結構材料用黏著技術

 

刊登日期:2020/7/29
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李守仁/健行科技大學、白立文/工研院材化所
 
近年來,由於汽車等交通工具的輕量化發展,不同材料間的接合技術開始受到重視。鋁合金、碳纖維強化塑膠(CFRP)等是擁有高比強度、比剛性的材料,本可直接取代鋼材而有助於車體之輕量化,唯受限於成本考量,實務作法乃兼採多種不同材料之長,以適材適所為原則,折衝出最妥適之性能與成本妥協點。如此一來,不同材料的接合將成為一大挑戰。
 
除了汽車產業外,飛機、軌道車廂等也有類似的問題。而在交通運輸領域之外,電子、電機產品同樣也面臨了不同材料間的接合難題,可以說,幾乎是大多數的產業,都需面對不同材料間的接合技術。車體等結構材料間相同材料或不同材料的接合,大致可分為黏著、焊接、固相接合與機械性連結等。本文僅就黏著接合做進一步的探討。
 
傳統上,使用黏著劑的黏著接合多用於不要求高強度的狀況。近年來由於黏著劑的進步,具高強度與耐久性的黏著劑紛紛登場,許多原本不適合使用黏著接合的狀況也開始採用黏著接合。結構用途之接合所使用的黏著劑主要有三種,即環氧樹脂、丙烯酸樹脂與氨基甲酸酯,其相關特性如表一所示。
 
環氧樹脂黏著劑
環氧樹脂黏著劑是以環氧樹脂為主劑之熱硬化型黏著劑,搭配填充劑、可塑劑、觸媒與穩定劑等,再與硬化劑反應而硬化。其具有優良的黏著力、化學穩定性與耐熱性,被廣泛應用於結構材之黏著。環氧樹脂黏著劑的拉伸剪切強度非常大,用於金屬接合時可大於30MPa。但由於是屬於較硬、脆的樹脂,其樹脂單體的撕裂強度不高。耐熱溫度部份,其搭配氨基系硬化劑時約100℃,而搭配二氨基二酰胺等硬化劑時,耐熱溫度上限則約130℃。
 
環氧樹脂黏著劑具有可選擇搭配多種硬化劑的優點,可以表現出許多不同的物理性質。組合液狀的主劑與液狀的硬化劑,應用時多是以雙液型黏著劑的方式使用。基本上需加熱以啟動硬化,然而因應所選擇的硬化劑,也可以在室溫下硬化。此種利用加熱熔融而具硬化功能的硬化劑,被稱為潛在性硬化劑,需加熱才會展現出硬化功能,在低溫時不起反應,換言之,其黏著劑可處於保存的備用狀態。
 
環氧樹脂的硬化物偏硬,是易脆裂的黏著劑。為改善其撕裂強度,傳統作法是使用聚酰胺(Polyamidoamine)系硬化劑。近年研究發現,添加橡膠粒子的環氧樹脂具有高靭性,在高負載狀態時可表現出塑性變形,吸收了部份能量,從而提高了撕裂強度,在具備彈性之餘,仍維持著環氧樹脂的剛硬特性,於展現出高靭性的同時,兼具有遲緩疲勞裂化的優點,有利於提高其疲勞壽命---以上為部分節錄資料完整內容請見下方附檔。
 
上文介紹了多種主要之結構用黏著劑,然而各種不同黏著劑是如何實際應用於各個結構體呢?
汽車車體
汽車結構體中有許多需要接合的地方,以鋼鐵製車體為例,接合可應用於:
  1. 車底、縱樑等的主要強度結構
  2. 車門、擋泥板等非強度結構
  3. 窗玻璃之安裝於車體
  4. 零組件內部的接合
 
黏著,在概念上就是「黏上去」-這是低強度接合方法的思維。同時考量應力以及牢固接合的話,焊接是不二選擇。若要求在全體接合面均具有高強度,則適合採用薄板接合。在鋼製車體的接合中常併用點焊焊接,例如車底與縱樑等的接合。焊接接合具有補強與提高耐疲勞性的功用。點焊焊接為點接合,應力集中故易發生疲勞問題。黏著-基本上是面接合,則可大幅提升疲勞強度,同時兼具提高接合部剛性、增加吸震以及增加併接接合密合性等優點。車體的黏著劑接合一直是日本的研究重點,但是由歐洲,特別是德國車率先使用,目前日本車也有許多應用實例了。
 
鋼製車門的內板與外板的黏著同時併用鉚接的折邊技術。先塗佈黏著劑,在黏著劑硬化前將車門外板內折。由於黏著劑的硬化需經加熱處理,在產線上進行批次處理是缺乏效率的步驟,多數狀況是塗佈與加熱同時進行。唯在產線上需先以鉚接方式預固定內、外車門板。環氧樹脂黏著劑是此製程的最佳選擇,由於內外車門板相互咬合,可抑制相對性的間隙。此方法適合應用於要求較高強度的地方,多數狀況是使用---以上為部分節錄資料完整內容請見下方附檔。
 
圖一、車體製程中對黏著劑的要求 (A).先黏著後再塗裝對黏著劑的要求;(B).先塗裝後再黏著對黏著劑的要求
圖一、車體製程中對黏著劑的要求 (A).先黏著後再塗裝對黏著劑的要求;(B).先塗裝後再黏著對黏著劑的要求

 


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