國產中溫固化熱破膠膜性能

趙臻璐 嚴利娟 劉佳 張鑫 梁凱

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

文摘 考察了一種適用于衛星太陽翼基板的國產中溫固化膠膜的膠接性能和熱破工藝性，并分別采用國產和進口膠膜，利用膠膜熱破施膠方法制備了碳纖維網格面板/鋁蜂窩芯夾層結構，對其彎曲性能進行評價。結果表明，國產膠膜的室溫拉伸剪切強度（鋁基材）為34.9 MPa，150 ℃時拉伸剪切強度降為10.2 MPa，-150 ℃時拉伸剪切強度降為30.4 MPa。碳纖維復合材料作為膠接基材時，室溫拉伸剪切強度為17.5 MPa，破壞模式為基材分層破壞和膠黏劑內聚破壞的混合破壞模式。國產膠膜具有良好的熱破工藝特性，在合適的工藝條件下，破孔率優于99.9%，90°板-芯剝離強度為15.4 N/cm；采用國產膠膜制備的蜂窩夾層結構的彎曲性能與采用進口Redux312UL的接近，彎曲剛度為1.94×108 N·mm2，彎曲強度為35.7 MPa。

0 引言

中溫固化熱破膠膜是衛星太陽翼基板碳纖維網格面板與鋁蜂窩芯的粘接材料，其主要作用是通過膠粘作用實現結構的有效連接，為太陽電池片和電路提供具有一定剛度和強度的安裝平面與支撐，確保太陽翼在軌正常工作，為航天器提供可靠的電源。目前，我國太陽翼基板用熱破膠膜基本為進口Redux312UL，國內開展了適用于太陽翼基板的中溫固化熱破膠膜研制。

由于太陽翼基板在發射過程中需要承受噪聲、振動等力學環境載荷，在軌運行期間一般需要面臨±150 ℃的溫度交變［1-3］，為保證太陽翼基板在整個服役周期結構連接的可靠性，要求膠膜在一定的溫度范圍內具有相應的膠接強度。因此，本文主要針對太陽翼基板用國產中溫固化熱破膠膜，開展基礎力學性能、膠接工藝性能評價，并采用膠膜熱破法制備碳纖維網格面板/鋁蜂窩芯夾層結構，對其力學性能進行分析。

1 實驗

1.1 原材料

中溫固化熱破膠膜：J-312L，黑龍江石化院；Redux312UL，赫氏公司。

鋁蜂窩芯，PAMG-XR1-3/8-5056-0.000 7P，普拉斯科公司。

鋁面板：LY12CZ，西南鋁業。

碳纖維/環氧樹脂基復合材料：碳纖維，M40J，東麗公司；環氧樹脂，BS-2，北京衛星制造廠有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 拉伸剪切試樣的制備及性能評價

拉伸剪切試樣按照GB/T 7124—2008 進行加工，其中，鋁板表面經過磷酸陽極化，碳纖維復合材料表面打磨處理。按照標準要求尺寸進行制樣，固化溫度120 ℃，固化時間1.5 h。

1.2.2 膠接鋁蜂窩夾層結構90°剝離試樣的制備及性能評價

剝離試樣按照相關標準進行加工，其中，鋁板表面經過磷酸陽極化。采用膠膜熱破法實現蜂窩夾層結構膠膜的施膠，固化溫度120 ℃，抽真空固化時間1.5 h，然后按照標準要求尺寸進行試件加工。

1.2.3 碳纖維網格面板/鋁蜂窩芯夾層結構彎曲試樣的制備及性能評價

蜂窩夾層結構的面板為碳纖維/環氧樹脂基復合材料網格面板，蜂窩芯高度24 mm，試件尺寸600 mm×55 mm。采用膠膜熱破法實現蜂窩夾層結構膠膜的施膠，固化溫度120 ℃，抽真空固化時間1.5 h。采用三點彎曲方法測試力學性能。

2 結果與討論

2.1 膠膜膠接性能

LY12CZ 鋁合金作為膠接基材制備的板-板拉剪試件在不同溫度下膠膜的拉伸剪切強度（鋁基材）測試結果如圖1所示。

圖1 膠膜在不同溫度下的拉伸剪切強度Fig.1 The shear strength of adhesive film at different temperatures

可以看出，膠黏劑在室溫以下的拉伸剪切強度均大于30 MPa，表明該膠膜在室溫及以下具有良好的膠接性能。室溫以上時，隨著溫度的升高，拉伸剪切強度逐漸降低，150 ℃時的拉伸剪切強度從室溫的34.9 降低至10.2 MPa。但仍能滿足在太陽翼基板使用（含地面試驗環境）溫度范圍內膠黏劑拉伸剪切強度不小于10 MPa（鋁基材）的使用要求，表明該膠膜可用于服役溫度范圍在±150 ℃的太陽基板。

膠膜在太陽翼基板中的實際使用工況為碳纖維復合材料的膠接，為了更真實地評價膠膜的粘接性能，考察了不同基材的拉伸剪切試件強度，結果如表1 所示。可以看出，與鋁合金基材相比，膠膜對碳纖維復合材料的膠接強度有所降低。

表1 不同基材的室溫拉伸剪切試件強度Tab.1 The shear strength of adhesive film for different substrate

一般來說，膠黏劑的破壞包括膠黏劑的內聚破壞、被粘物的內聚破壞、黏附破壞和混合破壞4 種模式［4-7］。其中，膠黏劑的內聚破壞是由于膠黏劑的內聚力較低導致膠黏劑內部發生的破壞現象；被粘物的內聚破壞則是由于被粘物的內聚力較低導致的被粘物內部發生的破壞；黏附破壞是指膠黏劑和被粘物界面發生的破壞現象，但研究表明，通常不存在真正的黏附破壞，一般在顯微鏡下都會在被粘物上觀察到膠黏劑的殘留［8］；混合破壞則是兼具內聚破壞和黏附破壞的破壞［4，9］。從碳纖維/環氧樹脂復合材料拉伸剪切試驗件的破壞形貌（圖2）可以看出，試件多呈現基材分層破壞和膠黏劑內聚破壞的混合破壞模式。這表明衛星用復合材料本身已成為薄弱環節，導致拉伸剪切強度降低。

圖2 拉伸剪切試件破壞形貌（復合材料基體）Fig.2 Failure morphologies of tensile shear specimens

2.2 膠膜熱破工藝性

膠膜熱破工藝是一種新型高效的蜂窩夾層結構膠膜施膠工藝，其原理如圖3所示。通過對鋪貼在蜂窩芯端面一定厚度的膠膜進行瞬時加熱，同時沿蜂窩芯格孔軸向反向施加一定氣壓的熱空氣，使膠膜軟化、鼓脹、破裂、收縮，并均勻聚集在蜂窩芯格端面，實現膠黏劑從膠膜態向蜂窩網格態的直接轉化的過程［10］。選擇合適的膠膜熱破工藝參數，可將結構膠膜離散為沿六邊形鋁蜂窩芯壁均布的狀態，提升結構膠膜利用率。

圖3 膠膜熱破施膠原理圖［8］Fig.3 Principle of adhesive film hot-break

通過調節膠膜熱破的溫度、鼓風風壓以及水平掃描速率，確定了膠膜的最佳熱破工藝參數，如表2所示，并對膠膜的破孔率、蜂窩芯格端面膠黏劑分布均勻性進行了分析。膠膜的熱破狀態如圖4所示，可以看出，膠黏劑能夠沿著蜂窩芯爬升形成浸膠瘤，破孔率優于99.9%。鋁蜂窩夾層結構90°板-芯剝離強度達到15.4 N/cm，可實現結構的有效連接。

圖4 膠膜熱破狀態圖Fig.4 The morphology of adhesive film after hot-break

表2 熱破工藝參數1）Tab.2 The process parameters of hot-break

為了評價熱破工藝對膠膜固化特性的影響，根據膠膜非等溫固化曲線，測試膠膜熱破前后不同升溫速率下的固化起始溫度、固化峰頂溫度、固化終止溫度。以5、10、15 ℃/min 升溫速率進行DSC 測試結果如圖5 所示。將固化溫度曲線外推，可以得到在0 ℃/min 下的固化反應起始溫度、峰值溫度和終止溫度，得到的固化溫度如表3 所示。可以看出，熱破前后膠膜的固化反應起始溫度、峰值溫度和終止溫度沒有明顯變化，表面膠膜熱破工藝沒有對膠膜的固化特性產生明顯的影響。

圖5 不同升溫速率下膠膜的固化溫度1）Fig.5 Curing temperature of adhesive film at different heating rates1）

表3 熱破前后膠膜的固化溫度1）Tab.3 Curing temperature of adhesive film1）

2.3 碳纖維網格面板/鋁蜂窩芯夾層結構力學性能分析

碳纖維網格面板/鋁蜂窩芯夾層結構是衛星剛性太陽翼基板的典型結構形式。網格面板與蜂窩芯格的膠接性能直接影響整個太陽翼基板的性能［10］。參考太陽翼基板的典型結構特點，制備了碳纖維網格面板/鋁蜂窩芯夾層結構彎曲性能試驗件，對國產膠膜和進口膠膜的膠接性進行對比分析，結果如表4所示。可以看出，采用兩種膠膜制備的彎曲試件，彎曲剛度和彎曲強度相當。

表4 不同膠膜制備的蜂窩夾層結構彎曲性能Tab.4 Bending characters of honeycomb sandwich structure with different adhesive films

3 結論

（1）國產中溫固化膠膜的室溫拉伸剪切強度（鋁基材）為34.9 MPa，150 ℃時拉伸剪切強度降為10.2 MPa，-150 ℃時拉伸剪切強度降為30.4 MPa，滿足太陽翼基板使用（含地面試驗環境）溫度范圍內膠黏劑拉伸剪切強度不小于10 MPa（鋁基材）的要求，表明該膠膜可用于服役溫度范圍在±150 ℃的太陽基板結構。

（2）碳纖維復合材料作為基材進行膠接時，基材成為拉伸剪切破壞的薄弱環節，導致拉伸剪切強度降低。

（3）國產中溫固化膠膜具有良好的熱破性，熱破前后膠黏劑的固化特性未發生明顯變化，膠黏劑均勻分布在蜂窩芯表面，破孔率優于99.9%。

（4）采用國產膠膜制備的碳纖維網格面板/鋁蜂窩芯夾層結構試驗件彎曲剛度與彎曲強度與采用進口Redux312UL膠膜的試驗件相當。