在过去十年中，乘用车铝的平均数量翻了一番。根据最新设计，这一趋势将在未来几年继续。
然而，从钢到铝的转换并非易事。例如，铝比钢轻50%，但其平均弹性模量为70吉帕斯卡，而钢的弹性模量为207吉帕斯卡。因此，铝制零件通常比钢制零件厚40%。
铝合金不容易点焊。他们有低电阻，稳定和不导电的氧化物层，并倾向于与电极相互作用。此外，焊接过程产生的热量会削弱零件，特别是它们的疲劳强度。
代替焊接，汽车制造商越来越多地使用结构粘合剂用于装配，无论是单独使用或与机械紧固件的组合。例如，车身的白色梅赛德斯S级轿跑车的具有超过100米的结构粘结，而BMW 7系列包含10公斤以上的结构粘合剂。
除了结构应用外，汽车制造商在其他身体上的应用中使用粘合剂。“反颤动”粘合剂减少了外部和内部主板之间的振动。这种粘合剂通常用于水平面板，例如罩，躯干盖和屋顶。粘合剂还用于加入和密封门，罩和尾板上的下摆法兰区域。
优势和局限性
粘合剂提供了与其他连接技术的显着优势。粘合剂粘合不会干扰铝冶金或产生热或机械弱化的区域。应力在整个粘合区域上均匀地分布，这增加了车辆结构的静态和动态刚度。由于体结构更加刚性，谐振频率模式将更高，结构阻尼速度更快。结果，车辆将具有更好的噪音，振动和苛刻特性。当与其他连接技术结合使用时，粘合剂可提高碰撞性能和疲劳强度。粘合剂还能够加入不同材料，并通过隔离不同的金属，它们可以防止电抗腐蚀。
美学是粘合剂粘合的另一个优点。没有可见的焊缝或铆钉头，因此粘合剂可以最小化或消除磨削和抛光等二次操作。另一个好处是空隙填充。粘合剂可以在面板之间弥合大的间隙并改善组装的整体外观。在许多情况下，可以组合加入和密封操作。
粘合剂粘合也意味着一些缺点。其中最显着的是在暴露于苛刻的环境条件时粘合接头的耐久性。另一个问题是，可能需要预处理基材以实现强，耐用的粘合剂，特别是用铝合金。与焊接接头一样，粘合结构不能容易地拆除维修。并且，在许多情况下，可能需要支持关节，直到粘合剂固化，这可以减缓生产。这是结构粘合剂通常与另一种连接方法组合使用的原因，例如铆接。
表面污染物
胶粘剂可用于铝板、挤压件和铸件。无论何种形式，铝表面都必须经过以下处理:
- 去除通过热处理或暴露于湿度，空气污染，油和油脂形成的弱边界层。
- 增强粘合剂并促进固有粘合性的形成在衬底之间的分子接触。
- 在氧化层上形成一层连续的膜，在较宽的pH值范围内保持稳定，防止水合作用，并形成防腐屏障。
卸下弱界面层就显得尤为重要。该层形成在粘合接头的界面区域，使接头在低于预期的较低应力下失效。该层包括氧化物和污染物，例如润滑剂，从各种制造工艺。表面处理将最有可能不能完全消除这种污染，但它会产生将少受凝聚力疲软的表面。
为了生产铝板，铝经历轧制工艺，无论是热还是冷。润滑剂适用于保持辊子和工件分离。这最大限度地减少了摩擦力并降低了损坏纸张表面的风险。润滑剂通常是基于石蜡的，并且在退火期间或通过天然蒸发挥发。然而，轧制表面仍然可以具有一定程度的污染，这必须通过脱水除去。
铝的反应性很强，对氧有很高的亲和力。当它暴露在空气中时，表面会立即形成一层薄薄的氧化物。
如果在低于375℃的温度下的氧化层的形式，它将包括由Al2O3组成的薄的无定形层的，厚为1〜2纳米，通过水合表面的氧化物和氢氧化物覆盖。所有总计，氧化层可以是2个60纳米厚。氧化及水化可以通过碱金属和碱土元素，例如锂，钠和镁的存在下被加速，偏析在表面或在金属 - 金属氧化物界面。镁，特别是，可以在热处理过程中迁移到表面。铝的氢氧化物与聚合物的酸极性网站的互动实际上是好。然而，水化可降低整体附着性能，因为它产生的上表面弱碱性位。
如果氧化物层在高于400℃的温度下形成，则无定形氧化物可能由于热膨胀而破裂，并且可以形成结晶Al 2 O 3。这可能对总附着力产生不利影响。镁的存在还促进了结晶氧化物生长。
清洗和预处理
轧制后的铝的另一个特征是所谓的近表面变形层（NSDL）。当轧辊咬紧金属表面时，会在氧化层中引发裂纹。当板材离开轧辊时，金属或金属间化合物会粘附在轧辊表面。在连续的滚动循环中，这些粒子重新沉积在薄板的表面，并在氧化层中产生更多的缺陷或裂纹。该过程在铝的表面上产生与底层金属不同的层。该层是NSDL。
的NSDL的厚度为1.5至8微米之间变化，这取决于轧机。一个NSDL既可以热轧，冷轧过程中形成。有一个NSDL的存在和易感性的丝状腐蚀为3XXX和5xxx铝合金之间的强相关性。
在预处理之前，应清洁铝基板残留的油，污垢和表面氧化物。对于5xxx合金，除了除去有机残留的外，清洁的主要要求是确保除去富含镁的氧化物，这可能对涂层的粘附性产生不利影响。
汽车工业中最常用的清洁方法是混合酸过程。将铝在50至70℃的温度下沐浴在硫酸，磷酸盐和氢氟酸的混合物中。这除去了NSDL并使金属更耐腐蚀。
清洁之后，铝被赋予一个预处理以改变表面化学性质，改进粘附性和升压耐腐蚀性。有三种类型的预处理：
- 金属离子和无机分子与氧化铝反应或沉淀，形成混合氧化层。
- 促进粘合剂的偶联剂。
- 阳极氧化，改变氧化铝。
在汽车工业中，应用最广泛的金属离子处理是基于氟化钛或氟化钛和氟化锆的混合物的转化涂层。这些处理方法可以采用浸泡、喷雾或不冲洗工艺。这些涂料的优点是速度快、简单。它们可以就地干燥，也可以在低温下使用。
为了获得更好的附着力和获得均匀的涂层，有机添加剂可以添加到转换槽中。这些添加剂包括聚丙烯酸、苯酚磷酸盐、硅烷和螯合剂，如氨基三甲基膦酸。
偶联剂中硅烷的用量最大。偶联剂的作用是提高界面区域的交联程度，增加化学结合。硅烷可以与基材和粘合剂形成化学键。硅烷的优点是它们的共价交联结构简单、稳定。它们还能改善表面润湿性。硅烷的一个缺点是保质期相对较短。
有机磷酸基涂料也可用作偶联剂。有机膦酸在铝合金表面形成一层非常稳定的氧化膜。膦酸盐单分子膜的存在增强了与氧化铝的附着力。这些酸可以通过浸涂或喷涂的方式施用。
另一个预处理是阳极氧化。阳极氧化是一种电化学过程，其将金属表面转化为耐用的耐腐蚀性氧化氧化物。并且，多孔表面为粘合剂和引物提供粘附性。通过将铝浸入酸电解质浴中并通过介质通过介质来实现阳极氧化。
阳极氧化的优点是，它产生一个纯氧化铝表面。它比其他预处理更环保，并且完成的氧化物的厚度和形态可以容易地控制。在另一方面，它也更昂贵，难以大批量生产应用。
奔驰CLS级轿车采用了阳极氧化技术。莲花精英(Lotus Elite)和欧宝极速(Opel Speedster)跑车也使用这种技术。
预处理后，通常将冲压润滑剂施加到金属上以改善可成形性并在粘合之前保护基材。施加的油量约为每平方米0.9克。但是，如果油不是干膜润滑剂，则由于径流导致的表面将存在非均匀分布。
在冲压车间，这些润滑剂不一定要被去除，所以粘合剂与它们兼容是很重要的。如果要形成牢固的粘结，粘合剂必须能够取代或吸收任何润滑剂。例如，某些环氧树脂可以取代和吸收油。
几项研究表明，冲压润滑剂可能会对关节强度产生不利影响。例如，一项研究表明，随着润滑剂的量增加，当粘合6111铝合金到高强度钢时，接合强度降低。另一项研究发现，每平方米2.21克疏水润滑剂足以不利地影响粘合强度。
环境恶化
粘接接头的主要缺点之一是其暴露在环境条件下的长期耐久性。
水可以通过粘合剂，沿粘合剂和基材之间的界面的界面扩散进入粘合接头，并通过粘合剂或转化层中的裂缝或缺陷通过毛细管作用。通过改变粘合性能或通过在界面处移位粘合剂，它可能对系统产生不利影响。
一旦水到达关节，就有几种方式可以影响粘合剂。这些包括：
- 导致塑化。
- 使粘合剂开裂、开裂或水解。
- 攻击粘接-粘接界面。
- 由于肿胀而引起压力。
在某些情况下，当接头干燥时，这种损伤是可逆的。在其他情况下，损害是不可逆转的。
这就是为什么前处理是非常重要的。创建在粘合剂和基材之间主键大大提高了强度的接合。
湿度可以与水一样有害。例如，一项研究暴露在50℃的温度下用各种结构粘合剂粘合到100％相对湿度的铝接头。研究人员发现，关节强度显着降低，但随着湿度降低，它会部分恢复。
防腐蚀取决于涂层与基材的附着力。当涂层与基材之间的粘结较强时，水不能渗透到界面上，腐蚀发展也不会很快。但当键合力较弱时，腐蚀很容易在界面处扩散。
一个研究着眼于长期盐雾对搭接剪切铝接头与压边凸缘密封剂粘结强度的效果。一组接头的用锆 - 钛涂层处理;另一个是裸露的铝。研究发现，起初，锆 - 钛涂层提供比裸铝更好的腐蚀保护。然而，在长期-1400多小时的涂层提供比裸金属更坏的保护。
丝状腐蚀是发生在有机涂层下的一种大气腐蚀形式，形式是狭窄的相互连接的丝状细丝。它第一次被观察到是在20世纪60年代后期，它发生在铆钉头和铝制外壳的边缘，飞机暴露在恶劣的热带环境中。
在不导电的氧化物表面的聚合物层，如铝合金，丝状腐蚀是由于阳极分层。附着力的丧失是由于基片的阳极溶解造成的。造成这种腐蚀的主要环境因素是相对湿度超过80%，腐蚀性离子(如氯碱)的存在，以及保护涂层中的缺陷。
压力和耐久性
胶粘接的主要优点是应力分布面积大。然而，这并不意味着工程师可以忽略压力的问题。施加应力将导致粘结剂比非粘结剂降解速度更快，特别是当粘结剂长期承受高负荷时。
粘合的关节可以暴露于静态和动态应力。这些应力不仅是由于外部载荷。它们可以在固化后源自粘合剂收缩，由于水吸附而粘合肿胀，或来自粘合剂和基材之间的热失配。此外，应力也可以加速其他过程，例如接头中水分的扩散速率。
建议进行应力耐久性测试，以验证接头设计和胶粘剂选择的性能。例如，一项研究观察了环境暴露对用各种粘合剂粘接的低碳钢接头疲劳强度的影响。双搭接剪切节点在不同荷载和环境条件下保持了8年。研究人员发现，使用的粘合剂有很大的影响。一些配方表现出优异的耐久性，而另一些则受到环境的不利影响。采用聚酰胺固化剂固化的胶粘剂和具有较高初始强度和杨氏模量的胶粘剂性能较好。
编者注：以下人员也为本文提供了贡献：Matthieu Boehm，研究科学家，Constelium Technology Center，法国Voreppe;赫尔曼特里恩，博士，布鲁塞尔大学地表科学与工程教授;和汤姆赫菲曼，博士，布鲁塞尔大学化学副教授。
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