蜂窩夾層結(jié)構(gòu)基板脫粘問題分析

萬 蕾，孫 璐，李 晶，楊耀東

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

0 引言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是由面板和蜂窩芯通過膠粘劑膠結(jié)固化制成的夾芯結(jié)構(gòu)。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于重量輕、強(qiáng)度高、彈性模量大等優(yōu)越的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、建筑等領(lǐng)域。在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，太陽電池陣基板、天線反射器、衛(wèi)星外殼、中心承力筒及各種儀器安裝板等均為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于其制作過程和本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不可避免會(huì)在制作過程中產(chǎn)生一些難以預(yù)料的缺陷，這些缺陷的存在勢必會(huì)對其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和承載能力產(chǎn)生一定影響，對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)而言，界面脫粘是最普遍也是危害最嚴(yán)重的缺陷，一旦存在脫粘缺陷，就會(huì)嚴(yán)重降低其最終的承載能力［1-2］。因此國內(nèi)外對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的無損檢測方法、帶缺陷蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理等方面開展廣泛的研究［3-5］，力求以此降低界面脫粘帶來的風(fēng)險(xiǎn)。然而在實(shí)際中蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)、工藝、膠層本身等原因均可能導(dǎo)致其在外加應(yīng)力或者外界環(huán)境的作用下發(fā)生脫粘失效，此時(shí)就有必要通過脫粘界面宏微觀形貌觀察以及膠層質(zhì)量評價(jià)等方法，對脫粘的原因進(jìn)行綜合分析，以此來避免脫粘事故的再次發(fā)生。本研究即是針對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)基板的脫粘問題開展相關(guān)分析與研究。

發(fā)生脫粘的基板結(jié)構(gòu)由表至里依次為聚酰亞胺膜、網(wǎng)格面板(碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料)、膠膜、加強(qiáng)板、膠膜、蜂窩芯。該基板經(jīng)熱真空試驗(yàn)后(該試驗(yàn)對基板在真空環(huán)境冷熱溫度交變作用下的性能考核，基板不受外加應(yīng)力僅受冷熱交變熱應(yīng)力作用)，其正面局部出現(xiàn)了鼓泡脫粘現(xiàn)象，脫粘形式有2 種，聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板脫粘和網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板脫粘。本研究通過脫粘界面的宏微觀觀察，膠膜的紅外光譜分析、DSC 測試、揮發(fā)分測試等對基板脫粘的原因進(jìn)行了分析，為后續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)提供了充分的技術(shù)依據(jù)，可有效避免同類事故地再次發(fā)生。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板脫粘界面宏微觀觀察

從聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板脫粘處截取部分聚酰亞胺膜試片，聚酰亞胺膜上的脫粘面表面宏觀形貌見圖1。脫粘面表面分為3 種形貌:1)呈黑色的復(fù)合材料斷口(比例約10%)，該區(qū)域破壞發(fā)生在復(fù)合材料內(nèi)部，表明膜與網(wǎng)格面板形成了有效粘接;2)纖維束的印痕形貌(比例約50%)，該區(qū)域表面未見明顯的纖維存在，呈半透明狀態(tài);3)透明表面，該區(qū)域應(yīng)是與網(wǎng)格面板的孔隙相對應(yīng)，表面光滑未見明顯的粘接痕跡。

采用掃描電鏡對3 個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行觀察可見:黑色復(fù)合材料斷口區(qū)域可見明顯的纖維及樹脂基體斷裂特征，部分纖維表面光滑未見樹脂附著，樹脂基體表面可見較多的微氣孔，直徑均小于1 μm(圖2a)，該區(qū)域聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板之間形成了有效粘接;纖維束印痕區(qū)域可見樹脂基體斷裂特征，基體中存在較多微氣孔，直徑均小于1 μm(圖2b)，該區(qū)域聚酰亞胺膜與網(wǎng)格板之間也形成了有效粘接;透明區(qū)域平滑、未見撕裂形貌，未見明顯的附著物存在(圖2c)，該區(qū)域未與膠膜發(fā)生接觸。經(jīng)能譜結(jié)果分析，脫粘界面所有區(qū)域表面均未見明顯的無機(jī)污染物存在。

1.2 網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板脫粘界面宏微觀觀察

從網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板脫粘處截取部分網(wǎng)格面板試片，網(wǎng)格面板上的脫粘面試片宏觀形貌見圖3，試片大部分區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格面板自身的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形貌，其中彌散分布有多處形狀各異、尺寸不一的白色膠膜，測得膠膜面積的比例約為12.6%，采用手術(shù)刀輕挑，膠膜較容易發(fā)生脫落;試片上還可見少量的黑亮區(qū)域。

圖1 聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板脫粘界面宏觀形貌Fig1 Macro morphology of the debonding surface between polyimide film and composite netting plate

對3 個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡微觀形貌觀察，結(jié)果如下:大部分區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格面板自身的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形貌，該區(qū)域表面平滑，未見明顯撕裂形貌，未見明顯的附著物存在(圖4a)，表明該區(qū)域膠膜與網(wǎng)格面板未形成有效粘接;黑亮區(qū)域呈自由表面形貌(圖4b)，能譜分析該區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格面板的樹脂成分，未與膠膜發(fā)生接觸;白色膠膜表面除一處區(qū)域(尺寸約0.6 mm ×0.4 mm)可見撕裂形貌外，其他區(qū)域均較平滑呈自由表面形貌，部分區(qū)域可見加強(qiáng)板的印痕，未見撕裂形貌，可見較多細(xì)小的氣孔，未見明顯的附著物存在(圖4c)，表明存在膠膜的區(qū)域膠膜與加強(qiáng)板未形成有效粘接。

圖2 聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板脫粘界面微觀形貌Fig2 Micro morphology of the debonding surface between polyimide film and composite netting plat e

圖3 網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板脫粘界面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the debonding surface between composite netting plate and stiffened plate

1.3 膠膜對比試驗(yàn)

為了測試用于網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板膠接的膠膜質(zhì)量，取復(fù)驗(yàn)合格的同種庫存膠膜與失效件上的膠膜進(jìn)行對比分析，紅外光譜測試結(jié)果［6］見圖5，DSC 測試結(jié)果見圖6。揮發(fā)份測試采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)行，半定量測試結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明失效件所用的膠膜與庫存膠膜成分、固化溫度、揮發(fā)份組成及比例均無差異，可排除膠膜質(zhì)量不合格導(dǎo)致其膠接性能下降最終導(dǎo)致網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板脫粘的可能性。

圖4 網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板脫粘界面微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the debonding surface between composite netting plate and stiffened plate

圖5 庫存與失效膠膜紅外光譜測試結(jié)果對比Fig.5 FT-IR test result of the stock and failure adhesive film

圖6 庫存與失效膠膜DSC 測試結(jié)果對比Fig.6 DSC test result of the stock and failure adhesive film

表1 揮發(fā)份測試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Testing result of volatile matter content(mass fraction/%)

2 分析與討論

聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板脫粘界面形貌以網(wǎng)格面板開裂形貌與纖維束印痕形貌為主，約占整個(gè)脫粘界面的60%，微觀可見明顯的纖維或樹脂基體斷裂特征，脫粘界面上未見明顯附著物及無機(jī)污染物，這均表明聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板在脫粘前大部分區(qū)域已形成了有效的粘接，在使用過程中的外力或試驗(yàn)過程中的冷熱交變應(yīng)力作用下發(fā)生了脫粘現(xiàn)象。

網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板脫粘界面形貌以網(wǎng)格面板自身的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形貌為主，其中彌散分布有多處形狀各異、尺寸不一的白色膠膜，采用手術(shù)刀輕挑，膠膜較容易發(fā)生脫落，試片上還可見少量的黑亮區(qū)域;微觀觀察僅發(fā)現(xiàn)一處白色膠膜處存在明顯的撕裂痕跡，其他區(qū)域表面均較平滑無撕裂痕跡，這均表明網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板在脫粘前未形成有效的粘接。進(jìn)一步分析表明，用于網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板膠接的白色膠膜與庫存膠膜成分、固化溫度、揮發(fā)份組成及比例均無差異。綜上所述可判斷此次網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板發(fā)生脫粘與用于粘接的膠膜質(zhì)量無關(guān)，可能與基板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過程控制等其他方面因素有關(guān)［7-10］，建議從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝控制等方面進(jìn)行綜合排查，避免同類失效事故的再次發(fā)生。

3 結(jié)論與建議

1)聚酰亞胺膜與網(wǎng)格面板在脫粘前大部分區(qū)域已形成了有效的粘接，在后續(xù)使用和試驗(yàn)過程中在外力的作用下發(fā)生了脫粘現(xiàn)象。

2)用于網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板膠接的白色膠膜與庫存膠膜成分、固化溫度、揮發(fā)份組成及比例均無差異，此次網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板發(fā)生脫粘與用于粘接的膠膜質(zhì)量無關(guān)。

3)網(wǎng)格面板與加強(qiáng)板在脫粘前未形成有效的粘接，建議從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝控制等方面進(jìn)行綜合排查，避免同類失效事故的再次發(fā)生。

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