航天工業(yè)中膠接技術的研究現(xiàn)狀分析

郭 磊 劉檢華 張佳朋，2 李夏禹 張秀敏 夏煥雄

1.北京理工大學機械與車輛學院，北京，1000812.北京衛(wèi)星制造廠有限公司機械產品事業(yè)部，北京，100094

0 引言

膠粘連接裝配具有結構簡單、重量輕、尺寸小、工藝性好等優(yōu)點，在航天工程中應用廣泛。膠接裝配具有多重功能，不僅可以實現(xiàn)零件之間的連接，還可以起到密封、絕緣、減振等作用[1]。同時，膠接與鉚接、螺接等機械連接的配合使用還可獲得多種優(yōu)勢互補的混合連接效果，大幅改善連接性能[2]。隨著航天工業(yè)對輕量化、集成化等要求的不斷提高，對新型非金屬材料和先進制造工藝的創(chuàng)新采用，膠接裝配成為航天產品性能提升的重要手段之一，應用越來越廣泛。

20世紀40年代，膠粘劑在航空工業(yè)中開始嘗試使用，隨著材料科學與膠接技術的不斷發(fā)展，膠接裝配在飛機制造中的占比越來越大，現(xiàn)代飛機的機身、油箱、艙門等部件的制造中均大量應用膠粘連接，顯著減小了質量，提高了抗疲勞和抗腐蝕性能等。膠粘裝配已成為飛機制造的重要環(huán)節(jié)，例如，B-58重型超音速轟炸機采用膠粘連接取代了約50萬只鉚釘，粘接壁板面積占全機總面積的85%；一架小型飛機采用膠接替代鉚接，可減重20%，強度提高30%[3-4]。航天器上大量應用各種輕質合金、先進復合材料及其他異性材料，難以采用傳統(tǒng)方式固定連接，而膠粘連接是目前最優(yōu)的解決方法，例如航天器復合材料桁架接頭、人造衛(wèi)星的太陽能電池、飛船表面的耐高溫燒蝕層與保溫層、精密慣性儀表及光學儀器內部組件的裝配均由膠粘連接實現(xiàn)。因此，膠接技術在航天產品制造中具有十分重要的地位[5-9]。

膠接裝配技術是一種涉及機械、物理、化學及高分子材料等多門學科的連接技術，對膠粘劑材料、膠接工藝及膠接裝配性能影響因素的研究，已成為當前高分子材料領域與航天制造領域的重要研究方向。航天用膠粘劑性能各異且種類日益豐富，因此在膠接裝配中選用合適的膠粘劑，對航天產品性能保障至關重要，例如我國航天器整流罩的粘接曾采用的JX-9等酚醛-丁腈類膠粘劑工藝性能差、固化時揮發(fā)嚴重，選用改性酚醛環(huán)氧樹脂或改性聚酰亞胺膠粘劑后，取得了較好的應用效果[6]。在裝配階段，由于膠接工藝的特殊性與復雜性，膠接工藝不僅直接影響產品的初始裝配性能，還影響裝配性能的保持性，即在產品服役過程中保持產品裝配性能，因此，膠接工藝過程的嚴格控制以及工藝方法的不斷優(yōu)化對膠接裝配性能的保障與提升均有顯著影響[10-11]。在服役階段，航天產品需瞬時或長期工作在超高/低溫、劇烈振動沖擊、強輻射等惡劣環(huán)境，高分子膠粘劑材料的老化會造成裝配性能的衰退，甚至發(fā)生連接失效，因此國內外學者通過試驗與仿真計算等方法，嘗試對膠接裝配結構的有效服役周期進行預測研究，以提高膠接裝配結構的可靠性與安全性[12-13]。

本文圍繞當前航天工業(yè)中膠接技術理論與應用的薄弱問題，對航天工業(yè)用膠接材料的應用特點、膠接裝配的關鍵工藝以及性能影響因素等內容，特別是航天精密產品的膠接裝配技術展開系統(tǒng)分析，探討航天工業(yè)膠接裝配技術未來的研究發(fā)展方向。

1 航天制造中的膠粘劑類型及應用

1.1 航天工業(yè)中的膠粘劑類型

航天工業(yè)用膠粘劑通常為專用膠粘劑，根據(jù)航天產品的特殊應用需求進行定制，種類十分豐富，可達上千種。膠粘劑可按用途、固化溫度、基料等不同標準進行分類，按化學材料可將航天常用膠粘劑大致分為以下幾類。

(1)環(huán)氧樹脂類。基料主要為環(huán)氧樹脂，揮發(fā)分小、固化收縮小、剛性大、硬度大、應用范圍廣，可用于粘接和密封結構中，國內常用雙酚A型環(huán)氧樹脂。HYJ-01、HYJ-47膠粘劑可用于精密器件的耐油密封、耐沖擊振動等需求場合[14]；HYJ-51膠粘劑具有優(yōu)良的導熱絕緣性能，可用于傳感器的測溫部件[15]。

(2)酚醛樹脂類。粘接強度高，耐熱性與耐老化性好，但脆性大、固化收縮率大。FHJ-5膠可長期耐受200 ℃高溫，且短時耐燒蝕性好。

(3)聚氨酯類。韌性與耐低溫性好，但不耐熱、強度低，可用于粘接、密封與阻尼減振。航天插頭座用Dq661J-109膠、儀器電路板用9101膠等具有防水、防霉、減振等特性[16]。

(4)有機硅。耐高低溫、耐紫外輻照性好，柔韌性好，通過添加填料、纖維等具有耐燒蝕性。衛(wèi)星飛船中的防熱密封常采用耐燒蝕的GXJ系列膠粘劑。

(5)無機膠。耐酸堿、耐高能粒子輻射、耐高溫(可達1500 ℃)、強度高，但脆性差，應用相對較少，常用于宇宙空間飛行器部件、高溫傳感器殼體的粘接[17]。

1.2 航天工業(yè)中膠粘劑的特殊應用需求

航天產品對膠粘裝配及其性能的要求與一般工業(yè)領域不同，標準高、要求嚴、功能多樣，除在高低溫、高頻振動等特殊極限工況下需具有高連接強度外，還需在極限環(huán)境下仍可保持良好密封、低蠕變、低揮發(fā)等性能。

1.2.1耐超高/低溫性

耐高溫結構膠在航天器中應用較多。航天器在稠密的大氣中高速穿行時，與空氣發(fā)生摩擦，會發(fā)生瞬時高焓、低熱流、高溫及燒蝕現(xiàn)象，其殼體溫度可超過2000 ℃，膠粘劑必須具有優(yōu)異的耐燒蝕性，才可粘接固定在航天器外表的耐燒蝕材料[6]。在火箭推進器的氫氧發(fā)動機燃料箱中，液氫溫度可達-253 ℃，膠接結構必須在該溫度下仍具有良好的強度與韌性[18]。對于火星表面(溫度范圍-124～50 ℃)、月球表面(溫度范圍-180～150 ℃)等太空大溫差交變環(huán)境，用于固定保溫材料的膠粘劑需具有交變溫度適應性能[19-20]。

1.2.2高密封性

膠接結構常常工作在高低溫、油氣化學品接觸等環(huán)境中，良好的密封性能也是航天應用的主要功能需求之一[14, 21]。航天器在軌運行期間，長期處于高真空、低溫及大溫差交變狀態(tài)，為保證各種儀器儀表正常工作，航天器艙內必須保持一定的壓力，但是飛行器艙有許多插頭孔、艙門，密封部位多、尺寸大。耐低溫O形圈在溫度低于-67 ℃時，密封會失效，發(fā)生泄漏，將其與改性環(huán)氧樹脂膠粘劑結合使用，可實現(xiàn)低溫下的良好密封，甚至在密封圈受損時，膠粘劑仍可保證飛行器艙的密封性要求[22]。

1.2.3多功能性

航天產品對膠接結構的功能要求多，除了具有耐受超高/超低溫、燒蝕、溫度劇變、高真空、輻射、強沖擊、高頻振動、導電、絕緣的多種性能外，對高分子材料自身的剛性、韌性以及隨溫/濕度、振動沖擊環(huán)境變化的響應特性等也具有較高的要求。如返回式航天器需要經受高低溫交變、長時間低熱流沖擊的作用，膠粘劑不僅需要具有高強度，還需要具有良好的柔性和足夠的伸長率，以調節(jié)高低溫變化過程中結構層與防熱層間的熱應力[5]。

1.2.4高穩(wěn)定性或低蠕變性

航天光學系統(tǒng)、慣性系統(tǒng)、傳感器等精密機電產品中，由于形狀、尺寸及空間位置的限制，大量采用膠接裝配。膠體在固化、貯存和服役過程中，固化收縮會產生內應力，并在外載荷、溫度、內應力等因素的影響下產生蠕變，引起結構緩慢變形、質心或“零點”逐漸漂移，導致產品的系統(tǒng)精度逐漸衰減。航天光學遙感器性能會因膠接結構的微小蠕變而顯著降低，在軌高度500 km時，遙感器指向鏡1″的變化將造成2.4 m的地面定位誤差[10,23]。航天慣性器件中，膠接結構熱-力載荷導致的質心漂移對陀螺精度的影響占比已超過90%[24]。因此，精密機電產品所用膠粘劑通常應與被粘接件的線膨脹系數(shù)相近，且需嚴格控制固化內應力及其分布。

1.2.5低揮發(fā)性

膠粘劑在固化及使用過程中會有少量揮發(fā)物釋放，凝結后產生多異物，污染航天器上的慣性導航儀器、光學儀器等高精密機電設備，因此某些航天產品的密封膠接結構對膠粘劑的低揮發(fā)性也有特殊需求。精密馬達定子采用環(huán)氧樹脂膠灌封時，揮發(fā)出的小分子物質過多，會堵塞馬達的微小間隙，造成卡死；衛(wèi)星中使用的耐空間環(huán)境用膠粘劑在高真空下的總質量損失小于1%，膠粘劑中的可凝揮發(fā)物的質量損失小于0.1%[14]。

2 膠接裝配在航天領域的研究現(xiàn)狀

航天用膠粘劑在滿足高/低溫、燒蝕、振動沖擊等極限環(huán)境使用要求的同時，還需保持良好的力學性能，這也是膠接裝配結構的關鍵性能。目前，國內外學者主要從膠接機理、膠接工藝、膠粘連接性能影響因素等方面開展研究。

2.1 膠接機理

膠粘連接是一個復雜的物理和化學過程，內聚失效、界面失效和混合失效是膠接裝配結構中常見的三種失效，如圖 1所示[25]。界面失效是膠接裝配結構中應盡量避免出現(xiàn)的。該種失效表明膠粘劑與被粘物間無法產生良好的連接，更無法發(fā)揮膠粘劑自身的性能。因此，膠接裝配結構的界面作用機理及其粘接性能是膠接理論與工程研究中的關鍵科學問題。

(a)內聚失效 (b)界面失效 (c)混合失效

膠粘連接機理的研究包含分子間作用力、化學鍵、靜電吸附、機械互鎖等多種理論，國內外研究人員嘗試從不同角度對膠接形成與失效模式進行理論解釋，但較難采用一種理論進行全面解釋[26-27]。從分子層面來說，當膠粘劑分子與被粘物分子之間的距離小于1 nm時，在兩者的分子之間會產生相互作用力即范德華力和氫鍵力[28]。從化學鍵理論講，當膠粘劑與被粘物發(fā)生化學反應時，會在粘接界面上形成離子鍵、共價鍵和金屬鍵等化學鍵力(遠大于分子間作用力)。對于碳纖維等非金屬復合材料的粘接過程，化學作用是影響粘接強度的主要因素[29]。從機械互鎖理論講，當膠粘劑滲透到表面凹凸不平的溝痕或孔隙，固化后的膠層與不平整的被粘物間相互嵌合、互鎖在一起，膠層剝離需要消耗膠粘劑塑性變形的能量，例如磷酸陽極氧化處理的鋁合金表面會形成一些凹坑和納米孔，膠粘劑可滲入其中，從而大幅提高粘接強度[30]。實際膠接結構的界面粘接作用往往受多種因素綜合影響，雖然目前從分子作用、化學鍵合、機械互鎖等不同層面對不同膠接界面作用機理進行了理論解釋，但揭示膠接界面粘接強度及其失效模式的形成機理仍是膠接技術理論研究的難點之一。

2.2 膠接工藝

膠接裝配對異質材料及異形結構的連接需求適用性強，可實現(xiàn)金屬與非金屬、不同金屬或非金屬材料之間的可靠連接，也可實現(xiàn)平面、圓柱面、凹槽內鑲嵌、盲孔接頭、螺紋防松涂膠、膠鉚連接、蜂窩結構等各種結構形式的連接，具有應力分布均勻、無需打孔、無電化學腐蝕等優(yōu)良的工藝性能。這些優(yōu)點使得膠接裝配在航天工業(yè)產品制造中廣泛采用，然而，由于航天工業(yè)產品服役工況復雜、性能要求高，其制造中的膠接工藝往往較為復雜、工藝控制難度較大。

2.2.1膠接表面處理

膠接基底的表面處理可以去除基底表面污染物、生成表面氧化膜、控制表面韌性，有效減緩甚至阻止自然環(huán)境對粘接表面的腐蝕，提高膠接接頭的整體性能[31]。工程應用中，增大膠粘劑與基底的接觸面積可以提高界面機械嵌合或化學鍵合強度，改變基底表面形貌特征，改變粗糙度已成為提高膠接性能常用且簡單有效的工藝方法[32-33]。

國內外學者嘗試采用物理、化學/電化學、激光、等離子等方式對粘接基底表面進行預處理，提升膠接性能[34-38]，圖 2所示為不同處理方式下的鋁合金表面形貌。機械打磨、噴砂方法是最常用的表面處理方法，通過控制砂紙、噴砂粒徑或目數(shù)來獲得不同的粗糙表面[39-40]?；瘜W處理的目的通常有兩個：①對基底表面進行脫脂預處理，使膠粘劑充分潤濕，可采用丙酮、甲基乙基酮、汽油、NaOH稀釋液等化學試劑；②通過化學腐蝕改變表面形貌，可采用鹽酸、NaOH、硫酸/重鉻酸鈉等稀釋溶液對基底表面進行浸蝕，清除表面因自然氧化而生成的不利于粘接的氧化層，并通過控制溶液濃度與浸蝕時間進一步改變表面粗糙度與微觀紋理，提高粘接強度[41-43]。電化學表面處理方法可在金屬面形成多孔結構的氧化膜，改善其潤濕性，提高膠接性能，人們在鋁合金膠接結構的基底陽極氧化研究中發(fā)現(xiàn)，磷酸陽極氧化處理通常優(yōu)于硫酸陽極化，更優(yōu)于鉻酸陽極化[27, 44]。激光燒蝕常伴隨著物理和化學變化過程，可通過控制掃描速率、燒蝕時間、脈沖頻率、光斑尺寸等工藝參數(shù)，調整基底表面的燒蝕效果，形成納米級形貌特征的氧化膜，提高連接強度與疲勞強度等力學性能[45-47]。等離子體處理通過電離的高活性等離子體高速撞擊材料表面，將活性等離子體的能量傳遞到材料表層，提高表面化學能，增強膠接界面的化學鍵合作用[48-50]。

(a)化學浸蝕表面[38] (b)激光刻蝕表面[35]

2.2.2膠接裝配

膠接裝配過程分為清洗、試裝、粘接、去余膠、固化、檢驗等多道工序，主要涉及調膠工藝、涂膠(含裝配)工藝、固化工藝等，各工藝過程需嚴格控制才能達到理想效果[51-52]。航天產品的裝配以手工操作為主，粘接工藝通常包含以下要求：①膠接裝配操作需在超凈間內進行；②粘接前應用120號航空汽油、丙酮或乙醇等清洗零件表面；③調制好的粘接膠液應在規(guī)定的時間內使用；④膠液需進行抽真空排氣泡處理；⑤將膠液均勻適量地涂抹到零件表面；⑥控制固化環(huán)境的潔凈度、溫度和濕度。

調膠過程中，某些流動性差的膠液會混入大量氣泡，若無法排出，則固化后容易造成粘接面缺陷，降低粘接強度與密封效果，因此必須采用有效方法進行排氣處理，比如采用抽真空方法排氣，或用白熾燈加熱，邊烘烤邊攪拌，幫助排氣，但烘烤時間不宜過長，避免提前固化。

涂膠(含裝配)過程中，除要求粘接表面的膠液涂抹均勻且薄厚適宜外，不同的膠接結構形式還需采用不同的涂膠方式。例如，螺紋的防松膠接(圖 3a)只需將螺釘端頭的前3個螺紋涂一層常溫固化膠(膠液不可過多，避免流膠)，再將螺釘旋入螺紋孔；盲孔接頭的膠接(圖 3b)可用細竹簽蘸取少量膠液，將膠液慢慢導入盲孔，膠液要適量，以防止接頭插入盲孔時的膠液溢出；某傳感器疊片與箍環(huán)的膠接(圖 3c)需先在膠接表面用細毛筆均勻涂一層厚度約為0.01 mm的膠液，再將箍環(huán)(或襯套)水平放置，利用工裝將另一個裝配件與其對正并壓到底，不留縫隙。某些復雜精密部件的涂膠操作難度較大，常常需要借助顯微鏡等特殊儀器輔助操作。某航天儀表的“圓筒形”密封膠接結構(圖 4)需要分兩次進行膠接密封與固定，首先在外筒內壁刷一層5 μm厚的膠液，利用工裝將內筒與外筒固定膠接，再在內外筒間的溝槽內填充膠液，實現(xiàn)進一步的固定，該過程需嚴格控制涂膠的均勻性，避免膠層厚薄不均造成裝配零件位置的嚴重偏移。航天產品的膠接以手工操作為主，對技術人員的經驗依賴高，而且復雜精密結構的裝配難度大，一次裝配合格率低。

(a)螺紋防松 (b)盲孔接頭 (c)圓柱面

圖4 膠接結構示意圖與顯微照片

固化過程中，促進膠粘劑固化的方式很多，包括熱固化、濕氣固化、紫外線固化、無氧固化、加壓固化等不同方式。通常而言，時間、壓力和溫度是固化工藝的3個重要因素。航天器密封艙支座的膠接需要在50 kPa外壓作用下常溫固化240 h，為了提供垂直壓力，可將真空袋附罩在支座上方，通過抽真空方式施加垂直壓力，保證膠接質量[53]。固化溫度的提高可以加速固化，但帶來的副作用是內應力較大，易造成玻璃等脆性被粘零件的破壞，還會因固化速率過大加劇膠接結構內應力分布不均，進而影響產品性能。某陀螺儀導電環(huán)的粘接垂直度要求不大于0.01 mm，而在膠接固化初期或儲存過程中，局部固化應力及殘余應力使得裝配尺寸精度降低，造成系統(tǒng)精度漂移，導致產品性能衰減[10, 54]。固化過程的理想狀態(tài)是零殘余應力狀態(tài)，為減小膠粘劑殘余應力對粘接結構的影響，通常可采用分步、分級的固化方法，在不同溫度、壓力和時間下逐步固化。

航天產品的膠接裝配工藝工序多、難度大，工藝方法及參數(shù)的優(yōu)化至關重要。對固化殘余應力的有效控制直接影響精密產品的裝配質量與性能，成為膠接裝配工藝技術研究的重點與難點。

2.3 膠接力學性能

膠接力學性能主要包括靜/動態(tài)力學性能、疲勞與老化特性。靜態(tài)力學性能與疲勞老化特性是傳統(tǒng)膠接技術研究的主要內容，也是膠接技術研究的基礎。本文的動態(tài)力學性能與疲勞老化特性不同，是指振動沖擊、溫度等外部載荷影響下的應力松弛或蠕變等動態(tài)力學響應特性，以及裝配結構的黏彈性變形，該變形未發(fā)生或僅產生微小損傷。動態(tài)力學性能隨膠粘劑的疲勞或老化而逐漸演變，隨著航天精密產品對性能穩(wěn)定性要求的不斷提高，動態(tài)力學性能的研究也日益重要。

2.3.1膠接靜態(tài)強度

膠接結構的基本靜態(tài)力學性能主要包括剪切、拉伸、剝離等強度性能[25,46,55]。圖 5所示為航天金屬及復合材料零組件的基本力學性能測試，其中，剪切強度是膠接性能評價的重要指標參數(shù)。

(a)航天用鋁合金膠接接頭剪切測試

除了表面形貌特征外，溫度、濕度、膠層厚度、膠接面積等均對膠接強度有重要影響。如圖 6所示，某航天用環(huán)氧樹脂粘接劑的最大膠接強度隨溫度變化而改變，一定溫度范圍內的最大膠接強度較為穩(wěn)定，但隨著溫度繼續(xù)增大，最大膠接強度開始迅速下降，因此，為了避免失效風險，膠粘劑力學性能特征必須滿足膠接裝配產品使用環(huán)境的要求。BENEA等[56]研究了溫度和加載速率對高溫環(huán)氧膠粘劑拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)膠粘劑的拉伸應力隨溫度的升高線性減小，隨著加載速率的提高呈對數(shù)增大。國內外學者通過試驗及有限元分析等方法建立了膠接結構的剪切強度與膠層厚度、長度及面積的關系，為實際工程應用中的膠接結構選型提供了參考。夏美玲等[57]的研究表明，在一定范圍內，膠接強度隨膠層厚度的增大先增大后減小，隨搭接長度的增大呈非線性增大。CAMPILHO等[51]研究了膠層厚度對膠接接頭拉伸斷裂韌性的影響并評估了裂紋尖端開度，為膠接強度的預測提供了參考數(shù)據(jù)。刁常堃等[58]針對航天器密封艙光殼結構的膠接強度進行了仿真與試驗研究，獲得了大弧度曲面膠接結構的設計方案。

圖6 溫度對膠接強度影響曲線

2.3.2膠接動態(tài)力學特性

航天產品常常工作在復雜的振動、沖擊、溫變等外部載荷環(huán)境，即使未發(fā)生或僅產生微小損傷，也會產生不同程度的應力松弛或蠕變，由圖 7可以看出，同一膠粘劑在不同溫度與應力加載速率v影響下可以表現(xiàn)出不同的應力-應變關系，隨著加載速率的降低與溫度的升高，膠體的彈性模量減小。

圖7 溫度與加載速率對膠粘劑應力應變的影響[56]

圖8所示為航天高精密陀螺儀表的核心浮子組件，其質心變化需要控制在0.5 nm之內才可滿足儀表系統(tǒng)精度指標的設計要求。該浮子組件主要采用螺紋連接和膠粘連接，其裝配連接結構的穩(wěn)定性直接影響浮子質心穩(wěn)定性和系統(tǒng)精度指標。裝配完成后或在服役過程中，由于膠粘裝配固化應力以及工作過程的熱-力載荷變化的影響，結構發(fā)生變形，質心位置發(fā)生變化，從而產生干擾力矩，導致儀表系統(tǒng)精度指標會不同程度地下降[24,59]。

圖8 陀螺儀浮子質心偏移示意圖

相比于螺紋連接、焊接等高剛性連接，膠接裝配面臨的問題更加復雜，膠接結構的剛性較弱、蠕變較大，對振動、沖擊、溫度等環(huán)境影響較為敏感，在外部環(huán)境與內應力作用下，膠接結構的裝配精度會逐漸丟失，導致產品性能衰退。膠接裝配穩(wěn)定性已成為制約航天精密器件性能提升的重要問題。劉明堯等[60]研究了膠粘劑黏彈性應變對粘貼式光纖布拉格光柵應變傳遞的影響規(guī)律，得出適當増大粘貼長度、減小粘貼中間層厚度可以減小膠體蠕變對應變傳遞影響的結論，為光纖布拉格光柵的高精密測量提供了改進方案。李凱等[61]研究了撓性微加速度計裝配中的膠層熱傳遞和蠕變效應對加速度計溫度滯環(huán)的影響，該研究考慮了膠層厚度、溢出和傾斜等因素，為加速度計的裝配工藝優(yōu)化提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.3.3膠接疲勞與老化的影響因素

在精密機電產品的貯存或服役階段，內部零部件之間的膠接結構受各種極限環(huán)境因素的影響，加劇了膠接結構的蠕變、疲勞以及膠粘劑材料的老化，使得膠粘連接性能下降，甚至發(fā)生裝配結構失效與破壞，縮短服役周期。

STAZI等[62]在溫濕度變化與紫外線照射的條件下測試了膠接接頭的力學性能，發(fā)現(xiàn)這兩個因素對接頭連接強度影響輕微，但對連接剛度影響明顯。COSTA等[3]研究了濕度對鋁膠接接頭疲勞裂紋擴展速率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著相對濕度的増大，鋁膠接接頭的疲勞強度明顯下降、壽命顯著縮短。LIU等[63]研究了濕熱效應對環(huán)氧樹脂雙搭接剪切接頭力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)潮濕環(huán)境會引起彈性模量和拉伸強度明顯下降，且濕度較高時以膠體內聚失效為主，溫度較高時以膠接界面失效為主。KORTA等[64]研究了濕熱循環(huán)對環(huán)氧樹脂粘接接頭抗剪強度和抗拉強度的影響，發(fā)現(xiàn)在無外力作用下，濕溫循環(huán)載荷會導致接頭脫粘，并確定了熱膨脹系數(shù)是影響異質材料接頭性能的關鍵因素。

3 航天膠接技術的發(fā)展趨勢

隨著我國航天產品特別是精密機電產品對高精度、高穩(wěn)定和高品質的不斷追求，零部件加工精度顯著提高，裝配過程對進一步提升產品性能的作用則日趨重要，膠接裝配技術受到高度關注。雖然國內外學者對膠接理論與技術開展了大量研究，但主要針對靜態(tài)力學強度或疲勞/老化壽命，無法較好地解決航天精密器件的性能保持等難題。另外，航天產品膠接裝配目前仍以手工操作為主，這導致裝配效率低、質量一致性差、產品合格率低等一系列問題。因此，未來還需在膠接工藝及其動態(tài)特性、先進膠接裝備等方面開展深入研究。

3.1 膠接工藝參數(shù)的量化研究

航天工業(yè)大部分產品的膠接裝配仍以手工操作為主，表面質量、涂膠量、膠層厚度等的控制主要憑借“感覺”調整，裝調水平取決于工人的經驗和技能，導致產品裝配質量一致性差。膠接表面常以手工打磨方式進行零件表面“粗糙化”，嚴重破壞了精加工尺寸精度，而且容易造成膠層厚薄不均，引起應力分布不均。因此，細化工藝參數(shù)，建立不同基底材質及膠粘劑下的表面形貌特征、膠層尺寸、固化溫度、固化時間等工藝變量與膠接性能的量化作用關系，可為工藝優(yōu)化提供理論支撐，并有力推進膠接自動化裝備的研制。

3.2 膠接動態(tài)力學性能的研究

現(xiàn)有研究側重于膠接結構形成初期與膠體材料老化后期的靜態(tài)/準靜態(tài)力學性能，較少研究膠接結構在復雜服役工況環(huán)境下的連接性能時變規(guī)律。對于精度要求較高的航天精密機電產品，裝配精度的長期穩(wěn)定性是其關注的核心問題，因此對膠接裝配進行動態(tài)力學性能的研究更具實際意義。精密機電產品的服役期通常由產品精度的穩(wěn)定期決定的。對于普通產品的膠接結構，可通過開展膠接強度與失效模式的影響機理研究，預測可靠連接狀態(tài)的壽命，但航天精密機電產品主要關注的是膠接結構失效前的性能演變規(guī)律及其穩(wěn)定性控制。對于高精度陀螺儀表、加速度計等機電產品在服役期內的精度漂移等問題，在工程上可通過建立控制策略進行后期補償?shù)姆椒ㄌ岣呔?、延長壽命。目前，對膠接性能演變規(guī)律的基礎研究不足，無法基于裝配結構、材料特性、物理場環(huán)境等多參數(shù)耦合建立膠接裝配體穩(wěn)定性分析預測模型，導致無法提出有效的控制策略與補償方法。因此，開展膠接結構在復雜工況耦合下的動態(tài)力學性能與裝配誤差演變規(guī)律的研究，可有效解決航天精密機電產品長期存在的精度漂移、服役周期短等難題。

3.3 自動化膠接裝配與檢測技術的研究

膠接結構的不可拆卸導致某些隱蔽配合位置的裝配質量難以直觀目視檢測，而工程實際中采用的隨爐膠棒試件的破壞性力學性能檢驗只能對膠粘劑配制與固化效果進行確認，無法較好地檢測缺膠、氣泡、膠瘤等裝配缺陷。航天產品的膠接裝配過程中，調制、涂膠、裝配、固化等工藝流程較為復雜，難以保障裝配質量的一致性與可靠性，造成產品合格率低、性能參差不齊。因此，自動化精密膠接裝備的研制，以及射頻超聲、X射線檢測等無損、無應力檢測技術的應用對膠接裝配質量與航天產品性能的提高至關重要。