衛(wèi)星用蜂窩板常溫膠接工藝

趙 鑫 劉圖遠(yuǎn) 李宗周 沈 輝 邱保強(qiáng)

（上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

0 引言

蜂窩板為衛(wèi)星上許多單機(jī)儀器的安裝及管路電纜的固定提供安裝接口和結(jié)構(gòu)支撐[1]，現(xiàn)航天使用的蜂窩板大部分為中高溫固化成型。為適應(yīng)新型號(hào)產(chǎn)品試驗(yàn)和使用要求，部分蜂窩板產(chǎn)品需采用常溫膠接的工藝方法成型。

蜂窩板常溫膠接過(guò)程為蜂窩芯、埋件、熱管等在中高溫下先固化為中間層如圖1所示，中間層與上面板和下面板分別常溫膠接[2]。

蜂窩板常溫膠接工藝方法研究少，特性了解不足，實(shí)際使用中易發(fā)生膠接質(zhì)量問(wèn)題。如某型號(hào)的頂板為高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料蒙皮與蜂窩夾層的常溫膠接結(jié)構(gòu)，成型后存在多處區(qū)域脫粘，最大區(qū)域近50 mm×50 mm，膠接質(zhì)量不能滿足要求。

J-133 膠黏劑為航天工程中常用的常溫固化液態(tài)膠黏劑，膠接性能優(yōu)良，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的在軌考驗(yàn)。本文對(duì)J-133 蜂窩板常溫膠接的工藝特性進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)正交試驗(yàn)研究不同刷膠量、均壓板厚度、打壓壓力對(duì)膠接質(zhì)量和的影響，解決蜂窩板常溫膠接質(zhì)量差的問(wèn)題，為蜂窩板常溫膠接工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。

圖1 中間層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure figure of middle interlayer

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用的原材料如表1所示。

表1 原材料表Tab.1 The table of raw material

1.2 儀器和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用的儀器和設(shè)備如表2所示。

表2 儀器和設(shè)備表Tab.2 The table of instruments and equipment

1.3 試樣的制備

涂膠量試驗(yàn):制備在面板上涂J-133 量分別為180、240、300 g/m2三種規(guī)格為500 mm×1 000 mm 鋁蒙皮蜂窩夾層試樣，每種試樣3 件，試樣的固化條件是25℃，打壓0.15 MPa，均壓板為厚1.5 mm 的鋁板，固化時(shí)間為72 h。

涂膠方式試驗(yàn):制備在面板上涂J-133 刷膠量為240 g/m2，按三種涂膠方式的500 mm×1 000 mm 鋁蒙皮蜂窩夾層試樣，每種試樣3 件，試樣的固化條件是25℃，打壓0.15 MPa，均壓板為厚1.5 mm 的鋁板，固化時(shí)間為72 h。3 種試樣涂膠方式為:1＃試樣在面板上1 次將膠全部涂刷完；2＃試樣在面板上涂2/5 膠黏劑，放置30 min 預(yù)固化，然后涂刷2/5 膠黏劑，蜂窩芯涂刷1/5 膠黏劑；3＃試樣在面板上涂膠，然后墊一層30 g/m2碳?xì)?，將剩余膠液刷在碳?xì)稚稀?/p>

打壓方式試驗(yàn):制備在面板上涂J-133 刷膠量為300 g/m2，按真空袋加壓和熱壓罐打壓方式的500 mm×1 000 mm 鋁蒙皮蜂窩夾層試樣，每種試樣3 件，試樣的固化條件是25℃，壓力0.1 MPa，均壓板為厚1.5 mm 的鋁板，固化時(shí)間為72 h。

正交試驗(yàn):按L9（3×3）正交表3制備9 件規(guī)格為1 000 mm×1 000 mm 的J-133 常溫膠黏劑鋁蒙皮鋁蜂窩夾層試樣，3 因素和3 水平對(duì)應(yīng)參數(shù)如表3和表4所示，涂膠方式為在面板膠接面依次涂底膠，墊一層30 g/m2碳?xì)?，刷上剩余膠液，加壓方式為熱壓罐打壓方式，埋件數(shù)目均為50，熱管數(shù)目均為2 根，發(fā)泡膠為J78D2，試樣的固化條件是25℃，固化時(shí)間為72 h。

表3 正交試驗(yàn)表Tab.3 Table of orthogonal test

表4 3 因素3 水平對(duì)應(yīng)表Tab.4 Table of 3 factor and 3 level

驗(yàn)證試驗(yàn):按刷膠量350 g/m2，涂膠方式為在面板膠接面依次涂膠，墊一層30 g/m2碳?xì)郑⑸鲜Ｓ嗄z液，均壓板厚度1.5 mm，打壓壓力0.15 MPa 條件下制備1 000 mm×1 000 mm 鋁蒙皮（0.3 mm）鋁蜂窩芯和碳蒙皮（0.5 mm）鋁蜂窩芯的常溫膠接蜂窩板驗(yàn)證試樣各1 件，同時(shí)制備1 件同材質(zhì)的J78B 膠黏劑的蜂窩板作參比，試樣制備參數(shù)如表5所示。

表5 4 種蜂窩板制備參數(shù)Tab.5 Parameters of 4 kinds of honeycomb plates

1.4 性能測(cè)試

蜂窩板試樣無(wú)損探傷按Q/PqF 44--2016《蜂窩夾層結(jié)構(gòu)敲擊法無(wú)損檢測(cè)規(guī)范》進(jìn)行，蜂窩板的剪切性能按GB/T 1455--2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，蜂窩板的90°剝離性能按GB/T 130.8--1986《膠結(jié)鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)90°剝離試驗(yàn)方法》測(cè)試，蜂窩板彎曲性能按GB/T 1456-2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》測(cè)試。夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法板材探傷后按測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，制備力學(xué)性能測(cè)試試樣各5 件（碳蒙皮蜂窩板無(wú)90°剝離試樣），在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂膠量對(duì)膠接缺陷的影響

表6為不同J-133 涂膠量下鋁蒙皮蜂窩夾層試樣的膠接缺陷統(tǒng)計(jì)表。涂膠量為300 g/m2的蜂窩板無(wú)脫粘缺陷，這是因?yàn)镴-133 常溫下黏度為2～3 Pa·s，流動(dòng)性較強(qiáng)，在面板上形成的膠層厚度均勻性差，在用膠量少于300 g/m2的情況下，蜂窩芯與蜂窩板面板上的膠液局部無(wú)接觸，無(wú)法形成有效連接[2]。

表6 3 種試樣探傷結(jié)果Tab.6 Testing results of 3 kinds of specimens

提高涂膠量能降低常溫膠接蜂窩板缺陷，而航天應(yīng)用中對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，而蜂窩板膠接最佳膠層厚度在0.10～0.30 mm[3]，當(dāng)用膠量超過(guò)一定值時(shí)增加用膠量對(duì)膠接質(zhì)量的影響極小。常溫膠接蜂窩板的刷膠量選擇在240～360 g/m2。

2.2 涂膠方式對(duì)膠接缺陷和操作時(shí)間的影響

表7為在涂膠量為240 g/m2時(shí)3 種不同涂膠方式方式下鋁蒙皮蜂窩夾層試樣的膠接缺陷和涂膠時(shí)間的統(tǒng)計(jì)表?？芍?＃試樣在面板上1 次涂膠的蜂窩板脫粘缺陷最多，為1～3 處，按2＃試樣分3 步涂膠和3＃試樣在面板上加墊1 層碳纖維氈后涂膠的蜂窩板均無(wú)脫缺陷。這是因?yàn)榉? 步涂膠的方式使貼近面板處的J-133 膠液預(yù)固化提高了黏度，進(jìn)而降低膠液的流動(dòng)性，提高膠層均勻性，提高膠接質(zhì)量。而在面板上墊碳?xì)质抢锰細(xì)侄嗫姿炙山Y(jié)構(gòu)吸附膠液，降低膠液的流動(dòng)性達(dá)到以上效果。

從表7可知，按1＃試樣涂膠的操作時(shí)間最短為20 min，按2＃試樣分3 步涂膠的操作時(shí)間最長(zhǎng)為70 min，按3＃試樣在面板上加墊1 層碳纖維氈后涂膠的操作時(shí)間為30 min。3＃試樣相比2＃試樣的涂膠時(shí)間減少了57%。這說(shuō)明在面板上墊碳?xì)值耐磕z方法效率明顯優(yōu)于分3 步涂膠法。J-133 的常溫凝膠時(shí)間為90～100 min[3]，對(duì)大面積的常溫膠接蜂窩板分3步涂膠法的涂膠操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，存在涂膠操作中膠液凝膠的風(fēng)險(xiǎn)，而在面板上墊碳?xì)值耐磕z方法涂膠時(shí)間適宜，膠接質(zhì)量良好。

常溫膠接蜂窩板的涂膠方式選擇在面板上依次涂1 層膠，墊一層30 g/m2碳?xì)?，將剩余膠液刷在碳?xì)稚系耐磕z方式。

表7 3 種涂膠方法結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistical results of 3 kinds of coating methods

2.3 加壓方式對(duì)膠接質(zhì)量的影響

圖2為J-133 常溫膠接蜂窩板真空袋加壓和熱壓罐打壓固化后的狀態(tài)?？芍?，真空袋加壓下膠層發(fā)泡嚴(yán)重，降低了有效膠接面積，而打壓狀態(tài)膠層無(wú)發(fā)泡現(xiàn)象，膠接質(zhì)量良好。這是因?yàn)槌啬z接蜂窩板在真空袋壓固過(guò)程中，J-133 膠液中易揮發(fā)的胺類固化劑在真空下?lián)]發(fā)，使膠層發(fā)泡，影響膠接質(zhì)量，且固化劑的揮發(fā)可能改變膠黏劑的配比影響膠黏劑的性能[4]。蜂窩板常溫膠接的加壓方式選擇熱壓罐打壓。

圖2 抽真空和打壓固化狀態(tài)對(duì)比圖Fig.2 Contrast of vacuum and suppression curing state

2.3 不同工藝參數(shù)對(duì)膠接質(zhì)量的影響

表8為3×3 正交試驗(yàn)的9 種常溫膠接蜂窩的90°剝離性能，無(wú)損探傷表明9 種試樣均未出現(xiàn)脫粘缺陷，膠接良好。因蜂窩板的90°剝離強(qiáng)度對(duì)蜂窩夾層和面板的膠接質(zhì)量最為敏感，以90°剝離強(qiáng)度作為參考指標(biāo)[4]，正交試驗(yàn)的指標(biāo)和極差如表9所示。

表8 9 種蜂窩板試樣性能測(cè)試結(jié)果表Tab.8 Results of 9 kinds of test boards

表9 試驗(yàn)指標(biāo)和極差Tab.9 Indicator and range of test boards

從表9可知RB＞RA＞RC，即對(duì)90°剝離強(qiáng)度影響順序?yàn)榫鶋喊搴穸龋舅⒛z量＞打壓壓力。因蜂窩板的90°剝離強(qiáng)度由蜂窩壁插入膠層深度控制，涂膠量越大，膠層厚度越大，蜂窩壁可插入深度越大，90°剝離強(qiáng)度越高[5]；均壓板厚度和打壓壓力共同決定面板的彎曲變形量，直接影響蜂窩與面板的貼合性，決定蜂窩壁插入膠層的深度。將面板加壓變形簡(jiǎn)化為受均布載荷的簡(jiǎn)支梁模型，則在均布載荷下面板最大繞度在梁的跨中位置，其計(jì)算公式:

式中，q 為局部線載荷；l 為跨距，蜂窩平面度特性決定；E 為均壓板材料的彈性模量；I 為均壓板慣性距。

對(duì)均壓板上力微分得到:

式中，dx 為梁的微分寬度；h 為均壓板厚度；σ 為打壓壓強(qiáng)。

由式（1）～式（3）得到:

由公式（4）可知在一定范圍內(nèi)面板的最大彎曲變形量與打壓壓強(qiáng)成正比，與均壓板厚度的3 次方成反比。面板的最大彎曲變形越大，蜂窩芯能更好的貼合面板的膠接面，蜂窩壁插入膠層的深度越深，缺陷越少。由公式（4）可知均壓板的厚度對(duì)90°剝離的強(qiáng)度的影響比打壓壓力的影響要大。

通過(guò)表9可知蜂窩板常溫膠接的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A3—B1—C2，即刷膠量350 g/m2，均壓板厚度1.5 mm，打壓壓力0.15 MPa。

2.4 最佳工藝參數(shù)驗(yàn)證

表10 為驗(yàn)證件4 種蜂窩板的性能數(shù)據(jù)表；從表10 可知4 種蜂窩板均無(wú)脫粘缺陷，J-133 常溫膠接蜂窩板的各項(xiàng)力學(xué)性能與J78B 中溫膠膜固化蜂窩板性能相近，各項(xiàng)指標(biāo)均大于設(shè)計(jì)要求值，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表10 4 種蜂窩板性能Tab.10 Testing results of 4 kinds of honeycomb plates

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)J-133 蜂窩板常溫膠接的工藝特性進(jìn)行分析和正交試驗(yàn)等得到以下結(jié)論:

（1）蜂窩板常溫膠接最佳涂膠方式:面板膠接面依次涂一層底膠，墊一層30 g/m2碳?xì)?，然后在碳?xì)稚纤⑹Ｓ嗄z液。

（2）蜂窩板常溫膠接中熱壓罐打壓加壓方式優(yōu)于真空袋抽真空加壓方式。

（3）蜂窩板常溫膠接中在一定范圍內(nèi)對(duì)90°剝離強(qiáng)度影響最大為均壓板厚度，其次為刷膠量，打壓壓力影響最小。

（4）蜂窩板常溫膠接的最優(yōu)工藝參數(shù)組合:刷膠量350 g/m2，均壓板厚度1.5 mm，打壓壓力0.15 MPa。根據(jù)該參數(shù)制備出的常溫膠接蜂窩板膠接質(zhì)量和力學(xué)性能與J78B 膠膜中溫固化的蜂窩板相當(dāng)，滿足航天設(shè)計(jì)要求。