環(huán)氧膠膜在鋁合金—泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

郭紹華，蘇 航，冉安國

（中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司，陜西 漢中 723215）

環(huán)氧膠膜在鋁合金—泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

郭紹華，蘇 航，冉安國

（中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司，陜西 漢中 723215）

研究了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中鋁合金-泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)的界面膠接工藝。通過對鋁合金-泡沫塑料膠接缺陷的分析，自制了一種環(huán)氧膠膜。通過對2種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度對比，表明自制環(huán)氧膠膜的應(yīng)用可有效改善鋁合金-泡沫塑料界面膠接質(zhì)量。

自制環(huán)氧膠膜；泡沫塑料；夾層結(jié)構(gòu)；膠接

泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料目前在風(fēng)能、船舶制造、體育運(yùn)動器材、交通運(yùn)輸、醫(yī)用設(shè)備配件等領(lǐng)域中大量應(yīng)用[1]，在航空、航天中的應(yīng)用也越來越多，如推進(jìn)器鼻錐、雷達(dá)罩、隔熱罩、直升機(jī)槳葉、空中客車A380氣密機(jī)艙的球面框等[2]。泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)一般是由上面板、下面板、芯層、上下面板與芯層的粘接層所構(gòu)成[3]。

泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)面板材料可以采用鈦合金、玻璃鋼薄板[4]等，芯層通常采用聚氯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫等[5]。在飛機(jī)的一些結(jié)構(gòu)件中使用鋁合金薄板作為泡沫夾層結(jié)構(gòu)的面板。某制件為鋁合金薄板作面板、硬質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料作芯層的夾層結(jié)構(gòu)，由于面板與芯層均為剛性材料，膠接面配合性差，導(dǎo)致該零件在使用過程中面板局部常出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)分析認(rèn)為，該制件面板在膠接時(shí)，膠層材料無法兼顧泡沫層和面板層兩種剛性界面，膠接并不牢靠，當(dāng)面板遭受外力時(shí)，容易造成脫膠。

在橫向載荷的作用下，上下面板主要承擔(dān)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，芯層主要承擔(dān)剪切應(yīng)力[6]。上下面板與芯層的粘接層要有足夠的剪切強(qiáng)度和韌性，保證粘接層不先于芯層而破壞，才能把剪切應(yīng)力從面層傳遞到芯層，最終保持夾層結(jié)構(gòu)的整體性。因而在該制件粘接層中使用剪切強(qiáng)度更高的膠粘劑，是解決脫膠問題的必然選擇。在復(fù)合材料制件成型過程中常用膠膜作為面板和芯層的粘接層材料。對于玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料的面板，可以使用膠膜通過加溫、加壓將面板與芯層膠接。但由于該夾層結(jié)構(gòu)制件必須在室溫下膠接，因而不適宜采用常用膠膜膠合面板與芯層，因而考慮采用一種自制環(huán)氧膠膜作為面板與芯層的粘接層。

該自制環(huán)氧膠膜以經(jīng)過表面處理的玻璃纖維布作為載體，用室溫固化環(huán)氧膠粘劑將玻璃纖維布完全浸漬后制成，然后在濕態(tài)下將其鋪貼于鋁合金面板與泡沫芯層之間。該自制環(huán)氧膠膜的優(yōu)勢在于：首先，采用剪切強(qiáng)度更好的室溫膠粘劑作粘接層，提高了粘接層的抗剪切能力；其次，自制環(huán)氧膠膜具有一定的可塑性及厚度，可與鋁合金面板及泡沫芯層良好貼合；再次，以玻璃纖維布作為載體，在真空壓力的作用下，使膠液沿著載體填充于面板與芯層膠接的間隙中，為膠液的合理分布提供了條件。自制環(huán)氧膠膜用于該制件制造后，面板再未發(fā)生脫膠現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用材料

EW100無堿玻璃纖維布，陜西華特；SW100高強(qiáng)玻璃纖維布，中材科技；H-6室溫固化膠粘劑，自配；J-241室溫固化膠粘劑，黑龍江石油化學(xué)研究院；鋁合金薄板，自制。

1.2 試樣制備及測試

試樣分為A、B 2種結(jié)構(gòu)。A結(jié)構(gòu)面板與芯層之間用H-6室溫固化膠粘劑粘接；B為自制環(huán)氧膠膜膠接結(jié)構(gòu)，自制環(huán)氧膠膜以J-241作為膠粘劑，載體為2層SW100高強(qiáng)玻璃纖維布及1層EW100無堿玻璃纖維布。A、B分別制作一組剪切試樣及滾筒剝離試樣，剪切試樣的制作及測試按照GB/T1455—2005進(jìn)行；滾筒剝離試樣的制作及測試按照GB1457—2005進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切強(qiáng)度

剪切強(qiáng)度測試結(jié)果見表1。

表1 A、B試樣剪切強(qiáng)度Tab.1 Shear strength of structure A and structure B

表1數(shù)據(jù)顯示，B結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度平均值大于A結(jié)構(gòu)。脫膠通常發(fā)生在結(jié)構(gòu)最薄弱的界面膠接缺陷部位，因而須對強(qiáng)度數(shù)據(jù)分情況分析。從破壞形式上看，A、B 2結(jié)構(gòu)各有3件試樣為內(nèi)聚破壞，且發(fā)生內(nèi)聚破壞試樣的剪切強(qiáng)度均為表1中較高的數(shù)值。圖1為做完剪切試驗(yàn)后的試樣照片圖。

將2組試樣剪切強(qiáng)度中的3個高值去除，僅對比發(fā)生界面破壞試樣的數(shù)據(jù)，B結(jié)構(gòu)2個界面破壞強(qiáng)度數(shù)據(jù)（1.49 MPa、1.71 MPa）明顯高于A結(jié)構(gòu)（1.40 MPa、1.30 MPa），可以看出B結(jié)構(gòu)的界面剪切強(qiáng)度明顯優(yōu)于A結(jié)構(gòu)。

J-241的室溫剪切強(qiáng)度為26 MPa，而H-6的室溫剪切強(qiáng)度僅為4.86 MPa。膠粘劑剪切強(qiáng)度的提高起到了關(guān)鍵作用；同時(shí)自制環(huán)氧膠膜的存在使得面板與芯層膠合更加緊密，對剪切強(qiáng)度提高也產(chǎn)生了較好效果。

圖1 剪切試樣照片圖Fig.1 Photo of shearing test sample

2.2 滾筒剝離強(qiáng)度

滾筒剝離強(qiáng)度測試結(jié)果見表2。

表2 A、B試樣滾筒剝離強(qiáng)度Tab.2 Climbing drum peel strength of structure A and structure B

表2顯示，B結(jié)構(gòu)的面板滾筒剝離強(qiáng)度平均值明顯高于A結(jié)構(gòu)，說明B結(jié)構(gòu)面板與芯層粘接效果優(yōu)于A結(jié)構(gòu)。圖2為做完滾筒剝離試驗(yàn)后的試樣照片圖。

圖2 滾筒剝離試樣照片圖Fig.2 Photo of climbing drum peeling test sample

從破壞形式來看，A、B結(jié)構(gòu)滾筒剝離試樣均為界面破壞，但是A結(jié)構(gòu)試樣在界面均存在不同程度的缺膠現(xiàn)象，這與脫膠發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況相符； B結(jié)構(gòu)試樣的界面良好，未出現(xiàn)缺膠的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）采用自制環(huán)氧膠膜結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度平均值（1.78 MPa）、滾筒剝離強(qiáng)度平均值（13.04 N·mm/mm）分別比未采用自制環(huán)氧膠膜結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度平均值（1.66 MPa）、滾筒剝離強(qiáng)度平均值（10.31 N·mm/mm）提高了7.2%及26.5%；

（2）自制環(huán)氧膠膜的應(yīng)用有效改善了鋁合金-泡沫塑料界面的膠接質(zhì)量，解決了面板的脫膠問題。

[1]趙銳霞,尹亮,潘玲英,等.PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)性能研究[J].宇航材料工藝,2012,(5):34-37.

[2]趙銳霞,尹亮,潘玲英. PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)在航天航空工業(yè)的應(yīng)用[J].宇航材料工藝,2011,(2):13-16.

[3]胡培.飛機(jī)夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和泡沫芯材的選擇[J].航空制造技術(shù),2010,17:94- 96.

[4]益小蘇,杜善義,張立同,等.中國材料工程大典[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5]劉永濤,楊杰,黃業(yè)青,等.泡沫夾層復(fù)合材料耐水性能研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2011,25:439-443.

[6]林曉虎,楊慶生.航空航天夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的研究現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù),2013,10:71-74.

Application of self-made epoxy film adhesive in bonding of aluminium alloy-polyfoam sandwich structure

GUO Shao-hua, SU Hang, RAN An-guo
(Hanzhong Aircraft Company of AVIC Aircraft. Co. ,Ltd., Hanzhong, Shaanxi 723215,China)

In a certain aircraft structural component ,a type of bonding technology used in the cemented surface of aluminium alloy-polyfoam sandwich structure was investigated in this article.By analyzing the defects located at the cemented surface,a kind of self-made epoxy film adhesive was designed. The strength comparison of two different bonding structure was carried out. The results showed that using the self-made epoxy film adhesive improved the bonding quality of cemented surface effectively.

self-made epoxy film adhesive; polyfoam; sandwich structure; bonding

TQ433.4+37

A

1001-5922（2016）01-0077-02

2015-09-25

郭紹華（1978-），女，高級工程師，主要從事復(fù)合材料構(gòu)件制造方面的工作。E-mail：shaohuasac@sohu.com。