蜂窝夹层结构面板胶粘剂的研究

红月亮

蜂窝夹层结构面板胶粘剂的研究

北京航空材料研究院
梁 滨   刘清方   陶树宇   赵升龙

摘要：本文介绍了蜂窝夹层结构用面板胶SY-24B胶膜的力学性能及工艺性能，并将其与双组分糊状胶SY-21作了对比。试验结果表明，SY-24B胶膜具有更高的综合性能与耐疲劳性能，制成的蜂窝夹层结构具有更高的可靠性。

关键词：蜂窝夹层结构 面板胶 胶膜

1 前言
　　随着航空工业的发展，蜂窝夹层结构的应用显得越来越重要。这种结构主要由两层面板(蒙皮)中间夹以蜂窝芯材(夹芯)用胶粘剂胶接构成，因其比模量高，比强度大，得以在飞机结构上广泛应用，如前缘、后缘翼面，襟翼，扰流片，升降舵，方向舵，整流罩，地板，隔板等均为蜂窝夹层结构[1]。一驾波音747飞机上蜂窝夹层结构的用量多达4000m2。航空领域的成熟应用又促进了蜂窝夹层结构在其他领域的应用，如制作火车，汽车，赛艇，游船，滑水板，冲浪板，滑雪板可以减重并提高速度；用作建筑幕墙板隔音，隔热效果极好。试验表明，蜂窝夹层结构的声疲劳强度较一般板材结构高9200多倍；厚度达2英寸的蜂窝夹层结构吸音效率高达95％，可以大大降低燥声污染[2]。

　　高性能蜂窝夹层结构多采用铝合金板或复合材料板材作蒙皮，用铝、芳纶纸或玻璃布蜂窝作夹芯材料，用热固性胶粘剂通过加热加压的方法将二者粘接成为整体。所用胶粘剂不但要有适宜的流动性，以便使胶尽可能集中在蜂窝壁与面板连接处形成有效的胶瘤，而且还要有足够高的强度与韧性及耐高低温、耐老化性能。航空工业均采用膜状高强度，高韧性环氧胶粘剂(环氧胶膜)，其最大优点是厚度均匀，施胶量准确，施工工艺简便，综合性能高，胶接可靠性高。但因航空胶膜价格昂贵，民用领域有时也采用糊状胶代替胶膜，制造一些性能要求较低的蜂窝夹层结构，与胶膜相比，其强度，耐热性，耐久性均较低，而且流动性大，粘接时上面板与蜂窝芯胶接处易产生缺胶现象，大大降低了结构的可靠性。

　　本文主要介绍了我院研制并生产的低成本民用SY-24B载体胶膜的性能，作为对比，同时列出了我院另一种室温固化糊状胶SY-21的性能。

2　实验部分
　2.1　胶粘剂
　　SY-24B胶膜：厚度约0．25-0．3mm，单位面积质量300±30g／m2，幅宽300-1000mm，蓝色均匀载胶膜，性能符合Q／6S　1428-1999标准要求。
　　SY-21胶粘剂：双组份糊状胶，性能符合Q／6S 522-1998标准要求。
　2.2　试样制备
　　用LY12CZ铝试片，表面经磷酸阳极化(PAA)处理，分别按两种胶粘剂的使用工艺粘接固化制样。
　2.3　性能测试
　　剪切强度按GB7124进行；
　　浮动剥离强度按GB7122进行；
　　蜂窝滚筒剥离强度按GJB130．7-86进行。


3　结果与讨论
　3.1　基本性能
　　SY-24B胶膜系中温固化的弹性体改性环氧结构胶，它是在航空用胶膜SY-24C的基础上改进后研制的。胶接强度高、断裂韧性好、耐湿热老化、抗疲劳、工艺性好，适用于铝、钢、钛、树脂基复合材料等承力结构的胶接，尤其是板—板、板-芯结构的兼容胶接，可在-55-82℃下使用， 目前主要用于各种民用蜂窝夹层结构(如铝幕墙，地铁车门等)的胶接。
　　SY-21胶为橡胶增韧改性的双组分室温固化环氧胶，一般用于金属，非金属的板—板胶接，与同类室温固化的糊状胶相比，有较高的强度与韧性，耐介质好，目前主要用于大型框架结构中铝合金板材与加强筋的胶接，也可用于要求不高的蜂窝夹层结构的胶接。

　　Table　1列出了两种胶粘剂的常规性能，可以看出，SY-24B胶膜的综合性能远高于SY-21。因采用两相增韧技术，SY-24B的韧性数倍于SY-21，如浮动(Bell)剥离强度二者相比约为4．6倍，蜂窝滚筒剥离强度二者相比约为3倍。韧性与强度上的差异导致二者疲劳性能的差异。图1为两种胶粘剂的疲劳性能对比，可以看山，在同等应力水平下(Smax=10MPa)，SY-24B的疲劳寿命约为SY-21的1000倍以上。而在疲劳寿命相同时(N＝6×105)，SY-24B的破坏应力为SY-21的2．5倍。另外，因二者树脂体系及固化温度上的差异，致使SY-24B的玻璃化温度及耐热性均高于SY-21。正因如此，在一般承力或次承力夹层结构中，应选用加热固化的胶膜而非室温固化的糊状胶来粘接蒙皮与蜂窝芯，否则不但会降低夹层结构的总体性能、耐老化性能、耐疲劳性能，而且会严重影响结构的可靠性与寿命。

　3.2　固化工艺对SY-24B胶膜性能的影响
　　SY-24B胶膜的固化工艺较宽，可用热压罐、真空袋、压机等多种方式加压成型，既可在120℃／2h条件下固化，也可在150℃／10min快速固化，两种工艺均可获得较好的性能(Table 2)，后一种工艺可大大提高生产效率。Table 2中120℃／2h固化试样为真空袋法成型，150℃／10min固化试样为在热压机上成型。

　3.3 不同载体对性能的影响
　　SY-24B胶膜可根据要求选用针织尼龙纱网载体或无碱玻璃纤维毡作载体，不同载体对胶膜性能的影响见Table 3。蜂窝滚筒剥离试样固化工艺均为150℃／10min，在热压机上成型。

　3.4　SY-24B胶膜粘接不同材料的性能
　　Table 4列出了SY-24B胶膜粘接不同材料时的蜂窝滚筒剥离强度。所用蜂窝芯均为铝蜂窝，铝合金面板表面经磷酸阳极化处理，不锈钢与镀锌板表面经丙酮清洗，相对而言，不锈钢与镀锌板的蜂窝剥离性能更高。

　3.5　SY-24B胶膜的应用情况
　　因为SY-24B胶膜突出的综合性能与耐疲劳性能，加之厚度均匀性好，幅宽可达1000mm以上，自粘性适中，使用方便，价格低廉，在民用领域尤其是铝蜂窝幕墙及地铁车门的制造上得到了广泛的应用，仅2000年一年铝蜂窝幕墙上的用量就超过了5万平方米。


4　结论
　　作为蜂窝夹层结构的面板胶，两相增韧的胶膜的综合性能、耐疲劳性能及制成的蜂窝夹层结构的可靠性远高于双组分的糊状胶。
　　SY-24B胶膜有优异的力学性能、耐老化性能、耐疲劳性能，加之价格低廉，可广泛应用于民用蜂窝夹层结构的制造。

参考文献
1　航空制造工程手册总编委会主编，航空制造工程手册-金属结构胶接，北京：航空工业出版杜：1995.9：277-293