高精度天線面板結(jié)構(gòu)膠粘劑應(yīng)用研究

王海東，霍明亮，王亞楠，石曉改，金 超

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

近年來，隨著通信、測(cè)控和射電天文等領(lǐng)域的天線工作頻段向著Ka、Q 頻段甚至更高頻段發(fā)展，高精度的天線面板是實(shí)現(xiàn)高頻段天線功能的關(guān)鍵部件之一［1］。當(dāng)前，滿足Ka以上頻段使用的天線面板主要有碳纖維復(fù)合材料面板和鋁合金膠接面板，盡管鋁合金膠接面板存在重量大的缺點(diǎn)，但其憑借著材料來源廣泛、價(jià)低、工藝成熟穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外大型天線中得到了廣泛應(yīng)用，如美國(guó)GBT100m 天線、意大利64m 天線和上海天文臺(tái)65m 天線等。鋁合金膠接面板中大量使用結(jié)構(gòu)膠粘劑，膠粘劑性能的優(yōu)劣、膠接工藝過程的控制好壞直接影響天線面板的精度指標(biāo)和使用壽命［2］。因此，本文主要對(duì)批量化生產(chǎn)鋁合金膠接面板所使用的結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行應(yīng)用研究。

1 主要指標(biāo)與測(cè)試方法

1.1 主要指標(biāo)

用于高精度鋁合金天線面板的結(jié)構(gòu)膠粘劑需滿足相應(yīng)的性能指標(biāo)要求，具有較好的綜合力學(xué)性能，如表1所示。

除了滿足上述性能指標(biāo)外，適合于高精度鋁合金天線面板的膠粘劑還應(yīng)具備如下要求：

（1）與被膠接件的相容性好，如不發(fā)生界面破壞，主要發(fā)生內(nèi)聚破壞。

（2）在盡量低的溫度下固化，如室溫固化。

（3）填縫能力大，要求具有良好的觸變性。

（4）工藝性好，滿足批量化生產(chǎn)要求，如操作時(shí)間適中（≥15min），初固化時(shí)間較短（≤4h）等。

表1 膠粘劑主要力學(xué)指標(biāo)要求

1.2 膠粘劑選型

根據(jù)天線面板的使用要求，對(duì)國(guó)內(nèi)外高性能結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行了廣泛調(diào)研，最終選取了十二種室溫固化的高性能結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，具體如下：

（1）410膠（美國(guó)），丙烯酸類；（2）835膠（美國(guó)），丙烯酸類；（3）806膠（中國(guó)），丙烯酸類；（4）4800膠（德國(guó)），丙烯酸類；（5）832膠（美國(guó)），丙烯酸類；（6）420 膠（美國(guó)），環(huán)氧類；（7）460膠（美國(guó)），環(huán)氧類；（8）9460膠（德國(guó)），環(huán)氧類；（9）133C 膠（中國(guó)），環(huán)氧類；（10）133B膠（中國(guó)），環(huán)氧類；（11）250膠（美國(guó)），環(huán)氧類；（12）Z－G6膠（中國(guó)），環(huán)氧類。

上述膠粘劑均為具有良好觸變性的雙組分結(jié)構(gòu)膠。

1.3 測(cè)試方法

所有試片材料采用2A12硬鋁，經(jīng)硫酸陽極化處理，試片膠粘后均在常溫下固化，并放置7天以上。

常溫、70℃剪切強(qiáng)度和常溫剝離強(qiáng)度分別參照GB／T 7124－2008、GJB444－1988和GJB 446－1988進(jìn)行測(cè)試。冷熱交變?cè)囼?yàn)和濕熱試驗(yàn)分別參照GJB150.5A－2009和法國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)AIR4108進(jìn)行。

測(cè)試儀器：INSTRON 4467（常溫）和INSTRON 4505（高溫）。

2 結(jié)果分析

2.1 初選結(jié)果

初步篩選試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度見表2。

根據(jù)膠粘劑性能和初選試驗(yàn)得出：滿足表1常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的膠粘劑為4800和832。同時(shí)，832和4800膠粘劑均有較好的填縫能力，且在20℃的常溫條件下，兩種膠粘劑的操作時(shí)間為15～25min左右、初固化時(shí)間≤90min、完全固化時(shí)間為24h，滿足批量化生產(chǎn)要求。

表2 膠粘劑初選試驗(yàn)結(jié)果

2.2 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)膠粘劑4800和832做冷熱交變后性能測(cè)試和濕熱老化后性能測(cè)試，進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 冷熱交變后膠粘劑性能對(duì)比表

表4 冷熱交變＋濕熱老化后膠粘劑性能對(duì)比表

由表3可知，經(jīng)冷熱交變后，膠粘劑4800和832的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度較初始試樣的保有率均大于90%。

由表4可知，進(jìn)行濕熱試驗(yàn)后，膠粘劑4800常溫剪切強(qiáng)度保有率小于80%，不符合表1的力學(xué)指標(biāo)要求，而剝離強(qiáng)度保有率符合要求。

膠粘劑832的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度均滿足表1的力學(xué)指標(biāo)要求，并且832膠常溫和70℃測(cè)試條件下的剪切強(qiáng)度保有率均大于90%，可靠性較好。

3 膠接接頭耐久性試驗(yàn)研究

對(duì)膠接接頭和膠粘劑進(jìn)行耐久性研究，主要是認(rèn)識(shí)不同環(huán)境因素對(duì)接頭和材料老化的影響，從而找出防止接頭和膠粘劑老化的有效措施，評(píng)價(jià)膠粘劑的好壞，提高結(jié)構(gòu)膠接的耐久性［3］。

本文選用4800和832兩種膠粘劑進(jìn)行大氣暴露試驗(yàn)和水浸試驗(yàn)。制作剪切試片，將其試片分別于大氣暴露試驗(yàn)和水浸試驗(yàn)1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月后依據(jù)GB／T7124－2008做常溫剪切強(qiáng)度測(cè)試，1個(gè)月、3個(gè)月和6個(gè)月的測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知：經(jīng)大氣暴露1個(gè)月、3個(gè)月和6個(gè)月后兩種膠粘劑的常溫剪切強(qiáng)度較初始試樣的保有率均大于90%。但4800膠經(jīng)3個(gè)月和6個(gè)月的水浸后，其常溫剪切強(qiáng)度較初始試樣的保有率分別僅為8.6%和4.2%，無法滿足使用要求。832膠經(jīng)水浸1個(gè)月、3個(gè)月和6個(gè)月后常溫剪切強(qiáng)度較初始試樣的保有率分別大于90%、85%和90%，性能優(yōu)異。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，832膠與4800膠相比具有較高的耐久性。

4 膠接工藝參數(shù)研究

4.1 涂膠參數(shù)研究

圖1 面板膠接結(jié)構(gòu)示意圖

鑒于上述選型的優(yōu)化結(jié)果，選用可靠性更高的832 膠進(jìn)行工藝應(yīng)用研究。本研究所選的膠粘劑主要應(yīng)用于高精度鋁合金膠接面板，膠接結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。由于開槽的鋁合金加強(qiáng)筋（橫筋和縱筋）為手工校形，貼膜精度較差，導(dǎo)致它們和貼膜良好的鋁蒙皮膠接縫隙較大且厚度不均勻。傳統(tǒng)的刮涂方式更適合均勻厚度的縫隙膠接，而用膠槍擠涂的圓柱截面膠粘劑，能夠擠壓流動(dòng)對(duì)不同厚度的縫隙進(jìn)行填充，非常適合大縫隙或不均勻縫隙的平面粘接。因此，本文涂膠采用膠槍擠涂方式。

通過對(duì)832膠的膠接縫隙（膠層厚度）、膠接寬度和出膠口直徑之間關(guān)系的試驗(yàn)，得到了三者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)，其結(jié)果見表6。從表5中可以看出膠接同樣的寬度，膠接縫隙越大，出膠口的直徑越大。但是，實(shí)際上出膠口的直徑是不能無限增大的，我們認(rèn)為膠接寬度超過40mm 后，可以將打膠的條數(shù)增加到2～3條，從而保證膠接縫隙的良好填充。

另外，通過測(cè)得不同膠層厚度下的常溫剪切強(qiáng)度，見圖2可知，隨著膠層厚度的增大，剪切強(qiáng)度近似線性下降。

表6 膠接寬度與出膠口直徑之間的關(guān)系

圖2 膠層厚度影響剪切強(qiáng)度變化圖

4.2 固化工藝參數(shù)研究

通過對(duì)溫度、固化時(shí)間、成型壓力等工藝參數(shù)研究，確定832膠粘劑的膠接固化成型工藝參數(shù)。

832膠在不同固化溫度下達(dá)到相同的可脫模硬度所對(duì)應(yīng)的操作時(shí)間見表7。對(duì)較大面積的天線面板，同時(shí)考慮夏季容易實(shí)現(xiàn)操作間環(huán)境溫度，建議固化溫度控制在20℃左右為宜，其所對(duì)應(yīng)的保壓時(shí)間為80min，脫模時(shí)間短，批量化生產(chǎn)效率高。

表7 不同固化溫度對(duì)應(yīng)的操作時(shí)間比較

另外，在其他條件相同的情況下，對(duì)832膠施加3種不同固化壓力，待其完全固化后進(jìn)行常溫剪切強(qiáng)度和常溫90°剝離強(qiáng)度測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同固化壓力下的膠粘強(qiáng)度比較

從表7看出，施加的3種不同固化壓力對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值變化不大。考慮到施工方便性，采用611Pa左右的低壓力。

5 天線面板上的應(yīng)用

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選用832膠粘劑作為某項(xiàng)目高精度天線面板用膠制作了一批高精度鋁合金天線面板，其中最大單塊面板面積為9m2，型面精度0.141mm r.m.s（API T3激光跟蹤儀檢測(cè)），其余單塊面板型面精度最高可達(dá)0.05mm r.m.s。隨后，對(duì)制作的高精度鋁合金膠接天線面板進(jìn)行頂拉試驗(yàn)和5670個(gè)循環(huán)的往復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，經(jīng)仔細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)面板開膠及其他破壞現(xiàn)象，同時(shí)面板精度無明顯變化，具有較高的可靠性。目前，該類面板已用于多個(gè)型號(hào)的Ka及以上頻段的天線工程中，應(yīng)用前景廣泛。

圖3 高精度鋁合金膠接天線面板

圖4 膠接面板可靠性試驗(yàn)

6 結(jié)束語

根據(jù)高精度鋁合金天線面板對(duì)膠粘性能指標(biāo)、工藝性、耐久性、可靠性等方面的要求，通過試驗(yàn)可知832膠粘劑具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、良好的工藝性和較高的可靠性、耐久性，作為高性能的結(jié)構(gòu)膠粘劑能夠廣泛應(yīng)用于高精度鋁合金天線面板。

［1］趙海.Ka波段天線反射面板成型技術(shù)［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2007，36（3）：81－83.

［2］王嘉陵.通信天線面板膠粘中膠種的選擇與分析［J］.航空制造技術(shù)，2005，5：93－94.

［3］吳健偉等.結(jié)構(gòu)膠粘劑及結(jié)構(gòu)粘接耐久性研究［C］.全國(guó)特種膠粘劑行業(yè)研究和應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集，2005，36－39.