復(fù)合材料膠接技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

我國(guó)低空領(lǐng)域的開(kāi)放，為民用飛機(jī)提供了很大的發(fā)展空間，而研制新型高性能民用飛機(jī)也離不開(kāi)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)膠粘劑的使用，因此研制高性能耐久結(jié)構(gòu)膠粘劑也是一種新的挑戰(zhàn)。
本著“為減輕每一克質(zhì)量而奮斗”的理念，越來(lái)越多的高性能輕質(zhì)材料（復(fù)合材料）應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，而膠粘劑也因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)輕、連接效率高等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在逐漸成為飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中不可或缺的部分。
與各向同性的金屬材料相比，各向異性的復(fù)合材料經(jīng)過(guò)切割或機(jī)械加工時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷和弱化，其層間剪切變得更敏感。因此，膠接比機(jī)械連接更廣泛地應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料的連接設(shè)計(jì)中，特別對(duì)于單向的復(fù)合材料，不允許出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，膠接為高載荷提供了有效方法[1]。在高性能的航空復(fù)合材料制件的制造過(guò)程中，復(fù)合材料預(yù)固化后對(duì)制件進(jìn)行膠接裝配通常是必要的，通常采用熱固性膠膜對(duì)這些基材進(jìn)行二次膠接[2]。復(fù)合材料修補(bǔ)通常也可屬于膠接范圍。還有未固化的預(yù)浸料蒙皮采用膠膜與各種各樣的蜂窩進(jìn)行膠接，即共固化膠接[3]。

結(jié)構(gòu)膠粘劑

1 結(jié)構(gòu)膠粘劑的概念
結(jié)構(gòu)膠粘劑（簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)膠），按ASTM的定義是能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)，在使用環(huán)境中能承受相當(dāng)?shù)牧Γ⒕哂信c被粘物相匹配的強(qiáng)度和耐久的使用壽命[4]。結(jié)構(gòu)膠粘劑一般以熱固性樹(shù)脂為基料，以熱塑性樹(shù)脂或彈性體為增韌劑，配以固化劑等組成，有的還加有填料、溶劑、稀釋劑、偶連劑、固化促進(jìn)劑、抑制腐蝕劑和抗熱氧化劑等。結(jié)構(gòu)膠粘劑的特點(diǎn)在于不論用于什么粘接部位，均能承受一定的應(yīng)力，并具有較好的不均勻扯離強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。膠粘劑的粘接強(qiáng)度主要取決于膠粘劑本身的內(nèi)聚力及膠粘劑與被粘接材料之間的粘附力。
2 結(jié)構(gòu)膠粘劑的種類
結(jié)構(gòu)膠粘劑的品種繁多，從不同角度對(duì)膠粘劑有不同的分類。膠粘劑可按形態(tài)分為膜狀、帶狀、液狀、糊狀等；可按固化溫度分為中溫固化結(jié)構(gòu)膠、高溫固化結(jié)構(gòu)膠和室溫固化結(jié)構(gòu)膠；也可按化學(xué)成分分為改性環(huán)氧、改性酚醛、聚酰氬胺等；還可按使用特性分為板- 板膠、面板膠、芯條膠、發(fā)泡膠等。

內(nèi)容來(lái)自123456

復(fù)合材料膠接技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展

從20世紀(jì)80年代起，先進(jìn)復(fù)合材料已在在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，膠接結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用日益增多。A310全復(fù)合材料垂尾主接頭由外接頭、內(nèi)接頭和蒙皮及加強(qiáng)層共固化膠接在一起；波音737 平尾大梁是主要的承力件，采用的是T300/5208 材料，腹板由兩個(gè)預(yù)固化的槽形件背靠背的膠接在一起：Lear Fan 2100全復(fù)合材料小飛機(jī)，機(jī)身蒙皮與骨架、蒙皮與蒙皮之間采用的是膠接連接；Y7-200B腹鰭蒙皮與隔板是用T00/HD-03制成的全復(fù)合材料構(gòu)件，它的蒙皮和隔板是單獨(dú)制造的，采用J-47A膠粘劑膠接在一起；Y7-200A進(jìn)氣道采用碳－玻璃纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，唇口與進(jìn)氣道及上、下部之間采用AF163-2L.03膠膜膠接的；Y-7FC垂尾壁板蒙皮與“T”形長(zhǎng)桁之間采用AF163-2L.03 膠膜，用二次膠接進(jìn)行連接；DC-10垂尾墻的Л加筋與蒙皮采用J116膠膜膠接在一起，墻的Л加筋與腹板用膠液連接[5]。 123456

表1、表2分別列出幾種典型國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料膠粘劑及其基本性能。



結(jié)構(gòu)膠粘劑在某型號(hào)通用飛機(jī)上的應(yīng)用

本文以某型號(hào)5座單噴渦槳通用飛機(jī)為原型機(jī)，介紹一下結(jié)構(gòu)膠粘劑在原型機(jī)上的具體應(yīng)用。此款飛機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)除了機(jī)翼主起加強(qiáng)肋和一些連接結(jié)構(gòu)件為金屬材料外，其余全為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)主要采用碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。各零部件的連接方式以膠接為主。下面主要介紹一下結(jié)構(gòu)膠粘劑在此款飛機(jī)上的應(yīng)用部位。



（1）后機(jī)身內(nèi)有兩個(gè)加強(qiáng)框，由上下兩個(gè)碳纖維復(fù)合材料件與蒙皮及垂直安定面后梁膠接組成，垂直安定面內(nèi)部有一個(gè)翼梁，采用碳纖維復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，采用膠接與蒙皮連接，如圖1、圖2所示。

copyright 123456

（2）中機(jī)身與后機(jī)身采用膠接的方式進(jìn)行連接。
（3）復(fù)合材料翼肋與前緣翼肋均和翼梁用膠接方式連接，機(jī)翼蒙皮壁板采用碳纖維復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)，上下蒙皮和翼梁及翼肋之間均采用膠接方式連接，如圖3所示。



（4）襟翼由襟翼外形蒙皮和兩個(gè)端肋膠接而成，如圖4所示。


圖4 襟翼外形蒙皮與端肋的連接示意圖

（5）副翼由副翼外形蒙皮和兩個(gè)端肋膠接而成。
（6）水平安定面由上下蒙皮與翼梁采用二次膠接形成整體結(jié)構(gòu)，升降舵蒙皮采用碳纖維與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，端肋采用碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)件，梁、蒙皮和端肋采用二次膠接成一個(gè)整體，如圖5所示。 123456



（7）方向舵左右兩側(cè)蒙皮、加強(qiáng)盒采用二次膠接成一個(gè)整體。
（8）升降舵梁、蒙皮和端肋采用二次膠接成一個(gè)整體。
此款飛機(jī)主要使用的結(jié)膠粘劑有Henkel公司的EA9696、EA9360、EA9394產(chǎn)品，其中EA9696 主要用于芯材和蒙皮之間的粘接，EA9360主要用于復(fù)合材料件與復(fù)合材料件之間的粘接，EA9394主要是用于金屬材料與復(fù)合材料之間的粘接。
使用膠接結(jié)構(gòu)的必然性
飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關(guān)。在傳統(tǒng)飛機(jī)的制造過(guò)程中需要大量鉚釘將金屬板連接起來(lái)（一架小型飛機(jī)需要上萬(wàn)個(gè)鉚釘），現(xiàn)代復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)，若采用膠接代替鉚接，可使飛機(jī)質(zhì)量減輕20%、強(qiáng)度提高30%[6]，而減輕結(jié)構(gòu)重量對(duì)現(xiàn)代飛行器具有特殊重要的意義。
近年來(lái)隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用和發(fā)展，膠接技術(shù)作為復(fù)合材料制造的重要配套技術(shù)，也必將相輔相成隨之發(fā)展。某些小型公務(wù)機(jī)采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，而膠接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要的連接方法。膠接的主要特點(diǎn)：
（1） 膠粘劑與基體通常是同一種材料體系，因而能夠保證材料間的相容性；
（2） 膠接可以防止腐蝕，在連接的同時(shí)還可以形成密封，而且比堅(jiān)固件連接的接頭的重量輕；
（3） 膠接區(qū)域面積大，分布的應(yīng)力較小，且不需制孔，不會(huì)引起復(fù)合材料分層破壞，接頭的強(qiáng)度較高；
（4） 膠接不同于焊接受材料品種及厚度限制，而且不同材料間連接無(wú)電偶腐蝕，從而可以拓寬設(shè)計(jì)選材和降低成本；
（5） 膠接有阻止裂紋擴(kuò)展的作用，破損安全性好，疲勞壽命強(qiáng)；
（6）膠接能獲得光滑的氣動(dòng)外形。

近年來(lái)在國(guó)際大飛機(jī)項(xiàng)目研究中，膠粘劑的地垃舉足輕重，主要作用有：
（1）具有粘接飛機(jī)零部件的作用；
（2）具有良好的使用性能（如優(yōu)異的加工性能、良好的熱性能、優(yōu)良的粘接性能、低密度、抗老化性能優(yōu)異和環(huán)境定性好等）。因此，膠接結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)連接方式是一種必然趨勢(shì)，對(duì)提高產(chǎn)品性能、減輕結(jié)構(gòu)重量、簡(jiǎn)化制造工藝和降低費(fèi)用等具有明顯的作用[7]。 copyright 123456

復(fù)合材料膠接技術(shù)展望

優(yōu)良的航空結(jié)構(gòu)膠粘劑仍是21世紀(jì)制造先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)和民用飛機(jī)不可缺少的重要材料。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)外航空用結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用日趨廣泛，新一代復(fù)合材料飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展又對(duì)膠接技術(shù)提出了更高的要求：
（1） 發(fā)展復(fù)合材料膠接表面處理新技術(shù)。復(fù)合材料膠接表面處理現(xiàn)仍處于原始的技術(shù)水平，不能滿足復(fù)合材料高性能膠接的要求，國(guó)外正在試驗(yàn)的等離子噴涂、紫外線輻射、火焰處理等新技術(shù)距實(shí)際應(yīng)用尚遠(yuǎn)；
（2） 降低結(jié)構(gòu)膠粘劑的固化溫度、簡(jiǎn)化固化工藝。有些膠粘劑雖性能優(yōu)異，但存在著韌性差、固化溫度高、固化工藝繁瑣等缺點(diǎn)，而現(xiàn)在工藝技術(shù)趨于操作簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，因此需要研制中溫或低溫固化、性能優(yōu)異的膠粘劑體系；
（3） 提高復(fù)合材料膠接件的質(zhì)量檢測(cè)方法。我國(guó)現(xiàn)代的膠粘劑體系，在生產(chǎn)過(guò)程中存在著質(zhì)量穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，而復(fù)合材料件膠接固化完成后又存在著受檢測(cè)方法的制約，無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)出構(gòu)件膠縫的膠接質(zhì)量，因此需要建立相應(yīng)完善的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，并改進(jìn)無(wú)損檢測(cè)的方法。
（4） 隨著我國(guó)低空領(lǐng)域的開(kāi)放，民用公務(wù)機(jī)將成為未來(lái)航空領(lǐng)域的研制方向，因此復(fù)合材料膠粘劑體系不但要滿足各項(xiàng)工藝性能的要求，還要滿足適航當(dāng)局對(duì)膠接體系的要求。
隨著這些問(wèn)題的解決，我國(guó)復(fù)合材料膠接技術(shù)水平我國(guó)低空領(lǐng)域的開(kāi)放，為民用飛機(jī)提供了很大的發(fā)展空間，而研制新型高性能民用飛機(jī)也離不開(kāi)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)膠粘劑的使用，因此研制高性能耐久結(jié)構(gòu)膠粘劑也是一種新的挑戰(zhàn)。


參 考 文 獻(xiàn)
[1] Chabot KA , Bonk RB.Evaluation of adhesives and primers systemsfor adhering carbon /epoxy composites andmetals. In:25th international SAMPE technicalconference, 1993:338-352.
[2] Tillman MS , Hayes BS , Seferis JC. Influence of substrate adhesive resin
Compatibility on the fracture of composite bonds.In:46th international SAMPE symposium, 2001:8-19.
[3] 喬海濤，鄒賢武.復(fù)合材料膠接技術(shù)的研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2010 (2):11-14. 123,123
[4] 王致祿，趙穎，朱金華.宇航結(jié)構(gòu)膠的發(fā)展概況.化學(xué)與粘合，2009，31(1):53-56.
[5] 謝鳴九.復(fù)合材料連接手冊(cè).北京:航空工業(yè)出版社，1995.11.
[6] 李欣，張曉妮，徐曉沐.膠接結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料用于航空航天技術(shù)的發(fā)展.化學(xué)與粘合，2006，28(3):172-175.
[7] 段國(guó)晨，齊暑華，吳新明, 等.結(jié)構(gòu)膠在航空工業(yè)中的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展.中國(guó)膠粘劑，2009，18(9):52-56.（責(zé)編 小城）