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嘉峪檢測網 2024-05-17 17:52
近日，中國特種飛行器研究所慕仙蓮團隊團隊以《粗糙度對硅烷環氧雜化樹脂涂層附著力影響》為題在《環境技術》2024年第2期上發表最新研究內容，第一作者為慕仙蓮。
本文選取LY12鋁合金、硅烷環氧雜化樹脂涂層為研究對象，開展不同粗糙度下涂層與基體間附著力的影響關系研究，確定粗糙度對涂層機械附著力的微觀作用機理，并通過有限元軟件ABAQUS6.12建立硅烷環氧雜化樹脂涂層/鋁合金基體的界面損傷粘結模型，模擬涂層/基體界面從起始剝離到完全開裂的過程，并通過對比分析不同基體粗糙度與涂層S22應力值的關系，從而驗證基體表面粗糙度對涂層附著力的作用機理為機械互鎖理論。
引言
涂層與基體會通過相互咬合，像鉤、錨一樣牢固的連接在一起，從而實二者的機械結合。粗糙度在二者的相互咬合過程中，起到了主要的作用。一些學者的研究結果表明：粗糙度大的表面，其縫隙多且深，形成的機械互鎖作用就強，從而具有較高的附著力，因為凹凸不平的基體表面為涂層的機械附著提供了大量的錨固點，所以，好的基體表面幾何形狀為涂層機械附著起到了鉚釘式的錨固作用。近年來，薄膜/基體系統被廣泛地應用于很多領域。不同的薄膜／基體其性能各不相同，主要在于薄膜／基體間的結合強度，要工件只有具有很好的結合強度，其在使用壽命內才不會膜層脫落。粘接界面模型屬于連續損傷力學范疇，它是介于斷裂力學與損傷力學之間，模型中材料的強度、韌度及裂紋的萌生或擴展都由界面的本構關系所決定。
本文選取LY12鋁合金、硅烷環氧雜化樹脂涂層為研究對象，開展不同粗糙度下涂層與基體間附著力的影響關系研究，確定粗糙度對涂層機械附著力的微觀作用機理，并基于薄膜/基體系統理論，通過有限元軟件ABAQUS6.12建立硅烷環氧雜化樹脂涂層/鋁合金基體的界面損傷粘結模型，模擬涂層/基體界面從起始剝離到完全開裂的過程，并通過對比分析不同基體粗糙度與涂層S22應力值的關系，驗證基體表面粗糙度對涂層附著力的作用機理為機械互鎖理論。
試驗
試驗選用的涂料樹脂為德國TegoChemie公司生產的Silikopon EF 硅烷環氧雜化樹脂，固化劑選用德國固賽Dynasylan AMEO。樹脂與固化劑質量配比4:1。
試驗材料：LY12鋁合金板材，材料化學成分見表1。
表1 LY12鋁合金的化學成分
試驗件尺寸：150mm×70mm×0.8mm。
試驗件制備過程：采用60目、150目水砂紙打磨及機械拋光的方式制備三組不同Ra值的試驗件，并采用乙酸丁酯溶液清洗LY12鋁合金板材，從而減少表面濕潤性對涂層附著力的影響，涂層噴涂厚度為30um±2um，三組試樣的編號分別為2021、2022、2023。以2021組為例，其樣板制備流程：YL12鋁合金裸板→60#水砂紙打磨→乙酸丁酯脫脂清洗→噴涂涂料，其它兩組類似。基板不同粗糙度的宏觀形貌如圖1所示。采用PSI便攜式粗糙度儀對試樣進行粗糙度測量，結果如表2所示。
圖1 基板不同粗糙度的宏觀形貌
(a為機械拋光，b為60#水砂紙打磨，c為150#水砂紙打磨)
表2 LY12鋁合金 打磨及拋光后的粗糙度Ra測試值(單位：um)
試驗條件：附著力測試設備為美國的PosiTest AT-A全自動液壓附著力檢測儀，測試參數為：錠子尺寸為D=20mm、加壓速率1.00MPa/s、測試單位MPa。試驗在常溫條件下進行（溫度為23℃、濕度為60%）。
試驗結果與討論
三組試樣的附著力測試值如圖2所示，涂層附著力最小的試樣為2023組，最大的試樣為2022組，而2022組與2021組試樣測試結果差異較小。
圖2 三組試樣的附著力測試值
將三組試樣的基體粗糙度值與其對應附著力測試值進行數值擬合，擬合結果見圖3所示。由圖3可見，基體粗糙度與涂層附著力呈正相關，但當基體粗糙度值在Ra=4.75-4.80um之間，涂層附著力出現下降的拐點值，由此可見基體粗糙度與涂層附著力并非線性相關。
圖3 基體粗糙度-涂層附著力關系圖
綜上可知，基體粗糙度的增大對涂層附著力的影響具有雙面性。對于硅烷環氧雜化樹脂涂層/LY12鋁合金結構而言，涂層厚度為30um±2um時，將基體表面粗糙度控制在Ra=4.75um左右時，才可保證該涂層良好的附著性，最大附著強度為8.84MPa。粗糙度大的表面縫隙較多且較深，形成的機械互鎖作用就強，同時，凹凸不平的基體表面為涂層的機械附著提供了大量的錨固點，該原理的基體SEM掃描結果見圖4所示，由圖可見基體尖銳的鉤狀形貌增強了與涂層的咬合深度和結合強度，從而具有較高的附著力。
圖4 基體粗糙度對涂層機械附著的錨固作用
有限元分析
1、模型建立
1. 模型參數簡化
為簡化計算，忽略模型幾何參數對涂層附著力的影響，其單位為毫米，各參數值僅供參考，具體數值見表4所示。該拉開試驗模型，如圖5所示，縱向組成部分依次為：鋁合金YL12(a)、膠層(a)、硅烷環氧雜化樹脂涂層、膠層(b)、鋁合金YL12(b)。其中，膠層(a)、膠層(b)、硅烷環氧雜化樹脂涂層厚度分別為：0.135mm、0.135mm、0.03mm。
圖5 拉開試驗模型
表4 模型尺寸參數(單位：mm)
2.建模過程
該涂層附著力拉開測試模型具有很好的對稱性，其下側模型如圖6所示。該圖中，放大區域是運用余弦波模擬的涂層與基體之間理想化界面層，該余弦函數波長變化范圍值為0.002-0.008mm，幅值A變化范圍0.001-0.004mm。為避免各材料間的接觸與摩擦問題，本節選擇在有限元軟件ABAQUS6.12網格子模塊中調用余弦函數腳本的方法。此外，通過python語言改變腳本中余弦函數波形，從而建立不同基體粗糙度模型，在模型計算時約劃分了26000個2D-CPS4R網格，界面處約劃分了5000個2D-CPS3網格，薄膜與基體之間的粘結單元采用COH2D4單元類型，該試樣各力學性能參數如表5所示。
圖6 有限元模型
表5 薄膜/基體 材料力學屬性
2、結果與分析
1.粗糙度對粘結單元力學性能影響分析
在結構右端上下兩塊基體板各施加2mm的位移，其計算結果如圖7所示，圖中放大區域為界面層應力集中情況，以及其拉伸擴展變形特征。采用SDEG-單元的完全失效標量值表征粘接區域單元的線性擴展破壞標量D。當SDEG值為1時，表明該單元已經達到了預先定義的破壞準則，粘接結構脫粘、該單元失效。
圖片
圖7 剝離模擬結果
粘接區最右端第一個單元的SDEG值與位移之間的關系，如圖8所示。不同粗糙度值的計算結果均顯示：隨著位移載荷逐漸增大，單元的SDEG值由0增長至1，粘接單元也逐漸失效。此外，由圖8可知，隨著基體粗糙度值增加，粘接單元SDEG=1時，單元承受位移載荷逐漸增大，但該趨勢并非線性增長，當Ra=4.8um時，單元承受載荷位移出現最大值，即為0.215mm。
圖8 剝離過程中SDEG值與位移之間的關系
圖9為剝離過程中拉力-位移關系圖，結合圖8可見，四組粗糙度模型的均表明：拉力值最大時，SDEG值開始增長，但未達到1，說明粘接單元在逐漸破壞，而隨著拉力值作用時間持續增大、粘接單元位移逐漸增加，SDEG值為1，說明該單元已經出現斷裂破壞，粘接結構也已經脫粘。同時，由圖9可知，隨著基體粗糙度值增大，單元承受最大拉力值逐漸增加，其中Ra=0um時，單元承受最大拉力值僅為102.5N，而當Ra=4.8um時，單元承受最大拉力達到最大值，即226.26N。綜合圖8、圖9計算結果，當涂層厚度為30um時，其基體表面粗糙度Ra=4.8um可保證界面層單元較好的力學性能。
圖9 剝離過程中拉力與位移之間的關系
2.粗糙度對粘接模型剝離破壞位置影響分析
上節分析了粗糙對粘接界面開裂強度的影響，本節將通過調整粘結模型中薄膜上下界面層的粗糙度，研究不同粗糙度對粘接模型剝離破壞位置的影響，進一步驗證試驗結果：凹凸不平的表面形貌增加涂層的機械附著力。如圖10所示，該粘接模型至上而下材料依次為：鋁合金基體(a)、膠層(a)、涂層、膠層(b)、鋁合金基體(b)。其中，膠層(a)粗糙度值為Ra=0um，膠層(b)粗糙度值為Ra=2.5um，其它力學參數保持不變，在結構右端上下兩塊基體板各施加2mm的位移。該圖放大區域表明，當結構隨著位移載荷值的作用增加，試樣整體結構逐漸剝離破壞，膠層(a)與基體率先剝離破壞，
膠層(a)由彈性變形轉為塑形破壞。而膠層
(b)與涂層在整個剝離破壞過程中無裂紋萌生，但涂層發生彈性變形。
圖10 剝離破壞計算結果
圖11剝離破壞計算結果中，粘接模型S22最大應力值為32.01MPa，其應力集中區域中，膠層(a)、膠層(b)S22應力如圖12、圖13所示，當膠層(a)與鋁基體剝離破壞，其最大S22應力值為7.851MPa，而膠層(b)與涂層無裂紋萌生，且涂層承受最大S22應力值為10.07MPa。可見，粘接模型中，各界面層粗糙度不僅影響結構的破壞位置，而且可提高界面結合強度。比較圖12、圖13，膠層(a)右端變形明顯，是應力集中區域，SDEG值為1，發生塑形變形，而涂層右端雖有微小變形，但整體受力均勻，其SDEG值遠小于1，在彈性變形內。
圖11 剝離破壞結構S22應力計算結果
圖12 剝離破壞膠層(a)S22應力計算結果
圖13 剝離破壞涂層S22應力計算結果
綜上所述，粘接模型界面層的開裂位置與層間接觸面粗糙程度關系密切，在有限元計算時，界面層表面較光滑時，其初始裂紋更容易萌生，即增大界面層的接觸面積，可有效提高粘接層的結合強度。該結論驗證了粗糙度對涂層附著力影響分析實驗結果，即通過調整基體材料表面粗糙度，可提高涂層的機械結合強度，由于良好的幾何尺寸避免了涂層在與鋁合金基體結合時的“移滑”，使得二者之間產生鉚釘式的牢固結合作用力。
3.粗糙度對涂層S22應力的影響分析
為進一步研究基體表面不同粗糙度對涂層機械結合力的影響，將余弦函數幅值A依次定義為0mm、0.004mm、0.008mm、0.016mm、0.032mm，對應粗糙度值Ra=0um、2.5um、4.8um、6.4um。粘結區最右端第一個單元的SDEG值與其對應的S22應力的關系如圖14所示。
圖14 剝離破壞計算中S22應力與SDEG之間的關系
圖14中，隨著位移載荷施加時間的持續，單元的SDEG值由0增長至1，粘接單元也逐漸破壞。在該作用過程中，涂層最右端第一個單元隨著SDEG值的增加，其S22應力值逐漸增大，達到峰值后逐漸遞減；隨著粗糙度值的增加，該單元承受S22最大應力值也逐漸增加，但并非線性相關。各粗糙度粘結模型中，涂層最后端第一個單元承受S22應力峰值如圖14所示，其中Ra=4.8um時，S22應力最大值為17MPa，而試驗測試結果為8.84MPa，同時Ra=0um時，S22應力最大值為7.8513MPa，試驗測試結果為3.8MPa。有限元計算與試驗測試值雖有差異，但二者在一個量級之內，而且在有限元計算中，鋁合金基體材料凹凸形貌分布均勻，而且涂層厚度均勻一致，計算結果略高于測試值是合理的，該結論很好的驗證了機械互鎖理論。
結論
本研究采用試驗測試、有限元分析兩種方法對比研究了鋁合金基體表面粗糙度對硅烷環氧雜化樹脂涂層附著力的影響規律。首先，通過試驗分析基體粗糙度與涂層附著力的關系，并結合SEM電鏡掃描結果，得出粗糙度對涂層機械附著力的微觀作用機理；其次，通過有限元模擬了剝離的界面開裂過程，描述了粘接界面從起始剝離到完全開裂過程的力學性能，并通過對比分析不同基體粗糙度與涂層S22應力值的影響，論證了試驗測試結果。具體結論如下：
(1)通過調整基體表面幾何形貌，可一定程度提高涂層附著力；
(2)隨著基體表面粗糙度的增加，涂層與其附著強度逐漸增加，但二者并非線性相關，對于硅烷環氧雜化樹脂涂層/鋁合金基體結構，其涂層厚度為30um時，基體表面粗糙度Ra=3.6~4.8um范圍內，可保證涂層較好的附著力；
(3)凹凸不平的基體表面不僅可增加涂層與基體的錨固點數量，使得涂層與基體達到鉚釘式的牢固結合，還可增大涂層與基體的接觸面積，從而提高涂層與基體的吸附作用力。
引用本文：慕仙蓮,何衛平,張雪原,，劉元海，朱利敏.粗糙度對硅烷環氧雜化樹脂涂層附著力影響[J].環境技術,2024,42(02):49-57.
來源：環境技術核心期刊
