聚酰亚胺胶膜的制备及其对蜂窝夹层结构的影响

聚酰亚胺胶膜的制备及其对蜂窝夹层结构的影响

0复合胶黏剂在养牛业应用的研究进展以金属或纤维增强纤维材料为原料的蜂窝结构具有轻重性、抗疲劳性好、材料利用率高等优点。它可用于制作飞机推进器、翼架、尾锥和壁板。在蜂窝夹层结构的制造过程中,面板的质量及其与蜂窝芯子的粘结强度是影响夹层结构性能的关键因素。因此,粘接用胶的选用至关重要。一般来说,胶黏剂可以分为溶液状、膏糊状、胶膜状等。其中胶膜状胶黏剂具有厚度均匀,施胶量准确,施工工艺简便,可用于大面积粘接等优点,是粘接蜂窝夹层结构的首选。在现有的耐高温胶膜中,应用较为广泛的是改性环氧胶膜,然而其使用温度一般不超过200℃。随着航空航天技术的进一步发展,蜂窝夹层结构件在高速飞行中的外表面局部温度高达260-316℃,这对胶膜的耐热性能提出了更高的要求。为了达到更高的耐温等级,具有更优异的耐热性能和高温粘接性能的聚酰亚胺胶黏剂成为必然的选择。然而聚酰亚胺胶黏剂由于其结构上的刚性,通常难以制成胶膜,多以粉末或胶液的形式使用。自20世纪70年代起,以美国国家航空航天局Langley研究中心为首的多家研究机构和企业先后开发了LARC-13、PEPI-5、LARC-TPI、PISO2等一系列综合性能优异的聚酰亚胺胶膜,并已在飞行器制造中用于钛合金以及复合材料蜂窝夹层结构的粘接。针对我国先进航空航天飞行器制造技术的发展对耐300℃以上高温聚合物胶黏剂的迫切需求,在成功开发了具有优异高温粘接性能的KHPIA-S聚酰亚胺胶黏剂的基础上,本文采用该胶黏剂制备了均匀平整的聚酰亚胺胶膜,系统研究了胶膜对金属以及复合材料蜂窝夹层结构粘接时胶膜厚度以及表面处理剂等因素对粘接性能的影响。1实验1.1原材料KHPIA-S胶黏剂和表面处理剂SPA-50为自制,EW-100玻璃布。1.2胶液的储存稳定性将KHPIA-S胶黏剂溶于DMF中制备得到固体含量为50wt.%的胶液,配制的胶液具有良好的储存稳定性。采用AFA-Ⅱ自动涂膜器将胶液涂覆于EW-100玻璃布上,在50℃下烘干去除大部分溶剂后取出,重复上述步骤以制备不同厚度的胶膜。1.3单搭接剪切强度在Instron5567微机控制万能试验机上,采用GB7124—86标准测量对不锈钢试片的单搭接剪切强度,测试速率为5mm/min;采用GB1452—2005标准测量对蜂窝夹层结构的平拉强度,测试速率为1mm/min。2夹层焊接性能分析将制备的聚酰亚胺胶膜对不锈钢试片以及复合材料蜂窝夹层结构进行粘接,通过对胶膜粘接不锈钢试片的单搭接剪切强度以及粘接蜂窝夹层结构的平拉强度的评价,研究了胶膜厚度以及表面处理剂对其粘接性能的影响。2.1胶膜厚度对聚酰亚胺胶膜高温粘胶系统最将聚酰亚胺胶膜铺敷于不锈钢试片上,以350℃/2h的固化条件对不锈钢试片进行粘接,测定其在室温和320℃下的单搭接剪切强度,并与胶液的粘接性能进行对比。从表1可以看出,聚酰亚胺胶膜在常温下的单搭接剪切强度当胶膜厚度为160μm时与PI胶液粘接所得结果相当。随着胶膜厚度的逐渐增加至250μm,单搭接剪切强度先是呈缓慢下降的趋势,从PI-1的13.6MPa降至PI-3的10.2MPa。随着胶膜的厚度进一步增至450μm,PI-4的单搭接剪切强度大幅下降至5.8MPa,仅为PI-1的二分之一。此外,聚酰亚胺胶膜在320℃下的单搭接剪切强度也呈现了相似的变化规律,其中PI-1的单搭接剪切强度为11.1MPa,略高于胶液的高温粘接性能,而PI-4的剪切强度仅为5.6MPa,表明胶膜厚度过大对其单搭接剪切强度有不利的影响。该聚酰亚胺胶膜在320℃具有良好的剪切强度保持率,PI-1至PI-4的保持率都在87%以上。2.2牵引强度2.2.1pi-4在mpa不同厚度的聚酰亚胺胶膜以350℃/2h的固化条件对复合材料蜂窝夹层结构进行粘接,其室温下的平拉强度测试结果见图1。结果表明,当聚酰亚胺胶膜的厚度不超过250μm时,PI-1至PI-3的平拉强度基本维持在0.8-1.0MPa,没有明显差异。随着胶膜厚度提高至450μm,PI-4的平拉强度显著提高,达到了1.6MPa。图2为复合材料蜂窝夹层结构胶接破坏断面的光学照片。观察发现,对胶膜厚度不超过250μm的PI-1-PI-3而言,胶接破坏断面均出现在胶膜与蜂窝层之间,且随着胶膜厚度的增加,胶膜表面出现了越来越明显的蜂窝网状印痕。相比而言,胶膜厚度为450μm的PI-4,其胶接破坏断面则出现在胶膜与复合材料面板之间,说明随着胶膜厚度的增加,胶膜的含胶量提高,有利于蜂窝内壁胶瘤的形成,从而胶膜与蜂窝之间的界面粘接力渐渐超过胶膜与复合材料板之间的界面粘接力。此外,剥离开蜂窝表层的PI-4胶膜可以发现,在蜂窝内壁形成了一个个的胶瘤,这对平拉强度的增加有着至关重要的作用。2.2.2表面处理试验聚酰亚胺胶膜粘接蜂窝夹层结构的常温平拉强度结果表明,PI-4具有最高的平拉强度值,且其胶接断面出现在胶膜与复合材料面板之间。因此,进一步地提升胶膜与复合材料板间的粘接力是提升胶膜对蜂窝夹层结构粘接性能的首选途径。通过在复合材料板的表面底涂SPA-50表面处理剂,然后再将PI-4胶膜以350℃/2h的固化条件对蜂窝夹层结构进行粘接,考察表面处理剂对其室温及320℃下的平拉强度的影响,并与胶液粘接性能进行了对比,结果见图3。从图3中可以看出,使用KHPIA-S胶液粘接蜂窝夹层结构在室温及320℃下的平拉强度分别为2.4和2.7MPa。而直接采用PI-4胶膜进行粘接时,室温和高温粘接性能分别下降至1.6和1.5MPa,这是由于与胶液相比,胶膜对被粘接材料的浸润性下降。底涂表面处理剂后,胶膜在室温及320℃下的平拉强度均有不同程度的提高,室温下的平拉强度从原来的1.6上升至1.8MPa,320℃下的平拉强度则提高了约40%,达到2.1MPa,提升幅度显著。以胶膜粘接进行表面处理剂底涂前后以及胶液粘接蜂窝夹层结构胶接破坏断面的光学照片见图4。可以看出,底涂表面处理剂后,由于胶膜与复合材料板之间粘接力的上升,约一半面积的断面出现在胶膜与蜂窝之间。从胶液粘接的胶接破坏断面照片可以看到,蜂窝内壁形成了大量的胶瘤,因此所得到的胶接接头平拉强度较高。3在胶质材料表面上复施表面活性剂对结构的粘连胶膜的厚度对其粘接性能影响显著,随着胶膜厚度的增加,对不锈钢试片粘接的单搭接剪切强度逐渐下降。然而,对蜂窝夹层结构的粘接却呈现出相反的趋势,这是由于随着胶膜厚度