航天用感應同步器組件膠膜的研制

葉振東，徐 磊，王楨楠

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

航天用感應同步器作為某型號高精度電機組件的核心部件，其加工制作尤為關鍵。感應同步器是由銅箔、聚酰亞胺絕緣層和基板等疊壓而成，各層之間用膠黏劑進行粘接。在過去的生產中，我們采用大量溶劑稀釋204酚醛膠后進行噴涂，將膠黏劑均勻撒播在工件表面，晾干后，再進行各個部件的粘接。這樣操作的缺點較多：大量使用溶劑，溶劑揮發會污染環境；膠膜晾置的過程受環境濕度影響，在雨季粘接效果不理想；噴涂后的膠膜往往裹挾大量的空氣，疊合過程中易產生鼓包，感應同步器的成品不良率較高。為此，我們研制一種專用板-板粘接用膠膜。將這種專用膠膜放置于銅箔、聚酰亞胺絕緣層、基板疊壓之間，然后通過熱壓的方式將整個體系粘接成為一個整體部件，操作簡單方便，可適用于各種尺寸、各種批量的生產加工。

1 實驗部分

1.1 主要原料及儀器

原料：E-54雙酚A型環氧樹脂，D37聚醚胺樹脂，雙氰胺，改性咪唑，改性脲D，核殼共聚物(F型、M型、P型)，聚氨酯預聚體，端羧基丁腈橡膠(CTBN)。

儀器設備：加熱攪拌裝置，CMT4204電子控制萬能材料試驗機，DSC Q250差式掃描量熱儀，TGA Q5000熱重分析天平。

1.2 膠黏劑(膠膜)的制備

將環氧樹脂(E-54)、聚醚胺改性環氧樹脂(D37)于反應釜中，水浴加熱至60 ℃～80 ℃，使其完全混合，攪拌均勻，加入增韌劑繼續攪拌30 min。攪拌均勻后冷卻至40 ℃左右時加入促進劑，再次均勻攪拌后倒出產物，得到環氧樹脂膠黏劑。

用濕法流延成膜的方式將環氧樹脂膠黏劑在50 ℃左右涂覆在離型紙上，并添加無紡布骨架，制成環氧樹脂膠膜。

1.3 被粘物表面處理及粘接工藝

1.3.1 表面處理工藝

粘接試樣的測試板選擇1Cr18Ni9Ti不銹鋼板材，粘接前測試板粘接面需用丙酮進行除油處理。處理結束后，放入草酸37份(質量比)，98%濃硫酸36份，去離子水300份，配制成的處理液在85 ℃～90 ℃處理10 min，取出后清水沖洗，在93 ℃下干燥10 min～15 min，備用。

1.3.2 粘接工藝

使用筆刷蘸取一定量的膠黏劑，均勻刷涂于測試板表面，在測試板表面形成一層0.05～0.15 mm膠層。無需晾置，直接將測試板合攏即可。將合攏后的試樣放入150 ℃±2 ℃的烘箱中，保溫30 min。時間到達后，試樣隨箱降至室溫即可。

1.4 性能測試

拉伸剪切強度參照GB/T 7124—1986《膠黏劑拉伸剪切強度測定方法(金屬-金屬)》在萬能材料測試儀上進行。

質量損失測試參照QJ 1558—88《真空中材料揮發性測試方法》進行測試。

膠膜性能測試依據該型號無刷雙通道感應同步器加工工藝以及感應同步器試驗規范進行。

2 結果和討論

2.1 促進劑對膠黏劑的影響

雙氰胺是一種性能較好的環氧樹脂潛伏性固化劑，主要缺點是固化溫度偏高(160 ℃～170 ℃)。為了降低固化溫度，提高固化速度，通常采取兩種途徑：添加促進劑和改性雙氰胺。促進劑一般選擇脲類或咪唑類，既能保證固化溫度在120 ℃以下，又可以保證室溫下有足夠長的適用期。

我們采用自研的改性咪唑和改性脲D類促進劑對雙氰胺的促進效果進行了對比，采用差式量熱儀對固化反應進行掃描通過實驗，在加入促進劑后固化反應發生明顯的前移，反應起始點由157.9 ℃前移至120 ℃附近(雙氰胺+改性脲D：114.3 ℃；雙氰胺+改性咪唑：122.5 ℃)，達到了降低反應固化溫度的初衷。

圖1 改性咪唑和改性脲D促進雙氰胺固化的DSC

我們又對兩種促進體系的保存期進行了室溫(23 ℃±2 ℃)和低溫(5 ℃～10 ℃)下的保存期實驗考察，結果如表1所示。

表1 改性咪唑和改性脲D促進雙氰胺體系室溫/低溫保存期實驗

結合上述兩項實驗，我們發現，改性咪唑和改性脲類對雙氰胺都具有較好的促進效果，可以滿足在中溫(120 ℃左右)下的固化。在室溫/低溫保存期上，改性咪唑促進雙氰胺時較改性脲D促進雙氰胺更具有明顯優勢。我們選用改性咪唑作為促進劑。

2.2 增韌材料對膠黏劑的影響

環氧樹脂膠黏劑的增韌主要有液體端羧基丁腈橡膠(CTBN)增韌、聚丙烯酸酯類彈性體增韌、有機硅增韌、聚氨酯預聚體增韌、納米材料改性、柔韌性型環氧樹脂增韌等。我們選擇核殼共聚物(F型、M型、P型)、聚氨酯預聚體(E15)、端羧基丁腈橡膠(CTBN)進行實驗對比，效果對比如表2所示。

表2 增韌材料對環氧樹脂的增韌效果對比

將相同份數的幾種增韌劑對環氧樹脂的進行增韌，效果可見表2，相同份數的CTBN增韌效果較差，其余幾種核殼共聚物和聚氨酯改性環氧對環氧樹脂都具有較好的增韌效果，其中E15和F型的綜合性能最好。結合使用工藝，聚氨酯預聚體E15更為簡便，確定聚氨酯預聚體E15作為增韌材料。

2.3 膠膜力學性能、低揮發性能測試及分析

用濕法流延成膜方式制成環氧樹脂膠膜，對該膠膜進行綜合力學性能測試，測試數據如表3所示。

表3 膠膜的綜合力學性能測試

依據QJ 1558—88《真空中材料揮發性能測試方法》，對膠膜的低揮發性進行真空放氣性測試，指標如表4所示。

表4 膠膜真空質損實驗結果

在固化反應時，雙氰胺上的活潑氫與環氧基團進行加成反應，產生大量的羥基；另外，剩余的腈基與羥基繼續反應，同時腈基與環氧基團也開始發生反應。

2.4 感應同步器壓合工藝及性能測試

感應同步器主要是將不同的材質進行相互粘接，除了基本的強度測試，還需要測試不同材料的粘接情況。我們對感應同步器鋁-銅材質進行壓裝粘接，加工過程如圖2所示。

圖2 感應同步器壓合過程及壓合后成品

壓裝粘接后，鋁-銅材質粘接效果良好，通過敲擊檢查粘接層完整，無氣孔。而后采用銑加工方式，對表面銅層進行加工，高速運轉的刀具會對表面銅層產生沖擊。我們用模擬加工繞組圖樣的方式來檢驗膠膜抗沖擊性能，使用直徑0.35 mm銑刀，轉速12 000 r/min，對銅箔及絕緣層進行銑削加工，繞組紋路復雜，最細處只有0.48 mm寬。

機刻加工后，感應同步器試樣繞組紋路清晰，切削邊界無翹曲、無翻邊現象，如圖3所示。將加工完成后的感應同步器試樣進行宇航環境試驗，試驗內容如表5所示。

表5 感應同步器模擬件環境試驗內容

圖3 機刻后的感應同步器樣品

環境試驗后的感應同步器，表面銅箔繞組圖樣完整、邊界清晰，無翹起、脫離等現象。材料受到環境應力影響，材料會發生膨脹或收縮，鋁和銅作為金屬材料其膨脹系數相近，而膠黏劑作為非金屬材料，其膨脹系數是金屬材料的10倍以上。為了有效控制膠黏劑的不均勻膨脹(收縮)，我們在膠層中預設玻璃纖維織物，作為“骨架”填充其中，降低膨脹系數的同時，也可以對各層材料進行有效的牽扯，平均分擔環境應力產生的形變。試驗結束后，證明該膠膜具有較好的抗機械沖擊性和耐環境性要求。

3 結 語

本文研制了一種航天用感應同步器專用板-板粘接膠膜，這種膠膜采用環氧樹脂(E-54)/聚醚胺改性環氧樹脂(D37)/雙氰胺作為膠的主劑和固化劑，選用改性咪唑作為促進劑，并輔以增韌材料和纖維織物“骨架”，使膠膜具有良好韌性、環境適應性、機械性能和工藝可操作性。目前使用該膠膜制成的航天用感應同步器已通過了某型號項目鑒定級試驗，各項性能指標滿足技術要求，達到了研制的目的。