王海東，霍明亮，王亞楠，石曉改，金 超

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

近年來，隨著通信、測控和射電天文等領(lǐng)域的天線工作頻段向著Ka、Q 頻段甚至更高頻段發(fā)展，高精度的天線面板是實現(xiàn)高頻段天線功能的關(guān)鍵部件之一［1］。當(dāng)前，滿足Ka以上頻段使用的天線面板主要有碳纖維復(fù)合材料面板和鋁合金膠接面板，盡管鋁合金膠接面板存在重量大的缺點，但其憑借著材料來源廣泛、價低、工藝成熟穩(wěn)定等優(yōu)點，在國內(nèi)外大型天線中得到了廣泛應(yīng)用，如美國GBT100m 天線、意大利64m 天線和上海天文臺65m 天線等。鋁合金膠接面板中大量使用結(jié)構(gòu)膠粘劑，膠粘劑性能的優(yōu)劣、膠接工藝過程的控制好壞直接影響天線面板的精度指標(biāo)和使用壽命［2］。因此，本文主要對批量化生產(chǎn)鋁合金膠接面板所使用的結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行應(yīng)用研究。

1 主要指標(biāo)與測試方法

1.1 主要指標(biāo)

用于高精度鋁合金天線面板的結(jié)構(gòu)膠粘劑需滿足相應(yīng)的性能指標(biāo)要求，具有較好的綜合力學(xué)性能，如表1所示。

除了滿足上述性能指標(biāo)外，適合于高精度鋁合金天線面板的膠粘劑還應(yīng)具備如下要求：

（1）與被膠接件的相容性好，如不發(fā)生界面破壞，主要發(fā)生內(nèi)聚破壞。

（2）在盡量低的溫度下固化，如室溫固化。

（3）填縫能力大，要求具有良好的觸變性。

（4）工藝性好，滿足批量化生產(chǎn)要求，如操作時間適中（≥15min），初固化時間較短（≤4h）等。

表1 膠粘劑主要力學(xué)指標(biāo)要求

1.2 膠粘劑選型

根據(jù)天線面板的使用要求，對國內(nèi)外高性能結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行了廣泛調(diào)研，最終選取了十二種室溫固化的高性能結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行對比測試，具體如下：

（1）410膠（美國），丙烯酸類；（2）835膠（美國），丙烯酸類；（3）806膠（中國），丙烯酸類；（4）4800膠（德國），丙烯酸類；（5）832膠（美國），丙烯酸類；（6）420 膠（美國），環(huán)氧類；（7）460膠（美國），環(huán)氧類；（8）9460膠（德國），環(huán)氧類；（9）133C 膠（中國），環(huán)氧類；（10）133B膠（中國），環(huán)氧類；（11）250膠（美國），環(huán)氧類；（12）Z－G6膠（中國），環(huán)氧類。

上述膠粘劑均為具有良好觸變性的雙組分結(jié)構(gòu)膠。

1.3 測試方法

所有試片材料采用2A12硬鋁，經(jīng)硫酸陽極化處理，試片膠粘后均在常溫下固化，并放置7天以上。

常溫、70℃剪切強(qiáng)度和常溫剝離強(qiáng)度分別參照GB／T 7124－2008、GJB444－1988和GJB 446－1988進(jìn)行測試。冷熱交變試驗和濕熱試驗分別參照GJB150.5A－2009和法國宇航標(biāo)準(zhǔn)AIR4108進(jìn)行。

測試儀器：INSTRON 4467（常溫）和INSTRON 4505（高溫）。

2 結(jié)果分析

2.1 初選結(jié)果

初步篩選試驗得到的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度見表2。

根據(jù)膠粘劑性能和初選試驗得出：滿足表1常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的膠粘劑為4800和832。同時，832和4800膠粘劑均有較好的填縫能力，且在20℃的常溫條件下，兩種膠粘劑的操作時間為15～25min左右、初固化時間≤90min、完全固化時間為24h，滿足批量化生產(chǎn)要求。

表2 膠粘劑初選試驗結(jié)果

2.2 優(yōu)化結(jié)果

對膠粘劑4800和832做冷熱交變后性能測試和濕熱老化后性能測試，進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 冷熱交變后膠粘劑性能對比表

表4 冷熱交變＋濕熱老化后膠粘劑性能對比表

由表3可知，經(jīng)冷熱交變后，膠粘劑4800和832的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度較初始試樣的保有率均大于90%。

由表4可知，進(jìn)行濕熱試驗后，膠粘劑4800常溫剪切強(qiáng)度保有率小于80%，不符合表1的力學(xué)指標(biāo)要求，而剝離強(qiáng)度保有率符合要求。

膠粘劑832的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度均滿足表1的力學(xué)指標(biāo)要求，并且832膠常溫和70℃測試條件下的剪切強(qiáng)度保有率均大于90%，可靠性較好。

3 膠接接頭耐久性試驗研究

對膠接接頭和膠粘劑進(jìn)行耐久性研究，主要是認(rèn)識不同環(huán)境因素對接頭和材料老化的影響，從而找出防止接頭和膠粘劑老化的有效措施，評價膠粘劑的好壞，提高結(jié)構(gòu)膠接的耐久性［3］。

本文選用4800和832兩種膠粘劑進(jìn)行大氣暴露試驗和水浸試驗。制作剪切試片，將其試片分別于大氣暴露試驗和水浸試驗1個月、3個月、6個月后依據(jù)GB／T7124－2008做常溫剪切強(qiáng)度測試，1個月、3個月和6個月的測試數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知：經(jīng)大氣暴露1個月、3個月和6個月后兩種膠粘劑的常溫剪切強(qiáng)度較初始試樣的保有率均大于90%。但4800膠經(jīng)3個月和6個月的水浸后，其常溫剪切強(qiáng)度較初始試樣的保有率分別僅為8.6%和4.2%，無法滿足使用要求。832膠經(jīng)水浸1個月、3個月和6個月后常溫剪切強(qiáng)度較初始試樣的保有率分別大于90%、85%和90%，性能優(yōu)異。以上試驗數(shù)據(jù)說明，832膠與4800膠相比具有較高的耐久性。

4 膠接工藝參數(shù)研究

4.1 涂膠參數(shù)研究

圖1 面板膠接結(jié)構(gòu)示意圖

鑒于上述選型的優(yōu)化結(jié)果，選用可靠性更高的832 膠進(jìn)行工藝應(yīng)用研究。本研究所選的膠粘劑主要應(yīng)用于高精度鋁合金膠接面板，膠接結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。由于開槽的鋁合金加強(qiáng)筋（橫筋和縱筋）為手工校形，貼膜精度較差，導(dǎo)致它們和貼膜良好的鋁蒙皮膠接縫隙較大且厚度不均勻。傳統(tǒng)的刮涂方式更適合均勻厚度的縫隙膠接，而用膠槍擠涂的圓柱截面膠粘劑，能夠擠壓流動對不同厚度的縫隙進(jìn)行填充，非常適合大縫隙或不均勻縫隙的平面粘接。因此，本文涂膠采用膠槍擠涂方式。

通過對832膠的膠接縫隙（膠層厚度）、膠接寬度和出膠口直徑之間關(guān)系的試驗，得到了三者之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)，其結(jié)果見表6。從表5中可以看出膠接同樣的寬度，膠接縫隙越大，出膠口的直徑越大。但是，實際上出膠口的直徑是不能無限增大的，我們認(rèn)為膠接寬度超過40mm 后，可以將打膠的條數(shù)增加到2～3條，從而保證膠接縫隙的良好填充。

另外，通過測得不同膠層厚度下的常溫剪切強(qiáng)度，見圖2可知，隨著膠層厚度的增大，剪切強(qiáng)度近似線性下降。

表6 膠接寬度與出膠口直徑之間的關(guān)系

圖2 膠層厚度影響剪切強(qiáng)度變化圖

4.2 固化工藝參數(shù)研究

通過對溫度、固化時間、成型壓力等工藝參數(shù)研究，確定832膠粘劑的膠接固化成型工藝參數(shù)。

832膠在不同固化溫度下達(dá)到相同的可脫模硬度所對應(yīng)的操作時間見表7。對較大面積的天線面板，同時考慮夏季容易實現(xiàn)操作間環(huán)境溫度，建議固化溫度控制在20℃左右為宜，其所對應(yīng)的保壓時間為80min，脫模時間短，批量化生產(chǎn)效率高。

表7 不同固化溫度對應(yīng)的操作時間比較

另外，在其他條件相同的情況下，對832膠施加3種不同固化壓力，待其完全固化后進(jìn)行常溫剪切強(qiáng)度和常溫90°剝離強(qiáng)度測試，其試驗結(jié)果見表8。

表8 不同固化壓力下的膠粘強(qiáng)度比較

從表7看出，施加的3種不同固化壓力對應(yīng)的強(qiáng)度值變化不大?？紤]到施工方便性，采用611Pa左右的低壓力。

5 天線面板上的應(yīng)用

根據(jù)上述試驗結(jié)果，選用832膠粘劑作為某項目高精度天線面板用膠制作了一批高精度鋁合金天線面板，其中最大單塊面板面積為9m2，型面精度0.141mm r.m.s（API T3激光跟蹤儀檢測），其余單塊面板型面精度最高可達(dá)0.05mm r.m.s。隨后，對制作的高精度鋁合金膠接天線面板進(jìn)行頂拉試驗和5670個循環(huán)的往復(fù)試驗，試驗完成后，經(jīng)仔細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)面板開膠及其他破壞現(xiàn)象，同時面板精度無明顯變化，具有較高的可靠性。目前，該類面板已用于多個型號的Ka及以上頻段的天線工程中，應(yīng)用前景廣泛。

圖3 高精度鋁合金膠接天線面板

圖4 膠接面板可靠性試驗

6 結(jié)束語

根據(jù)高精度鋁合金天線面板對膠粘性能指標(biāo)、工藝性、耐久性、可靠性等方面的要求，通過試驗可知832膠粘劑具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度、良好的工藝性和較高的可靠性、耐久性，作為高性能的結(jié)構(gòu)膠粘劑能夠廣泛應(yīng)用于高精度鋁合金天線面板。

［1］趙海.Ka波段天線反射面板成型技術(shù)［J］.中國制造業(yè)信息化，2007，36（3）：81－83.

［2］王嘉陵.通信天線面板膠粘中膠種的選擇與分析［J］.航空制造技術(shù)，2005，5：93－94.

［3］吳健偉等.結(jié)構(gòu)膠粘劑及結(jié)構(gòu)粘接耐久性研究［C］.全國特種膠粘劑行業(yè)研究和應(yīng)用技術(shù)研討會論文集，2005，36－39.