魏 元，徐 岱，馮 衛(wèi)

（1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2. 中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100048）

0 引言

在熱試驗(yàn)中進(jìn)行熱參數(shù)測量時(shí)，有些試驗(yàn)需要應(yīng)用膠粘劑將傳感器粘貼在試件上。在高溫試驗(yàn)條件下不僅要求膠粘劑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而且還要求膠粘劑可將傳感器有效粘貼在被測試件上[1]。

膠粘劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，無機(jī)型膠粘劑的使用溫度通常在900 ℃以上，而有機(jī)膠粘劑的使用溫度一般在900 ℃以下[2]。隨著熱試驗(yàn)溫度的日益提高，在熱試驗(yàn)中應(yīng)用的膠粘劑逐漸以無機(jī)膠粘劑為主[3]。與有機(jī)膠粘劑相比，無機(jī)膠粘劑在耐溫性能上占有很大的優(yōu)勢，但是在粘貼工藝的要求上要嚴(yán)格很多。隨著試驗(yàn)溫度的升高，會(huì)發(fā)生傳感器脫離試件表面的現(xiàn)象，分析其原因是膠粘劑不能將傳感器有效粘貼在試件上所致[4]。選取Al(OH)3與H3PO4混合的無機(jī)型基底膠為例，從粘貼工藝入手，研究試件表面的處理、膠粘劑的固化工藝對膠粘劑有效粘貼的影響。

1 影響因素的分析與研究

常規(guī)的無機(jī)型膠粘劑粘貼工藝流程如圖 1所示，從流程圖中可以看出，表面處理和膠粘劑的固化在粘貼工藝流程中是較為靠前的工序，關(guān)系到接下來的粘貼工序能否繼續(xù)進(jìn)行。本文將對不同程度的表面處理和膠粘劑的固化工藝對有效粘貼的影響進(jìn)行研究和分析。

圖 1 膠粘劑粘貼工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of adhesive technology

1.1 表面處理對有效粘貼的影響

表面處理包括試件表面的粗糙化和清潔兩個(gè)步驟，粗糙化及清潔的目的主要是將試件表面上會(huì)阻止膠粘劑與試件接觸的漆、油脂等物質(zhì)除去，以擴(kuò)大膠粘劑在試件表面的鋪展范圍，使得膠粘劑可以與試件“咬合”，有利于膠粘劑的有效粘貼[5]。

為評價(jià)試件的表面處理對有效粘貼的影響，進(jìn)行了不同表面處理和室溫下固化后的正交性試驗(yàn)，并與常溫下的粘貼效果進(jìn)行比較，試驗(yàn)條件及結(jié)果如表1所示。

表 1 表面處理對常溫下有效粘貼影響的正交性試驗(yàn)Table 1 Orthogonal tests for the influence of surface treatment on effective adhesion under normal temperature condition

由以上正交性試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在常溫條件下，徹底的表面處理可以確保傳感器有效地粘貼在試件上。

1.2 固化工藝對有效粘貼的影響

由圖1可知，固化工藝包括室溫固化和高溫加壓固化。室溫固化是使用膠粘劑將傳感器粘貼在試件上以后，裸露在空氣中進(jìn)行揮發(fā)固化，此工藝的關(guān)鍵是需要確保在空氣中足夠的裸露時(shí)間[6]；而高溫加壓固化則是在室溫固化的基礎(chǔ)上，使用夾具對膠粘劑粘貼點(diǎn)進(jìn)行加壓并在設(shè)定溫度下進(jìn)行烘烤，固化溫度及加壓點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵。

1）固化溫度的選擇分析

作為基底膠的Al(OH)3與H3PO4混合后在適當(dāng)?shù)母邷叵聲?huì)相互發(fā)生反應(yīng)并生成不同的磷酸鹽，即Al(H2PO4)3、Al2(HPO4)3和AlPO4[7]。該反應(yīng)屬于在液相中進(jìn)行的非均相反應(yīng)，反應(yīng)過程中磷酸分子向氫氧化鋁顆粒表面擴(kuò)散的活化能較反應(yīng)活化能大，故該反應(yīng)的速率主要受擴(kuò)散控制，反應(yīng)的總速率近似于擴(kuò)散速率。

周武藝等人對以上反應(yīng)建立如下模型[8]：Al(OH)3分子不動(dòng)，任何磷酸分子的進(jìn)入是以Al(OH)3分子為中心，當(dāng)進(jìn)入以rAB(rAB=rA+ rB)為半徑的球內(nèi)時(shí)（為了方便，用A表示Al(OH)3，用B表示 H3PO4），即可與 Al(OH)3分子反應(yīng)。由于反應(yīng)速率很快，故在 Al(OH)3顆粒鄰近區(qū)域的H3PO4濃度降低，形成濃度梯度。并對此模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出 H3PO4與 Al(OH)3的活化能為94.9 kJ·mol[8]。

此反應(yīng)的速率方程可表示為

式中：Kd為磷酸分子向Al(OH)3分子的擴(kuò)散速度；Kb為玻耳茲曼常數(shù)；A為參與反應(yīng)的Al(OH)3濃度；T為反應(yīng)溫度；Ea為活化能；R為常數(shù)。

由式(1)可知：在Al(OH)3濃度一定的情況下，溫度越高，磷酸分子向Al(OH)3分子的擴(kuò)散速度越快，使得該反應(yīng)的速率提高。

由以上分析可以得出結(jié)論：在膠粘劑使用量固定的前提下，在試件可以承受的溫度范圍內(nèi)，選擇低于膠粘劑各組成成分的熔點(diǎn)溫度條件下，提高固化溫度可以有效地控制并減少膠粘劑的固化時(shí)間。

2）加壓工藝的分析

根據(jù)潤濕理論分析加壓工藝對有效粘貼影響，假設(shè)膠粘劑液體在固體表面上形成液滴，如圖2所示。

圖 2 液滴在固體表面的平衡狀態(tài)Fig. 2 Equilibrium state of droplet on the solid surface

從圖2可看出：γs-g力使液滴沿固體表面擴(kuò)展，而γg-l和γl-s力則使液滴收縮。在平衡狀態(tài)下這些張力與接觸角θ的關(guān)系可以用楊氏公式表示為

當(dāng) θ=0°時(shí)，液體對固體完全浸潤，且自發(fā)地?cái)U(kuò)展到表面上；當(dāng)0°＜θ＜90°時(shí)，液體部分浸濕在固體上；當(dāng)θ=90°時(shí)，液體處在擴(kuò)展與不擴(kuò)展的分界處；當(dāng)90°＜θ＜180°，液體不會(huì)在固體表面擴(kuò)展；當(dāng) θ=180°時(shí)，液體完全不會(huì)在固體表面擴(kuò)展。因此可以得出以下結(jié)論：自發(fā)浸潤的產(chǎn)生（即膠粘劑與試件表面大面積接觸）必須滿足接觸角0°＜θ＜90°的條件；當(dāng)θ=0°時(shí)，膠粘劑可完全擴(kuò)展于固體表面上[9]。如果膠粘劑不能在固體表面浸潤，則可通過壓力的施加迫使膠粘劑液滴在固體表面擴(kuò)展浸潤[10]。

在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)傳感器與試驗(yàn)件剝離的現(xiàn)象，分析其原因是：在高溫固化過程中膠粘劑由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致成分發(fā)生改變，使得膠粘劑與試件間的接觸角不滿足完全浸潤條件，膠粘劑與試件粘貼不完全，而在膠粘劑層產(chǎn)生大量熱應(yīng)力；在試驗(yàn)過程中，隨著溫度的升高，熱應(yīng)力的作用使得膠層與試件表面相互剝離。因此可通過施加外力以消除熱應(yīng)力，使得膠粘劑與試件盡量保持完全貼合。

3）加壓固化工藝對有效粘貼影響的正交性試驗(yàn)研究

為了評價(jià)不同的加壓固化工藝對有效粘貼的影響，進(jìn)行以下正交性試驗(yàn)：在保證膠粘劑在室溫條件下自然干燥且有效粘貼試件的前提下，使用或不使用夾具對粘接處進(jìn)行設(shè)定壓力的加壓，或選擇加壓位置不同，然后按照相關(guān)規(guī)定對膠粘劑進(jìn)行不同溫度的烘烤，最后對比粘貼情況。試驗(yàn)條件和結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)實(shí)施方案和結(jié)果對比表Table 2 Orthogonal test implementations and results

從表2中的正交性試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在試驗(yàn)過程中，無論是在緩慢升溫還是快速升溫條件下，只進(jìn)行低溫固化工藝的膠粘劑，無論是否加壓，傳感器都會(huì)從試件上完全或者部分剝離下來；而選擇了高溫固化并且同時(shí)選擇針對膠粘劑粘貼點(diǎn)進(jìn)行加壓，傳感器有效地粘貼在試件表面，并具有一定的粘貼強(qiáng)度。因此選擇粘貼點(diǎn)加壓的高溫固化工藝有利于膠粘劑的有效粘貼。

2 結(jié)論

本文通過混合無機(jī)型膠粘劑Al(OH)3與H3PO4的應(yīng)用，探索和研究了試件的表面處理、膠粘劑的加壓固化等工藝對膠粘劑有效粘貼的影響。得出結(jié)論：徹底的表面處理工藝及粘貼點(diǎn)的加壓高溫固化工藝有利于膠粘劑將傳感器有效地粘貼在試件表面，采用這兩種處理工藝有利于熱試驗(yàn)中的熱參數(shù)測量。

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