一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理膠粘劑性能分析

王新軍 ，鄧 強(qiáng) ，喬 喬

（1.空軍第一航空學(xué)院，信陽 464000；2.中國人民解放軍93707部隊(duì)，張家口 075000）

膠接結(jié)構(gòu)與機(jī)械緊固件結(jié)構(gòu)相比的主要優(yōu)點(diǎn)是減輕質(zhì)量和改善疲勞性能，隨著膠接科學(xué)和膠接技術(shù)的發(fā)展，膠粘劑在航空制造與修理領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)用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，有的還添加填料、溶劑、稀釋劑、偶連劑、固化劑等，膠粘接的粘接強(qiáng)度主要取決于膠粘劑本身的內(nèi)聚力及被粘接材料之間的粘附力[2]。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接性能、機(jī)械性能、電絕緣性能、耐高溫性能以及收縮率低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天制造與修理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷修理而言，由于應(yīng)急修理現(xiàn)場一般不具備高溫固化條件，應(yīng)盡量采用中溫或室溫固化劑對受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行修理[4]。然而，目前在飛機(jī)制造過程中廣泛使用的環(huán)氧樹脂膠粘劑固化溫度較高，而且對膠接材料表面處理有較高的要求，限制了膠接技術(shù)在飛機(jī)修理工作中的應(yīng)用。為了改善膠粘劑的性能，國內(nèi)外學(xué)者主要從熱固化工藝和膠粘劑改性兩方面進(jìn)行了探索。Xue等[5]研制了一種熱膨脹夾具，在同等固化溫度條件下殘余熱應(yīng)力可減少39%；王鳳文等[6]研究了微波固化、電子束固化、紫外光固化等方式，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)加熱方式相比新的固化方法能夠減小固化時間，但是，可用于非傳統(tǒng)熱傳遞方式的樹脂體系較少、樹脂界面粘接性能較差。對于航空航天領(lǐng)域常用的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠而言，由于環(huán)氧樹脂固化物具有較高的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在易發(fā)脆和抗沖擊性差等缺點(diǎn)，難以滿足工程技術(shù)的使用要求，通?？刹捎枚喾N方法對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性[7-8]。航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)膠粘劑廣泛采用丁腈橡膠、CTBN、聚炳烯酸脂改性環(huán)氧樹脂體系作為膠粘劑[9-10]。

這些膠粘劑雖然對經(jīng)過嚴(yán)格表面處理的鋁合金有良好的粘接強(qiáng)度和耐久性能，但是對沒有進(jìn)行嚴(yán)格表面處理的金屬和非金屬材料，粘接強(qiáng)度和耐久性能普遍較差[11]。朱愛琴等對改性環(huán)氧樹脂添加KH-550硅烷偶聯(lián)劑后進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：添加KH-550后能顯著提高膠粘劑涂層的接觸角和附著力，并且可同時降低固化時間[12]。

本文采用丁腈橡膠對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性增韌，通過添加KH-550及丙烯酸丁脂、脂肪族多元胺作為改性固化體系，通過應(yīng)力松弛試驗(yàn)和抗拉伸剪切性能試驗(yàn)分析了膠粘劑的力學(xué)性能，并確定了改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的最佳配比。

1 試驗(yàn)方法

考慮到飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)膠接特性，參照飛機(jī)復(fù)合材料制造參數(shù)和國內(nèi)市場情況，利用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料增強(qiáng)補(bǔ)片對飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理中常用的2024、7075鋁合金進(jìn)行粘接修理試驗(yàn)，從酚醛樹脂膠系、酚醛/丁腈膠系和環(huán)氧/丁腈膠系3種常用膠粘劑系統(tǒng)選擇3種適合鋁合金與復(fù)合材料粘接的膠粘劑，其主要性能如表1所示。其中，新研制的環(huán)氧/丁腈膠DYD128-CHX100采用80%的雙酚A型DYD128環(huán)氧樹脂與20%的CHX100端環(huán)氧反應(yīng)性液體丁腈橡膠樹脂增韌劑。

表1 典型結(jié)構(gòu)修補(bǔ)膠粘劑的主要性能

以上3種膠均能夠在120℃以內(nèi)固化而且能夠獲得較高的靜強(qiáng)度，其中環(huán)氧/丁腈膠和酚醛/丁腈膠的靜強(qiáng)度最高。由于膠粘劑的抗應(yīng)力松弛性和抗剪切性對修補(bǔ)的可靠性影響很大，因此對這3種膠進(jìn)行抗應(yīng)力松弛試驗(yàn)和抗拉伸剪切試驗(yàn)比較，試驗(yàn)方法如下。

在金屬板表面膠接補(bǔ)強(qiáng)板，對金屬件施加恒定載荷，隨著時間的增加，由于應(yīng)力松弛作用，膠層的載荷傳遞效率減小，即膠層所承擔(dān)的剪應(yīng)力逐漸變小。因此，通過測量在相同載荷條件下膠層應(yīng)變隨時間的變化可以對膠層的抗應(yīng)力松弛性進(jìn)行評價。應(yīng)力松弛性試驗(yàn)件加載形式如圖1（a）所示，金屬板采用3mm厚的三角形7050鋁合金板，在鋁合金板上利用表1中的膠粘劑粘接一塊長15mm、寬10mm的補(bǔ)強(qiáng)板，補(bǔ)強(qiáng)板為0.3mm厚的碳/環(huán)氧復(fù)合材料，在金屬板下方加載一個重100kg的質(zhì)量塊；應(yīng)變片的安裝如圖1（b）所示。

為了進(jìn)一步降低固化溫度和縮短固化時間，對選定的環(huán)氧樹脂膠粘劑應(yīng)用不同固化劑改性，固化劑為脂肪族多元胺，采用兩種改性劑（丙烯酸乙脂、丙烯酸丁脂）對膠粘劑進(jìn)行改性。為了改善僅進(jìn)行簡單打磨和脫脂處理的鋁合金表面與膠層間的附著力，分別向改性后的膠粘劑添加質(zhì)量百分比為3%的硅烷偶聯(lián)劑，最后對不同組分的膠粘劑按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7124-86進(jìn)行抗拉伸剪切性能對比試驗(yàn)。熱固化過程中，利用工業(yè)電熱毯加熱固化，固化溫度控制曲線如圖2所示，在80℃保溫80min后自然冷卻到室溫。

2 結(jié)果分析

為了比較不同膠粘劑的抗應(yīng)力松弛性能，在懸臂梁上逐漸增加載荷，使得試驗(yàn)件的表面應(yīng)變達(dá)到給定值，然后卸載，測量出t時刻應(yīng)變補(bǔ)強(qiáng)板上的壓縮應(yīng)變εR和t0時刻的應(yīng)變ε0，將比值|εR-ε0|/ε0取作在時間t的松弛程度指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

可以看出，DYD128-CHX100環(huán)氧/丁腈膠的抗應(yīng)力松弛性能最高，應(yīng)變傳遞效率最好，說明添加丁腈橡膠能夠提高環(huán)氧樹脂的抗疲勞特性。

圖1 應(yīng)力松弛試驗(yàn)件示意圖Fig.1 Diagram of stress relaxation specimen

圖2 固化溫度控制曲線Fig.2 Control curve of curing temperature

表2 3種膠系的松弛測量結(jié)果

抗剪切對比試驗(yàn)采用兩種改性劑（丙烯酸乙脂、丙烯酸丁脂）對膠粘劑進(jìn)行改性，丙烯酸乙脂改性劑與固化劑的摩爾比為1∶1的試樣記為A1，丙烯酸丁脂與固化劑的摩爾比為1∶1的試樣記為B1，丙烯酸乙脂改性劑與固化劑的摩爾比為1.5∶1的試樣記為A2，丙烯酸丁脂與固化劑的摩爾比為1.5∶1的試樣記為B2，固化劑與環(huán)氧樹脂采用 4種配比（摩爾比），1∶3、1∶5、1∶7和1∶9，編號分別為 1、2、3、4，則共有 16 種膠粘劑樣品，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)氧樹脂膠粘劑抗拉伸剪切性能 MPa

從剪切試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加脂肪族多元胺固化劑后，當(dāng)固化時間大于90min時其抗剪切性能達(dá)27MPa以上，根據(jù)某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)受力分析其膠接修理后室溫抗剪切強(qiáng)度平均值應(yīng)不小于27MPa，可滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)粘接修復(fù)的抗剪切強(qiáng)度要求，固化時間超過110min則對膠粘劑抗剪切性能的提高不足2MPa；對比不同配比的固化劑抗剪切性能，采用丙烯酸丁脂與脂肪族多元胺的摩爾比為1.5∶1時改性固化劑的性能最佳。

3 結(jié)論

（1）利用丁腈橡膠對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性，能夠提高環(huán)氧樹脂的抗應(yīng)力松弛性能，DYD128-CHX100環(huán)氧/丁腈膠的抗應(yīng)力松弛性能最佳；

（2）添加質(zhì)量百分比為3%的硅烷偶聯(lián)劑能提高膠粘劑涂層表面附著力，被粘接鋁合金表面僅進(jìn)行打磨和脫脂處理后粘接良好，固化90min后膠粘體系的剪切破壞載荷大于30MPa，說明只需對鋁合金表面進(jìn)行簡單處理就可獲得較高的抗剪切強(qiáng)度，便于實(shí)施原位修理；

（3）DYD128-CHX100環(huán)氧/丁腈膠添加脂肪族多元胺固化劑能有效減小環(huán)氧樹脂的固化時間，采用丙烯酸丁脂與脂肪族多元胺的摩爾比為1.5∶1作為改性固化劑，固化劑與環(huán)氧樹脂的配比為1∶5時抗剪切效果最佳，經(jīng)90min固化后室溫下抗拉伸剪切強(qiáng)度可達(dá)35MPa，可滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)膠接修復(fù)的強(qiáng)度要求。

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