)過堿刻蝕鋁合金表面接觸角略微減小，而計算相應(yīng)的表面自由能有所增加，在經(jīng)過酸清洗后其接觸角顯著減小而表面自由能有較大提升。最后，通過對搭接頭對不同表面處理后的鋁合金膠接強度進行測試發(fā)現(xiàn)，堿刻蝕后再用酸清洗的鋁合金膠接接頭有著最高拉伸強度，而單純的堿刻蝕并未對強度有明顯提升作用。

Prolongo和Urena[35]對A1050和A2024鋁合金進行了不同方式的化學(xué)處理后與環(huán)氧接構(gòu)膠進行膠接剪切強度實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于NaOH溶液刻蝕和重鉻硫酸刻蝕, 無鉻硫酸的刻蝕表面具有更高的膠接強度。此外，他們還發(fā)現(xiàn)由于刻蝕所產(chǎn)生的刻蝕產(chǎn)物，Al-Cu-Mg合金板材相比于純鋁材有更好的膠接強度。國防科技大學(xué)的楊孚標等[36]采用磷酸陽極化方法對鋁合金進行了處理并測試了其膠接性能，并研究了磷酸陽極化的工藝參數(shù)對膠接接頭性能的影響。結(jié)果表明鋁合金試片經(jīng)過磷酸陽極氧化后在其表面生成極性較高的γ-Al2O3，該氧化層可以提高其在界面上與膠黏劑之間的色散力和范德華力，同時可能與膠黏劑中的極性基團之間形成共價鍵或其他化學(xué)結(jié)合。Sperandio等[37]利用氮氧混合等離子處理鋁合金表面，獲得的膠接接頭強度和熱力學(xué)性能相對于普通清洗的鋁合金膠接接頭有明顯提升。并在對等離子處理工藝優(yōu)化分析后得出，在氮氧混合比為4∶1時在鋁合金表面會出現(xiàn)更多的羥基基團，從而提升了板表面的自由能和極性分量。以上研究表明，在表面粗糙度相近的情況下，不同化學(xué)處理后鋁合金表面所產(chǎn)生的全新氧化層及其表面的化學(xué)官能團直接影響膠黏劑分子在鋁合金表面的吸附狀態(tài)，從而導(dǎo)致了接頭強度的變化。

2.2 鋁合金表面涂層化學(xué)特性對其膠接強度的影響

早在1989年，Ahearn等[38]研究了磷酸緩蝕劑對鋁合金膠接性能的影響，通過XPS分析表明鋁合金表面氧化層與磷氧根間出現(xiàn)化學(xué)結(jié)合，從而提升了其界面強度。而在實際工業(yè)生產(chǎn)中，由于鉻酸鹽涂層處理具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于鋁合金膠接的表面預(yù)處理[39,40]。采用硅烷偶聯(lián)劑對金屬表面進行預(yù)處理是新興的表面處理工藝，其環(huán)保性成為表面處理技術(shù)新的發(fā)展方向。Zain等[41]對比了堿刻蝕和沸水處理后的硅烷涂層兩種方法對AA2024-T3鋁合金的膠接接頭強度的影響，處理后接頭強度分別提高了54%和126%。而通過XPS分析發(fā)現(xiàn)在硅烷處理后的鋁合金板表面出現(xiàn)Al—O—Si結(jié)合鍵，同時硅烷處理后的板表面潤濕性有明顯改善(見圖6)。北京科技大學(xué)的張穎懷等[42]研究了硅烷處理的膠接接頭的力學(xué)性能，分析了硅烷處理對涂層/金屬界面力學(xué)性能的影響。硅烷處理的膠接接頭靜態(tài)粘接強度和疲勞性能均有提升，斷面的分析顯示接頭的破壞形式雖然為界面斷裂，但由于硅烷分子特殊的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得界面破壞為韌性斷裂。Lunder等[43]對比了堿刻蝕和鋯鈦涂層對AA6060鋁合金的膠接接頭強度和耐久性的影響，研究發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的堿刻蝕，鋯鈦涂層表現(xiàn)出更為優(yōu)良的膠接性能。為排除鋁合金表面的粗糙度對其膠接性能的影響，單獨研究鋁合金表面化學(xué)特性對其膠接性能的影響，F(xiàn)renzel等[44]通過激光處理的脈沖頻率和能量以獲得相對一致的粗糙潔凈表面。在此基礎(chǔ)上，通過不同的聚合電解質(zhì)涂層以獲得不同的化學(xué)特性表面。比較發(fā)現(xiàn)，聚乙烯胺(PVAm)和聚醋酸烯丙酯(PAAc)電解涂層能在表面形成更高密度的官能團從而獲得更穩(wěn)定的膠接界面。

圖6 不同表面修飾的AA2024-T3鋁合金表面接觸角[41]Fig.6 Contact angle deionized water and PU adhesive/AA2024-T3 with different surface treatments[41]

總結(jié)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金表面的氧化層對外界環(huán)境十分敏感，其放置時間和暴露環(huán)境都會對其表面化學(xué)特性和吸附層產(chǎn)生不同程度的影響。為提高鋁合金與環(huán)氧膠黏劑的結(jié)合性能，研究者也應(yīng)用了不同的化學(xué)改性方法對其表面進行修飾，對其接頭強度提升也有明顯效果。但目前研究重點大多停留在表面改性方法上，對于鋁合金表面氧化層及吸附層的化學(xué)特性對其膠接界面強度的影響機制缺乏深入系統(tǒng)的研究，而對于其關(guān)系還有待深層次地探索。

3 鋁合金表面特性對其膠接接頭的耐腐蝕性能影響

盡管鋁合金膠接具有優(yōu)良的力學(xué)性能與成本優(yōu)勢，但其在暴露環(huán)境下的耐久性問題卻是制約其應(yīng)用發(fā)展的重要因素，因此該問題受到研究者的持續(xù)關(guān)注。Brockmann等[45]研究指出，金屬膠接接頭在環(huán)境暴露下性能降級的機理是金屬表面發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，產(chǎn)生了酸性機制，即酸性降級機理。Datla等[46]和Ameli等[47]研究環(huán)境老化后膠接鋁合金接頭的疲勞性能，根據(jù)膠接結(jié)構(gòu)中膠的腐蝕性能變化，預(yù)測了失效模式為內(nèi)聚失效的接頭壽命。Underhill等[48]研究了鋁合金膠接接頭暴露于水和亞硫酸鹽溶液中，發(fā)現(xiàn)亞硫酸鹽溶液由于降低了游離態(tài)的氧含量而降低了鋁合金膠接接頭的腐蝕速率。在Gude等[49]的研究中發(fā)現(xiàn)，相比于濕氣對膠層物理化學(xué)特性的改變，腐蝕介質(zhì)在膠與板材界面的擴散，導(dǎo)致?lián)p壞膠與金屬基體的結(jié)合更具破壞性。

Fondeur等[50]利用FTIR紅外光譜測試了陽極氧化前后鋁合金膠接接頭界面處水分擴散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在陽極氧化后界面處生成的是γ-AlOOH(水合氧化鋁)，而在未處理的鋁合金膠接界面生成的氧化鋁與鋁合金直接暴露于濕熱環(huán)境下的氧化層類似。Lunder等[51]研究了不同化學(xué)表面處理對鋁合金膠接耐久性的影響，探索了在交流陽極化處理后AA6060鋁合金板膠接接頭的抗腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)交流陽極化促使鋁合金表面產(chǎn)生0.2μm厚度的氧化層，提高了膠接接頭抗腐蝕性。Lin等[16,52]就鋁合金膠接接頭在鹽霧環(huán)境下的性能變化進行了實驗與分析，發(fā)現(xiàn)鹽霧環(huán)境下鋁合金膠接接頭的剩余強度呈先上升再逐步下降的趨勢(如圖7所示)。

圖7 鹽霧環(huán)境下鋁合金膠接接頭剩余強度曲線[16]Fig.7 Residual strength of adhesively bonded aluminum joints under salt exposure [16]

Hadavinia等[53]研究了3種不同的表面處理(噴丸和去脂GBD、鉻酸刻蝕CAE、磷酸陽極化PAA)后鋁合金膠接接頭在干、濕環(huán)境中的疲勞性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GBD處理后的接頭在濕環(huán)境中由于鋁板發(fā)生腐蝕而疲勞性能急劇下降；而CAE和PAA處理后的鋁合金接頭疲勞性能沒有變化。Zhang等[54]通過實驗和仿真結(jié)合的手段研究了鋁合金與鋼板異種金屬膠接在環(huán)境暴露下的力學(xué)特性變化，發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境暴露后鋼/鋁膠接接頭界面性能退化導(dǎo)致接頭強度急劇下降。Jiang等[55]通過拉拔實驗、鹽霧腐蝕、電化學(xué)阻抗譜等方法分析了添加硅烷偶聯(lián)劑的環(huán)氧樹脂涂層與AA2024鋁合金膠接體系的耐腐蝕特性的研究。結(jié)果表明(如表1所示)，不論是活性硅烷偶聯(lián)劑還是非活性硅烷偶聯(lián)劑，其表面涂層不僅提升了環(huán)氧樹脂本身的交聯(lián)結(jié)構(gòu)而且有效提升了界面的結(jié)合強度，降低了體系的吸水量從而有效改善了鋁合金環(huán)氧樹脂膠黏劑體系的耐腐蝕性能。Del Real等[56]通過控制硅烷處理的pH值、γ-MPS溶液濃度以及烘干溫度等處理參數(shù)以研究其對鋁合金膠接接頭的耐久性。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶液pH值和烘干溫度均無明顯影響，而其接頭耐久性在γ-MPS濃度為0.1%時有最優(yōu)效果，并隨著其濃度增加而降低。

表1 APS和BTSE硅烷處理環(huán)氧涂層在3.5%鹽溶液(質(zhì)量分數(shù)/%)中暴露10天后的干濕膠接強度對比[55]Table 1 Dry and wet adhesion strength of epoxy coating doped with APS and BTSE silanes after immersion in 3.5%NaCl solution (mass fraction/%) for 10 days[55]

總結(jié)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境暴露下鋁合金膠接頭存在著不同程度的界面性能退化和接頭強度下降等問題，相關(guān)研究人員也嘗試通過不同的表面處理方法提高其界面的耐腐蝕性能。但由于對鋁合金/環(huán)氧樹脂界面的微觀觀察與分析不夠，對于鋁合金表面在環(huán)境暴露過程中的表面理化特性演化過程至今還不明晰，其界面強度的退化機理主要用經(jīng)驗推測，因此還需要進行更深入系統(tǒng)的理論和技術(shù)研究。

4 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者從鋁合金表面的物理特性和化學(xué)特性入手，研究了鋁合金表面的物理特性和化學(xué)特性對鋁合金膠接接頭界面強度和耐腐蝕性能的影響，為鋁合金膠接的界面黏合機理提供了一定的解釋。但目前鋁合金表面的理化特性對其膠接性能的影響還需要在以下方面進行進一步深入研究：

(1) 目前鋁合金表面理化特性對其膠接接頭強度影響的研究還未形成完整系統(tǒng)的解釋，研究對象主要停留在鋁合金表面處理工藝優(yōu)化和方法比較等方面，而對其界面影響機理的研究還需要進一步深入與完善。

(2) 對于鋁合金表面理化特性的參數(shù)化表征還不充分，研究鋁合金表面理化特性與其膠接強度的關(guān)系，以對膠接接頭強度進行準確校核與預(yù)測是今后研究的另一方向。

(3) 鋁合金表面理化特性對其膠接接頭的耐腐蝕性能影響還不明晰，尤其是環(huán)境暴露下鋁合金膠接界面的演化規(guī)律和腐蝕介質(zhì)的擴散機理需更深入的研究。

總之，鋁合金表面理化特性對其膠接接頭界面強度和耐腐蝕性能的研究雖然已經(jīng)取得了較大的進展，但還存在諸多問題需要研究，而其理論研究的深入對促進膠接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展有著重要意義。

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(本文責(zé)編：齊書涵)

Research Progress in Effect of Aluminum Surface Properties on Adhesively Bonded Performance

WANG Xun,LIN Jian-ping,WAN Hai-lang

(School of Mechanical Engineering,Tongji University, Shanghai 201804,China)

Surface physicochemical properties of aluminum alloy can be changed by different surface treatment methods, which determines the performance of adhesively bonded joints. This paper reviews the research status on the interfacial bonding strength and corrosion resistance of adhesively bonded aluminum alloys joints from the perspectives of surface roughness, surface micro-structure, surface oxide and coated chemistry properties. Then the problems and development of adhesively bonded aluminum alloys are discussed. The characterization of the aluminum surface physical and chemical properties and the relation model between the surface properties and the adhesive performance are considered to be focused directions for the further research.

aluminum alloy;surface property;adhesively bonded joint;interfacial strength;corrosion resistance

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000571

TG495

A

1001-4381(2017)08-0123-09

國家自然科學(xué)基金(51575397)

2016-05-16;

2017-05-10

林建平(1958-)，男，教授，博士，研究方向:汽車輕量化與連接技術(shù)，聯(lián)系地址：上海市曹安公路4800號同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院(201804)，E-mail:jplin58@#edu.cn