航天工業(yè)中膠接技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析

郭 磊 劉檢華 張佳朋，2 李夏禹 張秀敏 夏煥雄

1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京，1000812.北京衛(wèi)星制造廠有限公司機(jī)械產(chǎn)品事業(yè)部，北京，100094

0 引言

膠粘連接裝配具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、尺寸小、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，在航天工程中應(yīng)用廣泛。膠接裝配具有多重功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)零件之間的連接，還可以起到密封、絕緣、減振等作用[1]。同時(shí)，膠接與鉚接、螺接等機(jī)械連接的配合使用還可獲得多種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的混合連接效果，大幅改善連接性能[2]。隨著航天工業(yè)對(duì)輕量化、集成化等要求的不斷提高，對(duì)新型非金屬材料和先進(jìn)制造工藝的創(chuàng)新采用，膠接裝配成為航天產(chǎn)品性能提升的重要手段之一，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

20世紀(jì)40年代，膠粘劑在航空工業(yè)中開始嘗試使用，隨著材料科學(xué)與膠接技術(shù)的不斷發(fā)展，膠接裝配在飛機(jī)制造中的占比越來(lái)越大，現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)身、油箱、艙門等部件的制造中均大量應(yīng)用膠粘連接，顯著減小了質(zhì)量，提高了抗疲勞和抗腐蝕性能等。膠粘裝配已成為飛機(jī)制造的重要環(huán)節(jié)，例如，B-58重型超音速轟炸機(jī)采用膠粘連接取代了約50萬(wàn)只鉚釘，粘接壁板面積占全機(jī)總面積的85%；一架小型飛機(jī)采用膠接替代鉚接，可減重20%，強(qiáng)度提高30%[3-4]。航天器上大量應(yīng)用各種輕質(zhì)合金、先進(jìn)復(fù)合材料及其他異性材料，難以采用傳統(tǒng)方式固定連接，而膠粘連接是目前最優(yōu)的解決方法，例如航天器復(fù)合材料桁架接頭、人造衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池、飛船表面的耐高溫?zé)g層與保溫層、精密慣性儀表及光學(xué)儀器內(nèi)部組件的裝配均由膠粘連接實(shí)現(xiàn)。因此，膠接技術(shù)在航天產(chǎn)品制造中具有十分重要的地位[5-9]。

膠接裝配技術(shù)是一種涉及機(jī)械、物理、化學(xué)及高分子材料等多門學(xué)科的連接技術(shù)，對(duì)膠粘劑材料、膠接工藝及膠接裝配性能影響因素的研究，已成為當(dāng)前高分子材料領(lǐng)域與航天制造領(lǐng)域的重要研究方向。航天用膠粘劑性能各異且種類日益豐富，因此在膠接裝配中選用合適的膠粘劑，對(duì)航天產(chǎn)品性能保障至關(guān)重要，例如我國(guó)航天器整流罩的粘接曾采用的JX-9等酚醛-丁腈類膠粘劑工藝性能差、固化時(shí)揮發(fā)嚴(yán)重，選用改性酚醛環(huán)氧樹脂或改性聚酰亞胺膠粘劑后，取得了較好的應(yīng)用效果[6]。在裝配階段，由于膠接工藝的特殊性與復(fù)雜性，膠接工藝不僅直接影響產(chǎn)品的初始裝配性能，還影響裝配性能的保持性，即在產(chǎn)品服役過(guò)程中保持產(chǎn)品裝配性能，因此，膠接工藝過(guò)程的嚴(yán)格控制以及工藝方法的不斷優(yōu)化對(duì)膠接裝配性能的保障與提升均有顯著影響[10-11]。在服役階段，航天產(chǎn)品需瞬時(shí)或長(zhǎng)期工作在超高/低溫、劇烈振動(dòng)沖擊、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境，高分子膠粘劑材料的老化會(huì)造成裝配性能的衰退，甚至發(fā)生連接失效，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)與仿真計(jì)算等方法，嘗試對(duì)膠接裝配結(jié)構(gòu)的有效服役周期進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，以提高膠接裝配結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性[12-13]。

本文圍繞當(dāng)前航天工業(yè)中膠接技術(shù)理論與應(yīng)用的薄弱問(wèn)題，對(duì)航天工業(yè)用膠接材料的應(yīng)用特點(diǎn)、膠接裝配的關(guān)鍵工藝以及性能影響因素等內(nèi)容，特別是航天精密產(chǎn)品的膠接裝配技術(shù)展開系統(tǒng)分析，探討航天工業(yè)膠接裝配技術(shù)未來(lái)的研究發(fā)展方向。

1 航天制造中的膠粘劑類型及應(yīng)用

1.1 航天工業(yè)中的膠粘劑類型

航天工業(yè)用膠粘劑通常為專用膠粘劑，根據(jù)航天產(chǎn)品的特殊應(yīng)用需求進(jìn)行定制，種類十分豐富，可達(dá)上千種。膠粘劑可按用途、固化溫度、基料等不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，按化學(xué)材料可將航天常用膠粘劑大致分為以下幾類。

(1)環(huán)氧樹脂類?；现饕獮榄h(huán)氧樹脂，揮發(fā)分小、固化收縮小、剛性大、硬度大、應(yīng)用范圍廣，可用于粘接和密封結(jié)構(gòu)中，國(guó)內(nèi)常用雙酚A型環(huán)氧樹脂。HYJ-01、HYJ-47膠粘劑可用于精密器件的耐油密封、耐沖擊振動(dòng)等需求場(chǎng)合[14]；HYJ-51膠粘劑具有優(yōu)良的導(dǎo)熱絕緣性能，可用于傳感器的測(cè)溫部件[15]。

(2)酚醛樹脂類。粘接強(qiáng)度高，耐熱性與耐老化性好，但脆性大、固化收縮率大。FHJ-5膠可長(zhǎng)期耐受200 ℃高溫，且短時(shí)耐燒蝕性好。

(3)聚氨酯類。韌性與耐低溫性好，但不耐熱、強(qiáng)度低，可用于粘接、密封與阻尼減振。航天插頭座用Dq661J-109膠、儀器電路板用9101膠等具有防水、防霉、減振等特性[16]。

(4)有機(jī)硅。耐高低溫、耐紫外輻照性好，柔韌性好，通過(guò)添加填料、纖維等具有耐燒蝕性。衛(wèi)星飛船中的防熱密封常采用耐燒蝕的GXJ系列膠粘劑。

(5)無(wú)機(jī)膠。耐酸堿、耐高能粒子輻射、耐高溫(可達(dá)1500 ℃)、強(qiáng)度高，但脆性差，應(yīng)用相對(duì)較少，常用于宇宙空間飛行器部件、高溫傳感器殼體的粘接[17]。

1.2 航天工業(yè)中膠粘劑的特殊應(yīng)用需求

航天產(chǎn)品對(duì)膠粘裝配及其性能的要求與一般工業(yè)領(lǐng)域不同，標(biāo)準(zhǔn)高、要求嚴(yán)、功能多樣，除在高低溫、高頻振動(dòng)等特殊極限工況下需具有高連接強(qiáng)度外，還需在極限環(huán)境下仍可保持良好密封、低蠕變、低揮發(fā)等性能。

1.2.1耐超高/低溫性

耐高溫結(jié)構(gòu)膠在航天器中應(yīng)用較多。航天器在稠密的大氣中高速穿行時(shí)，與空氣發(fā)生摩擦，會(huì)發(fā)生瞬時(shí)高焓、低熱流、高溫及燒蝕現(xiàn)象，其殼體溫度可超過(guò)2000 ℃，膠粘劑必須具有優(yōu)異的耐燒蝕性，才可粘接固定在航天器外表的耐燒蝕材料[6]。在火箭推進(jìn)器的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃料箱中，液氫溫度可達(dá)-253 ℃，膠接結(jié)構(gòu)必須在該溫度下仍具有良好的強(qiáng)度與韌性[18]。對(duì)于火星表面(溫度范圍-124～50 ℃)、月球表面(溫度范圍-180～150 ℃)等太空大溫差交變環(huán)境，用于固定保溫材料的膠粘劑需具有交變溫度適應(yīng)性能[19-20]。

1.2.2高密封性

膠接結(jié)構(gòu)常常工作在高低溫、油氣化學(xué)品接觸等環(huán)境中，良好的密封性能也是航天應(yīng)用的主要功能需求之一[14, 21]。航天器在軌運(yùn)行期間，長(zhǎng)期處于高真空、低溫及大溫差交變狀態(tài)，為保證各種儀器儀表正常工作，航天器艙內(nèi)必須保持一定的壓力，但是飛行器艙有許多插頭孔、艙門，密封部位多、尺寸大。耐低溫O形圈在溫度低于-67 ℃時(shí)，密封會(huì)失效，發(fā)生泄漏，將其與改性環(huán)氧樹脂膠粘劑結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)低溫下的良好密封，甚至在密封圈受損時(shí)，膠粘劑仍可保證飛行器艙的密封性要求[22]。

1.2.3多功能性

航天產(chǎn)品對(duì)膠接結(jié)構(gòu)的功能要求多，除了具有耐受超高/超低溫、燒蝕、溫度劇變、高真空、輻射、強(qiáng)沖擊、高頻振動(dòng)、導(dǎo)電、絕緣的多種性能外，對(duì)高分子材料自身的剛性、韌性以及隨溫/濕度、振動(dòng)沖擊環(huán)境變化的響應(yīng)特性等也具有較高的要求。如返回式航天器需要經(jīng)受高低溫交變、長(zhǎng)時(shí)間低熱流沖擊的作用，膠粘劑不僅需要具有高強(qiáng)度，還需要具有良好的柔性和足夠的伸長(zhǎng)率，以調(diào)節(jié)高低溫變化過(guò)程中結(jié)構(gòu)層與防熱層間的熱應(yīng)力[5]。

1.2.4高穩(wěn)定性或低蠕變性

航天光學(xué)系統(tǒng)、慣性系統(tǒng)、傳感器等精密機(jī)電產(chǎn)品中，由于形狀、尺寸及空間位置的限制，大量采用膠接裝配。膠體在固化、貯存和服役過(guò)程中，固化收縮會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并在外載荷、溫度、內(nèi)應(yīng)力等因素的影響下產(chǎn)生蠕變，引起結(jié)構(gòu)緩慢變形、質(zhì)心或“零點(diǎn)”逐漸漂移，導(dǎo)致產(chǎn)品的系統(tǒng)精度逐漸衰減。航天光學(xué)遙感器性能會(huì)因膠接結(jié)構(gòu)的微小蠕變而顯著降低，在軌高度500 km時(shí)，遙感器指向鏡1″的變化將造成2.4 m的地面定位誤差[10,23]。航天慣性器件中，膠接結(jié)構(gòu)熱-力載荷導(dǎo)致的質(zhì)心漂移對(duì)陀螺精度的影響占比已超過(guò)90%[24]。因此，精密機(jī)電產(chǎn)品所用膠粘劑通常應(yīng)與被粘接件的線膨脹系數(shù)相近，且需嚴(yán)格控制固化內(nèi)應(yīng)力及其分布。

1.2.5低揮發(fā)性

膠粘劑在固化及使用過(guò)程中會(huì)有少量揮發(fā)物釋放，凝結(jié)后產(chǎn)生多異物，污染航天器上的慣性導(dǎo)航儀器、光學(xué)儀器等高精密機(jī)電設(shè)備，因此某些航天產(chǎn)品的密封膠接結(jié)構(gòu)對(duì)膠粘劑的低揮發(fā)性也有特殊需求。精密馬達(dá)定子采用環(huán)氧樹脂膠灌封時(shí)，揮發(fā)出的小分子物質(zhì)過(guò)多，會(huì)堵塞馬達(dá)的微小間隙，造成卡死；衛(wèi)星中使用的耐空間環(huán)境用膠粘劑在高真空下的總質(zhì)量損失小于1%，膠粘劑中的可凝揮發(fā)物的質(zhì)量損失小于0.1%[14]。

2 膠接裝配在航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

航天用膠粘劑在滿足高/低溫、燒蝕、振動(dòng)沖擊等極限環(huán)境使用要求的同時(shí)，還需保持良好的力學(xué)性能，這也是膠接裝配結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性能。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從膠接機(jī)理、膠接工藝、膠粘連接性能影響因素等方面開展研究。

2.1 膠接機(jī)理

膠粘連接是一個(gè)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，內(nèi)聚失效、界面失效和混合失效是膠接裝配結(jié)構(gòu)中常見的三種失效，如圖 1所示[25]。界面失效是膠接裝配結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)的。該種失效表明膠粘劑與被粘物間無(wú)法產(chǎn)生良好的連接，更無(wú)法發(fā)揮膠粘劑自身的性能。因此，膠接裝配結(jié)構(gòu)的界面作用機(jī)理及其粘接性能是膠接理論與工程研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

(a)內(nèi)聚失效 (b)界面失效 (c)混合失效

膠粘連接機(jī)理的研究包含分子間作用力、化學(xué)鍵、靜電吸附、機(jī)械互鎖等多種理論，國(guó)內(nèi)外研究人員嘗試從不同角度對(duì)膠接形成與失效模式進(jìn)行理論解釋，但較難采用一種理論進(jìn)行全面解釋[26-27]。從分子層面來(lái)說(shuō)，當(dāng)膠粘劑分子與被粘物分子之間的距離小于1 nm時(shí)，在兩者的分子之間會(huì)產(chǎn)生相互作用力即范德華力和氫鍵力[28]。從化學(xué)鍵理論講，當(dāng)膠粘劑與被粘物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)在粘接界面上形成離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵等化學(xué)鍵力(遠(yuǎn)大于分子間作用力)。對(duì)于碳纖維等非金屬?gòu)?fù)合材料的粘接過(guò)程，化學(xué)作用是影響粘接強(qiáng)度的主要因素[29]。從機(jī)械互鎖理論講，當(dāng)膠粘劑滲透到表面凹凸不平的溝痕或孔隙，固化后的膠層與不平整的被粘物間相互嵌合、互鎖在一起，膠層剝離需要消耗膠粘劑塑性變形的能量，例如磷酸陽(yáng)極氧化處理的鋁合金表面會(huì)形成一些凹坑和納米孔，膠粘劑可滲入其中，從而大幅提高粘接強(qiáng)度[30]。實(shí)際膠接結(jié)構(gòu)的界面粘接作用往往受多種因素綜合影響，雖然目前從分子作用、化學(xué)鍵合、機(jī)械互鎖等不同層面對(duì)不同膠接界面作用機(jī)理進(jìn)行了理論解釋，但揭示膠接界面粘接強(qiáng)度及其失效模式的形成機(jī)理仍是膠接技術(shù)理論研究的難點(diǎn)之一。

2.2 膠接工藝

膠接裝配對(duì)異質(zhì)材料及異形結(jié)構(gòu)的連接需求適用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)金屬與非金屬、不同金屬或非金屬材料之間的可靠連接，也可實(shí)現(xiàn)平面、圓柱面、凹槽內(nèi)鑲嵌、盲孔接頭、螺紋防松涂膠、膠鉚連接、蜂窩結(jié)構(gòu)等各種結(jié)構(gòu)形式的連接，具有應(yīng)力分布均勻、無(wú)需打孔、無(wú)電化學(xué)腐蝕等優(yōu)良的工藝性能。這些優(yōu)點(diǎn)使得膠接裝配在航天工業(yè)產(chǎn)品制造中廣泛采用，然而，由于航天工業(yè)產(chǎn)品服役工況復(fù)雜、性能要求高，其制造中的膠接工藝往往較為復(fù)雜、工藝控制難度較大。

2.2.1膠接表面處理

膠接基底的表面處理可以去除基底表面污染物、生成表面氧化膜、控制表面韌性，有效減緩甚至阻止自然環(huán)境對(duì)粘接表面的腐蝕，提高膠接接頭的整體性能[31]。工程應(yīng)用中，增大膠粘劑與基底的接觸面積可以提高界面機(jī)械嵌合或化學(xué)鍵合強(qiáng)度，改變基底表面形貌特征，改變粗糙度已成為提高膠接性能常用且簡(jiǎn)單有效的工藝方法[32-33]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試采用物理、化學(xué)/電化學(xué)、激光、等離子等方式對(duì)粘接基底表面進(jìn)行預(yù)處理，提升膠接性能[34-38]，圖 2所示為不同處理方式下的鋁合金表面形貌。機(jī)械打磨、噴砂方法是最常用的表面處理方法，通過(guò)控制砂紙、噴砂粒徑或目數(shù)來(lái)獲得不同的粗糙表面[39-40]。化學(xué)處理的目的通常有兩個(gè)：①對(duì)基底表面進(jìn)行脫脂預(yù)處理，使膠粘劑充分潤(rùn)濕，可采用丙酮、甲基乙基酮、汽油、NaOH稀釋液等化學(xué)試劑；②通過(guò)化學(xué)腐蝕改變表面形貌，可采用鹽酸、NaOH、硫酸/重鉻酸鈉等稀釋溶液對(duì)基底表面進(jìn)行浸蝕，清除表面因自然氧化而生成的不利于粘接的氧化層，并通過(guò)控制溶液濃度與浸蝕時(shí)間進(jìn)一步改變表面粗糙度與微觀紋理，提高粘接強(qiáng)度[41-43]。電化學(xué)表面處理方法可在金屬面形成多孔結(jié)構(gòu)的氧化膜，改善其潤(rùn)濕性，提高膠接性能，人們?cè)阡X合金膠接結(jié)構(gòu)的基底陽(yáng)極氧化研究中發(fā)現(xiàn)，磷酸陽(yáng)極氧化處理通常優(yōu)于硫酸陽(yáng)極化，更優(yōu)于鉻酸陽(yáng)極化[27, 44]。激光燒蝕常伴隨著物理和化學(xué)變化過(guò)程，可通過(guò)控制掃描速率、燒蝕時(shí)間、脈沖頻率、光斑尺寸等工藝參數(shù)，調(diào)整基底表面的燒蝕效果，形成納米級(jí)形貌特征的氧化膜，提高連接強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能[45-47]。等離子體處理通過(guò)電離的高活性等離子體高速撞擊材料表面，將活性等離子體的能量傳遞到材料表層，提高表面化學(xué)能，增強(qiáng)膠接界面的化學(xué)鍵合作用[48-50]。

(a)化學(xué)浸蝕表面[38] (b)激光刻蝕表面[35]

2.2.2膠接裝配

膠接裝配過(guò)程分為清洗、試裝、粘接、去余膠、固化、檢驗(yàn)等多道工序，主要涉及調(diào)膠工藝、涂膠(含裝配)工藝、固化工藝等，各工藝過(guò)程需嚴(yán)格控制才能達(dá)到理想效果[51-52]。航天產(chǎn)品的裝配以手工操作為主，粘接工藝通常包含以下要求：①膠接裝配操作需在超凈間內(nèi)進(jìn)行；②粘接前應(yīng)用120號(hào)航空汽油、丙酮或乙醇等清洗零件表面；③調(diào)制好的粘接膠液應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使用；④膠液需進(jìn)行抽真空排氣泡處理；⑤將膠液均勻適量地涂抹到零件表面；⑥控制固化環(huán)境的潔凈度、溫度和濕度。

調(diào)膠過(guò)程中，某些流動(dòng)性差的膠液會(huì)混入大量氣泡，若無(wú)法排出，則固化后容易造成粘接面缺陷，降低粘接強(qiáng)度與密封效果，因此必須采用有效方法進(jìn)行排氣處理，比如采用抽真空方法排氣，或用白熾燈加熱，邊烘烤邊攪拌，幫助排氣，但烘烤時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，避免提前固化。

涂膠(含裝配)過(guò)程中，除要求粘接表面的膠液涂抹均勻且薄厚適宜外，不同的膠接結(jié)構(gòu)形式還需采用不同的涂膠方式。例如，螺紋的防松膠接(圖 3a)只需將螺釘端頭的前3個(gè)螺紋涂一層常溫固化膠(膠液不可過(guò)多，避免流膠)，再將螺釘旋入螺紋孔；盲孔接頭的膠接(圖 3b)可用細(xì)竹簽蘸取少量膠液，將膠液慢慢導(dǎo)入盲孔，膠液要適量，以防止接頭插入盲孔時(shí)的膠液溢出；某傳感器疊片與箍環(huán)的膠接(圖 3c)需先在膠接表面用細(xì)毛筆均勻涂一層厚度約為0.01 mm的膠液，再將箍環(huán)(或襯套)水平放置，利用工裝將另一個(gè)裝配件與其對(duì)正并壓到底，不留縫隙。某些復(fù)雜精密部件的涂膠操作難度較大，常常需要借助顯微鏡等特殊儀器輔助操作。某航天儀表的“圓筒形”密封膠接結(jié)構(gòu)(圖 4)需要分兩次進(jìn)行膠接密封與固定，首先在外筒內(nèi)壁刷一層5 μm厚的膠液，利用工裝將內(nèi)筒與外筒固定膠接，再在內(nèi)外筒間的溝槽內(nèi)填充膠液，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的固定，該過(guò)程需嚴(yán)格控制涂膠的均勻性，避免膠層厚薄不均造成裝配零件位置的嚴(yán)重偏移。航天產(chǎn)品的膠接以手工操作為主，對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)依賴高，而且復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)的裝配難度大，一次裝配合格率低。

(a)螺紋防松 (b)盲孔接頭 (c)圓柱面

圖4 膠接結(jié)構(gòu)示意圖與顯微照片

固化過(guò)程中，促進(jìn)膠粘劑固化的方式很多，包括熱固化、濕氣固化、紫外線固化、無(wú)氧固化、加壓固化等不同方式。通常而言，時(shí)間、壓力和溫度是固化工藝的3個(gè)重要因素。航天器密封艙支座的膠接需要在50 kPa外壓作用下常溫固化240 h，為了提供垂直壓力，可將真空袋附罩在支座上方，通過(guò)抽真空方式施加垂直壓力，保證膠接質(zhì)量[53]。固化溫度的提高可以加速固化，但帶來(lái)的副作用是內(nèi)應(yīng)力較大，易造成玻璃等脆性被粘零件的破壞，還會(huì)因固化速率過(guò)大加劇膠接結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分布不均，進(jìn)而影響產(chǎn)品性能。某陀螺儀導(dǎo)電環(huán)的粘接垂直度要求不大于0.01 mm，而在膠接固化初期或儲(chǔ)存過(guò)程中，局部固化應(yīng)力及殘余應(yīng)力使得裝配尺寸精度降低，造成系統(tǒng)精度漂移，導(dǎo)致產(chǎn)品性能衰減[10, 54]。固化過(guò)程的理想狀態(tài)是零殘余應(yīng)力狀態(tài)，為減小膠粘劑殘余應(yīng)力對(duì)粘接結(jié)構(gòu)的影響，通?？刹捎梅植健⒎旨?jí)的固化方法，在不同溫度、壓力和時(shí)間下逐步固化。

航天產(chǎn)品的膠接裝配工藝工序多、難度大，工藝方法及參數(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要。對(duì)固化殘余應(yīng)力的有效控制直接影響精密產(chǎn)品的裝配質(zhì)量與性能，成為膠接裝配工藝技術(shù)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2.3 膠接力學(xué)性能

膠接力學(xué)性能主要包括靜/動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、疲勞與老化特性。靜態(tài)力學(xué)性能與疲勞老化特性是傳統(tǒng)膠接技術(shù)研究的主要內(nèi)容，也是膠接技術(shù)研究的基礎(chǔ)。本文的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與疲勞老化特性不同，是指振動(dòng)沖擊、溫度等外部載荷影響下的應(yīng)力松弛或蠕變等動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性，以及裝配結(jié)構(gòu)的黏彈性變形，該變形未發(fā)生或僅產(chǎn)生微小損傷。動(dòng)態(tài)力學(xué)性能隨膠粘劑的疲勞或老化而逐漸演變，隨著航天精密產(chǎn)品對(duì)性能穩(wěn)定性要求的不斷提高，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究也日益重要。

2.3.1膠接靜態(tài)強(qiáng)度

膠接結(jié)構(gòu)的基本靜態(tài)力學(xué)性能主要包括剪切、拉伸、剝離等強(qiáng)度性能[25,46,55]。圖 5所示為航天金屬及復(fù)合材料零組件的基本力學(xué)性能測(cè)試，其中，剪切強(qiáng)度是膠接性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)參數(shù)。

(a)航天用鋁合金膠接接頭剪切測(cè)試

除了表面形貌特征外，溫度、濕度、膠層厚度、膠接面積等均對(duì)膠接強(qiáng)度有重要影響。如圖 6所示，某航天用環(huán)氧樹脂粘接劑的最大膠接強(qiáng)度隨溫度變化而改變，一定溫度范圍內(nèi)的最大膠接強(qiáng)度較為穩(wěn)定，但隨著溫度繼續(xù)增大，最大膠接強(qiáng)度開始迅速下降，因此，為了避免失效風(fēng)險(xiǎn)，膠粘劑力學(xué)性能特征必須滿足膠接裝配產(chǎn)品使用環(huán)境的要求。BENEA等[56]研究了溫度和加載速率對(duì)高溫環(huán)氧膠粘劑拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)膠粘劑的拉伸應(yīng)力隨溫度的升高線性減小，隨著加載速率的提高呈對(duì)數(shù)增大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)及有限元分析等方法建立了膠接結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度與膠層厚度、長(zhǎng)度及面積的關(guān)系，為實(shí)際工程應(yīng)用中的膠接結(jié)構(gòu)選型提供了參考。夏美玲等[57]的研究表明，在一定范圍內(nèi)，膠接強(qiáng)度隨膠層厚度的增大先增大后減小，隨搭接長(zhǎng)度的增大呈非線性增大。CAMPILHO等[51]研究了膠層厚度對(duì)膠接接頭拉伸斷裂韌性的影響并評(píng)估了裂紋尖端開度，為膠接強(qiáng)度的預(yù)測(cè)提供了參考數(shù)據(jù)。刁常堃等[58]針對(duì)航天器密封艙光殼結(jié)構(gòu)的膠接強(qiáng)度進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，獲得了大弧度曲面膠接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

圖6 溫度對(duì)膠接強(qiáng)度影響曲線

2.3.2膠接動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

航天產(chǎn)品常常工作在復(fù)雜的振動(dòng)、沖擊、溫變等外部載荷環(huán)境，即使未發(fā)生或僅產(chǎn)生微小損傷，也會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力松弛或蠕變，由圖 7可以看出，同一膠粘劑在不同溫度與應(yīng)力加載速率v影響下可以表現(xiàn)出不同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，隨著加載速率的降低與溫度的升高，膠體的彈性模量減小。

圖7 溫度與加載速率對(duì)膠粘劑應(yīng)力應(yīng)變的影響[56]

圖8所示為航天高精密陀螺儀表的核心浮子組件，其質(zhì)心變化需要控制在0.5 nm之內(nèi)才可滿足儀表系統(tǒng)精度指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。該浮子組件主要采用螺紋連接和膠粘連接，其裝配連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響浮子質(zhì)心穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度指標(biāo)。裝配完成后或在服役過(guò)程中，由于膠粘裝配固化應(yīng)力以及工作過(guò)程的熱-力載荷變化的影響，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，質(zhì)心位置發(fā)生變化，從而產(chǎn)生干擾力矩，導(dǎo)致儀表系統(tǒng)精度指標(biāo)會(huì)不同程度地下降[24,59]。

圖8 陀螺儀浮子質(zhì)心偏移示意圖

相比于螺紋連接、焊接等高剛性連接，膠接裝配面臨的問(wèn)題更加復(fù)雜，膠接結(jié)構(gòu)的剛性較弱、蠕變較大，對(duì)振動(dòng)、沖擊、溫度等環(huán)境影響較為敏感，在外部環(huán)境與內(nèi)應(yīng)力作用下，膠接結(jié)構(gòu)的裝配精度會(huì)逐漸丟失，導(dǎo)致產(chǎn)品性能衰退。膠接裝配穩(wěn)定性已成為制約航天精密器件性能提升的重要問(wèn)題。劉明堯等[60]研究了膠粘劑黏彈性應(yīng)變對(duì)粘貼式光纖布拉格光柵應(yīng)變傳遞的影響規(guī)律，得出適當(dāng)増大粘貼長(zhǎng)度、減小粘貼中間層厚度可以減小膠體蠕變對(duì)應(yīng)變傳遞影響的結(jié)論，為光纖布拉格光柵的高精密測(cè)量提供了改進(jìn)方案。李凱等[61]研究了撓性微加速度計(jì)裝配中的膠層熱傳遞和蠕變效應(yīng)對(duì)加速度計(jì)溫度滯環(huán)的影響，該研究考慮了膠層厚度、溢出和傾斜等因素，為加速度計(jì)的裝配工藝優(yōu)化提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.3.3膠接疲勞與老化的影響因素

在精密機(jī)電產(chǎn)品的貯存或服役階段，內(nèi)部零部件之間的膠接結(jié)構(gòu)受各種極限環(huán)境因素的影響，加劇了膠接結(jié)構(gòu)的蠕變、疲勞以及膠粘劑材料的老化，使得膠粘連接性能下降，甚至發(fā)生裝配結(jié)構(gòu)失效與破壞，縮短服役周期。

STAZI等[62]在溫濕度變化與紫外線照射的條件下測(cè)試了膠接接頭的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)因素對(duì)接頭連接強(qiáng)度影響輕微，但對(duì)連接剛度影響明顯。COSTA等[3]研究了濕度對(duì)鋁膠接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著相對(duì)濕度的増大，鋁膠接接頭的疲勞強(qiáng)度明顯下降、壽命顯著縮短。LIU等[63]研究了濕熱效應(yīng)對(duì)環(huán)氧樹脂雙搭接剪切接頭力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)潮濕環(huán)境會(huì)引起彈性模量和拉伸強(qiáng)度明顯下降，且濕度較高時(shí)以膠體內(nèi)聚失效為主，溫度較高時(shí)以膠接界面失效為主。KORTA等[64]研究了濕熱循環(huán)對(duì)環(huán)氧樹脂粘接接頭抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)在無(wú)外力作用下，濕溫循環(huán)載荷會(huì)導(dǎo)致接頭脫粘，并確定了熱膨脹系數(shù)是影響異質(zhì)材料接頭性能的關(guān)鍵因素。

3 航天膠接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)航天產(chǎn)品特別是精密機(jī)電產(chǎn)品對(duì)高精度、高穩(wěn)定和高品質(zhì)的不斷追求，零部件加工精度顯著提高，裝配過(guò)程對(duì)進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能的作用則日趨重要，膠接裝配技術(shù)受到高度關(guān)注。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膠接理論與技術(shù)開展了大量研究，但主要針對(duì)靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度或疲勞/老化壽命，無(wú)法較好地解決航天精密器件的性能保持等難題。另外，航天產(chǎn)品膠接裝配目前仍以手工操作為主，這導(dǎo)致裝配效率低、質(zhì)量一致性差、產(chǎn)品合格率低等一系列問(wèn)題。因此，未來(lái)還需在膠接工藝及其動(dòng)態(tài)特性、先進(jìn)膠接裝備等方面開展深入研究。

3.1 膠接工藝參數(shù)的量化研究

航天工業(yè)大部分產(chǎn)品的膠接裝配仍以手工操作為主，表面質(zhì)量、涂膠量、膠層厚度等的控制主要憑借“感覺”調(diào)整，裝調(diào)水平取決于工人的經(jīng)驗(yàn)和技能，導(dǎo)致產(chǎn)品裝配質(zhì)量一致性差。膠接表面常以手工打磨方式進(jìn)行零件表面“粗糙化”，嚴(yán)重破壞了精加工尺寸精度，而且容易造成膠層厚薄不均，引起應(yīng)力分布不均。因此，細(xì)化工藝參數(shù)，建立不同基底材質(zhì)及膠粘劑下的表面形貌特征、膠層尺寸、固化溫度、固化時(shí)間等工藝變量與膠接性能的量化作用關(guān)系，可為工藝優(yōu)化提供理論支撐，并有力推進(jìn)膠接自動(dòng)化裝備的研制。

3.2 膠接動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究

現(xiàn)有研究側(cè)重于膠接結(jié)構(gòu)形成初期與膠體材料老化后期的靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能，較少研究膠接結(jié)構(gòu)在復(fù)雜服役工況環(huán)境下的連接性能時(shí)變規(guī)律。對(duì)于精度要求較高的航天精密機(jī)電產(chǎn)品，裝配精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是其關(guān)注的核心問(wèn)題，因此對(duì)膠接裝配進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究更具實(shí)際意義。精密機(jī)電產(chǎn)品的服役期通常由產(chǎn)品精度的穩(wěn)定期決定的。對(duì)于普通產(chǎn)品的膠接結(jié)構(gòu)，可通過(guò)開展膠接強(qiáng)度與失效模式的影響機(jī)理研究，預(yù)測(cè)可靠連接狀態(tài)的壽命，但航天精密機(jī)電產(chǎn)品主要關(guān)注的是膠接結(jié)構(gòu)失效前的性能演變規(guī)律及其穩(wěn)定性控制。對(duì)于高精度陀螺儀表、加速度計(jì)等機(jī)電產(chǎn)品在服役期內(nèi)的精度漂移等問(wèn)題，在工程上可通過(guò)建立控制策略進(jìn)行后期補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣呔?、延長(zhǎng)壽命。目前，對(duì)膠接性能演變規(guī)律的基礎(chǔ)研究不足，無(wú)法基于裝配結(jié)構(gòu)、材料特性、物理場(chǎng)環(huán)境等多參數(shù)耦合建立膠接裝配體穩(wěn)定性分析預(yù)測(cè)模型，導(dǎo)致無(wú)法提出有效的控制策略與補(bǔ)償方法。因此，開展膠接結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況耦合下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與裝配誤差演變規(guī)律的研究，可有效解決航天精密機(jī)電產(chǎn)品長(zhǎng)期存在的精度漂移、服役周期短等難題。

3.3 自動(dòng)化膠接裝配與檢測(cè)技術(shù)的研究

膠接結(jié)構(gòu)的不可拆卸導(dǎo)致某些隱蔽配合位置的裝配質(zhì)量難以直觀目視檢測(cè)，而工程實(shí)際中采用的隨爐膠棒試件的破壞性力學(xué)性能檢驗(yàn)只能對(duì)膠粘劑配制與固化效果進(jìn)行確認(rèn)，無(wú)法較好地檢測(cè)缺膠、氣泡、膠瘤等裝配缺陷。航天產(chǎn)品的膠接裝配過(guò)程中，調(diào)制、涂膠、裝配、固化等工藝流程較為復(fù)雜，難以保障裝配質(zhì)量的一致性與可靠性，造成產(chǎn)品合格率低、性能參差不齊。因此，自動(dòng)化精密膠接裝備的研制，以及射頻超聲、X射線檢測(cè)等無(wú)損、無(wú)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)膠接裝配質(zhì)量與航天產(chǎn)品性能的提高至關(guān)重要。