聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)膠接工藝

房 怡 孔 靜 陳雪婷 馬 立 趙 琪

（1 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

（2 中國空間技術(shù)研究院宇航物資保障事業(yè)部，北京 100094）

0 引言

隨著航空航天器的飛速發(fā)展，對工程結(jié)構(gòu)，尤其是結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和功能產(chǎn)品的一體融合提出了迫切需求，需要結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，且兼具一定電、熱、信號處理等功能特性。聚酰亞胺因其具有質(zhì)輕、絕熱性好，耐水、阻燃和抗輻照性能好等優(yōu)點，逐漸獲得了空間航天飛行器材料工作者的青睞。聚酰亞胺泡沫作為隔熱或減震材料在X-33運(yùn)載器的低溫貯箱、天線罩透波材料、飛行器機(jī)身隔熱層材料成功應(yīng)用，同時為這類材料的更廣泛的應(yīng)用積累了經(jīng)驗、奠定了基礎(chǔ)［1-3］。近年來，載人航天、深空探測、高超聲速飛行器等航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展對熱防護(hù)系統(tǒng)及隔熱材料提出越來越多的應(yīng)用需求。如新一代載人飛船采用整體制造方案，返回艙重量需在試驗船上減重25%，返回艙結(jié)構(gòu)重量指標(biāo)≤1 400 kg；空間飛行器在軌服役及天地往返過程中面臨著復(fù)雜多變的高、低溫環(huán)境，外部需要使用大量的隔熱材料對其進(jìn)行熱防護(hù)。作為隔熱材料及組件使用的泡沫材料不僅需要具有較低的導(dǎo)熱性能，而且需要具有一定的力學(xué)承載性能，尤其隨著新型衛(wèi)星平臺的發(fā)展，聚酰亞胺泡沫隔熱材料被用作結(jié)構(gòu)與功能一體化結(jié)構(gòu)使用，可在使用過程中受力后不產(chǎn)生明顯變形并具有較好的尺寸穩(wěn)定性［4-5］。本文在這種需求背景下，新型超靜、超穩(wěn)衛(wèi)星平臺應(yīng)用高剛性、高耐溫性的高模量碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料作為星體主承力材料，在外表面與星本體之間采用聚酰亞胺泡沫作為隔熱層，使用與進(jìn)口硅橡膠耐溫性能相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)硅橡膠膠接制備泡沫夾層結(jié)構(gòu)，以滿足型號發(fā)展對材料的低熱導(dǎo)率和高尺寸穩(wěn)定性的需求。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

（1）膠黏劑：選用國產(chǎn)GD414、RTV-X 兩種膠黏劑進(jìn)行對比選型。

（2）碳纖維層合板：高模量纖維/氰酸酯樹脂復(fù)合材料層合板。

（3）聚酰亞胺泡沫：牌號BSPIF-S-7.5A，厚度40 mm，密度（7.5±0.5）kg/m3。

1.2 試件構(gòu)型

聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)型示意圖如圖1所示，上下均為碳纖維層合板，通過膠黏劑與40 mm 厚聚酰亞胺泡沫膠接成夾層結(jié)構(gòu)。

1.3 性能測試

（1）采用德國ZEISS SIGMA 型掃描電子顯微鏡觀察聚酰亞胺泡沫表面形貌；

（2）采用美國TA 公司的ARES-G2 流變儀測試膠黏劑30℃時粘度；

（3）參照GJB130.8—1986 標(biāo)準(zhǔn)在萬能力學(xué)試驗機(jī)上測定泡沫夾層結(jié)構(gòu)剝離性能，試樣尺寸為150 mm×40 mm×20 mm；

（4）參照GJB130.6—1986 標(biāo)準(zhǔn)在萬能力學(xué)試驗機(jī)上測定泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切性能，試樣尺寸為150 mm×50 mm×40 mm；

（5）參照GB/T8813—2008 標(biāo)準(zhǔn)在萬能力學(xué)試驗機(jī)上測定泡沫夾層結(jié)構(gòu)壓縮性能，試樣尺寸為50 mm×50 mm×40 mm；

（6）參照ASTM C297 標(biāo)準(zhǔn)在萬能力學(xué)試驗機(jī)上測定泡沫夾層結(jié)構(gòu)拉伸性能，試樣尺寸為50 mm×50 mm×40 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠黏劑對比選型

膠黏劑的種類選擇是決定聚酰亞胺泡沫材料膠接質(zhì)量的關(guān)鍵因素?？紤]聚酰亞胺泡沫為多孔結(jié)構(gòu)，本試驗選取型號中常用的兩種粘度較大且耐溫等級較高的硅橡膠（RTV-X，GD414）進(jìn)行對比分析。

2.1.1 力學(xué)性能對比

對比兩種膠黏劑力學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)，形成表1，硅橡膠類膠黏劑剪切強(qiáng)度大于泡沫力學(xué)性能指標(biāo)（剪切強(qiáng)度0.03 MPa、拉伸強(qiáng)度0.1 MPa），所以兩種膠黏劑性能均滿足聚酰亞胺泡沫膠接工藝。

表1 膠黏劑力學(xué)性能Tab.1 Properties of adhesive mechanical

2.1.2 耐溫性能對比

聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用的溫度環(huán)境較為嚴(yán)苛，因此膠黏劑使用溫度范圍需與環(huán)境溫度相適應(yīng)。表2 列出了長期使用經(jīng)驗過程中得出的兩種膠黏劑耐溫性能。從表2 中可以看出RTV-X 膠黏劑使用溫度包絡(luò)范圍大于GD414膠黏劑適用范圍。

表2 膠黏劑耐溫性能Tab.2 Adhesive temperature resistance

2.1.3 滲透性能對比

聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)膠接原理為膠黏劑在復(fù)合材料碳纖維層合板表面與泡沫表面的機(jī)械結(jié)合［6］。聚酰亞胺泡沫為多孔結(jié)構(gòu)，若膠黏劑粘度較大，不利于膠黏劑滲入泡沫孔洞形成良好的機(jī)械嵌合（圖2a）；若膠黏劑粘度較小，滲入泡沫過易被泡沫吸收（圖2b），且不利于后續(xù)工藝操作。如翻轉(zhuǎn)過程中易形成滴流，膠層厚度出現(xiàn)薄厚不均勻，影響膠接可靠性、穩(wěn)定性。因此選取適宜粘度的膠黏劑形成良好的機(jī)械結(jié)合是膠接質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素（圖2c）。

對兩種膠黏劑做滲透性涂覆，從圖3中可以看出RTV-X膠黏劑滲透性較好，可均勻浸潤在泡沫表面，而GD414膠黏劑與泡沫表面出現(xiàn)局部剝離脫落現(xiàn)象。

2.1.4 流變性能對比

對膠黏劑進(jìn)行黏度測試，圖4 為膠黏劑在30 ℃下的恒溫時間-黏度曲線。在1 h 左右，兩種硅橡膠類膠黏劑黏度適中，約為100 Pa·s，翻轉(zhuǎn)無滴流現(xiàn)象，適宜泡沫材料膠接，但在1 h 左右，兩種膠黏劑的粘度達(dá)到近500 Pa·s，已十分黏稠，不具有可操作性。從曲線圖中可以得出，1 h 以內(nèi)時，RTV-X 膠黏劑的黏度較之GD414 膠黏劑略低，粘接工藝可操作性比GD414膠黏劑略好。

2.1.5 90°剝離性能對比

采用泡沫小樣，制備的90°剝離試樣，對比RTVX 和GD414 膠黏劑性能數(shù)據(jù)，形成表3。對比表中數(shù)據(jù)可以看出，RTV-X 的膠接強(qiáng)度略高于GD414，破壞形式均為泡沫本身撕裂。從剝離試件結(jié)果看出硅橡膠膠黏劑均適用于泡沫夾層結(jié)構(gòu)膠接，結(jié)構(gòu)破壞形式均為泡沫自身破壞，而非膠層撕裂，證明膠黏劑膠接強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)要求。

表3 GD414和RTV-X膠接90°剝離性能Tab.3 90°peel properties of GD414 and RTV-X adhesives

綜合考慮膠黏劑力學(xué)性能，溫度適應(yīng)性及流變性能，兩種膠黏劑中RTV-X 膠黏劑耐高低溫范圍最廣，剝離性能高于泡沫自身性能，黏度適中且具有良好的工藝實施性，為現(xiàn)有可選膠黏劑中最適宜聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)膠接膠黏劑。

2.2 膠接方式確定

膠接方式是最重要的工藝要素，影響結(jié)構(gòu)膠接質(zhì)量和力學(xué)性能。傳統(tǒng)膠接有真空加壓和重物加壓兩種加壓方式，本文對比兩種加壓方式對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.1 加壓方式的選擇

崔志剛等人［7］針對聚酰亞胺泡沫正負(fù)壓處理進(jìn)行研究，得出結(jié)論，針對開孔型聚酰亞胺泡沫，負(fù)壓處理較正壓處理對泡沫力學(xué)性能損傷更大，實施工藝時，盡量避免負(fù)壓處理。

本文從加壓處理前后聚酰亞胺泡沫壓縮性能和微觀形貌兩個角度比較加壓方式對結(jié)構(gòu)的影響，表4列出了±6 kPa處理前后聚酰亞胺泡沫壓縮性能數(shù)據(jù)。

表4 真空加壓預(yù)處理前后的壓縮性能Tab.4 Compression performances before and after vacuum pressure pretreatment

真空加壓-6 kPa 后，聚酰亞胺泡沫的模量由0.08 MPa左右降低到0.043 MPa，剪切強(qiáng)度沒有大的變化。同時觀測到樣品在壓縮測試時有輕微的失穩(wěn)現(xiàn)象。而利用重物加壓6 kPa 后，聚酰亞胺泡沫的模量和強(qiáng)度均沒有大的變化，表明在泡沫彈性形變范圍內(nèi)，重物加壓對聚酰亞胺泡沫性能無顯著影響。

2.4 年齡對圍產(chǎn)兒死亡發(fā)生影響 圍產(chǎn)兒死亡的發(fā)生率，在經(jīng)產(chǎn)婦中隨年齡組的增高而增高， RR值更高。見表5。

由圖5 可知，泡孔截面呈多邊形結(jié)構(gòu)，泡孔主要由泡棱和很薄的泡壁構(gòu)成。真空加壓前后，各個部位的泡孔形態(tài)相似，尺寸較均勻，未觀察到顯著的差異。結(jié)合壓縮模量降低數(shù)據(jù)，推測聚酰亞胺泡沫真空加壓時，可能是快速的抽真空導(dǎo)致泡孔孔壁及骨架損傷，從而泡沫出現(xiàn)較低的壓縮模量（較大的變形量）。而重物加壓前后，各個部位的泡孔形態(tài)相似，尺寸較均勻，未觀察到顯著的差異。

2.2.2 加壓壓力的選擇

聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)固化過程中施加不同的壓力，之后對試件的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行測試，以選擇最合適的加壓壓力。經(jīng)過前期聚酰亞胺泡沫的加壓研究，發(fā)現(xiàn)大于6 kPa 的壓縮應(yīng)力會對泡沫的結(jié)構(gòu)造成非彈性形變破壞，影響最終產(chǎn)品的壓縮模量。因此膠接壓力應(yīng)小于6 kPa，避免聚酰亞胺泡沫在膠接實施過程中造成不可逆損傷。選取1～5 kPa 整數(shù)壓力，制作聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)拉伸試樣，測試結(jié)果見表5。經(jīng)過五種不同加壓壓力處理過的試樣破壞形式均為泡沫自身破壞，測得實際數(shù)值也為泡沫自身拉伸斷裂強(qiáng)度，因此可知壓力大于1 kPa 就可以保證結(jié)構(gòu)膠接強(qiáng)度，大于1 kPa 以上壓力大小對膠接性能無影響，聚酰亞胺屬軟質(zhì)多孔材料，膠接過程中應(yīng)采用盡可能小的壓力避免損傷泡沫。

表5 不同壓力加壓試件的拉伸性能Tab.5 Tensile properties of different pressure method

2.2.3 泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切性能

使用RTV-X 膠黏劑，正壓1 KPa 的膠接參數(shù)，制備的泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切試樣，測試過程如圖6所示。

表6為RTV-X膠接泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切性能測試結(jié)果，結(jié)合數(shù)據(jù)和圖6試樣破壞形式照片可以看出：泡沫破壞形式為自身破壞，試驗測試剪切強(qiáng)度為26.7 KPa，接近泡沫自身剪切強(qiáng)度，而膠黏劑剪切性能遠(yuǎn)大于泡沫自身力學(xué)性能，故使用RTV-X膠黏劑，正壓1 KPa的膠接參數(shù)即可滿足夾層結(jié)構(gòu)剪切性能要求。

表6 泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切性能測試Tab.6 Shearing properties of polyimide foam laminate structure

2.3 泡沫夾層結(jié)構(gòu)高低溫拉伸性能

對聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)試樣分別進(jìn)行室溫拉伸性能、-175 ℃低溫條件下的拉伸性能、+140 ℃高溫條件下的拉伸性能、及經(jīng)歷溫度為-180～145 ℃的300次熱沖擊后室溫拉伸性能的測試，考核溫度對膠接性能影響。

聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)低溫拉伸性能與常溫拉伸性能相比，拉伸彈性模量（取值范圍10～14 kPa）升高了29%，拉伸強(qiáng)度降低了23%。高溫拉伸性能與常溫拉伸性能相比，拉伸彈性模量（取值范圍10～14 kPa）降低了13%，拉伸強(qiáng)度降低了16%。聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)試樣溫度沖擊試驗后的室溫拉伸彈性模量變化不明顯，拉伸強(qiáng)度略有降低。由此得出，聚酰亞胺多孔泡沫骨架結(jié)構(gòu)具有低溫條件下硬化、高溫條件下變軟的趨勢，由于沒有明顯的界面結(jié)構(gòu)，高低溫溫度沖擊后拉伸性能變化不明顯。試樣經(jīng)逐漸檢驗，所有斷裂位置都在泡沫處，且高、低溫條件下沒有出現(xiàn)RTV-X硅橡膠脫粘或斷裂的情況。測試過程如圖8（a）所示，泡沫典型破壞形式如圖8（b）所示。

依據(jù)上述數(shù)據(jù)及破壞形式可以看出，以確定的膠接工藝參數(shù)制備的試樣常溫、高溫、低溫、高低溫沖擊后，拉伸試樣斷裂位置均為泡沫自身斷裂，證明在經(jīng)受溫度考核后，膠層膠接性能依舊遠(yuǎn)高于泡沫自身性能，膠接質(zhì)量良好，確定的膠接方式可靠性較高。

3 結(jié)論

本文立足于航天航空型號發(fā)展對聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料的迫切需求，對聚酰亞胺泡沫材料與碳纖維層合板之間適用的膠黏劑進(jìn)行材料選型與性能分析。在膠黏劑種類的選擇方面，通過膠黏劑力學(xué)性能、耐溫性能、流變性能、90°剝離性能分析與對比，確認(rèn)RTVX膠黏劑為最適宜的膠黏劑。其中，試驗結(jié)果總結(jié)如下：

（1）通過比較不同加壓形式及加壓值的聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)試驗的力學(xué)性能，總結(jié)出聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)最優(yōu)加壓形式為重物加壓，在保證泡沫不被壓潰（壓力小于6 kPa）的前提下，膠接壓力盡可能小，最終驗證膠接壓力大于1 kPa 即可滿足泡沫膠接壓力需求。

（2）利用本文工藝參數(shù)所制聚酰亞胺泡沫夾層結(jié)構(gòu)試樣，經(jīng)歷-175、+140及-180～145 ℃300次高低溫沖擊后，試樣膠層膠接性能可靠，滿足深空探測和其他臨近空間型號任務(wù)適用需求。