周科可，黄燕滨*，姬鹏飞，东晓林

（装甲兵工程学院，北京 100072）



【综述】

铝合金表面粘接技术研究进展

周科可，黄燕滨*，姬鹏飞，东晓林

（装甲兵工程学院，北京 100072）

综述了铝合金粘接技术的研究进展，介绍了作为粘接构件的铝合金在粘接前需进行的表面前处理方法，铝合金与橡胶粘接中胶粘剂的选用方法以及粘接工艺的操作，重点介绍了提高铝合金表面粘接性能的措施。

铝合金；橡胶；粘接；胶粘剂

First-author's address: The Academy of Armored Forces Engineering， Beijing 100072， China

铝合金由于其优异的物理化学性能和加工塑造性能，在制造领域、建筑领域以及国防等很多方面有着极为广泛的应用［1］。铝合金粘接的连接方式因结构轻，成本低，连接效率高，无钻孔引起的应力集中，不同材料连接无电偶腐蚀等优点而倍受青睐［2］，故铝合金作为结构材料进行粘接的范围也越来越广。凡是利用胶粘剂及有效的粘接工艺，达到对被粘物进行连接的技术，统称为粘接技术或胶粘技术［3］。橡胶与金属的粘接技术研究开始于19世纪50年代［4］，由于其具有工艺设备简单、操作方便、密封防腐效果好、耐疲劳强度高的优点，已经成为制造领域中不可或缺的重要组成部分，小至电子产品，大到现代家具、汽车等等，都离不开粘接技术。根据胶粘零部件的受力情况，可将粘接技术区别为结构粘接、次结构粘接和非结构粘接三种，其中结构粘接是指受力大、粘接强度高，长期使用条件下可保持其性能的零部件的粘接［5-7］。

粘接的实质是一种界面现象，粘接过程是复杂的物理变化的过程，胶粘机理十分复杂，研究者普遍接受的粘接理论主要是吸附理论、静电理论、扩散理论、机械结合理论以及化学键理论［8-10］。粘接效果是多种力综合作用的结果，难以用一种通用的理论解释所有的粘接效果。金属的粘接方法主要分为硬质胶法、镀黄铜法、胶粘剂法和直接粘接法四种［11］。铝合金的粘接技术主要采用胶粘剂法，多采用硫化粘接体系，其粘接工艺流程是对铝合金表面处理后，在处理表面上涂覆胶粘剂，通过硫化设备对橡胶与铝合金结合部分进行控温加压固化处理，达到粘接目的，其中粘接之前金属表面的物理化学状态是粘接的关键因素。粘接力的形成主要受胶粘剂种类的影响，粘接硫化固化工艺对粘接强度与效果影响显著。

1　铝合金表面粘接前处理工艺

铝合金表面的结构和状态是影响粘接力的关键因素，与铝合金表面前处理工艺密切相关。空气中裸露的铝合金易发生氧化反应，表面生成较薄的Al2O3膜层，该膜层质地疏松，与铝合金基材的结合强度低，孔隙率高，不适合直接进行粘接工艺。铝合金进行结构胶粘之前，须进行表面处理，使其表面膜层结构与基体有足够的结合强度；同时膜层需要有高的内聚强度和活化能，易于胶粘剂的润湿，进而形成化学键或机械嵌合；另外膜层需要具有优异的环境稳定性，提高粘接结构的耐湿热环境性能，以确保铝合金具有优异的粘接性能［12］。随着现代制造工业的发展，铝合金进行胶粘工艺前主要采用3种前处理方式：机械处理、化学处理和电化学处理［13］。

1. 1 机械处理

铝合金粘接前的机械处理主要采用喷砂、喷丸、砂带打磨等工艺，通过去除铝合金表面的油污和自然氧化膜层，以获得清洁、宏观粗糙度高的表面，再经过有机溶剂脱油处理后进行后续粘接工艺。机械处理工艺操作简单，接头具有较好的初始力学性能，但弊端在于湿热耐久性差。机械处理的方法主要用于温和的环境下非结构粘接领域和铝合金表面涂层修复。在结构粘接中，机械处理需配合化学和电化学处理方法一起使用［14-16］。

1. 2 化学处理

铝合金粘接前的化学处理主要有碱性处理、涂偶联剂、酸性处理三种方式［17］。

碱性处理一般为铝合金前处理中的一部分，碱性溶液可以清除铝合金表面的油渍，提高表面活化能，同时对铝合金基体有侵蚀作用，降低铝合金表面的粗糙度，但当其单独作为粘接前处理工艺时，粘接接头的初始力学性能及对湿热环境耐久性较差。一般情况下，碱性处理与其他处理方法相互补充，主要清理铝合金表面油渍以及暴露在空气中所形成的表面氧化膜层。

涂偶联剂处理一般使用有机硅烷偶联剂，其在铝合金表面形成一层网状薄膜，偶联剂的亲水基团吸附化合后连接在铝合金表面一侧，有机憎水基团与有机胶粘剂反应而相互连接，铝合金表面和硅烷偶联剂以稳定的共价键连接，在铝合金表面与胶粘剂之间形成交联过渡层，便于应力在二者之间转移，从而提高铝合金与橡胶的粘接性能。

酸性处理主要是通过酸性溶液的氧化作用，在铝合金表面形成一层枝状的氧化膜层。这层膜层较薄，具有较高的粗糙度，呈现多孔的须状结构，比表面积大，易于与胶粘剂形成复合结构，增强胶粘剂对铝合金表面的机械嵌合作用，提高粘接性能。酸性处理的工艺流程一般是在有机溶剂的脱脂、碱液清洗后，对工件进行酸洗氧化，然后用去离子水将工件清洗，最后干燥。

在工业上，化学处理可单独作为铝合金粘接的表面处理技术应用，但很多情况下是作为电化学氧化前活化铝合金表面的一个预处理步骤。

1. 3 电化学处理

铝合金表面前处理技术中，电化学氧化即阳极氧化技术处理后获得的粘接性能最好、最可靠，经阳极氧化处理得到的铝合金表面膜层具备获得良好粘接性能的所有因素，即清洁、高活化能、机械性能稳定、耐久性好，有很高的微观粗糙度。阳极氧化膜特殊的孔洞结构易于与胶粘剂形成力学性能及化学性能稳定的复合粘接层。

铝合金表面的阳极氧化处理工艺复杂，其流程一般为：有机溶剂除油→化学清洗→碱蚀→酸洗出光→阳极氧化→封孔→干燥。根据电解液的不同，用途最广的主要有铬酸体系、硫酸/硼酸体系和磷酸体系，用于结构粘接的铝合金表面处理主要采用前两种。铬酸阳极氧化是铝合金粘接领域最为经典、耐用的电化学处理方法。

阳极氧化膜层的结构与化学转化膜层不同，具有六棱胞状结构特征。一般认为阳极氧化膜层由下层致密无孔的阻挡层和上层具有孔状结构的多孔层构成，膜层表面平整，没有化学氧化膜的须状结构［18-26］。阳极氧化处理后需对氧化膜层进行封孔处理。封闭的方法和封闭程度很重要：封闭程度太高会影响胶粘剂向多孔层中渗透，降低粘接性能；封闭程度太低，不仅会降低膜的耐腐蚀性能，而且使胶粘剂无法填满多孔结构，孔状结构中存在空气，降低了粘接性能。一般采用半封孔处理，在提高膜层耐腐蚀性能的同时，不影响粘接性能。

2　胶粘剂

2. 1 粘接机理

凡是能把各种材料紧密黏合在一起的物质都称为胶粘剂。胶粘剂的化学结构、组成对其粘接力影响很大。胶粘剂的性能是影响结构粘接性能的决定因素之一。结构粘接用胶粘剂不但要具有很高的初始粘接强度，而且必须有优良的耐热、耐介质、耐大气老化、抗冲击、耐疲劳等性能和较高的持久性［27-30］。

胶粘剂的作用机理为：胶粘剂充分浸润金属表面，通过胶粘剂分子团的扩散和渗透，与金属表面产生较强的分子间作用力或生成化学键，进入金属表面孔隙，固化形成“锚固”作用，使胶粘剂与金属表面牢固结合；而胶粘剂与橡胶主要是通过分子之间的相互吸附、浸透和共交联作用而完成粘接的［31-32］。结构粘接中采用的胶粘剂法可分为单涂型和双涂型两大体系，其粘接作用机理如图1［11］所示。

图1　胶粘剂的粘接机理Figure 1 Bonding mechanism of adhesive

表1 常用胶粘剂及其性能Table 1 Commonly used adhesives and their properties

铝合金与橡胶的胶粘剂一般采用环氧树脂胶粘剂，该类胶粘剂具有粘接强度高，耐化学介质及耐温性能好等优异的性能。金属与橡胶粘接过程中还应区分橡胶的极性。酸酯类胶粘剂适用于极性橡胶与金属的粘接，粘接过程中这类胶粘剂经化学交联后变成酸酯类物质，与金属表面的氧化物形成配合物，与橡胶部分氧化生成的羟基及醛基发生反应，其本身还具有自聚合作用，形成传统橡胶/金属用胶粘剂所不能形成的化学键，获得优异的粘接效果。含卤胶粘剂适用于氯化橡胶与钢、铝等金属的粘接，主要牌号有单涂型的Chemlok250和双涂型的Chemlok236，其粘接强度高，质量稳定，耐湿热环境性优良，毒性较低且使用方便，铝合金和橡胶的粘接主要采用此类胶粘剂［34-35］。

3　铝合金表面粘接工艺

粘接包括配胶、涂胶、晾置、黏合、固化、检验等工艺过程［36-37］。

确定胶粘剂种类后，如果是单组分胶粘剂，可以直接使用，若是双组分胶粘剂，必须按照配胶的比例严格配制，交联剂使用过多会降低胶粘剂的综合特性，过少则会导致胶粘剂固化不完全。搅拌过程中，一定要确保胶粘剂各成分充分混合均匀，否则会引起局部发黏或起泡，导致固化不完全，降低其粘接性能。

涂胶就是以适当的方法和工具将胶粘剂涂布在被粘物表面。涂胶对粘接效果影响很大，是确保金属粘接的重要环节，其难易程度与胶粘剂的黏度有关。粘接表面容易吸附空气，为防止胶层中形成气泡，涂胶应在铝合金表面以恰当的速率朝一个方向刷涂，使粘接物表面的空气充分排出。胶层越薄，粘接强度越大，在保证不缺胶的情况下，厚度一般控制在0.08 ～ 0.15 mm。涂胶的总体要求是：胶层的厚度均匀一致，无空气混入，无漏胶、缺胶、堆胶、气孔等不良现象。

胶粘剂涂覆后应有晾置的过程。晾置可以提高胶层黏度并促进固化，晾置的时间和温度与胶粘剂的种类有关。聚氨酯液体胶因其易吸潮，需晾置8 min左右；丁腈胶粘剂需晾置15 min以上；至于缩丁醛胶粘剂，还需加温烘干。当环境相对湿度较低时，可延长晾置时间，反之应减少晾置时间。

固化是铝合金与橡胶通过胶粘剂粘接在一起后，通过加压、升温等方法使胶粘剂固化并提高其强度的过程，对提高粘接性能而言至关重要。只有完全固化，粘接强度才会发挥更大效能。固化的温度、压力和时间对粘接性能均有影响。固化温度既影响胶粘剂固化的速率，也影响胶粘剂的固化程度；固化压力影响胶粘剂在金属与橡胶接触面的渗透与扩散，较大的压力可保证金属与橡胶之间紧密接触，没有气孔和孔洞的存在，提高粘接性能；固化时间不仅与固化温度和压力都有很大关系，而且与胶粘剂种类有关，需根据实际情况通过实验来确定。

4　结语

不同的铝合金表面处理技术对铝合金与橡胶粘接性能的影响差异很大。阳极氧化技术是铝合金结构粘接中主要的表面处理方式，而机械处理以及化学处理主要还是作为电化学阳极氧化处理过程中的一部分。阳极氧化处理后在铝合金表面获得的氧化膜层，有利于胶粘剂润湿，而且其表面活化能高，耐湿热性强，与橡胶具有优异的粘接性能。在对铝合金与橡胶粘接的过程中，正确选择胶粘剂种类，优化胶粘剂的用量以及固化时间、温度、压力等工艺参数，使粘接性能达到最好，是未来橡胶与铝合金粘接技术工业化生产的主要研究方向，也是扩展铝合金与橡胶粘接应用范围的前提。

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［ 编辑：温靖邦 ］

Research progress on surface adhesive bonding technology of aluminum allo y

ZHOU Ke-ke， HUANG Yan-bin*，JI Peng-fei， DONG Xiao-lin

The research progress of bonding technology for aluminum alloys was reviewed. The pretreatment methods needed for an aluminum alloy to be bonded were introduced. The selection of adhesive for bonding aluminum alloy and rubber as well as the bonding operations were described. Some measures for improving the surface bonding performance of aluminum alloy were presented.

aluminium alloy； rubber； bonding； adhesive

TG496

B

1004 - 227X （2016） 08 - 0431 - 05

2015-12-17

2016-02-29

周科可（1991-），男，河南漯河人，在读硕士研究生，研究方向为机械制造及其自动化、腐蚀与防护。

黄燕滨，教授，（E-mail） hyb1961@126.com。