空間光學(xué)遙感器反射鏡組件中環(huán)氧膠的選用

周小華 邢輝 楊居奎

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空間光學(xué)遙感器反射鏡組件中環(huán)氧膠的選用

周小華1,2邢輝1,2楊居奎1

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

Milbond、EC2216和SE-14-80三種環(huán)氧膠常用于空間光學(xué)遙感器光學(xué)件與金屬結(jié)構(gòu)件粘接。不同環(huán)氧膠對(duì)粘接后的反射鏡面形差別較大，環(huán)氧膠的選擇是反射鏡組件研制過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。膠的彈性模量、線脹系數(shù)、泊松比和固化收縮率等物理特性參數(shù)對(duì)粘接后面形影響較大。有些環(huán)氧膠的物理特性參數(shù)廠家提供不全，一些膠的性能參數(shù)測(cè)試?yán)щy，同時(shí)空間光學(xué)遙感器需要經(jīng)歷研制過程中各種環(huán)境條件考驗(yàn)，膠在經(jīng)歷不同環(huán)境條件下物理特性參數(shù)測(cè)試對(duì)比測(cè)試相對(duì)難度較大。文章針對(duì)空間光學(xué)遙感器在研制過程中環(huán)氧膠將經(jīng)歷的環(huán)境試驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)一個(gè)考核Milbond、EC2216和SE-14-80三種環(huán)氧膠對(duì)面形影響的綜合試驗(yàn)，通過固化前后面形的變化，以及熱真空試驗(yàn)前后面形的變化的對(duì)比結(jié)果，優(yōu)選確定了采用EC2216作為空間光學(xué)遙感器反射鏡粘接用膠。

環(huán)氧膠 粘接 環(huán)境試驗(yàn) 變形 航天遙感

0 引言

空間光學(xué)遙感器反射鏡常用膠與支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘接，膠的選用是反射鏡支撐和固定過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。目前常用的粘接用膠主要有兩種，一種是RTV（Room Temperature Vulcanized Silicon Rubber）硅橡膠，彈性模量小，固化后體積收縮應(yīng)力小，但RTV膠粘接強(qiáng)度較低，通常只有2MPa左右，同時(shí)RTV膠線脹系數(shù)較大，需要粘接的膠層厚度較厚（一般約0.5mm左右）[1-3]，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，容易引起反射鏡面形的變化。另一種是環(huán)氧膠，粘接強(qiáng)度高，彈性模量大，線脹系數(shù)小，在空間光學(xué)遙感器反射鏡的粘接中得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

本項(xiàng)目需要粘接的ULE反射鏡口徑大于1m，反射鏡面形對(duì)粘接非常敏感。由于粘接強(qiáng)度的要求，RTV膠不能滿足使用要求，因此粘接膠選定為環(huán)氧膠。環(huán)氧膠有美國Summer Optical公司生產(chǎn)的Milbond、3M公司生產(chǎn)的EC2216和國產(chǎn)的SE-14-80。Milbond是NASA為滿足空間光學(xué)遙感器粘接需要開發(fā)的一種環(huán)氧膠，這種膠滿足MIL-A-48611規(guī)定的質(zhì)損和可凝揮發(fā)物要求。文獻(xiàn)[7]對(duì)Milbond這種膠進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，證明這種膠的優(yōu)異性能。EC2216是3M公司生產(chǎn)的一種高性能環(huán)氧膠，文獻(xiàn)[8]對(duì)這種膠進(jìn)行工藝改性研究，獲得了很好的效果。SE-14-80是國內(nèi)在遙感器中使用的最廣泛的一種環(huán)氧膠，文獻(xiàn)[9]采用這種膠粘接指向鏡，證明這種膠具有極高的穩(wěn)定性。

膠的彈性模量、線脹系數(shù)、泊松比和固化收縮率等物理特性參數(shù)對(duì)粘接后反射鏡面形影響較大[10-21]。目前對(duì)膠的選用方法，大多是基于對(duì)膠自身性能的直接測(cè)量[22]，但基于對(duì)膠在經(jīng)歷空間環(huán)境后對(duì)粘接面形的影響的測(cè)試和研究較少。

為了確定反射鏡粘接用最佳環(huán)氧膠，本文介紹了Milbond、EC2216和SE-14-80三種環(huán)氧膠對(duì)反射鏡面形變化的影響試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定了反射鏡粘接用的最佳環(huán)氧膠。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及選用判據(jù)

空間光學(xué)遙感器中環(huán)氧膠的粘接強(qiáng)度、線脹系數(shù)、彈性模量和泊松比可以通過測(cè)試獲得數(shù)據(jù)，但測(cè)試數(shù)據(jù)受膠試件制作工藝影響，離散性較大。膠的固化收縮率和膠的性能參數(shù)穩(wěn)定性目前測(cè)試難度較大?？臻g光學(xué)遙感器反射鏡在粘接環(huán)氧膠后，需要經(jīng)過真空出氣以及真空鍍膜下的溫度變化（統(tǒng)稱為熱真空）實(shí)驗(yàn)，以消除在鍍膜和在軌真空環(huán)境的影響。在這個(gè)過程中，膠對(duì)反射鏡的面形影響機(jī)理十分復(fù)雜，是膠的各種物理化學(xué)特性綜合作用的結(jié)果，難以通過試驗(yàn)將某一物理特性參數(shù)的影響從中剝離出來。本文不采用對(duì)膠性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的方式直接判斷膠的性能，而是根據(jù)反射鏡在研制過程中所要經(jīng)受的環(huán)境條件，在同等條件下對(duì)比不同膠粘接對(duì)反射鏡面形的影響，判斷膠的性能優(yōu)劣。

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)試片由ULE試件和殷鋼襯套組成，如圖1和圖2所示，ULE試件為直徑70mm、厚度為30mm，ULE的線脹系數(shù)為0.05×10–6/℃。試件表面拋光，為了提高反射鏡對(duì)膠粘接后面形變化的敏感度，鏡面的面形精度RMS要求優(yōu)于0.014光波波長；在試件中部貫穿一個(gè)直徑為20mm的粘接孔，內(nèi)部孔的圓柱度為0.02mm，表面粗糙度與真實(shí)反射鏡粘接表面一致。在ULE試件中間粘接一個(gè)長度為60mm的圓柱殷鋼襯套，外徑19.6mm，內(nèi)徑14mm，外圓的圓柱度為0.005mm。襯套長度方向中間位置圓周均布4個(gè)直徑為3mm的注膠孔，通過注膠孔和觀測(cè)標(biāo)記，控制膠斑直徑為10mm，參考三種膠廠家給出的說明書的最佳粘接厚度，選擇膠層的厚度為0.2mm。膠斑的厚度通過等厚的塞尺進(jìn)行控制，實(shí)測(cè)ULE試片中心孔直徑和殷鋼襯套圓柱面直徑并進(jìn)行選配?？紤]圓柱度誤差，膠層的厚度最大的偏差可能小于等于0.05mm。膠斑直徑大小可以控制在±0.5mm以內(nèi)。通過轉(zhuǎn)動(dòng)殷鋼襯套使之與ULE試件上刻線標(biāo)記對(duì)齊，保證殷鋼襯套與ULE試件的相對(duì)位置，確保膠斑相對(duì)鏡面的位置相同。實(shí)測(cè)襯套的線脹系數(shù)為0.03×10–6/℃，與ULE線脹系數(shù)幾乎一致。三種采用的ULE試件材料和襯套材料均為同一批次的材料，針對(duì)每一種膠設(shè)計(jì)了3個(gè)試件，以檢驗(yàn)?zāi)z測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性和離散性，Milbond試件編號(hào)為1#、2#和3#，EC2216試件編號(hào)為4#、5#和6#，SE-14-80試件編號(hào)為7#、8#和9#。粘接前用酒精對(duì)ULE和襯套粘接表面各進(jìn)行3次清潔。注膠后測(cè)試試片如圖3所示，圖3試片中間的圓斑為膠斑，三種膠的膠斑顏色各不相同（Milbond為紅色，EC2216為灰色，SE-14-80為無色透明）。

圖1 ULE玻璃試件

圖2 殷鋼襯套

圖3 膠試驗(yàn)件

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)的流程如圖4所示，先測(cè)試各個(gè)試片的面形、然后進(jìn)行注膠固化。根據(jù)三種膠的使用說明書，在室溫下，三種膠的固化時(shí)間均超過7天，在室溫下固化后，連續(xù)一周檢測(cè)試件面形的變化，確定試件的面形穩(wěn)定后，進(jìn)行真空下熱循環(huán)；真空下熱循環(huán)后穩(wěn)定一天，再次進(jìn)行面形測(cè)試，檢測(cè)熱真空前后面形的穩(wěn)定性；在常溫常壓下放置一段時(shí)間，檢測(cè)熱真空試驗(yàn)后的面形穩(wěn)定性。

圖4 膠的試驗(yàn)流程

1.3 試驗(yàn)條件

（1）注膠、測(cè)試及固化環(huán)境條件

環(huán)氧膠在固化過程中，固化溫度越高，膠層中固化的應(yīng)力越大[23]，試驗(yàn)過程中的注膠、測(cè)試和固化的環(huán)境條件均為試驗(yàn)室溫濕度環(huán)境條件，溫濕度環(huán)境條件如下：

溫度：20℃±2℃；

濕度：30%～50%。

（2）熱真空試驗(yàn)條件

熱真空試驗(yàn)條件是參考主鏡組件的出氣試驗(yàn)條件以及反射鏡在鍍膜時(shí)的溫度和氣壓環(huán)境。試驗(yàn)的條件如圖5所示，最低氣壓為6×10-4Pa，最高循環(huán)溫度為60℃，并進(jìn)行3個(gè)循環(huán)。

圖5 熱真空環(huán)境條件

1.4 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

熱真空試驗(yàn)采用北京空間機(jī)電研究所專用的熱真空試驗(yàn)設(shè)備KM-5，該試驗(yàn)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部真空度1×10–4Pa?？赏ㄟ^紅外籠對(duì)試片進(jìn)行加熱，ULE試片中心孔位置附近粘接溫度傳感器，通過溫度傳感器控制熱真空試驗(yàn)過程中溫度的變化。試驗(yàn)前后均直接采用zygo干涉儀進(jìn)行面形測(cè)試，面形測(cè)試的重復(fù)精度優(yōu)于0.001λ，其中，λ為光波波長632nm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6～圖8是其中1個(gè)試片在試驗(yàn)前測(cè)試、固化后7天測(cè)試和熱真空及循環(huán)試驗(yàn)后反射鏡面形圖，膠固化后，由于膠層固化收縮，反射鏡鏡面與膠粘接對(duì)應(yīng)位置鏡面出現(xiàn)凹坑。3種膠在不同固化時(shí)間測(cè)試鏡面的RMS值如表1所示。

圖6 試驗(yàn)前測(cè)試面形

圖7 固化后測(cè)試面形

圖8 熱真空試驗(yàn)后測(cè)試面形

表1 面形精度測(cè)試數(shù)據(jù)（RMS）

Tab.1 Surface figure of test Specimen (RMS)

經(jīng)過粘膠固化，熱真空試驗(yàn)并穩(wěn)定后，最終總面形變化的平均值如表2所示。

表2 總面形精度變化對(duì)比

Tab.2 Total surface figure change λ

EC2216引起的總面形精度變化最小約為0.1λ，Milbond和SE-14-80相對(duì)較大，是EC2216的兩倍，約為0.2λ。

造成同一種膠3個(gè)試片測(cè)試數(shù)據(jù)的差異因素非常多，主要有兩大類：一類是由于試件制作的差別，另一類是由于儀器設(shè)備測(cè)試誤差引起。儀器測(cè)試誤差引起的誤差包括儀器本身的誤差和測(cè)試環(huán)境條件引入的誤差。這部分誤差應(yīng)占總誤差百分比很小，由于試件制作差別引入的誤差是主要原因，主要有ULE試件粘接面粗糙度差別[24]、粘接膠層厚度的差別、膠斑面積的差別以及試件材料的差異等因素引起，通過表2中3個(gè)試片測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差可知，膠的測(cè)試數(shù)據(jù)總體離散性較小，測(cè)試數(shù)據(jù)可信度較高，對(duì)試片的制作工藝控制是有效的。

2.1 膠固化時(shí)間分析

膠的固化時(shí)間是膠粘接工藝中一個(gè)重要的參數(shù)，一般固化溫度越高，固化時(shí)間越短，為減低粘接固化應(yīng)力，空間光學(xué)遙感器中一般采用常溫常壓固化。根據(jù)3種膠說明書，3種膠在20℃固化時(shí)固化時(shí)間約為7天。通過觀察試件面形的變化規(guī)律，可以判斷膠的完全固化時(shí)間。測(cè)試了固化16天以內(nèi)ULE試件的面形變化趨勢(shì)如圖9所示。

圖9 注膠后面形隨時(shí)間變化趨勢(shì)

從圖9可以看出，3種膠在室溫固化時(shí)，面形在9天左右趨于穩(wěn)定，說明膠完全固化穩(wěn)定的時(shí)間約為9天左右。

2.2 固化后膠的面形對(duì)比分析

3種膠16天固化后，試片面形變化對(duì)比如表3所示。

表3 16天固化面形變化對(duì)比

Tab.3 Surface figure change in after bonding 16 days λ

可以看出，Milbond固化后數(shù)據(jù)離散性較小，SE-14-80與EC2216兩種膠的數(shù)據(jù)離散性相對(duì)較大，主要原因是由于這兩種膠黏度較低，流動(dòng)性較好，膠的粘接形狀控制沒有Milbond一致性控制好。Milbond粘接后平均面形變化最小約為0.029λ，SE-14-80與EC2216的面形平均變化較大，約為0.085λ。說明Milbond固化體積收縮率小，與反射鏡粘接應(yīng)力也較小。

2.3 熱真空前后穩(wěn)定性分析

熱真空穩(wěn)定性是指粘膠后的ULE試驗(yàn)片在熱真空前后面形的變化。熱真空前后試件面形變化如表4所示。

表4 熱控真空試驗(yàn)前后面形精度的變化

熱真空試驗(yàn)后，反射鏡面形的變化最大的是Milbond，平均值約為0.187λ，SE-14-80變化也相對(duì)較大，平均值約0.129λ。變化最小的是EC2216，平均值約為0.018λ。

2.4 常溫常壓下穩(wěn)定性分析

由于環(huán)氧膠為高分子材料，在空氣中高分子材料會(huì)吸收空氣中的水分子，在真空下釋放后，體積收縮。反射鏡組件粘接完成后，一般要在真空下進(jìn)行出氣處理。常溫常壓下穩(wěn)定性分析是指膠經(jīng)過真空出氣后放置一段時(shí)間，膠的變化引起反射鏡面形的變化，即熱真空試驗(yàn)后穩(wěn)定1天至5天面形的變化。如表5所示，從表1中可以看出，雖然Milbond試件面形品質(zhì)在逐漸變好，但當(dāng)遙感器再次入軌后，水汽再次釋放，反射鏡面形會(huì)再次變差。EC2216和SE-14-80幾乎沒有變化，穩(wěn)定性最好。

表5 常溫常壓下穩(wěn)定性分析

Tab.5 Stability of surface figure in normal temperature and pressure λ

3 膠選用分析

一般空間光學(xué)遙感器反射鏡中粘膠后需要進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，再進(jìn)行鍍膜，熱真空試驗(yàn)后反射鏡面形超差時(shí)，還可以對(duì)反射鏡面形進(jìn)行再次加工。因此對(duì)反射鏡中粘接用膠的要求如下：1）粘接固化和熱真空前后反射鏡面形變化盡量?。?）膠經(jīng)過熱真空試驗(yàn)后，反射鏡的面形的穩(wěn)定性要好。

試驗(yàn)結(jié)果表明：EC2216性能相對(duì)最優(yōu)。Milbond膠雖然固化前后面形變化最小，但這種膠熱真空前后面形變化大，且膠常溫常壓下穩(wěn)定性較差；SE-14-80膠固化前后面形變化較大，熱真空試驗(yàn)前后面形變化很小，常溫常壓下穩(wěn)定性也較好。EC2216固化前后面形相對(duì)較大，但經(jīng)過熱真空試驗(yàn)后總的面形變化最小，且常溫常壓下穩(wěn)定性很好。從穩(wěn)定性和試片最終的面形角度考慮，選擇EC2216作為ULE反射鏡組件中的粘接用膠。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了Milbond、EC2216和SE-14-80三種環(huán)氧膠在同等條件下對(duì)ULE反射鏡的面形影響對(duì)比試驗(yàn)，從固化前后對(duì)面形影響、熱真空前后和常溫常壓下膠的穩(wěn)定性等方面對(duì)比了膠的性能，確定了EC2216是3種膠中性能最優(yōu)的一種膠。相對(duì)于直接測(cè)量膠的各種性能參數(shù)，這種篩選方法工作量相對(duì)較少，費(fèi)用較低，同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)更直接。所獲取的大量數(shù)據(jù)，可為環(huán)氧膠的選擇提供參考。

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Epoxy Selection for Reflect Mirror Assembly in Space Remote Sensor

ZHOU Xiaohua1,2XING Hui1,2YANG Jukui1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

Milbond，EC2216 and SE-14-80 are three common optical adhesives to bond glass and metal structure in space optical remote sensor. As these adhesives have different and important impact on the surface figure, it is very important to select a proper epoxy during the detailed mirror design. Physical characteristic Parameters such as Young modulus, coefficient of thermal expansion, Possion ratio and curing shrinkage are critical to define the surface figure after bonding. For some Epoxies, not all the parameters can be available from the producer and it is also difficult to get the parameters by testing in environment the remote sensor will experiment during manufacture.Therefore, a comparative experiment is carried out for these three optical adhesives under the environment conditions that the mirror assembly will experience during development on ground and operation in orbit. At last, EC2216 is selected as the best candidate to bond the ULE mirror and invar ring by comparing the RMS change of the mirror surface figure during testing.

epoxy; bonding; environment test; deformation; remote sensing

V1

A

1009-8518(2019)03-0065-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.009

周小華，男，1979年生，2003年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師?，F(xiàn)從事空間光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)工作。E-mail：zxh_2102@126.com。

2019-04-26

（編輯：龐冰）