汽车结构应用领域中的粘合剂技术

近年来在车辆制造行业，材料化学、应用和工艺技术等领域专用的粘合剂技术日益精进，不仅拓宽了粘合剂在上述领域的应用范围，同时增强了这些领域对粘合剂技术的依赖性，将其用于各种不同的材料。如今，粘合剂被广泛用于改善和保持车身刚度，让汽车更加持久耐用，以及增加汽车的安全性能。

此外，汽车行业在近几年内成功打造了配备低油耗发动机的轻型汽车，大大降低了汽车能耗，以满足新的法律要求。除了使用新材料及/或混合使用更多种不同类型的材料外，现代轻型汽车设计同时需要来自创新粘合剂技术的支持。

粘合剂是一种连接技术，同时也是将多种不同类型材料制成的结构零件高效、持久地连为一体的佳方式。本文将集中讨论现有的粘合剂解决方案，并对粘合剂的未来发展方向给予展望。文章还将涉及专门研发的单组分和双组分环氧或聚氨酯（PU）技术及其性能特点，并就此展开进一步的详细讨论。

结构粘合剂的历史与现状

高耐冲击性粘合剂的需求由来以久，然而，新一代粘合剂直到上世纪九十年代末才首次问世；这款粘合剂商品名为BETAMATE™结构粘合剂，由陶氏汽车系统业务部发明。作为一款耐冲击性粘合剂（CDA），它为粘合剂市场带来了前所未有的卓越性能，大大推进了汽车粘合工程领域的前进与发展。

 此后，汽车粘合剂技术迅速发展。近十年来，单组分环氧结构粘合剂在车身外壳的粘合中得到了广泛的使用，对传统的连接方式形成补充。例如，图1在很大程度上，反映了汽车车身结构粘合剂的发展历程。

当代应用实例：

粘合剂技术为整车生产商们带来了显而易见的性能优势，与传统连接技术相比，生产商更喜欢使用CDA来粘合高强度钢材，因为此类粘合剂有助于改善粘结部位的耐久性。相关实例可以证明，增韧型单组分环氧CDA不仅能提供卓越的防撞性能，还有助于减少车身焊接部位的数量。

近年来，随着车身零部件粘合的日益流行，包括复合材料粘合、装配粘合，以及弹性粘合等在内的其他汽车零件粘合应用领域也得到了一定的发展。纵观整个汽车粘合剂行业，我们可以总结出：玻璃粘合剂是这一领域的先驱，车身CDA是当前的主流，装配零件粘合剂则是未来的发展方向。

当今主流粘合技术与增韧型CDA的技术关键

1.    应力集中度降低

图3所示的是一个典型的粘合结构，使用增韧型结构粘合剂的原因在于，此类粘合剂能显著降低应力集中度（如图4所示），对性能产生积极的影响。增韧型架构粘合剂能大大提升粘合部位的耐疲劳性，并能使其承受更重的负荷。粘合强度与耐久性的显著提升，为整车生产商们开启了减少钢材厚度的宝贵机会。

2.    耐疲劳性的改善

此外，粘合剂的耐疲劳强度与金属的屈服点之间并无关联。如图5所示，使用BETAMATE™ CDA粘合剂后，耐疲劳强度因子在原有基础上增加了3，并没有体现出任何明显的对不同类型金属表面粘结的依赖性。这一特性意味着，整车生产商在设计同时采用多种不同金属打造而成的各类车型时，只需使用一个或两个牌号的粘合剂即可。

3.    环境耐蚀性与长期耐久性的改善

BETAMATE™粘合剂的另一项关键技术，就是为粘结部位提供持久的耐腐蚀性能。陶氏汽车系统业务部对此进行了一项特别的试验。2008年，陶氏拆开了一辆宝马745i汽车。这辆车的出厂年份为2002年，总行驶里程为107,000英里（172,000公里）。此项研究的目的，是为了确定当这辆车在气候潮湿且容易导致车身腐蚀的路易斯安那州经历了5年的风吹日晒，并行驶了107,603英里后，车身所用的BETAMATE™ 1496V耐冲击型粘合剂出现了怎样程度的降解。如图6和图7所示，研究人员在车身上切下了金属样品，并对强度下降和失效模式进行了分析。

研究结果显示，抗剪强度并没有出现明显的下降。由车身门槛纵梁下部制成的初粘合样本与经过上述行驶里程的粘合样本相比，两者的厚板拉剪强度并不存在统计学上的明显差异。失效模式从内聚失效向靠近内聚失效的表面失效的方向略有靠近。BETAMATE™ 1496V粘合剂材料经过5年， 并在汽车行驶107,000英里后，抗剪强度几乎没有出现任何下降。

此项研究证明BETAMATE™耐冲击性粘合剂具有卓越的耐久性能，并且这一重要的特性能在汽车的整个生命周期内得以持续。

结构粘合剂的未来发展

1.      用于粘合轻型及复合材料的BETAMATE™ Flex单组分柔性粘合剂

为减少汽车结构的重量，越来越多的轻型材料，如铝等，在车身制造中得到了日益广泛的应用。这一趋势向粘合剂行业提出了一项挑战，因为低强度金属容易在粘合剂热固化的过程中产生变形。目前，有关粘合剂固化导致金属变形的技术信息十分罕见，但在一些汽车厂内，制造商会在实际使用前进行相关的粘合剂试验，尽可能减少由此导致的金属变形。此类试验的初步结果显示，在将低强度金属材料粘合到一起（如铝和铝进行粘合）的过程中，由于需要先将零件加热至高温，再将其冷却至室温，界面条件会因粘合剂固化而发生改变，零件的热性能也会随着温度的变化不断改变（不同的线性热膨胀系数），进而导致金属在冷却过程中出现变形。

BETAMATE™ Flex具有独特的属性和卓越的机械性能，能帮助汽车制造商轻松应对三大应用难题：首先就是将多种不同材料粘合到一起的设计（材料的线性热膨胀系数各不相同）；其次是门盖等折边部位的粘合，以防零件因挠曲模量而产生变形；后就是刚/铝和碳碳复合材料（CFC）之间的相互粘合（图12）。

2.      用于粘合复合材料的BETAFORCE™ 双组分聚氨酯粘合剂

近期研发的新技术在更高的温度下亦能保持高模量，带来牢固的粘合强度。更重要的是，与早期的聚氨酯技术有所不同，新技术的剪切模量G与温度之间的相关性很小。如图14所示，模量随温度变化而降低的趋势显著减弱，这一特性有助于确保粘合剂材料在使用温度的变化范围内保持相对稳定的特性。

剪切模量与温度之间的相互关系

这一新型双组分聚氨酯粘合剂的粘合强度远高于传统的玻璃粘合聚氨酯粘合剂，例如，这款粘合剂的拉剪强度约为6-8Mpa。这款粘合剂通过能与之反应的B组分得以固化，无须对粘合材料进行加热，并能通过热感应等方式进行预固化。

整体而言，新型BETAFORCE™双组分聚氨酯具有一系列十分独特的材料特性，是用于粘合新型汽车设计中所采用的复合材料及其它异质材料的理想之选。该产品能显著改善复合材料与高新塑料材料的粘合，进而有助于简化汽车的组装流程，完全去除或在大程度上减少粘合前的预处理工序。在总装车间内，该产品能帮助制造商显著优化包括车顶组件、提升式门、后备箱、车门、天窗以及复合面板等在内的汽车部件。

总结

多项研究显示，在各个行业及应用领域中，粘合工艺所采用的连接技术的重要性日益凸显，对汽车制造业而言更是如此。结构粘合剂是一种高性能的连接技术，对汽车制造行业的价值创造链具有积极而显著的影响。

无论是环氧技术、橡胶技术，还是聚氨酯技术，其粘合性能均在现有技术的基础上有所改善，带来更为理想的刚度和碰撞能量分配特型，并有助于改善结构的固有振动频率。这一技术的主要发展方向包括：进一步改善耐久性（不因温度而改变），以及进一步简化工艺和改善生产效率。汽车粘合剂行业的综合发展趋势为：通过进一步增加粘合剂在汽车结构中的使用，实现更多种轻型材料的有效粘合，而亚太各地的整车生产商在发掘高性能粘合剂的巨大潜力的道路上才刚刚起步。