復合材料膠接技術的發(fā)展與應用

我國低空領域的開放，為民用飛機提供了很大的發(fā)展空間，而研制新型高性能民用飛機也離不開復合材料和結構膠粘劑的使用，因此研制高性能耐久結構膠粘劑也是一種新的挑戰(zhàn)。
本著“為減輕每一克質量而奮斗”的理念，越來越多的高性能輕質材料（復合材料）應用在飛機結構中，而膠粘劑也因為其結構輕、連接效率高等優(yōu)點現(xiàn)在逐漸成為飛機設計制造中不可或缺的部分。
與各向同性的金屬材料相比，各向異性的復合材料經過切割或機械加工時會受到嚴重損傷和弱化，其層間剪切變得更敏感。因此，膠接比機械連接更廣泛地應用于先進復合材料的連接設計中，特別對于單向的復合材料，不允許出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，膠接為高載荷提供了有效方法[1]。在高性能的航空復合材料制件的制造過程中，復合材料預固化后對制件進行膠接裝配通常是必要的，通常采用熱固性膠膜對這些基材進行二次膠接[2]。復合材料修補通常也可屬于膠接范圍。還有未固化的預浸料蒙皮采用膠膜與各種各樣的蜂窩進行膠接，即共固化膠接[3]。

結構膠粘劑

1 結構膠粘劑的概念
結構膠粘劑（簡稱結構膠），按ASTM的定義是能在預定時間內，在使用環(huán)境中能承受相當?shù)牧?，并具有與被粘物相匹配的強度和耐久的使用壽命[4]。結構膠粘劑一般以熱固性樹脂為基料，以熱塑性樹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、固化促進劑、抑制腐蝕劑和抗熱氧化劑等。結構膠粘劑的特點在于不論用于什么粘接部位，均能承受一定的應力，并具有較好的不均勻扯離強度和疲勞強度。膠粘劑的粘接強度主要取決于膠粘劑本身的內聚力及膠粘劑與被粘接材料之間的粘附力。
2 結構膠粘劑的種類
結構膠粘劑的品種繁多，從不同角度對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構膠、高溫固化結構膠和室溫固化結構膠；也可按化學成分分為改性環(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。

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復合材料膠接技術在航空領域中的應用與發(fā)展

從20世紀80年代起，先進復合材料已在在航空領域得到了廣泛的應用，膠接結構在國內外航空復合材料結構件上的應用日益增多。A310全復合材料垂尾主接頭由外接頭、內接頭和蒙皮及加強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，腹板由兩個預固化的槽形件背靠背的膠接在一起：Lear Fan 2100全復合材料小飛機，機身蒙皮與骨架、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制成的全復合材料構件，它的蒙皮和隔板是單獨制造的，采用J-47A膠粘劑膠接在一起；Y7-200A進氣道采用碳－玻璃纖維混雜復合材料結構，唇口與進氣道及上、下部之間采用AF163-2L.03膠膜膠接的；Y-7FC垂尾壁板蒙皮與“T”形長桁之間采用AF163-2L.03 膠膜，用二次膠接進行連接；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內外復合材料膠粘劑及其基本性能。



結構膠粘劑在某型號通用飛機上的應用

本文以某型號5座單噴渦槳通用飛機為原型機，介紹一下結構膠粘劑在原型機上的具體應用。此款飛機的整機結構除了機翼主起加強肋和一些連接結構件為金屬材料外，其余全為復合材料結構件。飛機的機體結構主要采用碳纖維復合材料蜂窩夾層結構。各零部件的連接方式以膠接為主。下面主要介紹一下結構膠粘劑在此款飛機上的應用部位。



（1）后機身內有兩個加強框，由上下兩個碳纖維復合材料件與蒙皮及垂直安定面后梁膠接組成，垂直安定面內部有一個翼梁，采用碳纖維復合材料蜂窩夾層結構，采用膠接與蒙皮連接，如圖1、圖2所示。

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（2）中機身與后機身采用膠接的方式進行連接。
（3）復合材料翼肋與前緣翼肋均和翼梁用膠接方式連接，機翼蒙皮壁板采用碳纖維復合材料泡沫夾層結構，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構，升降舵蒙皮采用碳纖維與蜂窩夾層結構，端肋采用碳纖維復合材料層壓結構件，梁、蒙皮和端肋采用二次膠接成一個整體，如圖5所示。 123456



（7）方向舵左右兩側蒙皮、加強盒采用二次膠接成一個整體。
（8）升降舵梁、蒙皮和端肋采用二次膠接成一個整體。
此款飛機主要使用的結膠粘劑有Henkel公司的EA9696、EA9360、EA9394產品，其中EA9696 主要用于芯材和蒙皮之間的粘接，EA9360主要用于復合材料件與復合材料件之間的粘接，EA9394主要是用于金屬材料與復合材料之間的粘接。
使用膠接結構的必然性
飛機結構設計的研究和發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關。在傳統(tǒng)飛機的制造過程中需要大量鉚釘將金屬板連接起來（一架小型飛機需要上萬個鉚釘），現(xiàn)代復合材料結構飛機，若采用膠接代替鉚接，可使飛機質量減輕20%、強度提高30%[6]，而減輕結構重量對現(xiàn)代飛行器具有特殊重要的意義。
近年來隨著復合材料在飛機結構中的大量應用和發(fā)展，膠接技術作為復合材料制造的重要配套技術，也必將相輔相成隨之發(fā)展。某些小型公務機采用全復合材料結構，而膠接是復合材料結構主要的連接方法。膠接的主要特點：
（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，在連接的同時還可以形成密封，而且比堅固件連接的接頭的重量輕；
（3） 膠接區(qū)域面積大，分布的應力較小，且不需制孔，不會引起復合材料分層破壞，接頭的強度較高；
（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電偶腐蝕，從而可以拓寬設計選材和降低成本；
（5） 膠接有阻止裂紋擴展的作用，破損安全性好，疲勞壽命強；
（6）膠接能獲得光滑的氣動外形。

近年來在國際大飛機項目研究中，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，膠接結構取代傳統(tǒng)連接方式是一種必然趨勢，對提高產品性能、減輕結構重量、簡化制造工藝和降低費用等具有明顯的作用[7]。 copyright 123456

復合材料膠接技術展望

優(yōu)良的航空結構膠粘劑仍是21世紀制造先進戰(zhàn)斗機和民用飛機不可缺少的重要材料。隨著復合材料在飛機結構中的應用不斷擴大，國內外航空用結構膠的應用日趨廣泛，新一代復合材料飛機制造技術的發(fā)展又對膠接技術提出了更高的要求：
（1） 發(fā)展復合材料膠接表面處理新技術。復合材料膠接表面處理現(xiàn)仍處于原始的技術水平，不能滿足復合材料高性能膠接的要求，國外正在試驗的等離子噴涂、紫外線輻射、火焰處理等新技術距實際應用尚遠；
（2） 降低結構膠粘劑的固化溫度、簡化固化工藝。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，而現(xiàn)在工藝技術趨于操作簡單方便的特點，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） 提高復合材料膠接件的質量檢測方法。我國現(xiàn)代的膠粘劑體系，在生產過程中存在著質量穩(wěn)定性差的缺點，而復合材料件膠接固化完成后又存在著受檢測方法的制約，無法準確地檢測出構件膠縫的膠接質量，因此需要建立相應完善的檢驗標準體系，并改進無損檢測的方法。
（4） 隨著我國低空領域的開放，民用公務機將成為未來航空領域的研制方向，因此復合材料膠粘劑體系不但要滿足各項工藝性能的要求，還要滿足適航當局對膠接體系的要求。
隨著這些問題的解決，我國復合材料膠接技術水平我國低空領域的開放，為民用飛機提供了很大的發(fā)展空間，而研制新型高性能民用飛機也離不開復合材料和結構膠粘劑的使用，因此研制高性能耐久結構膠粘劑也是一種新的挑戰(zhàn)。


參 考 文 獻
[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.復合材料膠接技術的研究進展.宇航材料工藝，2010 (2):11-14. 123,123
[4] 王致祿，趙穎，朱金華.宇航結構膠的發(fā)展概況.化學與粘合，2009，31(1):53-56.
[5] 謝鳴九.復合材料連接手冊.北京:航空工業(yè)出版社，1995.11.
[6] 李欣，張曉妮，徐曉沐.膠接結構和復合材料用于航空航天技術的發(fā)展.化學與粘合，2006，28(3):172-175.
[7] 段國晨，齊暑華，吳新明, 等.結構膠在航空工業(yè)中的研究現(xiàn)狀及進展.中國膠粘劑，2009，18(9):52-56.（責編 小城）