陶瓷透波材料的特性及粘接強(qiáng)度影響研究

王響　張慶利　王艷艷　王洪升　唐建新

摘 要：陶瓷透波材料除了具備無(wú)機(jī)材料的表面特性外，還具有滿(mǎn)足介電性能的材料密度和孔隙率。陶瓷透波材料特點(diǎn)決定了材料粘接需要進(jìn)行測(cè)試和分析。進(jìn)行了陶瓷透波材料的粘接試驗(yàn)，從陶瓷透波材料方面分析了影響粘接強(qiáng)度的因素，進(jìn)行了石英陶瓷（QC）、石英纖維復(fù)合陶瓷材料（QFC）、氮化硅陶瓷（SNC）的粘接強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了陶瓷透波材料結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、表面粗糙度和表面孔隙對(duì)粘接強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：硅橡膠膠粘劑對(duì)幾種陶瓷材料的粘接強(qiáng)度差別在5%～10%，而環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的粘接強(qiáng)度大于陶瓷透波材料的強(qiáng)度，出現(xiàn)被粘物破壞情況。

關(guān)鍵詞：粘接試驗(yàn)；陶瓷透波材料；膠粘劑

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ433.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）06-0007-03

Characteristics and adhesive strength study of wave permeable materials for ceramic antenna hoods

WANG Xiang1，ZHANG Qingli2，WANG Yanyan1，WANG Hongsheng1，TANG Jianxin1

（1.Shandong Industrial Ceramic Research and Design Institute Co.，Ltd.，Zibo 255000，Shandong China；2.Engineer Military Representative Office of PLA Air Force Equipment Department in Jinan Region，Jinan 250023，China）

Abstract：In addition to the surface properties of inorganic materials，ceramic permeable materials also possess the density and porosity of dielectric materials. The characteristics of ceramic permeable materials determine the need for testing and analysis of material bonding.Adhesive testing of ceramic permeable materials was conducted，and the factors affecting the adhesive strength of the permeable material were analyzed.Mainly，adhesive strength tests of quartz ceramic （QC），quartz fiber ceramic （QFC），and silicon nitride ceramic （SNC） were performed to analyze the influence of the structure，strength，surface roughness，and surface pores of ceramic materials on the adhesive strength.Results show that the adhesive strength difference of silicone rubber adhesive for ceramic materials is between 5%-10%;however，the adhesive bond strength of epoxy resin is greater than that of ceramic material，when the matrix failure occurs.

Key words：adhesive testing;ceramic permeable materials;adhesive

針對(duì)某bipod柔性支撐式次鏡組件，分析了膠縮對(duì)面形的影響，并針對(duì)真空放氣試驗(yàn)后的面形下降問(wèn)題，采用消應(yīng)力與熱浸泡相結(jié)合的方式有效解決了面形下降的問(wèn)題［1］。研究了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣復(fù)合材料損傷深度為0.5 mm的粘接修復(fù)典型試驗(yàn)件在不同溫度下的熱振綜合性能，綜合考核了溫度、振動(dòng)、受力方向等參數(shù)對(duì)復(fù)合材料粘接修補(bǔ)件的影響［2］；進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)多層橡膠粘接結(jié)構(gòu)超聲波圖像缺陷識(shí)別的研究［3］；為提升直升機(jī)槳葉包片粘接質(zhì)量，開(kāi)展激光毛化技術(shù)在不同材料包片粘接前表面處理工藝中的有效性研究［4］。采用不同的粘接體系對(duì)自粘樹(shù)脂水泥膠結(jié)的纖維增強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂樁進(jìn)行粘接強(qiáng)度評(píng)價(jià)［5］；采用3D打印托盤(pán)對(duì)瓷貼面進(jìn)行可預(yù)測(cè)的三維導(dǎo)向粘接［6］；采用強(qiáng)脈沖光表面處理改善鋁與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（ CFRP ）的粘接性能［7］。

研究主要采用幾種常用的陶瓷透波材料，以陶瓷組件的裝配為應(yīng)用背景，進(jìn)行了石英陶瓷（QC）、石英纖維陶瓷材料（QFC）、氮化硅陶瓷材料（SNC）的粘接強(qiáng)度研究，從陶瓷透波材料方面分析了影響粘接強(qiáng)度的因素。

1 試驗(yàn)方案

本研究以壓縮剪切強(qiáng)度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓剪強(qiáng)度）為主要指標(biāo)測(cè)試粘接件的粘接強(qiáng)度，將粘接破壞載荷在粘接面上的分布視為均勻分布，采用單位面積上的載荷作為壓剪強(qiáng)度，計(jì)算公式：

式中：δ為壓剪強(qiáng)度，MPa；F為破壞載荷，N；S為粘接面積，mm2；L為粘接寬度，mm；H為粘接高度，mm。

將陶瓷透波材料和的金屬連接件（銦鋼材料）加工成試樣，制備單搭接接頭樣件，尺寸如圖1所示。

在研究的試驗(yàn)中，陶瓷透波材料采用乙酸乙酯表面除油；金屬材料采用噴砂粗化處理。粘接件膠層厚度為0.2～0.3 mm。

主要試驗(yàn)材料和設(shè)備為：J-1硅橡膠膠粘劑和J-2環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑，黑龍江省科學(xué)院石油化工研究所；電子拉力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南聯(lián)工；表面粗糙度儀，時(shí)代TR150；AE200電子天平，美國(guó)Mettler。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中采用金屬-金屬粘接試樣作為對(duì)照組，試樣結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，J-1硅橡膠膠粘劑對(duì)于3種陶瓷材料的粘接強(qiáng)度大小有著0.5～1.0 MPa的差異，壓剪強(qiáng)度大小依次為SNC、QC、QFC。QC和QFC此2種陶瓷試塊壓剪破壞界面為界面破壞。SNC粘接陶瓷材料的壓剪強(qiáng)度與對(duì)金屬粘接強(qiáng)度基本一致，界面破壞均為膠層內(nèi)聚性破壞。J-2環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑對(duì)3種陶瓷透波材料的壓剪強(qiáng)度處于11～14 MPa，約為金屬-金屬粘接強(qiáng)度的50%。

2.2 影響因素分析

2.2.1 表面微觀結(jié)構(gòu)的影響

QC材料和SNC材料均為顆粒堆積結(jié)構(gòu)，具有一定的孔隙率，孔隙率的大小與原材料粉體顆粒大小、成型工藝和燒結(jié)溫度等因素有關(guān)。QFC材料也會(huì)在復(fù)合工藝過(guò)程中產(chǎn)生一定的氣孔率。材料孔隙率分為顯氣孔率和閉氣孔率，對(duì)于粘接過(guò)程而言，顯氣孔率對(duì)膠體與陶瓷表面界面產(chǎn)生明顯影響。試驗(yàn)中的QC、QFC和SNC材料的顯氣孔率如表1所示。

對(duì)于粘接面的孔隙，如果膠體能夠在孔內(nèi)表面充分浸潤(rùn)接觸，形成“鉚釘”結(jié)構(gòu)物理連接，則有利于提高粘接強(qiáng)度；如果膠體無(wú)法對(duì)孔隙充分浸潤(rùn)填充，則會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，不僅造成實(shí)際粘接面積的減少，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低粘接強(qiáng)度，如圖3所示。

將粘接破壞后的QC和SNC試塊切開(kāi)，對(duì)陶瓷透波材料的剖面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)膠體會(huì)在陶瓷透波材料表面形成一定深度的滲透層。粘接件的界面結(jié)構(gòu)形成金屬件-膠層-滲透層-陶瓷材料的界面結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示。

材料顯氣孔率差異會(huì)導(dǎo)致膠粘劑在陶瓷表面的滲透深度形成明顯差異。氣孔率更高的材料，表面膠層滲透深度明顯更大，SNC表面滲透深度約為0.2 mm，QC表面滲透深度為0.1 mm，如圖5所示。SNC材料與QC材料膠體滲透深度與顯氣孔率表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

由于QFC材料具有纖維與陶瓷材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)，在表面容易出現(xiàn)纖維與陶瓷基體2種不同的界面結(jié)構(gòu)，造成粘接的不均勻性。QC與SNC等均質(zhì)材料相比，纖維的空間結(jié)構(gòu)使復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)具有先天性的不均勻度，是石英纖維復(fù)合材料試樣粘接強(qiáng)度較低的原因。

QFC材料表面形貌如圖6所示。

從圖6可以看出，QFC材料表面顯現(xiàn)出纖維交織的結(jié)構(gòu)，表面微觀結(jié)構(gòu)的形貌差異很大。

2.2.2 表面粗糙度的影響

材料表面粗糙度大，一方面可以使膠體與陶瓷表面產(chǎn)生交錯(cuò)界面結(jié)構(gòu)；另一方面從微觀結(jié)構(gòu)上增加了實(shí)際粘接面積，所以粗糙的表面可以獲得較好的粘接效果。在試塊表面上取A、B、C、D這4個(gè)點(diǎn)，測(cè)試粗糙度表征3種透波材料的表面狀態(tài)，測(cè)試點(diǎn)位及粗糙度測(cè)試儀探針運(yùn)動(dòng)方向如圖7所示，測(cè)試中取樣長(zhǎng)度λc=（2.5×5）mm。

3種陶瓷透波材料的粗糙度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，QFC試樣表面雖然具有最大的粗糙度，但是離散系數(shù)同樣最大，說(shuō)明材料不同部位表面有較大差異。材料表面與膠體粘接面具有明顯的不均勻性，造成很難獲得較高的粘接強(qiáng)度。QC和SNC作為均質(zhì)陶瓷材料，材料表面粗糙度低，但是離散系數(shù)小，表面粗糙度具有良好的均勻性。SNC表面粗糙度比QC大約0.2～0.4 um，意味著粘接件更容易獲得理想的粘接效果。

2.2.3 透波材料強(qiáng)度的影響

在J-2膠粘劑的試驗(yàn)中，陶瓷透波材料粘接強(qiáng)度約為金屬對(duì)照組的50%，試塊界面破壞發(fā)生在被粘材料上，粘接試塊壓剪破壞情況如圖8所示。

由圖8可以看出，QC試樣破壞狀態(tài)未界面破壞和材料破壞的混合型，QFC為復(fù)合材料表面纖維剝離造成的界面破壞，SNC試塊則出現(xiàn)破碎性的破壞。

QC、QFC和SNC材料的彎曲強(qiáng)度分別為52 、81和78 MPa；而J-2膠體彎曲強(qiáng)度為87 MPa，說(shuō)明被粘物破壞的主要原因?yàn)槟z體強(qiáng)度大于陶瓷透波材料強(qiáng)度，環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑對(duì)陶瓷透波材料具有良好的粘接效果。

3 結(jié)語(yǔ)

陶瓷透波材料的種類(lèi)是影響粘接強(qiáng)度的重要因素。陶瓷透波材料自身材料強(qiáng)度、表面粗糙度和表面顯氣孔率等性能是影響粘接件強(qiáng)度的重要因素，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1］武永見(jiàn)，劉涌，孫欣. 柔性支撐式空間反射鏡膠接應(yīng)力分析與消除[J]. 紅外與激光工程，2022，51（4）：336-340.

[2］彭中亞，何大智，姚改成，等. 某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣復(fù)合材料粘接修復(fù)后熱振綜合性能研究[J]. 航空維修與工程，2022（2）：68-71.

[3］杜輝，葉志宏. 發(fā)動(dòng)機(jī)多層橡膠粘接結(jié)構(gòu)超聲波圖像缺陷識(shí)別[J]. 粘接，2021，45（1）：187-191.

[4］王朝琳，宋斌，劉娟，等. 直升機(jī)槳葉包片粘接前激光毛化處理的有效性研究[J]. 電鍍與精飾，2021，43（12）：29-33.

[5］LEE Y，KIM J，SHIN Y.Push-out bond strength evaluation of fiber-reinforced composite resin post cemented with self-adhesive resin cement using different adhesive bonding systems[J]. Materials （Basel，Switzerland），2021，14（13）：36-39.

[6］SILUA B P，MAHN A G，MAHN E.Predictable 3D guided adhesive bonding of porcelain veneers using 3D printed trays[J]. Journal of esthetic and restorative dentistry，2021，33（5）：692-701.

[7］王秀峰.潮濕環(huán)境下建筑密封膠長(zhǎng)周期粘接性能測(cè)試研究[J].粘接，2023，50（2）：31-35.

[8］李斯文，李施施，王艷紅，等.不同表面處理方法對(duì)氧化鋯陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和粘接強(qiáng)度影響的研究[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，2017，35（1）：43-50.

[9］鐘恬，胡道勇，江燕，等.5種表面處理對(duì)氧化鋯瓷與自粘接樹(shù)脂水門(mén)汀間粘接強(qiáng)度的影響[J].實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志，2013，29（1）：31-35.

[10］陳亞琴，周峰，駱小平，等.不同樹(shù)脂粘接劑對(duì)纖維樁核微滲漏的影響[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，2011，29（5）：461-463.

[11］汪凌燕. 天然橡膠與金屬熱硫化膠接機(jī)理及工藝參數(shù)優(yōu)化研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[12］高升平，鄭桂富.EVA熱熔膠性能影響因素的研究[J].化學(xué)工程師，2008（5）：4-5.

[13］劉錦春，姜尚奇，陳忠海，等.橡膠與金屬粘接性能的影響因素[J].粘接，2003（5）：10-12.

[14］胡生祥，曹興園，屈雪艷.環(huán)氧膠粘劑粘接接頭拉伸剪切疲勞性能的研究[J].粘接，2022，49（11）：1-5.

[15］尹華麗，王清和.界面粘接性能的影響因素[J].固體火箭技術(shù)，1998（3）：42-48.

收稿日期：2022-08-09；修回日期：2023-04-03

作者簡(jiǎn)介：王 響（1988-），男，碩士，工程師，主要從事陶瓷材料方面研究;E-mail：1334743653@qq.com。

引文格式：王 響，張慶利，王艷艷，等.陶瓷透波材料的特性及粘接強(qiáng)度影響研究[J].粘接，2023，50（6）：7-9.