一 胶接在航天领域的应用

HarbinHarbinHarbin InstituteInstituteInstitute ofofof TechnologyTechnologyTechnology 论文说明书 论文 论文说明书 论文 论文说明书 论文 论文说明书 论文 课程名称 精密机械学基础 论文题目 胶接应用 院 系 材料学院 班 级 0501104 班 作 者 刘欣 学 号 1050110402 设计时间 2006 9 9 一一 题目题目 胶接在航天领域的应用 性能及发展前景预测胶接在航天领域的应用 性能及发展前景预测 二二 摘要摘要 1 卫星 通讯卫星的上万个太阳能电池感光片必须用有机硅粘连 因为采 用胶接即可减轻质量 又简化了工艺 除了它的轻质高强特性外 还能确保尺寸稳定性和刚性 卫星的推力管和支撑管都应用了胶接 技术 实现了轻量化的效果 2 航天飞机 在航天飞机的机翼 副翼方向舱等部位都采用了胶接结构和复合 材料 使质量明显减轻 Oibiter 号航天飞机载荷舱门系用碳纤复合 材料层压板与 Nomex 纸芯材构成的大型蜂窝构件 可增强耐热 耐 用度 不怕高热摩擦 3 宇宙飞船 宇宙飞船的燃料贮槽必须采用胶黏剂和胶接技术粘连 其承接结 构和机翼尾翼整流罩也需要此等技术应用 如阿波罗号飞船 采用 超低温聚氨酯类胶粘剂 4 发展前景 以后胶接工艺将致力于自行检测故障的自适应智能结构 具有较 高的抗损性和长寿命 并且能够适应更高温度的环境 质量轻 成 本低 三三 内容内容 1 胶粘剂在国内航天领域中的应用 我国航天领域中应用较多的是耐高温结构胶 早期多采用酚醛 丁 腈类结构胶 如JX 9 JX 10 等用于整流罩的粘接 其缺点是工艺 性能差 固化时挥发组分多 后来采用改性酚醛环氧或改性聚酰亚 胺 PI 胶粘剂 如J 30 SY 14 等 使上述性能得到改善 1 王超 2 等制得了一于航天器整流罩粘接的单组分改性酚醛 丁腈结 构胶 该结构胶可在130 时固化 并可耐300 的高温 在卫星 或其他在轨飞行器中 要求所采用的胶粘剂具有耐高低温交变和挥 发分小等特点 通常多采用改性的环氧酚醛型结构胶 如J 30 J 47 等 黑龙江石油化工研究所 3 研制的改性环氧树脂 EP 胶粘剂 可以室温固化 已成功用于碳纤维复合材料天线的 粘接 北京航天与材料工艺研究所 4 在氢氧化钡催化的酚醛树脂中 加入ZnO 和TiO2等无机填料 可提高结构胶的耐热性能 在运载火 箭中 燃料箱的密封及火箭 共底 的制造 要求所用的胶粘剂在 253 时具有良好的强度和韧性 常用聚氨酯 PU 类或改性EP 类低温胶粘剂 如DW 1 DW 3 等 1 在战略导弹中 多采用 改性EP 类胶粘剂 用于发动机壳体和喷管的连接 我国航空工业 总公司 5 开发的F 系列胶粘剂及B H 和HE 等系列EP 固化剂 可使EP 类胶粘剂的耐热温度达到500 以上 并具有优异的阻燃性 能 耐腐蚀性能和良好的工艺性能 张绪刚 6等采用端羟基硼硅烷 改性树脂改性EP 和改性脂肪胺类固化剂 并加入微米级石棉和高 岭土作为耐热填料 研制出可以室温固化 长期使用温度达200 的胶粘剂 该胶粘剂于200 老化4 000 h 后 其剪切强度几乎不衰 减 短期使用温度可达250 余英丰 7 等使用聚醚酰亚胺改性 EP 成功研制出耐温达200 的高性能结构胶 王超 8 等采用热固 性树脂改性聚硫醚以提高其内聚强度和耐热性能 并以此作为增韧 剂 则室温固化耐热177 的改性EP 结构胶的剥离强度明显提高 加入活性无机填料后 其瞬间使用温度可达300 该结构胶室温 固化7 d 后 其室温切强度为23 1 MPa 150 剪切强度为 13 8MPa 177 剪切强度为10 3MPa 室温剥离强度为4 2 kN m 和 300 剪切强度为1 9MPa 并具有良好的综合性能 王德志 9 等使 用耐高温的双 马树脂作为EP 的改性树脂 并以端羟基聚芳醚砜为增韧剂 芳香 二胺为固化剂 制取了高韧性耐高温的双马改性EP 结构胶 该结 构胶具有较好的力学性能 耐热性 耐介质性和耐老化性等优点 对金属和复合材料之间的粘接效果良好 并可以在200 以下长期 使用 卫星的太阳能电池板 要求所使用的胶粘剂在空间环境中具有耐强 紫外线 高能电子和高能质子等辐射 并且在较大的温差交变环境 中能够可靠工作 通常采用南大703 GN511 等有机硅类胶粘剂 1 中科院化学研究所 10 研制的空间级加成型室温硫化硅橡胶胶粘剂 KH SP B 与金属及PI 等材料的粘接强度超过2 MPa 已成 功用于卫星太阳能电池板的粘接 该胶粘剂具有良好的耐高低温性 能 其脆性温度为 110 可于250 较长时间内使用 分解温度 为524 张丽新 11 12 等研制的KH S A 和KH S B 改性有机硅 胶粘剂 在 196 25 条件下 其弹性模量随着温度的下降而线性 增加 拉伸剪切强度明显增大 在 160 和 130 处分别出现最 大值 是室温强度的12 8 倍和7 9 倍 断面形貌分析表明 拉伸 剪切破坏在室温时为混合型破坏 在低温时为界面破坏 以KH S A 为胶粘剂 选用硅晶片为太阳能电池 石英玻璃为防护盖片 模 拟空间热循环温度场条件 研究太阳能电池结构在真空热循环条件 下的粘接性能 研究结果表明 室温拉伸剪切强度随着热循环次数 的增加呈先升后降的趋势 相应的断面破坏由混合型变为内聚破坏 最后为界面破坏 残余应力的变化是导致胶接件拉伸剪切强度和 破坏类型变化的主要原因 PI 是指大分子主链中含有酰亚胺基的高 聚物 具有优异的热稳定性 耐热老化性 高温力学性能 电性能 耐化学介质性和耐辐射性等优点 随着PI复合材料的不断发展 对 其粘接性能的研究也日益增多 陈平 13 等以二苯甲烷双马来酰亚胺 和二烯丙基双酚A 为原料 制备出一种耐高温PI 胶粘剂 该胶粘剂 在200 250 时的粘接性能优于室温粘接性 能 在300 时仍有3 3 MPa 的剪切强度 张斌 14 等采用酮酐 BTDA 和醚胺 ODA 合成了线形缩聚型聚酰胺酸 PAA 然 后又合成了纳迪克酸酐 NA 封端的具有同样单体的热固性PI 将 两者共混后作为胶粘剂使用 研究结果表明 共混后的粘接强度明 显高于单一热固性PI 并且经350 100 h 老化后 其强度保持率 仍较高 该共混体系具有良好的粘接强度 耐温性和耐热老化性 可望在300 以下长期使用 宋崇健 15 等研制出一种用氰酸酯改性 的双来酰亚胺耐高温胶粘剂 该胶粘剂具有良好的工艺性能 力学 性能和粘接性能 对金属材料而言 其热失重起始温度为355 85 可以在230 以下长期使用 炭 炭 C C 复合材料具有良好 的耐热性能和力学性能 在导弹鼻锥 飞机刹车盘 航天飞机机翼 前缘和火箭发动机喷管等部位使用较多 但C C 复合材料的工艺性 能较差 若采用传统的机械连接 易导致应力集中 致使机械性能 可靠性和有效载荷等下降 由于C C 复合材料主要用于瞬时耐高温 场合 因此可以采用瞬间耐高温材料进行粘接 对C C 复合材料用 胶粘剂的要求是具有与其相匹配的耐热性能和力学性能 可以选用 的耐高温胶粘剂主要有改性酚醛胶粘剂 有机硅胶粘剂 PI 胶粘剂 有机 无机杂化胶粘剂和无机胶粘剂等 国内研究C C 复合材料胶 粘剂的主要单位有中科院山西煤化学研究所 北京航天与材料工艺 研究所 中南工业大学 中科院化学研究所 上海树脂研究所和黑 龙江石油研究院等 上海树脂研究所 4 研制的204 胶粘剂 黑龙江 石油研究院研制的J 08 和J 09 胶粘剂 主要组分为聚硼硅氧烷 热固性酚醛树脂 石棉和混炼橡胶等 其耐 热温度可达400 缺点是脆性大 中科院化学研究所 4 研制的 KH505 胶粘剂 是在耐热有机硅聚合物中加入ZnO MgO TiO2和 石棉等无机填料制备而成 其瞬间耐热温度可达600 主要用于 应变片的粘接 中科院山西煤化学研究所 4 研制的耐高温胶粘剂 是在热固性酚醛树脂中加入ZnO B4C 和TiO2等无机填料制备而成 其耐热温度可达1 500 N2条件下 但工艺要求苛刻 可靠性 较差 中南工业大学 4 采用硼酚醛树脂作为胶粘剂 哈尔滨工业大 学 16 17 采用热固性酚醛树脂改性聚苯基硅氧烷 并加入石棉和丁 腈橡胶制取胶粘剂 将该胶粘剂用于C C 复合材料的粘接 其耐 盐水侵蚀性能良好 在750 时可以转化为无机硅酸盐 并仍具有 0 6 MPa 的强度 东南大学 18 19 采用B4C SiO2改性热固性酚醛 树脂制成耐高温胶粘剂 并用于石墨材料的粘接 经1 500 处理后 其粘接强度为17 1 MPa 采用B4C 改性热固性酚醛树脂制成高温胶 粘剂 并用于石墨 氧化铝陶瓷的粘接 经1 000 处理后 粘接试 样的断面为 混合破坏 20 经1 500 处理后 粘接强度为9 3MPa 19 高温热处 理后的粘接界面上仍可观察到较明显的收缩现象 粘接性能有进一 步提高的余地 21 吴大青 22 采用粘接强度较高的ZnO 催化热固性 酚醛树脂 并以耐湿热性能较好的苯基硅树脂改性酚醛树脂作为耐 高温胶粘剂的主体材料 将有机硅树脂与碱洗石棉反应制备的无机 有机杂化结构胶