趙臻璐 嚴(yán)利娟 劉佳 張?chǎng)?梁凱

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

文摘 考察了一種適用于衛(wèi)星太陽(yáng)翼基板的國(guó)產(chǎn)中溫固化膠膜的膠接性能和熱破工藝性，并分別采用國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口膠膜，利用膠膜熱破施膠方法制備了碳纖維網(wǎng)格面板/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，對(duì)其彎曲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)膠膜的室溫拉伸剪切強(qiáng)度（鋁基材）為34.9 MPa，150 ℃時(shí)拉伸剪切強(qiáng)度降為10.2 MPa，-150 ℃時(shí)拉伸剪切強(qiáng)度降為30.4 MPa。碳纖維復(fù)合材料作為膠接基材時(shí)，室溫拉伸剪切強(qiáng)度為17.5 MPa，破壞模式為基材分層破壞和膠黏劑內(nèi)聚破壞的混合破壞模式。國(guó)產(chǎn)膠膜具有良好的熱破工藝特性，在合適的工藝條件下，破孔率優(yōu)于99.9%，90°板-芯剝離強(qiáng)度為15.4 N/cm；采用國(guó)產(chǎn)膠膜制備的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能與采用進(jìn)口Redux312UL的接近，彎曲剛度為1.94×108 N·mm2，彎曲強(qiáng)度為35.7 MPa。

0 引言

中溫固化熱破膠膜是衛(wèi)星太陽(yáng)翼基板碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩芯的粘接材料，其主要作用是通過膠粘作用實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有效連接，為太陽(yáng)電池片和電路提供具有一定剛度和強(qiáng)度的安裝平面與支撐，確保太陽(yáng)翼在軌正常工作，為航天器提供可靠的電源。目前，我國(guó)太陽(yáng)翼基板用熱破膠膜基本為進(jìn)口Redux312UL，國(guó)內(nèi)開展了適用于太陽(yáng)翼基板的中溫固化熱破膠膜研制。

由于太陽(yáng)翼基板在發(fā)射過程中需要承受噪聲、振動(dòng)等力學(xué)環(huán)境載荷，在軌運(yùn)行期間一般需要面臨±150 ℃的溫度交變［1-3］，為保證太陽(yáng)翼基板在整個(gè)服役周期結(jié)構(gòu)連接的可靠性，要求膠膜在一定的溫度范圍內(nèi)具有相應(yīng)的膠接強(qiáng)度。因此，本文主要針對(duì)太陽(yáng)翼基板用國(guó)產(chǎn)中溫固化熱破膠膜，開展基礎(chǔ)力學(xué)性能、膠接工藝性能評(píng)價(jià)，并采用膠膜熱破法制備碳纖維網(wǎng)格面板/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

中溫固化熱破膠膜：J-312L，黑龍江石化院；Redux312UL，赫氏公司。

鋁蜂窩芯，PAMG-XR1-3/8-5056-0.000 7P，普拉斯科公司。

鋁面板：LY12CZ，西南鋁業(yè)。

碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料：碳纖維，M40J，東麗公司；環(huán)氧樹脂，BS-2，北京衛(wèi)星制造廠有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 拉伸剪切試樣的制備及性能評(píng)價(jià)

拉伸剪切試樣按照GB/T 7124—2008 進(jìn)行加工，其中，鋁板表面經(jīng)過磷酸陽(yáng)極化，碳纖維復(fù)合材料表面打磨處理。按照標(biāo)準(zhǔn)要求尺寸進(jìn)行制樣，固化溫度120 ℃，固化時(shí)間1.5 h。

1.2.2 膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)90°剝離試樣的制備及性能評(píng)價(jià)

剝離試樣按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，其中，鋁板表面經(jīng)過磷酸陽(yáng)極化。采用膠膜熱破法實(shí)現(xiàn)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠膜的施膠，固化溫度120 ℃，抽真空固化時(shí)間1.5 h，然后按照標(biāo)準(zhǔn)要求尺寸進(jìn)行試件加工。

1.2.3 碳纖維網(wǎng)格面板/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)彎曲試樣的制備及性能評(píng)價(jià)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板為碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料網(wǎng)格面板，蜂窩芯高度24 mm，試件尺寸600 mm×55 mm。采用膠膜熱破法實(shí)現(xiàn)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠膜的施膠，固化溫度120 ℃，抽真空固化時(shí)間1.5 h。采用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)試力學(xué)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠膜膠接性能

LY12CZ 鋁合金作為膠接基材制備的板-板拉剪試件在不同溫度下膠膜的拉伸剪切強(qiáng)度（鋁基材）測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 膠膜在不同溫度下的拉伸剪切強(qiáng)度Fig.1 The shear strength of adhesive film at different temperatures

可以看出，膠黏劑在室溫以下的拉伸剪切強(qiáng)度均大于30 MPa，表明該膠膜在室溫及以下具有良好的膠接性能。室溫以上時(shí)，隨著溫度的升高，拉伸剪切強(qiáng)度逐漸降低，150 ℃時(shí)的拉伸剪切強(qiáng)度從室溫的34.9 降低至10.2 MPa。但仍能滿足在太陽(yáng)翼基板使用（含地面試驗(yàn)環(huán)境）溫度范圍內(nèi)膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度不小于10 MPa（鋁基材）的使用要求，表明該膠膜可用于服役溫度范圍在±150 ℃的太陽(yáng)基板。

膠膜在太陽(yáng)翼基板中的實(shí)際使用工況為碳纖維復(fù)合材料的膠接，為了更真實(shí)地評(píng)價(jià)膠膜的粘接性能，考察了不同基材的拉伸剪切試件強(qiáng)度，結(jié)果如表1 所示。可以看出，與鋁合金基材相比，膠膜對(duì)碳纖維復(fù)合材料的膠接強(qiáng)度有所降低。

表1 不同基材的室溫拉伸剪切試件強(qiáng)度Tab.1 The shear strength of adhesive film for different substrate

一般來說，膠黏劑的破壞包括膠黏劑的內(nèi)聚破壞、被粘物的內(nèi)聚破壞、黏附破壞和混合破壞4 種模式［4-7］。其中，膠黏劑的內(nèi)聚破壞是由于膠黏劑的內(nèi)聚力較低導(dǎo)致膠黏劑內(nèi)部發(fā)生的破壞現(xiàn)象；被粘物的內(nèi)聚破壞則是由于被粘物的內(nèi)聚力較低導(dǎo)致的被粘物內(nèi)部發(fā)生的破壞；黏附破壞是指膠黏劑和被粘物界面發(fā)生的破壞現(xiàn)象，但研究表明，通常不存在真正的黏附破壞，一般在顯微鏡下都會(huì)在被粘物上觀察到膠黏劑的殘留［8］；混合破壞則是兼具內(nèi)聚破壞和黏附破壞的破壞［4，9］。從碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸剪切試驗(yàn)件的破壞形貌（圖2）可以看出，試件多呈現(xiàn)基材分層破壞和膠黏劑內(nèi)聚破壞的混合破壞模式。這表明衛(wèi)星用復(fù)合材料本身已成為薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致拉伸剪切強(qiáng)度降低。

圖2 拉伸剪切試件破壞形貌（復(fù)合材料基體）Fig.2 Failure morphologies of tensile shear specimens

2.2 膠膜熱破工藝性

膠膜熱破工藝是一種新型高效的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠膜施膠工藝，其原理如圖3所示。通過對(duì)鋪貼在蜂窩芯端面一定厚度的膠膜進(jìn)行瞬時(shí)加熱，同時(shí)沿蜂窩芯格孔軸向反向施加一定氣壓的熱空氣，使膠膜軟化、鼓脹、破裂、收縮，并均勻聚集在蜂窩芯格端面，實(shí)現(xiàn)膠黏劑從膠膜態(tài)向蜂窩網(wǎng)格態(tài)的直接轉(zhuǎn)化的過程［10］。選擇合適的膠膜熱破工藝參數(shù)，可將結(jié)構(gòu)膠膜離散為沿六邊形鋁蜂窩芯壁均布的狀態(tài)，提升結(jié)構(gòu)膠膜利用率。

圖3 膠膜熱破施膠原理圖［8］Fig.3 Principle of adhesive film hot-break

通過調(diào)節(jié)膠膜熱破的溫度、鼓風(fēng)風(fēng)壓以及水平掃描速率，確定了膠膜的最佳熱破工藝參數(shù)，如表2所示，并對(duì)膠膜的破孔率、蜂窩芯格端面膠黏劑分布均勻性進(jìn)行了分析。膠膜的熱破狀態(tài)如圖4所示，可以看出，膠黏劑能夠沿著蜂窩芯爬升形成浸膠瘤，破孔率優(yōu)于99.9%。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)90°板-芯剝離強(qiáng)度達(dá)到15.4 N/cm，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有效連接。

圖4 膠膜熱破狀態(tài)圖Fig.4 The morphology of adhesive film after hot-break

表2 熱破工藝參數(shù)1）Tab.2 The process parameters of hot-break

為了評(píng)價(jià)熱破工藝對(duì)膠膜固化特性的影響，根據(jù)膠膜非等溫固化曲線，測(cè)試膠膜熱破前后不同升溫速率下的固化起始溫度、固化峰頂溫度、固化終止溫度。以5、10、15 ℃/min 升溫速率進(jìn)行DSC 測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。將固化溫度曲線外推，可以得到在0 ℃/min 下的固化反應(yīng)起始溫度、峰值溫度和終止溫度，得到的固化溫度如表3 所示?？梢钥闯?，熱破前后膠膜的固化反應(yīng)起始溫度、峰值溫度和終止溫度沒有明顯變化，表面膠膜熱破工藝沒有對(duì)膠膜的固化特性產(chǎn)生明顯的影響。

圖5 不同升溫速率下膠膜的固化溫度1）Fig.5 Curing temperature of adhesive film at different heating rates1）

表3 熱破前后膠膜的固化溫度1）Tab.3 Curing temperature of adhesive film1）

2.3 碳纖維網(wǎng)格面板/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

碳纖維網(wǎng)格面板/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)是衛(wèi)星剛性太陽(yáng)翼基板的典型結(jié)構(gòu)形式。網(wǎng)格面板與蜂窩芯格的膠接性能直接影響整個(gè)太陽(yáng)翼基板的性能［10］。參考太陽(yáng)翼基板的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制備了碳纖維網(wǎng)格面板/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)件，對(duì)國(guó)產(chǎn)膠膜和進(jìn)口膠膜的膠接性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯捎脙煞N膠膜制備的彎曲試件，彎曲剛度和彎曲強(qiáng)度相當(dāng)。

表4 不同膠膜制備的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能Tab.4 Bending characters of honeycomb sandwich structure with different adhesive films

3 結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)中溫固化膠膜的室溫拉伸剪切強(qiáng)度（鋁基材）為34.9 MPa，150 ℃時(shí)拉伸剪切強(qiáng)度降為10.2 MPa，-150 ℃時(shí)拉伸剪切強(qiáng)度降為30.4 MPa，滿足太陽(yáng)翼基板使用（含地面試驗(yàn)環(huán)境）溫度范圍內(nèi)膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度不小于10 MPa（鋁基材）的要求，表明該膠膜可用于服役溫度范圍在±150 ℃的太陽(yáng)基板結(jié)構(gòu)。

（2）碳纖維復(fù)合材料作為基材進(jìn)行膠接時(shí)，基材成為拉伸剪切破壞的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致拉伸剪切強(qiáng)度降低。

（3）國(guó)產(chǎn)中溫固化膠膜具有良好的熱破性，熱破前后膠黏劑的固化特性未發(fā)生明顯變化，膠黏劑均勻分布在蜂窩芯表面，破孔率優(yōu)于99.9%。

（4）采用國(guó)產(chǎn)膠膜制備的碳纖維網(wǎng)格面板/鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件彎曲剛度與彎曲強(qiáng)度與采用進(jìn)口Redux312UL膠膜的試驗(yàn)件相當(dāng)。