出于對(duì)一些性能和經(jīng)濟(jì)因素的考慮，很多客戶都開始轉(zhuǎn)為采用結(jié)構(gòu)膠黏劑來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械連接或焊接方法，這些因素包括重量和能量節(jié)約、勞動(dòng)成本縮減、美觀提升，以及復(fù)合材料和其他無法用傳統(tǒng)方法進(jìn)行粘接的材料的設(shè)計(jì)越來越多等。
傳統(tǒng)的組件連接方法包括焊接、鉚接，以及使用螺母螺栓和其他機(jī)械緊固件。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程師已習(xí)慣使用這些方法，但現(xiàn)在他們遇到了挑戰(zhàn)，因?yàn)橐恍┬乱蛩氐某霈F(xiàn)使得這些方法存在的限制開始顯露出來。
有一個(gè)因素在很多行業(yè)中都起到了關(guān)鍵性作用，即需要降低重量來減輕燃油消耗、能量損耗和產(chǎn)生的排放，這在以內(nèi)燃機(jī)或電池為能源的自供電機(jī)器和設(shè)備的制造行業(yè)中尤為突出。
要想達(dá)成這一目的，可以把由鋼鐵制造的相對(duì)較重的部件替換為較輕質(zhì)量的鋁、復(fù)合材料或塑料，并降低所用的機(jī)械緊固件的數(shù)量，或者使用更加輕薄的金屬片。
這些改變給傳統(tǒng)的連接方法帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)楫愘|(zhì)材料、塑料和復(fù)合材料明顯無法進(jìn)行焊接；而輕薄的金屬片部件在集中放置穿過部件的緊固件（鉚釘、螺栓）的位置又容易發(fā)生變形或撕裂。在重負(fù)荷或因金屬疲勞造成金屬變形或撕裂的情況下，會(huì)導(dǎo)致部件可靠性和壽命下降，或造成緊固件之間出現(xiàn)間隙。
在傳統(tǒng)的組裝過程中也可能會(huì)造成金屬損壞，例如焊接薄金屬片時(shí)可能會(huì)造成熱變形或燒穿。而采用膠接接合面則能確保表面干凈清潔，這樣在實(shí)施最終的修整前只需進(jìn)行最低限度的表面處理即可。最終，膠黏劑可以被預(yù)先涂抹在總裝時(shí)無法進(jìn)行機(jī)械緊固的區(qū)域；而且還允許采用一些新穎的設(shè)計(jì)，以便于進(jìn)一步減少重量、成本和勞動(dòng)力。
膠黏劑經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)可在眾多應(yīng)用中替代傳統(tǒng)的連接方法，適用于裝配門和電梯等金屬板材、農(nóng)業(yè)設(shè)備、汽車、卡車和軌道護(hù)片附件等。要想成功轉(zhuǎn)換為采用膠黏劑，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程師必須考慮諸多因素，具體如下：
膠黏劑的選擇
市面上有各種結(jié)構(gòu)型膠黏劑產(chǎn)品可供選擇。從氰基丙烯酸酯“快干”膠黏劑到單組分（熱固化）環(huán)氧樹脂膜，選擇多元。
雖然所有的膠黏劑都有各自的用途，但在動(dòng)態(tài)應(yīng)力環(huán)境（如抗沖擊和連續(xù)振動(dòng)時(shí)）下并不是所有結(jié)構(gòu)膠都適合對(duì)焊接/機(jī)械緊固件進(jìn)行替換。對(duì)于這些要求較高的應(yīng)用，只有少數(shù)膠黏劑產(chǎn)品能夠適用。
主要有三種化學(xué)物質(zhì)能夠在粘接大型區(qū)域時(shí)可提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（這里，我們將結(jié)構(gòu)強(qiáng)度定義為使用標(biāo)準(zhǔn)搭接剪切程序測(cè)定的超過1000 psi的搭接剪切強(qiáng)度）。
雙組分聚氨酯樹脂
經(jīng)過專門配制，一經(jīng)混合即可固化，而且通常情況下，即使粘接層較厚，也能夠在室溫下快速固化（不像單組分聚氨酯密封膠那樣，只有在接觸到空氣或基材水分時(shí)才能緩慢固化）。雙組分聚氨酯樹脂可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固粘接，而且它具有很高的柔性，能夠在緊附基材時(shí)提供相對(duì)較高的抗沖擊性和剝離強(qiáng)度。但其模量通常較低，導(dǎo)致其耐熱性相對(duì)較差。此外，在頗具挑戰(zhàn)的環(huán)境條件下（如長期暴露于水分/濕氣下），為了保持聚氨酯樹脂對(duì)金屬的粘接效果，可能需要對(duì)金屬噴涂底漆。
雙組分丙烯酸樹脂經(jīng)過專門配制，可在不噴涂底涂的情況下與金屬牢固地粘接在一起（有時(shí)連金屬的去污過程和防銹油的清除過程都可以省去）。丙烯酸樹脂的耐高溫性能強(qiáng)于聚氨酯樹脂，但在低溫條件下通常會(huì)變得更脆，因而剝離強(qiáng)度和粘接力度都會(huì)降低。有些人希望通過改良配方來克服丙烯酸樹脂自身存在的限制，如加入彈性粒子和環(huán)氧樹脂等。因此，在溫度條件不是很極端的情況下，高性能的丙烯酸樹脂和丙烯酸混合物能夠滿足多種應(yīng)用需求，而且它們能快速固化并與塑料穩(wěn)固粘接，這些都是十分有用的特性。
環(huán)氧樹脂膠黏劑
要實(shí)現(xiàn)最佳的抗振動(dòng)性和環(huán)境耐受性，環(huán)氧樹脂膠黏劑屬于較適合的解決方案。不過，在抗沖擊、抗振動(dòng)應(yīng)力、環(huán)境耐受性以及提供較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，環(huán)氧樹脂還存在著廣泛的差異。很多人只熟悉第一代環(huán)氧樹脂膠黏劑，這些膠黏劑往往都是剛性的，環(huán)境耐受性也相對(duì)較低。但隨著環(huán)氧樹脂技術(shù)的不斷改進(jìn)，新一代的環(huán)氧樹脂已經(jīng)克服了這些限制。
在 20 世紀(jì) 70 年代，環(huán)氧膠黏劑的柔性大幅提高。這些膠黏劑的剝離強(qiáng)度得到大幅提升，在沖擊力、熱應(yīng)力、疲勞耐受性方面也得到改進(jìn)。柔性環(huán)氧樹脂現(xiàn)應(yīng)用于飛機(jī)部件的蜂窩板粘接、鐵路板材的鋪設(shè)等諸多領(lǐng)域，在這些應(yīng)用中，環(huán)氧樹脂必須具有長期穩(wěn)定的使用壽命，即便面臨重復(fù)振動(dòng)和熱循環(huán)帶來的挑戰(zhàn)，也能應(yīng)對(duì)自如。
增韌環(huán)氧樹脂
20 世紀(jì) 80 年代，增韌環(huán)氧樹脂問世。不像柔性環(huán)氧樹脂那樣，需要依賴低模量來提供抗沖擊性和抗疲勞性，增韌環(huán)氧樹脂在配制過程中采用較高的模量矩陣，其中加入了非常小的（微米級(jí)）橡膠顆粒。這些顆粒在承受壓力時(shí)能吸收能量，并阻止微裂紋的擴(kuò)展，從而提供極致的抗沖擊和抗疲勞性能。增韌環(huán)氧樹脂目前被運(yùn)用于要求較高的應(yīng)用當(dāng)中，如移動(dòng)基站的粘接、武器粘接、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品制造（復(fù)合山地自行車框架和高爾夫球桿頭與桿體的粘接）等。
增韌環(huán)氧樹脂保留了此類膠黏劑所固有的環(huán)境耐受性能，通常是高強(qiáng)度焊接和機(jī)械緊固更換的最佳選擇。
圖1.通過對(duì)比剝離和剪切性能得出的雙組分結(jié)構(gòu)型膠黏劑之間的相對(duì)關(guān)系
膠接接合面的設(shè)計(jì)
接合面構(gòu)型
結(jié)構(gòu)型膠黏劑在剪切和拉伸過程中（尤其是壓縮時(shí)）的強(qiáng)度是較高，在剝離和劈裂時(shí)強(qiáng)度較弱，因?yàn)榇藭r(shí)所有粘接力都集中在分離部分的前緣。因而，有必要設(shè)計(jì)一種接頭，讓剪切和拉伸力（而非剝離和分裂力）占主導(dǎo)地位。
下圖展示了幾則接頭再設(shè)計(jì)的示例，用以實(shí)現(xiàn)粘接力最大化。汽車和大型設(shè)備制造商等要求較高的客戶會(huì)使用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)來評(píng)估各種設(shè)計(jì)的接合面應(yīng)力，并對(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。
圖2.幾則在優(yōu)選模式中應(yīng)用粘接力的接合面再設(shè)計(jì)示例
表面處理
粘接部分也必須干凈清潔。如果表面覆有一層弱束縛材料（無論是氧化銹、油漬，還是灰塵），那么膠黏劑通常無法接觸到金屬本體，從而導(dǎo)致粘接失敗。
可以讓膠黏劑與特定表面（如鋼的磨鱗面）牢固粘接，然后用它來去除底層金屬表面的雜物。因此，必須在粘接前去除污垢和弱束縛表面層，在此過程中，通常使用溶劑型脫脂劑去污，或者使用磨損法去銹。
處理注意事項(xiàng)
在最終選擇結(jié)構(gòu)型膠黏劑時(shí)，還需要考慮到生產(chǎn)方法。必須將膠黏劑的三項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)考慮在內(nèi)：
◆工作時(shí)間（或者混合膠黏劑到閉合接合面的間隔時(shí)間）
◆自然強(qiáng)度或操作強(qiáng)度（從膠黏劑膠化至可進(jìn)行進(jìn)一步處理的自固定化狀態(tài)所需的時(shí)間）
◆完全固化時(shí)間（膠黏劑達(dá)到最終固化狀態(tài)的時(shí)間）
上述時(shí)間因膠黏劑的化學(xué)成分和配方不同而有所差異；同時(shí)也受環(huán)境和操作溫度的影響。雖然與焊接相比，結(jié)構(gòu)型膠黏劑的實(shí)際操作過程非常迅速，但結(jié)構(gòu)型膠黏劑本身需要一個(gè)固定期來達(dá)到足夠的強(qiáng)度，以便膠接接合面在下游工件加工過程中能夠承受住進(jìn)一步的壓力。
在室溫下，這一過程最短可能需要 15 分鐘，最長可能需要幾個(gè)小時(shí)。通過加熱（對(duì)大型部件可使用感應(yīng)固化或加熱燈、加熱槍；對(duì)小型部件可使用烤箱）可以縮短這一時(shí)間。
此外，一旦雙組分膠黏劑混合后，它就會(huì)開始固化或者進(jìn)入“凝膠”過程。混合后特定時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)粘接表面必須實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。如果在粘接表面之前，膠黏劑處于混合狀態(tài)的時(shí)間過長，那么該膠黏劑就會(huì)因過度凝結(jié)而無法對(duì)基材表面進(jìn)行浸潤，也就是說，它將無法與基材表面充分實(shí)現(xiàn)緊密接觸，而且最終粘接強(qiáng)度也會(huì)顯著降低。
另外，雙組分膠黏劑的固化會(huì)通過化學(xué)反應(yīng)來完成，而不是以干燥（如在接觸膠黏劑中）或冷卻（如在熱熔膠中）的方式實(shí)現(xiàn)。高溫下比低溫下的化學(xué)反應(yīng)速度更快。
因此，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)工序時(shí)需要考慮到生產(chǎn)設(shè)施和粘接基材的溫度。如果溫度差異十分顯著（例如，冬夏之間溫度的變動(dòng)），那么就需要改變生產(chǎn)工序，或者更換所用的膠黏劑。
接合面測(cè)試和失效模式
設(shè)計(jì)和生產(chǎn)是通過應(yīng)用破壞性測(cè)試方法的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證的，這些方法都是根據(jù)實(shí)際接合面所承受的主要力量來設(shè)計(jì)的。這些測(cè)試方法價(jià)格低廉，而且可以在各種環(huán)境條件中施行。這些方法可能包括剪切、沖擊、剝離和其他眾多應(yīng)用的具體方法。
最常見的設(shè)計(jì)測(cè)試是搭接剪切測(cè)試，其中要同時(shí)考慮到基材、表面處理和粘接方法。ASTM?D1002提供了一種驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的方法，對(duì)此，可輕松進(jìn)行定制以獲得相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。
搭接剪切測(cè)試可能是評(píng)估各種產(chǎn)品對(duì)各類基材的粘接作用的最常用方式。還可以用它來對(duì)機(jī)械緊固件和焊接點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，以便在前期準(zhǔn)備中，在金屬板之間為放置緊固件留出充足的搭接區(qū)域?？赏ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)方法獲取對(duì)比數(shù)據(jù)，其中對(duì)比展示了增韌環(huán)氧樹脂與剛性環(huán)氧樹脂、機(jī)械緊固法以及焊接法的失效力度（見圖 4）。
圖4.增韌環(huán)氧樹脂可以達(dá)到或超過傳統(tǒng)連接方法的剪切失效力度
不過，標(biāo)準(zhǔn)搭接剪切測(cè)試并未說明各類設(shè)計(jì)的抗沖擊性能。其他測(cè)試方法可設(shè)計(jì)用于檢測(cè)沖擊/疲勞耐受性；有些方法非常復(fù)雜且耗時(shí)良久（如ASTM D3166）；但通常只需簡單進(jìn)行測(cè)試就能實(shí)現(xiàn)清晰對(duì)比。舉例來說，通過一個(gè)簡單的擺錘測(cè)試機(jī)就能解釋不同粘接方法吸收沖擊力的相對(duì)能力（見圖 5）。
圖5.增韌環(huán)氧樹脂粘接與點(diǎn)焊粘接的對(duì)比，T6061 鋁，擺錘撞擊測(cè)試（重量為 3 磅，擺臂長 20 英寸）
另一種常用于柔性基材的方法是剝離測(cè)試。剝離測(cè)試的類型非常多。包括：ASTM D3167浮輥剝離和 ASTM D1876- T-剝離法。
當(dāng)基材與膠黏劑粘接時(shí)，膠黏劑可覆蓋整個(gè)接合面。這就避免了力量集中在一處（像在接合面中使用鉚釘或螺栓時(shí)會(huì)發(fā)生的那樣）。壓力沿著接合面進(jìn)行擴(kuò)散能夠減輕金屬因張力而發(fā)生的變形，同時(shí)也能提高極限失效力度。如果接合面會(huì)受到反復(fù)擠壓，則壓力沿粘接層進(jìn)行擴(kuò)散可提高抗疲勞性和部件壽命。可使用拉力測(cè)試機(jī)對(duì)膠接接合面和機(jī)械緊固接合面進(jìn)行對(duì)比測(cè)試來展示這種效果（見圖 6）。
圖6.T6061 鋁（0.063 英寸厚）、拉力應(yīng)用中的鉚釘與膠接鋁的失效對(duì)比
在這里還能間接展示出另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即薄片鋼材可在不發(fā)生（因使用鉚釘、螺栓和點(diǎn)焊導(dǎo)致的壓力集中所造成的）金屬變形的情況下進(jìn)行膠接。使用膠黏劑可以讓壓力在薄片金屬的大塊面積上均勻擴(kuò)散。因而，可以使用薄片金屬來減輕重量，同時(shí)還能保持原本的強(qiáng)度或抗疲勞水平。
對(duì)整個(gè)接合面進(jìn)行焊接會(huì)制造出一個(gè)牢固的接合面；然而，焊接本身可能會(huì)帶來其他不良影響（包括高勞力成本和能量消耗，以及焊接過熱導(dǎo)致的金屬變形或弱化）。此外，采用焊接和機(jī)械緊固法可能需要進(jìn)行更多的修整才能達(dá)到成品部件的審美要求。
測(cè)試結(jié)果表明，高端結(jié)構(gòu)型膠黏劑的極限破壞力度甚至能夠趕上全縫焊接，而且不會(huì)因溫度過熱造成金屬變形或弱化。
對(duì)粘接接合面特定強(qiáng)度的進(jìn)一步對(duì)比顯示，膠黏劑在強(qiáng)度和縮減重量方面都頗具優(yōu)勢(shì)。
（點(diǎn)擊可查看大圖）
總結(jié)
如上所述，在各種力量的驅(qū)動(dòng)下，大量長期采用焊接、釬焊、鉚釘和螺栓連接等標(biāo)準(zhǔn)連接方法的公司現(xiàn)已開始考慮采用具有較高性能的增韌結(jié)構(gòu)型膠黏劑。
這種膠黏劑在很多方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)，如整體成本和重量縮減、粘接異質(zhì)基材的能力、在均勻的應(yīng)力分布下創(chuàng)建接合面的能力，以及隨之帶來的較高的抗疲勞性和受力性。增韌型膠黏劑能夠提升美學(xué)效果并降低勞動(dòng)密集型加工成本，如磨除點(diǎn)焊過程產(chǎn)生的碎屑。
選擇合適的膠黏劑至關(guān)重要，工程師應(yīng)該與其材料供應(yīng)商緊密合作以選取合適的產(chǎn)品。此外，某些接合面再設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝調(diào)整工作可能會(huì)對(duì)項(xiàng)目最終的成功產(chǎn)生重大影響。但根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如果采用合適的結(jié)構(gòu)型膠黏劑，能在性能上趕超焊接、鉚釘和螺栓連接等傳統(tǒng)連接方法。
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