復(fù)合材料表面密封劑與抗靜電涂料在燃油中穩(wěn)定性研究

歐秋仁，嵇培軍，趙 亮，武 玲，曹 輝

（1航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京，100074；2中國航天科工集團科技工程中心，北京，100074）

復(fù)合材料表面密封劑與抗靜電涂料在燃油中穩(wěn)定性研究

歐秋仁1，嵇培軍1，趙 亮1，武 玲1，曹 輝2

（1航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京，100074；2中國航天科工集團科技工程中心，北京，100074）

研究了復(fù)合材料表面上HM108B4密封劑和H06-1020HD抗靜電涂層材料在航空煤油中的質(zhì)量變化、密封劑的180°剝離強度和破壞模式。研究結(jié)果表明：隨著時間的延長，HM108B4密封劑/復(fù)合材料和抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在航空煤油中質(zhì)量變化率均先下降后上升，最后趨于穩(wěn)定，抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在煤油中質(zhì)量變化率小于密封劑/復(fù)合材料。未浸油老化和60±2℃浸油老化7天密封劑/抗靜電涂層試樣的180°剝離強度分別為10.9KN/m和11.1KN/m，試樣的破壞模式為內(nèi)聚破壞。

密封劑；抗靜電涂層；穩(wěn)定性；剝離強度

復(fù)合材料比強度、比模量高的特點使其在航空航天領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用部位由最開始的次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)如機翼、中央翼盒等［1-3］。飛機機翼抗扭盒段因具有較大空間而常用作機翼油箱［4］，復(fù)合材料油箱在密封性能、導電性能上與金屬油箱相比均較差，因此，需在復(fù)合材料表面涂上密封劑和抗靜電涂層保證復(fù)合材料油箱的密封和抗靜電性能。

復(fù)合材料中的高分子材料與航空煤油接觸時，由于高分子材料會受到航空煤油物理和化學作用，引起材料的溶脹以及重量和界面結(jié)合強度等變化［5］。國內(nèi)外學者對密封劑在煤油中的老化研究主要采用短期加速老化方法［6，7］，而對密封劑在煤油中長期老化研究較少。本實驗研究了復(fù)合材料表面HM108B4密封劑和H06-1020H.D環(huán)氧抗靜電涂料在燃油中的穩(wěn)定性和密封劑和抗靜電涂層的相容性，對復(fù)合材料在長期儲油狀態(tài)下的密封和抗靜電應(yīng)用具有重要指導意義。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

復(fù)合材料試樣：T700/HD03復(fù)合材料平板；HM108B4密封劑：北京航空材料研究院；H06-1020H.D環(huán)氧抗靜電涂料：北京航空材料研究院；煤油：RP-3航空煤油。

1.2 試樣制備

1.2.1 耐油性試樣制備

將HM108B4密封劑按比例混合均勻，單面均勻刮涂在50×50mm的復(fù)合材料試樣上，厚度（0.5±0.2）mm，達到硫化期后在（70±1）℃放置24h。

將試樣均分成兩組，其中一組用于密封劑/復(fù)合材料的耐油性實驗，在另一組的密封劑表面均勻涂刷抗靜電涂層，厚度為0.3mm，70±1℃下固化8h，制成抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料試樣，用于耐油性實驗。

1.2.2 涂層相容性試樣制備

在130×75mm碳纖維復(fù)合材料試樣上均勻涂上抗靜電涂層，固化后刮涂密封劑，刮涂面積為100×75mm，厚度3±0.2mm，然后在密封劑表面貼上帆布，硫化后進行180°剝離強度試驗。其中1#試樣抗靜電涂層表面未用BC-1粘接底涂處理；2#試樣抗靜電涂層表面用BC-1粘接底涂處理；3#試樣抗靜電涂層表面用BC-1粘接底涂處理，室溫下浸泡7天；4#試樣60±2℃環(huán)境下于RP-3航空煤油中浸泡7天。

1.3 測試方法

1.3.1 質(zhì)量變化率

1.3.2 180°剝離強度

試驗方法參照HB5249-93進行。

1.3.3 形貌觀察

在試樣表面噴金處理，采用日立S-4800掃描電鏡進行形貌觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 密封劑/復(fù)合材料和抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料的耐油性分析

密封劑/復(fù)合材料與抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料浸油過程中質(zhì)量隨時間的變化如圖1所示。密封劑/復(fù)合材料在浸油過程中呈現(xiàn)出先下降后增加的變化趨勢，質(zhì)量變化率隨時間的變化曲線可分成兩階段：第一階段浸油初期的快速質(zhì)量損失，最大質(zhì)量損失變化率為-0.45％，主要是由于密封劑中增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯溶解于煤油。第二階段質(zhì)量變化率的較快回升和隨后的平臺區(qū)，質(zhì)量最大變化率為0.125％，隨后到達平臺區(qū)，到達平臺期后質(zhì)量變化率幾乎不隨時間變化，此階段質(zhì)量變化率的增加主要來自兩方面，其一為煤油分子填充增塑劑孔隙并溶脹密封劑基體，其二是復(fù)合材料自身的吸油，對此階段質(zhì)量變化率的增加也有一定的貢獻。

圖1 兩種試樣在RP-3中的質(zhì)量變化率與時間關(guān)系Fig.1 Weight change rate with time of the samples

抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在航空煤油中質(zhì)量變化率呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢。最大質(zhì)量變化率為-0.25％，隨后質(zhì)量變化率隨時間也成近似直線增加，但增加速率明顯小于HD03/HM108密封劑的增加速率，最后試樣重量變化率穩(wěn)定在-0.075％，第一階段和第二階段最大質(zhì)量變化率均小于密封劑/復(fù)合材料對應(yīng)的數(shù)值，表明抗靜電涂層在煤油中具有更高的穩(wěn)定性，保護了內(nèi)表面的密封劑材料。這是因為抗靜電涂層為熱固性環(huán)氧樹脂，固化后不溶解于煤油，在密封劑表面涂上抗靜電涂層后隔離了煤油與密封劑的直接接觸，減少了鄰苯二甲酸二丁酯在煤油中的溶解，也減少了煤油向密封劑擴散。

2.2 耐油性試樣SEM分析

試驗中發(fā)現(xiàn)密封劑/復(fù)合材料試樣浸油166天后局部表面發(fā)粘，T700/HD03/HM108密封劑/抗靜電涂層外觀沒有明顯變化，為進一步研究RP-3對兩者的影響，用掃描電鏡（SEM）進行觀察如圖2（a）和（b）所示，失效密封劑表面出現(xiàn)明顯凹坑且伴隨有小裂紋，未失效密封劑表面無明顯凹坑，但存在大量裂紋，對比兩者可以預(yù)見，隨著時間的延長，裂紋長度、寬度進一步擴展，裂紋密度進一步增大，最后發(fā)展形成表面凹坑，從而導致密封劑的失效。

圖2 耐油性試樣表面形貌Fig.2 Surface morphology of the oil resistance samples

如圖2（c）所示，抗靜電涂層表面存在大量微裂紋，這是由于密封劑為聚硫橡膠彈性體，抗靜電涂層為環(huán)氧樹脂摻混金屬顆粒，環(huán)氧樹脂脆性較大，當其涂刷在密封劑表面時，因兩者膨脹系數(shù)不匹配，受煤油溶脹后體積變化不一致等造成了表面微裂紋的產(chǎn)生。綜合比較兩種試樣在航空煤油中重量變化率與表面形貌，可發(fā)現(xiàn)在密封劑表面上的抗靜電涂層能對密封劑起到一定的保護作用。

2.3 密封劑與抗靜電涂層相容性分析

密封劑與抗靜電涂層180°剝離強度與破壞模式見表1，由2#、3#與1#試樣對比可知，用BC-1粘接底涂后剝離強度由1.29KN/m提高到10.9KN/m，破壞模式由100％界面破壞變成100％內(nèi)聚破壞。由2#與3#試樣比較可知，室溫下浸油7天后RP-3對剝離強度沒有影響，浸油前后剝離強度均為10.9KN/m，破壞模式仍為100％內(nèi)聚破壞。

4#與2#和3#試樣相比較，可發(fā)現(xiàn)60±2℃下4#試樣浸油老化7天后剝離強度略有上升，由10.9KN/m上升到11.1KN/m，破壞模式仍為100％內(nèi)聚破壞，這主要由于60±2℃環(huán)境使密封劑進一步硫化，交聯(lián)密度增大，提高了剝離強度，60℃下燃油老化對密封劑的破壞形式和強度影響較小。

表1 試樣的180°剝離強度及破壞模式Table 1 180°tensile strength and failure model of the samples

試樣的180°剝離破壞表面如圖3和圖4所示，1#試樣破壞發(fā)生在密封劑與抗靜電涂層界面上，失效表面平整光滑，2#、3#和4#試樣失效發(fā)生在密封劑一側(cè)，失效表面為密封劑的鋸齒形剝離，表明密封劑與抗靜電涂層的結(jié)合強度大于密封劑的內(nèi)聚強度，即兩者具有良好的相容性。

圖3 1#試樣的破壞表面形貌Fig.3 Failure morphology of 1#sample

圖4 2#、3#和4#試樣的破壞表面形貌Fig.4 Failure morphology of 2#、3#and4#samples

3 結(jié)論

1）密封劑/復(fù)合材料與抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料在RP-3燃油中質(zhì)量隨著時間的變化均為先減小后上升，最后趨于平衡。

2）密封劑/復(fù)合材料失重階段與增重階段最大質(zhì)量變化率分別為-0.45％和0.125％，抗靜電涂層/密封劑/復(fù)合材料相應(yīng)值為-0.25％和-0.075％，抗靜電涂層對密封劑具有一定的保護作用。

3）密封劑材料在RP-3中呈現(xiàn)裂紋較大，RP-3燃油容易浸入，引起密封劑的溶脹；抗靜電涂層表面呈現(xiàn)裂紋細小，可阻止燃油進一步深入浸入抗靜電涂層下面的密封劑，因此起到一定保護作用。

4）BC-1粘接底涂材料可以提高密封劑和抗靜電涂層之間的粘接力；在RP-3燃油和60±2℃下老化7天對試樣的180°剝離強度影響較小，破壞模式為100％內(nèi)聚破壞。

［1］蘇云洪，劉秀娟，楊永志.復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用［J］.工程與試驗，2008（4）：36-38.

［2］陳紹杰.大型飛機與復(fù)合材料［J］.航空制造技術(shù)，2008，（15）：32-37.

［3］陳紹杰.復(fù)合材料技術(shù)與大型飛機［J］.航空學報，2008，29（3）：605-610.

［4］中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊［M］.航空工業(yè)出版社，2001：210.

［5］吳松華，益小蘇，秦蓬波，等.聚硫密封劑在航空煤油中的老化機理［J］.航空材料學報，2007，27（6）：79-82.

［6］R W Rooser，J A Parker.Chemical Research ProjectsOffice：Fuel Tank Sealants Review，A-mesresearch center，MoffettField，Calif.94035，1974.11.

［7］Q/6S 1227-95，HM108室溫硫化密封劑，中國航空工業(yè)總公司第六二一研究所標準.

Studies on the Stability of Sealant and Anti-static Coating on Composites Surface in the Fuel

OU Qiu-ren1，J I Pei-jun1，ZHAO Liang1，WU Ling1，CAO Hui2
（1 Research Institute of Special Aerospace Materials and Technology，Beijing 100074，China；2 Sci-tech Engineering Center of China Aerospace Science and Industry Corporation，Beijing 100074，China）

The weight change of both HM108B4sealant and HM108B4sealant brushed with anti-static coating of H06-1020H.D on the composites with time，the 180°peel strength and the failure model of sealant were studied in this paper.The results showed that their weight ro with the increase of time are descending initially，then ascending to a plateau.The 180°peel strength of sealant with anti-static coating/composites at om temperature and in fuel aged at60±2℃for 7 days are 10.9KN/m and 11.1KN/m，respectively.The failure model of sealant and anti-static coating in the air and the fuel are 100％internal failure.

sealant；anti-static coating；stability；peel strength

TQ 050.4+3

2010-01-11