胶粘剂类型及表面处理对玻璃纤维与碳纤维增强环氧树脂胶粘剂接头脱粘行为的影响

《Materials》：Effect of Adhesive Type and Surface Preparation on the Debonding Behavior of Glass and Carbon Fiber Reinforced Epoxy Adhesive Joints Paula Vigón, Antonio Argüelles, Miguel Lozano and Jaime Vi?a

　　

研究人员分析了两种复合材料胶粘剂接头在准静态Ⅰ型断裂载荷下的脱粘行为，该两种材料具有相同的环氧树脂基体，分别采用单向碳纤维或玻璃纤维增强。研究采用标准双悬臂梁（Double Cantilever Beam, DCB)试验，以定量评估胶粘剂类型及基材表面处理对层间断裂韧性的影响。为此，研究人员选取了三种不同制造商的商品化结构胶粘剂，其中两种为环氧基胶粘剂，一种为丙烯酸基胶粘剂。表面处理采用了三种不同工艺：采用P220 Al₂O₃砂纸进行手动打磨、Al₂O₃喷砂处理以及PA80聚酰胺织物脱模布（peel ply）处理。实验结果表明，对于两种环氧基胶粘剂，两种基材均呈现出相同趋势：打磨处理获得了最优结果。喷砂处理对应用参数高度敏感，其结果通常劣于手动打磨。PA80脱模布表面处理可作为一种可行选择，但其主要缺点在于必须在复合材料制造过程中予以整合。研究结果证实，断裂性能受胶粘剂化学性质与表面形貌之间相互作用的主导，而非仅由表面粗糙度决定。

纤维增强聚合物（Fiber-Reinforced Polymer, FRP）复合材料凭借其高比刚度与比强度、耐腐蚀性及设计灵活性，已成为众多工程应用中的关键结构材料。其中，碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）与玻璃纤维增强聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP）代表了两种应用最为广泛的解决方案，二者在力学性能、成本及耐久性之间提供了不同的平衡。CFRP层合板通常用于高性能轻量化结构，而GFRP复合材料则为需要中等刚度与强度的部件提供了更为经济的选择。因此，这两种材料均被频繁应用于胶接结构组件中，胶粘剂接头的完整性对整体力学响应起着决定性作用。然而，尽管层合纤维增强复合材料具有优异的力学性能，但其对层间损伤机制较为敏感，脱粘（debonding）便是其中最为关键的损伤机制之一，会显著降低结构部件的承载能力与刚度，尤其在采用胶接方式组装复合材料部件时更为突出。

基材表面处理被广泛认为是决定胶接接头性能的关键因素。处理效果强烈依赖于通过改善表面粗糙度、去除弱边界层与污染物以及提高表面能以促进适当的物理化学特性的能力，从而改善机械互锁（mechanical interlocking）与物理化学粘附机制。在纤维增强复合材料中，这些方面尤为重要，原因在于材料的非均质性以及基体-纤维界面对损伤起始的敏感性。为此，研究人员开展了针对粘接前界面条件优化的研究。然而，胶粘剂化学性质与基材表面处理的联合作用对不同纤维增强复合材料层合板胶接接头脱粘抗力的影响尚待充分阐明。基于此研究背景，本研究旨在评估不同表面处理技术对由相同环氧树脂基体、分别以单向碳纤维或玻璃纤维增强的复合材料层合板制造的胶接接头脱粘行为的影响。研究选用三种商品化结构胶粘剂（两种环氧基体系，一种丙烯酸基），通过标准双悬臂梁试验获得的Ⅰ型能量释放率来表征脱粘抗力。

研究所用基体材料为两种预浸料，均采用相同环氧树脂基体（MTC510）。一种为单向高强碳纤维（HS级），另一种为单向E-玻璃纤维（缝合型）。层合板采用真空袋模压工艺制造，固化后切割为225 mm×20 mm×2.75 mm的矩形板。胶粘剂选用三种：Henkel公司的Loctite^? EA 9461^?、Huntsman公司的Araldite^? 2015（均为环氧基）以及3M公司的3M^? DP8010NS（丙烯酸基）。每种胶粘剂均按照制造商推荐的固化制度进行固化。

样本制备采用二次胶接工艺，即将两块预固化层合板通过中间的胶粘剂层进行粘接，在粘接线一端插入12 μm聚四氟乙烯（PTFE, Teflon）薄膜作为脱粘起始器。最终试样经金刚石锯加工，标称宽度20 mm，总长度150 mm，初始裂纹长度50 mm。部分无胶粘剂试样亦被制造以评估与基线材料的差异。

表面处理工艺的选择经过预实验确定。研究人员分析了四种工艺：手动打磨（P220 Al₂O₃砂纸）、喷砂处理（玻璃微珠与Al₂O₃，投射时间5 s）、化学蚀刻（HNO₃与HCl混合液浸泡5 h，或HNO₃ 80 °C浸泡3 min）以及聚酰胺脱模布PA80处理。化学蚀刻因产生残留污染而被排除。最终选定打磨、喷砂（Al₂O₃，5 s，因延长暴露时间虽提高粗糙度但导致基材表面不良机械磨损）及脱模布三种方法。所有处理后的基材在粘接前均以丙酮清洗并以压缩空气干燥。试样边缘涂漆标记以便于裂纹长度测量。

表面形貌分析通过粗糙度测量与扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）进行。粗糙度参数包括算术平均偏差Ra、连续峰谷高度算术平均值Rz及最大峰谷高度Rmax。结果显示，脱模布处理的粗糙度最高，而打磨与喷砂处理之间无显著差异，后者略高。

Ⅰ型断裂测试按照ASTM D5528M-21标准进行，采用MTS 810伺服液压试验机，配备5 kN载荷传感器，以2 mm/min恒定横梁速度在环境温度下进行。裂纹扩展通过高分辨率相机监测。能量释放率G_IC采用修正梁理论（Modified Beam Theory, MBT）计算：G_IC = 3Pδ/[2b(a+|Δ|)]，其中b为试样宽度，P为施加载荷，δ为加载点位移，a为脱粘裂纹长度，Δ为通过绘制柔度立方根C^1/3与裂纹长度a的关系并进行线性最小二乘拟合获得的修正因子。

实验共计测试120个试样（每种基材、表面处理条件及胶粘剂组合各5个）。

**表面表征结果**：粗糙度测量与SEM三维重构图显示，脱模布处理具有最高粗糙度，打磨与喷砂处理粗糙度相近。

**载荷-位移行为**：对于两种基材，打磨处理均产生较高的分层载荷，喷砂处理略低，差异较小。脱模布处理未提高最大载荷值，但位移值更高，曲线斜率更低，表明刚度降低。玻璃基材试样刚度较高，归因于其更大厚度。初始斜率的差异主要源于试样柔度变化，包括基材弹性模量、悬臂厚度及初始裂纹长度的不同。

**Ⅰ型能量释放率G_IC**：对于碳纤维复合材料，Loctite^? EA 9461^?胶粘剂在各表面处理条件下结果最为均一；Araldite^? 2015的Ⅰ型断裂抗力最低；丙烯酸基3M^? DP8010NS在喷砂处理时性能最差。对于玻璃纤维复合材料，Loctite^? EA 9461^?同样获得最高G_IC值，Araldite^? 2015最低。尽管CFRP与GFRP层合板纵向刚度差异显著（E₁₁约122 GPa vs 38.8 GPa），但两种基材呈现相似的断裂趋势，表明界面与胶粘剂相关机制在断裂行为中起主导作用，而非纤维增强本身的刚度差异。

3M^? DP8010NS在喷砂条件下的Ⅰ型断裂韧性显著降低，这同样归因于界面效应而非胶粘剂内聚性能。喷砂通过部分去除富树脂层并局部暴露纤维来改性复合材料表面，同时增加粗糙度并可能嵌入磨料颗粒。对于强烈依赖表面化学与润湿行为的丙烯酸基胶粘剂而言，这些改变可能降低界面相容性并阻碍有效应力传递。需要强调的是，表面粗糙度本身并不主宰断裂性能，粗糙度增加未必带来断裂韧性改善，胶粘剂-基材相互作用在决定接头性能中起主导作用。

**断裂形貌分析**：打磨处理下，对于碳基材，Loctite^? EA 9461^?与Araldite^? 2015主要表现为复合材料层合板内的层间失效，伴随纤维桥接（fiber bridging）现象，G_IC值反映的是基材的断裂抗力而非胶粘剂层的本征断裂韧性。3M^? DP8010NS则呈混合失效模式，裂纹起始时为胶粘失效，扩展期间转为内聚失效。对于玻璃基材，Loctite^? EA 9461^?以混合失效为主，主要为内聚失效；Araldite^? 2015失效模式介于胶粘与内聚之间，裂纹起始处通常为内聚失效，扩展过程中胶粘失效区域增加；3M^? DP8010NS同样介于胶粘与内聚失效之间。

喷砂处理下，碳基材环氧胶粘剂主要呈内聚或界面失效，常伴显著纤维桥接，裂纹扩展局部偏离至复合材料基材内。3M^? DP8010NS主要于胶粘剂-基材界面处失效。玻璃基材Loctite^? EA 9461^?呈混合失效，初始内聚，伴随沿裂纹路径的纤维桥接及胶粘失效组合；Araldite^? 2015主要为内聚失效伴少量胶粘失效区域；3M^? DP8010NS主要为胶粘失效，无基材损伤证据。

脱模布处理（仅碳纤维复合材料）实现了贯穿裂纹扩展研究的连续内聚失效，产生最佳断裂表面，所有胶粘剂均呈内聚失效，伴随纤维桥接。

**数据离散性**：环氧基胶粘剂结果变异性较低，丙烯酸基3M^? DP8010NS在碳基材上离散性较大，可能指示层合板基体局部失效及纤维桥接的存在，这人为改变了接头的断裂韧性。

**讨论与研究结论**：三种胶粘剂具有本征不同的力学性能和增韧机制，因此不宜简单以"高"或"低"性能进行分类，而应就其对表面处理的敏感性及响应均一性进行解读。Loctite^? EA 9461与Araldite^? 2015在不同表面处理下表现相对均一，G_IC变化中等。相比之下，3M^? DP8010NS对表面处理表现出显著依赖性，尤其在喷砂条件下断裂韧性显著降低。这些结果表明，接头整体性能不仅受各胶粘剂本征性能制约，还受胶粘剂化学性质与表面处理产生形貌之间相互作用的调控。因此，表面处理在优化断裂抗力中起关键作用，尤其对界面条件更敏感的胶粘剂。表面处理的有效性高度依赖于胶粘剂类型，凸显了胶粘剂-基材相容性的重要性。打磨对所有胶粘剂和基材均提供持续高且稳定的断裂韧性值，是最稳健可靠的表面处理方法。喷砂对胶粘剂化学性质更敏感，对于丙烯酸基3M^? DP8010NS导致G_IC显著降低，与胶粘失效及界面完整性降低有关。脱模布产生可控的富树脂表面，促进内聚失效和稳定裂纹扩展，获得具有竞争力的断裂性能。从实用角度，打磨被推荐为CFRP和GFRP基材使用环氧基胶粘剂时最稳健的表面处理方法；对于丙烯酸胶粘剂（3M^? DP8010NS），打磨和脱模布更为适宜，而喷砂应避免使用。脱模布在可整合入制造过程时可作为有效替代方案。总体而言，研究结果证实断裂韧性并非仅由表面粗糙度控制，而是受表面形貌、胶粘剂化学性质及所得失效机制之间联合作用的支配。因此，最优表面处理方法不能独立于所采用的胶粘剂体系来定义。

该研究发表于《Materials》期刊。