袁協(xié)堯，王欣晶，見雪珍，楊 洋，陳 潔，劉衛(wèi)平

（中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436）

操作環(huán)境濕度對(duì)FM73M膠膜性能的影響

袁協(xié)堯，王欣晶，見雪珍，楊 洋，陳 潔，劉衛(wèi)平*

（中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436）

通過人工控制施工區(qū)域濕度的方法，來研究FM73M膠膜和BR127底膠在相對(duì)濕度達(dá)到70%情況下的強(qiáng)度表現(xiàn)，并在此環(huán)境下將膠膜暴露不同的時(shí)間來觀察暴露時(shí)間對(duì)膠接性能的影響。對(duì)膠接測(cè)試試樣進(jìn)行滾筒剝離、拉伸搭接剪切和楔形抗裂紋擴(kuò)展測(cè)試，結(jié)果表明，所有試樣的測(cè)試結(jié)果均符合工藝規(guī)范的要求。將操作間的相對(duì)濕度上限提升至70%時(shí)，F(xiàn)M73M膠膜和BR127膠黏劑所提供的膠接強(qiáng)度依然能夠滿足工藝規(guī)范的要求，與此同時(shí)，將相關(guān)工藝規(guī)范中的濕度要求予以更改。

FM73M膠膜；相對(duì)濕度；鋁合金

前言

鋁合金膠接結(jié)構(gòu)在航空工業(yè)中已經(jīng)得到了極其廣泛的應(yīng)用。比如，一架波音747中，累計(jì)的膠接面積達(dá)到3700m2以上，其中絕大多數(shù)都是鋁合金的膠接[1]。隨著航空制造技術(shù)的發(fā)展，膠接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越全面，與早期的飛機(jī)制造技術(shù)相比，70%～75%的鉚接結(jié)構(gòu)都可以用膠接來代替。與鉚接相比，膠接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞面積更大，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和破壞，疲勞壽命也明顯高于鉚接結(jié)構(gòu)。更重要的是，膠接組件的質(zhì)量要明顯低于鉚接結(jié)構(gòu)，這在運(yùn)行成本控制極端苛刻的情況下顯得十分重要。

膠接結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，離不開環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠黏劑[1]的發(fā)展。該類型的膠黏劑具有的高強(qiáng)度、高耐久性、較寬的使用溫度范圍和對(duì)環(huán)境因素的高容忍度，使得其幾乎成為航空結(jié)構(gòu)膠黏劑的唯一選擇[2]。

在國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的制造過程中，同樣大量采用了鋁合金膠接結(jié)構(gòu)。由于部分地區(qū)氣候的原因，膠接車間常出現(xiàn)環(huán)境溫濕度超過相關(guān)工藝規(guī)范要求的情況。這些工藝規(guī)范形成于20世紀(jì)80年代，針對(duì)相同時(shí)期的航空材料。隨著航空材料的發(fā)展，原有的工藝規(guī)范在現(xiàn)今的材料性能下顯得十分保守，在制造過程中，原有的工藝規(guī)范會(huì)大大制約航材的優(yōu)越性，因此需要對(duì)原工藝規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，使之適用于最新的飛機(jī)制造工藝。

某型飛機(jī)在制造機(jī)翼下壁板、RAT艙門等結(jié)構(gòu)件時(shí)，也使用了鋁合金膠接技術(shù)。這些結(jié)構(gòu)膠接中，使用的膠黏劑為中溫固化改性環(huán)氧/丁腈膠黏劑，最常使用的牌號(hào)為FM73M[3]，由美國(guó)Cytec公司生產(chǎn)，配以耐腐蝕底膠BR127使用。隨著膠黏劑技術(shù)的發(fā)展，膠膜的操作性能也在逐漸改善。原有的工藝規(guī)范中，規(guī)定此型膠膜和底膠的施工溫度范圍為18～29℃，濕度范圍為25%～60%。然而，在膠黏劑施工的大型凈化間內(nèi)，濕度要達(dá)到精確的控制是十分困難的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，凈化間內(nèi)濕度超過60%的情況常有發(fā)生。若按照原有工藝規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，濕度超過60%時(shí)需停工，正在施工的零件需去除膠膜重新噴涂底膠。實(shí)際上，該型膠膜和底膠同樣適用于波音飛機(jī)制造中的金屬膠接，而波音公司最新的工藝規(guī)范中，此型膠黏劑的施工濕度上限為70%。由此可見，若嚴(yán)格按照原有的工藝規(guī)范進(jìn)行膠接操作會(huì)給實(shí)際生產(chǎn)帶來極大的不便。參照波音的工藝規(guī)范，對(duì)原規(guī)范中濕度上限的修改是有據(jù)可依的。因此，可以通過相關(guān)的工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，來評(píng)估提升原規(guī)范中施工濕度上限的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

7075T6裸鋁，包含厚度分別為0.5mm和1.6mm的兩種，美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)；7075 T6包鋁，厚度為3.2mm，美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)；FM73M膠膜，美國(guó)Cytec公司生產(chǎn)；防腐蝕底膠BR127，美國(guó)Cytec公司生產(chǎn)。金屬鋁蜂窩PAA-CORE3/16-5052-0.0010N-3.1，美國(guó)Hexcel公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

熱壓罐，溫度均勻性：±5℃；溫度范圍：室溫～250℃；最大壓力：1.2MPa。

烘箱，溫度均勻性：±5℃；溫度范圍：室溫～250℃

1.3 測(cè)試設(shè)備

環(huán)境箱，溫度范圍：-70～150℃；相對(duì)濕度范圍：20%～98%。

電子材料萬能試驗(yàn)機(jī)，Instron 4467。

2 試驗(yàn)方法

2.1 鋁合金加工

分別加工出254mm×280mm×0.5mm、7075 T6包鋁板4塊，280mm×305mm×0.5mm、7075 T6包鋁板4塊，76mm×152mm×1.6mm、7075 T6包鋁板8塊，152mm×152mm×3.2mm、7075 T6裸鋁8塊。

2.2 鋁蜂窩加工

將PAA-CORE3/16-5052-0.0010N-3.1加工出4塊，面積均為254mm×280mm，控制蜂窩縱向與254mm邊緣平行。

2.3 膠膜加工

加工出280mm×300mm的膠膜8塊，15mm× 160mm膠膜4塊，160mm×135mm膠膜4塊。

2.4 鋁合金表面處理

所有的鋁合金在膠接前都需要進(jìn)行表面處理。處理之前的鋁合金表面較為光滑，膠接強(qiáng)度較低。磷酸陽極化處理后，能在鋁合金表面形成粗糙的表面。這種表面除了接觸面積比原表面增大許多，更重要的是這些表面在顯微鏡中顯示為大量的倒刺型結(jié)構(gòu)，膠接完成后，這些倒刺型結(jié)構(gòu)被包覆在膠膜中，形成一種類似于機(jī)械連接的效果[2]，大大增強(qiáng)了膠接的強(qiáng)度。本次試驗(yàn)中，采用磷酸陽極化的方法，對(duì)所有的鋁合金表面進(jìn)行蝕刻。室溫條件下，在濃度合適的磷酸槽液中處理20～25min。磷酸陽極化后再先后經(jīng)過堿液和溫水的洗滌，干燥后達(dá)到可涂底膠狀態(tài)。

2.5 膠膜預(yù)處理

為了研究高濕度環(huán)境下濕度對(duì)膠膜性能的影響，將膠膜在高濕度環(huán)境下暴露一段時(shí)間后再進(jìn)行鋪貼操作。暴露操作在環(huán)境箱中完成。設(shè)置環(huán)境箱的溫度26±3℃，相對(duì)濕度則設(shè)定為70%，控制濕度上限為80%，下限為65%。環(huán)境箱在開箱、加水等操作后會(huì)有約0.5～1h的不穩(wěn)定期，其他時(shí)間能滿足要求。與此同時(shí)，為了研究在高濕環(huán)境下暴露時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)膠膜性能的影響，將膠膜分為三批次，分別在同一環(huán)境箱中暴露24h、72h和120h。本研究還同時(shí)完成了空白對(duì)比試驗(yàn)，即使用未經(jīng)暴露處理的膠膜制成相同的試件參與強(qiáng)度測(cè)試。

2.6 底膠噴涂

表面干燥以后在24h以內(nèi)涂上防腐蝕底膠，底膠噴涂工作需要在凈化間內(nèi)的噴膠房完成。噴涂時(shí)，調(diào)整環(huán)境溫度18～29℃，相對(duì)濕度為60%～70%。底膠需要在經(jīng)過驗(yàn)證并確認(rèn)合格的干燥箱內(nèi)干燥。干燥后還需對(duì)底膠進(jìn)行測(cè)厚，確保底膠厚度在可接收的范圍之內(nèi)。底膠干燥后的零件在牛皮紙包裹的情況下可在凈化間中放置，一年內(nèi)均為有效狀態(tài)。在空白對(duì)比試驗(yàn)中，設(shè)置底膠噴涂間環(huán)境溫度18～29℃，相對(duì)濕度為25%～60%。

2.7 膠膜施工

將處理好的膠膜鋪貼在相對(duì)應(yīng)的試板上，最終將鋪貼出滾筒剝離試件、搭接剪切試件和抗裂紋擴(kuò)展試件，每種試件均有三塊，分別對(duì)應(yīng)膠膜處理24h、72h和120h。在施工過程中，設(shè)置環(huán)境溫度18～29℃，相對(duì)濕度為25%～60%。

2.8 封裝和固化

鋪貼完成后的零件按圖1封裝制袋，制袋過程中，應(yīng)在膠接夾具和組件之間及在組件和吸膠布之間放一層隔離膜或布以防夾具和組件污染。

圖1 典型真空袋封裝圖Fig.1 The typical vacuum bag packaging

試件的固化在熱壓罐中進(jìn)行，控制固化溫度為107.2～132.2℃；升溫速率0.6～3.7℃/min；固化壓力為0.097～0.345MPa；固化時(shí)間為90～200min。記錄固化階段所有的工藝參數(shù)。

固化完成后的試件如圖2至圖4所示。

圖2 滾筒剝離試件Fig.2 The test specimen for the climbing drum peeling test

圖3 搭接剪切試件Fig.3 The test specimen for the tensile lap shear test

圖4 抗裂紋擴(kuò)展試件Fig.4 The test specimen for the wedge crack test

2.9 試件的檢測(cè)

對(duì)試件進(jìn)行100%面積的超聲C掃描無損檢測(cè)，并對(duì)滾筒剝離試件進(jìn)行射線照相檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果合格后方可進(jìn)行下一步操作，否則重新制造試件。

2.10 試件的機(jī)械加工

按照相應(yīng)的規(guī)范將各試件加工出若干個(gè)測(cè)試試樣，每個(gè)試樣都按照相應(yīng)的編號(hào)標(biāo)記好。其中每個(gè)滾筒剝離試件、拉伸搭接剪切試件、抗裂紋擴(kuò)展試件分別能切割出3、5、5個(gè)測(cè)試試樣。

2.11 測(cè)試分析

分別按照ASTMD1781進(jìn)行滾筒剝離測(cè)試，按照ASTMD1002進(jìn)行拉伸搭接剪切測(cè)試，按照ASTM D3762進(jìn)行抗裂紋擴(kuò)展測(cè)試[4]。

3 結(jié)果與分析

依據(jù)相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，所有測(cè)試結(jié)果如表1至表3所示。

表1 拉伸搭接剪切測(cè)試結(jié)果Table 1 The test results of tensile lap shear

表2 滾筒剝離測(cè)試結(jié)果Table 2 The test results of climbing drum peeling

表3 楔形抗裂紋擴(kuò)展測(cè)試結(jié)果Table 3 The tests results of wedge crack

以上試樣編號(hào)中M0意指膠膜未經(jīng)任何額外處理制成的試件，即空白對(duì)比試塊，M1、M2、M3分別指在環(huán)境箱中處理24h、72h和120h膠膜制成的試件；D、G、L則分別指拉伸搭接剪切試件、滾筒剝離試件和抗裂紋擴(kuò)展試件；最后的數(shù)字則表示由同一塊試件上切割下來的無差別測(cè)試試樣。

根據(jù)相關(guān)工藝規(guī)范規(guī)定，該型膠黏劑的滾筒剝離強(qiáng)度接收標(biāo)準(zhǔn)為57.85mN/m（最低值），或者表現(xiàn)為75%以上的芯層破壞（最低值），該型測(cè)試至少需評(píng)估2個(gè)試樣；拉伸搭接剪切強(qiáng)度為28MPa（最低值），至少需評(píng)估2個(gè)試樣；抗裂紋擴(kuò)展測(cè)試的接收標(biāo)準(zhǔn)為100%的膠層破壞，至少需評(píng)估5個(gè)試樣。在本實(shí)驗(yàn)中，滾筒剝離、拉伸搭接剪切和抗裂紋擴(kuò)展分別制造了3個(gè)、5個(gè)和5個(gè)試樣，滿足相關(guān)工藝規(guī)范中對(duì)試樣數(shù)量的要求。

由表2可以得知，在滾筒剝離測(cè)試中，所有的試樣都表現(xiàn)為100%的芯層斷裂，超過相關(guān)工藝規(guī)范規(guī)定。100%的芯層斷裂說明膠膜的強(qiáng)度大于蜂窩芯的強(qiáng)度[5]，即膠接的強(qiáng)度已經(jīng)大于芯材的強(qiáng)度，在外加應(yīng)力的情況下，蜂窩芯首先被破壞，這也從側(cè)面體現(xiàn)了膠黏劑是滿足膠接要求的。

由表1可以算得，暴露24h、72h和120h后，膠膜的平均單搭接剪切強(qiáng)度分別降低5.2%、7.6%和12.1%，說明長(zhǎng)時(shí)間在高濕度環(huán)境下的暴露的確會(huì)使得膠膜的性能下降，暴露時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度下降越多。即便如此，在暴露120h后，膠膜的平均搭接剪切強(qiáng)度也達(dá)到35.3MPa，最低強(qiáng)度34.1MPa，都大于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的28MPa（最低值）。

對(duì)比表1至3可知，所有試樣的測(cè)試結(jié)果均達(dá)到工藝規(guī)范規(guī)定的最低要求。即說明經(jīng)過不高于70%相對(duì)濕度環(huán)境處理不超過120h的膠膜，仍能夠保證其強(qiáng)度滿足工藝規(guī)范規(guī)定的最低要求。

實(shí)際上，空氣中水分對(duì)膠接性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)膠接界面的長(zhǎng)時(shí)間腐蝕上[1]，而對(duì)于操作間內(nèi)短時(shí)間的高濕度環(huán)境并不敏感。由于水分子直徑很小，極性卻很大，能夠較為容易地通過膠層遷移到界面處。長(zhǎng)時(shí)間停留在界面處的水分子會(huì)取代膠黏劑與被粘物之間的分子間作用力，會(huì)使膠黏劑與界面已經(jīng)形成的一些化學(xué)鍵（如酯鍵）發(fā)生水解，還會(huì)與氧同時(shí)作用使金屬表面發(fā)生銹蝕。這些多方面的影響使得高濕環(huán)境下的膠接質(zhì)量隨著時(shí)間的推移發(fā)生明顯的降低。

在操作間內(nèi)，膠黏劑的施工時(shí)間是十分短暫的。膠膜從解凍到鋪貼完成往往僅有數(shù)個(gè)小時(shí)時(shí)間，而膠膜直接與空氣接觸的時(shí)間也僅僅是鋪貼的那一瞬間。因此空氣中水蒸氣對(duì)膠黏劑的影響是微乎其微的。與此同時(shí)，鋁合金表面經(jīng)過磷酸陽極化處理，會(huì)形成一種類似倒刺的結(jié)構(gòu)[2]，膠接完成后扣入膠層中，增加了大量物理連接作用；噴涂的BR127底膠具有優(yōu)良的耐腐蝕作用[6]，能夠有效地阻止金屬表面發(fā)生銹蝕。FM73M為改性環(huán)氧膠黏劑，由端羧基丁腈橡膠增韌環(huán)氧樹脂制成，丁腈橡膠具有優(yōu)良的耐水性，能最大程度地抑制水分子從膠層遷移到界面處。這些效應(yīng)共同使得FM73M/BR127膠接而成的鋁合金膠接件具有優(yōu)良的耐高濕性能。

Robert A.Jurf[7]和Jack R.Vinson對(duì)比了FM73M膠膜膠接而成的鋁合金單搭接剪切試驗(yàn)件在干態(tài)、63%和95%相對(duì)濕度下暴露90d后的膠接性能，暴露溫度為54℃。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試件在常溫下測(cè)得的剪切強(qiáng)度是幾乎一樣的。說明在常溫下使用時(shí)，F(xiàn)M73M膠膜膠接而成的組件幾乎不受環(huán)境濕度的影響。僅僅在測(cè)試溫度超過膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，高濕處理后的試樣才會(huì)出現(xiàn)明顯的性能下降。

僅僅將操作間的濕度允許上限從60%提升至70%，對(duì)膠黏劑膠接性能的影響是極其有限的。即便將膠膜在70%相對(duì)濕度的環(huán)境中放置120h，膠接性能依然得到保證，高于工藝規(guī)范的接收標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)镕M73M/BR127這種膠黏劑體系在研制之初就考慮到其可操作性，使其在操作間濕度稍高的時(shí)候依然能保證膠接組件有足夠的強(qiáng)度。

4 總結(jié)

FM73M膠膜為一種端羧基丁腈橡膠改性環(huán)氧膠黏劑，能夠在復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期使用，在施工時(shí)也有較大的環(huán)境容忍度，稍許提高操作間的濕度允許上限不會(huì)導(dǎo)致膠黏劑性能的明顯降低，但是給膠黏劑的施工帶來了極大的便利。因此，根據(jù)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，提升該型膠黏劑的操作濕度上限是十分有必要的。

［1］ 李廣宇，李子?xùn)|，吉利,等.環(huán)氧膠黏劑與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］ FLAKE C CAMPBELL.Manufacturing Process for Advanced Composites［M］.Oxford：Elsevier Ltd,2004.

［3］ WILDE W P DE,VAN VINCKENROY G,TIRRY L,et al.Effects of the Environment and Curing on the Strength of Adhesive Joints［J］.Journal of Adhesive Science and Technology,1995,9：149～158.

［4］ RAO S,DAS R,BHATTACHARYYA D.Investigation of Bond Strength and Energy Absorption Capabilities in Recyclable Sandwich Panels［J］.Composite Part A:Applied Science and Manufacturing,2013,（45）:6～13

［5］ PETRAS A,SUTCLIFFE M P F.Failure Mode Maps for Honeycomb Sandwich Panels［J］.Composite Structures,1999（44）:237～252

［6］ WOLFE H,WENTZ K.Acoustic Fatigue Test Evaluation of Adhesively Bonded Aluminum Fuselage Panels Using FM73/BR127 Adhesive/Primer System［C］.24th Structures,Structural Dynamics and Materials Conference,2000,Lake Tahoe,NV,USA.

［7］ JURF R A,VINSON J R.The Effects of Moisture on the Static and Viscoelastic Shear Property of Epoxy Adhesives［J］.Journal of Material Science,1985（20）:2979～2989.

The Influence of Relative Humidity of Operating Environment on the Performance of FM73M Adhesive Film

YUAN Xie-yao,WANG Xin-jing,JIAN Xue-zhen,YANG Yang,CHEN Jie and LIU Wei-ping
（Shanghai Aircraft Manufacturing Company Ltd.,Shanghai 200436,China）

The performance of FM73M adhesive film and BR127 primer in 70%（RH）was studied by controlling the operating environment. Meanwhile,the adhesive film was exposed in different time in this environment to observe the effect of the exposure time on the bonding properties. The tests of climbing drum peeling,tensile lap shear and wedge crack were completed and all the results could meet the process specification. Therefore,the bonding strength provided by FM73M adhesive film and BR127 primer could meet the requirement of process specification when the relative humidity of operating environment was 70%.As a result,the relevant parameters about the relative humidity in process specification were adjusted.

FM73M adhesive film;relative humidity;aluminum alloy

TQ436.2

A

1001-0017（2015）05-0317-04

2015-06-03

袁協(xié)堯（1987-），男，安徽太湖人，博士，研發(fā)工程師，主要從事膠接工藝研究。

*通訊聯(lián)系人：E-mail：liuweiping@comac.cc