航天器復材構件用膠粘劑粘接強度及耐久性模擬研究

摘要：酚醛樹脂膠粘劑在長期使用或者受到紫外線、高溫等外部環境因素影響時，容易出現老化現象，降低粘接性能。為了滿足航天器膠粘劑高強度需求，進行航天器復合材料膠粘接強度及破壞的有限元數值模擬研究。采用苯酚和甲醛制備酚醛樹脂，使用萬能試驗機測試該膠粘劑在粘接航天器構件時的剪切強度與剝離強度，以此確定該膠粘劑最佳固化條件和膠層厚度。將該膠粘劑的基礎參數輸入到ABAQUS有限元軟件中，構建粘接試驗樣品的有限元模型，分析該膠粘劑在極限荷載作用下的剪切應力與剝離應力變化。試驗結果表明，該膠粘劑在高溫或較長時間固化后，粘接強度最佳，膠層厚度為150 mm時，粘接強度更高。

關鍵詞：航天器；復合材料膠；粘接強度；酚醛樹脂；數值模擬

中圖分類號：TQ433.4+31文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0001-04

Simulative research on bonding strength and durability of adhesives for spacecraft composite components

KANG Jin1，DONG Junyan2

（1.Shaanxi Polytechnic Institute，Xiangyang 712000，Shaanxi China；

2.Rongsheng Meng Guli New Energy Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

Abstract：Phenolic-resin-based adhesives are highly susceptible to aging when they are either in long-term usage or exposedtoexternalenvironmentalfactorssuchasultraviolet（UV）radiationandhightemperatures.This agingphenome-non leads to a significant decline in their bonding performance.To fulfill the stringent high-strength requirements of ad-hesives for spacecraft，a finite-element numerical simulation study was carried out，focusing on the bonding strength and failure mechanisms of adhesives used in spacecraft composite components.Phenolic resin was synthesized through the reaction of phenol with formaldehyde.A universal testing machine was employed to measure the shear strength and peel strength of the adhesive during the bonding of spacecraft components.These measurements were used to determine the optimal curingconditions and the thickness of the adhesive layer.Subsequently，the fundamental parameters of the adhesive were input into the ABAQUS Finite Element Analysis software.Based on these inputs，afi-nite-element model of the adhesive-bonding test sample was constructed.This model was then utilized to analyze the variations in shear stress and peel stress of the adhesive under the action of the ultimate load.The experimental results demonstrate that the adhesive attains its optimal bonding strength when cured at high temperatures or over an extend-ed period.Notably，when the thickness of the adhesive layer is 150 mm，the bonding strength is further enhanced.

Key words：spacecraft；composite adhesive；bonding strength；phenolic resin；numerical simulation

酚醛樹脂又稱電木粉，是一種由酚類化合物和醛類化合物經縮聚反應得到的合成樹脂。它具有優良的耐熱性、耐水性和絕緣性，同時具有良好的尺寸穩定性和耐化學腐蝕性能[1]。可以用于航天器中的金屬、非金屬結構件的粘接[2-3]，承受高溫和惡劣環境，保證結構件的牢固性和穩定性[4]。然而，酚醛樹脂復合材料膠在使用過程中[5-6]，容易受到外部環境的影響，降低膠粘接強度。選擇合適的低分子橡膠和聚砜作為改性劑，將制備好的膠粘劑薄膜樣品進行彈性測試、強度測試等，評估改性后膠粘劑的性能[7]。以船舶結構作為研究對象，使用氯化石蠟和酚醛樹脂混合制備出復合膠粘劑，并且測試該復合膠的各項基礎性能[8]。研究一種用于固體發動機的膠粘劑，該膠粘劑能夠應用于機械結構，發揮良好的膠粘性能，但是該膠粘劑長期使用后，容易出現脫膠、失效的情況，耐疲勞性能并不可觀[9]。將表面增強技術應用于膠粘接頭中，減少應力集中并阻止裂紋擴展[10]，但該技術需要考慮與其他材料的相容性。

針對上述問題，研究一種丁腈橡膠與酚醛樹脂基及多種外加劑混合制備出復合膠粘劑，通過試驗測試該航天器復合材料膠粘接強度并通過有限元數值模擬的方法研究該膠粘劑的破壞應力分布。

1試驗材料與方法

1.1材料與儀器設備

（1）材料。苯酚，工業級，沸點一般在175℃，折射率為1.50，濟南澤寬化工有限公司；對羥基苯甲醛，工業級，熔點在112～116℃，具有強烈刺激性氣味，中山市迪欣化工有限公司；有機硅聚合物，工業級，沸點為134℃，熔點50～64℃，武漢安道麥新能源有限公司；氧化鈣，工業級，可過200～300目篩，pH值為13，山東鳴威化工有限公司；氧化鋅，工業級，熔點為1 975℃，不溶于水，河北騰格化工科技有限公司；丁腈膠，防火耐高溫，斷裂伸長率為480%，具有較大的彈性，衡水赤兔馬新材料有限公司；增塑劑，工業級，凝固點為16℃，羥基值為16 max，黏度為750 cps，濟南金邦環保科技有限公司；硫化劑，能夠改善膠粘劑的拉伸強度、抗撕裂強度、硬度和耐磨性，濟南山海化工科技有限公司；氧化劑，pH值為6～7.5，沸點為100℃，呈無色結晶體，山東正弘生物科技有限公司；

（2）儀器設備。LYHX-01烘箱、HH-2恒溫水浴鍋、BP-8172混煉機、CTM6000萬能試驗機和DF-101S磁力攪拌機。

1.2復合材料膠粘劑制備

（1）酚醛樹脂基料制備。向玻璃瓶中倒入一定量苯酚粉末，為使原料融化，將盛有苯酚粉末的玻璃瓶置于烘箱之中，烘干處理6 h。將融化之后的苯酚原料倒入三口燒瓶之中，3個口分別連接冷凝管、磁力攪拌機以及溫度計，為了不使試驗原料殘留在器皿上，所有試驗玻璃器材均涂抹凡士林，使用攪拌機攪拌原料0.5 h。將三口燒瓶置于初始溫度設定為65℃的恒溫水浴鍋之中，將氨水倒入三口燒瓶之中，攪拌30 min后將對羥基苯甲醛倒入燒瓶之中，為了避免氨水發生揮發，試驗過程中將三口燒瓶的進氣口密封。在95℃加熱狀態下使用磁力攪拌機持續攪拌，觀察混合溶液呈現出渾濁狀態后，停止攪拌靜置反應0.5 h。停止反應以后，將溶液轉移到圓底燒瓶之中繼續加熱旋蒸處理，旋蒸至沒有產物出現以后停止處理。旋蒸產物即為酚醛樹脂[13]基料；

（2）酚醛樹脂基料改性。在玻璃燒杯中倒入去離子水、氧化鈣與有機硅聚合物，使用磁力攪拌機充分攪拌，恒溫水浴鍋溫度升高至120℃。為了充分水解有機硅聚合物，將混合物置于該環境中反應60 min，完成反應以后，使用去離子水多次沖洗，使得有機硅pH值呈現中性。將制備的酚醛樹脂基料與氧化鋅催化劑混合，使用磁力攪拌機充分攪拌。完成攪拌后將該催化后基料與有機硅混合[12-13]，攪拌后將烘箱溫度設置為100℃，將該混合物置于烘箱中烘干處理8 h，使得混合物質中的小分子能夠完全從混合物之中脫除。烘干后的粘稠固體即為有機硅改性之后的酚醛樹脂；

（3）復合膠粘劑的制備。為了提升該膠粘劑的膠粘性能與黏度，需要向酚醛樹脂之中添加丁腈膠，使得復合膠粘劑的粘性提升。先用混煉機多次塑煉丁腈膠，待該膠的黏度提升至60～70 Pa·s，將增塑劑和硫化劑分別投入混煉機之中，實現丁腈膠的流通。該階段迅速向丁腈膠之中倒入去離子水，實現膠體的溶脹，通過混煉機的處理，得到丁腈膠漿。按照試驗需求，將不同比例的丁腈膠漿與有機硅改性的酚醛樹脂混合，使用磁力攪拌機充分攪拌，得到復合材料膠粘劑。

1.3粘接強度測試方法

（1）粘接試件制備。采用細編穿刺方法處理該復合材料表面5 min，再使用60目的砂紙打磨，去除材料表面的毛刺，完成打磨以后使用丙酮沖洗消除雜質[16]；使用80℃的氧化劑處理30 min，去離子水沖洗后置于110℃的烘箱中處理2 h，使得試件保持干燥。在試件表面涂刷濃度為50%的硅烷偶聯劑后再次沖洗烘干，室溫環境下靜置備用；

（2）固化條件對粘接強度影響。將制備的復合材料膠粘劑涂刷在處理后的C/C復合材料，完成涂刷以后，在不同固化條件下，測試各個膠粘劑的剪切強度與剝離強度[17]，以此獲得固化條件對于所制備的復合材料膠粘劑粘接強度的影響。固化條件分別為：固化條件A：130℃條件下養護3 h；固化條件B：150℃條件下養護1 h；固化條件C：150℃條件下養護3 h；固化條件D：180℃條件下養護1 h；固化條件E：200℃條件下養護1 h。剪切強度是測試膠粘劑粘接強度的關鍵評價指標，剪切強度越高，表示膠粘劑的粘附和承載能力越強，越能夠有效地固定物體。剪切強度測試參考GB 7124—1986，涂膠后將2個樣品合攏粘貼并以5℃/min的升溫速率、0.15 MPa壓力固化膠粘劑，完成固化以后，結合萬能試驗機測試剪切強度。剝離強度也是評價膠粘劑粘接強度的指標之一，剝離強度測試時以GB 7122—1986為標準，同樣借助萬能試驗機實現測試；

（3）膠層厚度對粘接強度影響。制備試驗試件時，調整膠層厚度分別為150、250、350、450 mm，與C/C復合材料粘接。使用萬能試驗機測試，并通過計算獲得各個試驗樣品的剪切強度變化。觀察各個試驗樣品的破壞情況，由此確定膠層厚度對于該膠粘劑粘接強度的影響。

1.4破壞程度有限元數值模擬

（1）三維模型構建。為了便于計算粘接破壞程度，需要先假設本文粘接C/C復合材料時的初始階段質量較高，粘接位置沒有出現顯著破壞。粘接后的C/C復合材料在拉伸荷載作用下應力數值為150 MPa；

（2）單元選擇。使用ABAQUS有限元軟件，模擬分析粘接C/C航天器復合材料的酚醛復合材料膠粘劑受到破壞時的應力變化[18]。將試驗材料的基本參數輸入到有限元軟件中構建粘接試驗樣品的有限元模型。有限元軟件中自帶多個模擬單元，C/C航天器復合材料選取C3D20R單元，酚醛復合材料膠粘劑選取C3D8R單元，種子布局選取1 mm；

（3）網格劃分。確定有限元單元后，需要對模型劃分網格，膠粘劑粘接位置的C/C材料接頭寬度會明顯寬于膠粘劑，所以劃分該區域的網格時，要尤其重視該區域的網格密度，整個有限元模型中節點的數量與單元數量分別為17 552個和5 521個。

2結果與討論

2.1粘接強度測試

2.1.1固化條件對粘接強度影響

結合萬能試驗機測試不同固化條件養護后，制備的復合材料膠粘劑粘接強度試驗結果如表1所示。

由表1可知，使用固化條件B時，所制備的復合材料膠粘劑剪切強度最低，其他條件養護后的膠粘劑剪切強度數值較為接近。這種情況是由于150℃溫度較低，只固化1 h無法達到理想粘接強度，其余各個固化條件的溫度或者時長都能滿足粘接所需，各個固化條件下膠粘劑產生的內聚條件高于被粘接材料的內聚條件。因此，粘接后各個固化條件的剪切條件較為接近。

2.1.2膠層厚度對粘接強度影響

計算出不同膠層厚度下，膠粘劑粘接之后的各個試驗試件的剪切強度變化情況，結果如表2所示。

由表2可知，隨著萬能試驗機荷載的增加，膠粘劑的剪切強度呈現出明顯降低變化趨勢，說明外力作用下膠粘劑的粘接強度受到破壞。不同膠層厚度下，膠粘劑的剪切強度也出現明顯變化。隨著膠層厚度增加，膠粘劑的剪切強度也呈現降低趨勢，說明二者為反比例關系，增加膠層厚度，反而不能提升粘接強度。

不同膠層厚度下，受到萬能試驗機作用力的影響，膠層發生破壞時的情況如圖1所示。

由圖1可知，不同厚度膠層在荷載作用下的破壞形貌也各不相同，圖1（a）中膠層厚度為150 mm的試驗樣品在外力作用下，即使C/C復合材料主體出現斷裂破壞膠層結構也沒有出現破壞，說明該厚度的膠層粘接強度較高。圖1（b）～圖1（d）各個膠層厚度的樣品分別發生內聚破壞、混合破壞以及界面破壞等不同斷裂形式，該破壞也與表2中的試驗結果一致。由此可以看出，選擇150 mm的厚度能夠滿足航天器材料粘接的需求。

2.2有限元數值模擬結果

2.2.1剪切應力有限元分析

在有限元模型中，向粘接后材料模型施加極限荷載，通過有限元模擬出該復合材料膠粘劑在出現粘接破壞時的剪切應力分布，該應力模擬云圖如圖2所示。

由圖2可知，膠粘劑的剪切應力越大代表粘接后的界面損傷越嚴重。受到極限荷載影響，復合膠粘劑粘接C/C材料位置出現集中剪切應力，粘接界面出現明顯剪切應力集中，且該應力還向周邊區域擴散，但是破壞集中在中心區域，最高剪切應力數值約為89.5 MPa，該膠粘劑粘接的材料剪切應力較小。

2.2.2剝離應力有限元分析

在有限元模型中，向粘接后材料模型施加極限荷載，模擬出該狀況下的應力分布，該剝離應力模擬云圖如圖3所示。

由圖3可知，盡管粘接位置整體都出現剝離應力變化，但是剝離應力較大值集中在粘接位置的兩端。也就是說，受到極限荷載影響時，粘接之后的邊緣位置更容易發生剝離開膠的變化，粘接邊緣位置也會最先出現損傷破壞，應力集中出現在該位置；進一步增加荷載，應力可能會向中心擴展，直至整個粘接區域完全失效。

3結語

膠粘劑作為復合材料連接的主要方式之一，其強度和破壞特性對航天器的安全性和可靠性具有重要影響。研究航天器復合材料膠粘接強度及破壞的有限元數值模擬，制備試樣樣品并測試不同固化環境與膠層厚度對于航天器用膠粘劑的粘接強度的影響。通過試驗分析確定，除了溫度較低且固化時間較短情況下不利于膠粘劑粘接強度提升外，高溫環境或者處理時間較長固化養護情況下，航天器用膠粘劑具有較為理想的粘接強度。

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（責任編輯：蘇幔，平海）