卞 楠，李 松

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099)

0 引言

導(dǎo)彈沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾部由擴(kuò)散段和整流罩兩部分組成，擴(kuò)散段外表面殼體使用不銹鋼基材，整流罩則使用鋁合金基材，兩者采用套接結(jié)構(gòu)。為防止導(dǎo)彈高空飛行時(shí)產(chǎn)生的熱量從結(jié)構(gòu)間隙進(jìn)入艙內(nèi)［1－2］，因此需在擴(kuò)散段殼體與整流罩之間用室溫硫化硅橡膠進(jìn)行密封處理(圖1)。

近期，導(dǎo)彈在進(jìn)行地面試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾部出現(xiàn)密封失效故障。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，用于擴(kuò)散段外表面殼體與整流罩之間密封的單組分硫化硅橡膠AC－101出現(xiàn)了脫粘失效情況。

本研究采用掃描電鏡對(duì)擴(kuò)散段外表面殼體與整流罩之間的微觀組織進(jìn)行觀察，并且對(duì)失效界面宏觀形貌進(jìn)行了觀察、分析，同時(shí)采用測(cè)試粘接性能的方法確定了硅橡膠脫粘原因，并以此為依據(jù)進(jìn)行了工藝改進(jìn)。

圖1 導(dǎo)彈整流罩與擴(kuò)散段示意圖Fig.1 Sketch map of the fairing and the extendible nozzle exit cone for missiles

1 故障件的粘接界面分析

1.1 鋁合金界面分析

對(duì)故障件進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，在擴(kuò)散段外表面殼體與整流罩之間，整流罩鋁合金界面處硅橡膠為內(nèi)聚破壞，表明了硅橡膠在鋁合金基材上具有很強(qiáng)的粘接性。對(duì)產(chǎn)品中所使用的鋁合金界面進(jìn)行掃描電鏡分析，界面情況如圖2所示。

圖2 陽(yáng)極化后的鋁合金界面狀態(tài)Fig.2 Appearances of aluminium alloy surface after anodizing

從圖2中可以看出，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理后的鋁合金界面粗糙度很高。增大金屬表面粗造度不僅增加了膠粘劑與被粘物體粘接面積，而且能顯著提高被粘物的表面能，從而使惰性表面變成活性表面，進(jìn)而提高膠粘劑對(duì)被粘表面的浸潤(rùn)性，使粘接強(qiáng)度大大提高［3］。因此，擴(kuò)散段外表面殼體與整流罩之間鋁合金界面處硅橡膠粘接良好，并未出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。

1.2 不銹鋼界面分析

對(duì)故障件擴(kuò)散段外表面殼體的不銹鋼界面進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，不銹鋼界面處硅橡膠均為界面破壞，不銹鋼基材上粘附的硅橡膠出現(xiàn)大面積脫粘現(xiàn)象，且脫粘后的不銹鋼界面仍帶有光澤。因此，可以確定故障原因是由于被粘基材的表面處理方式不當(dāng)，造成硅橡膠與不銹鋼基材的粘接強(qiáng)度過(guò)低所致。對(duì)產(chǎn)品中使用的不銹鋼界面通過(guò)掃描電鏡進(jìn)行分析，界面情況如圖3所示。

從圖3中可以看出，未處理過(guò)的不銹鋼界面雜質(zhì)較少，粗糙度低，界面平滑。因此，室溫硫化硅橡膠在經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理后的鋁合金基材上的粘接強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在界面未經(jīng)任何處理的不銹鋼基材上的粘接強(qiáng)度。

2 工藝改進(jìn)

表面處理劑是在分子中同時(shí)具有2種不同的反應(yīng)性基團(tuán)的有機(jī)硅化合物，由于其成本低，工藝簡(jiǎn)單，而且可以在界面上形成一層結(jié)合層，從而使聚合物與金屬界面間獲得較好的粘接強(qiáng)度，因此在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的使用［4］。因此，為了提高硅橡膠與不銹鋼基材間的粘接強(qiáng)度，選用AB－10復(fù)合型表面處理劑對(duì)不銹鋼界面進(jìn)行預(yù)處理。處理后的試片通過(guò)粘接性能測(cè)試、掃描電鏡觀察分析判斷其處理效果。

圖3 未處理的不銹鋼試片界面狀態(tài)Fig.3 Appearances of the interface of untreated stainless steel

2.1 原理分析

表面處理劑通過(guò)改善基材界面狀態(tài)，使金屬基體處于浸潤(rùn)狀態(tài)，使硅橡膠能夠自動(dòng)在金屬基體表面充分展開(kāi)，兩者表面分子充分靠近，并形成Me—O—Si—穩(wěn)定的化學(xué)鍵。同時(shí)金屬及硅橡膠間由于表面處理劑的連接，使界面粘接力接近或大于膠粘劑的內(nèi)聚強(qiáng)度。因此通過(guò)這種方法能夠有效的提高金屬界面的粘接性能［5－6］。

2.2 掃描電鏡分析

在掃描電鏡下，采用低真空模式對(duì)涂抹過(guò)表面處理劑的不銹鋼試片的界面進(jìn)行微觀形貌觀察，界面情況如圖4所示。

圖4 表面處理劑處理后的不銹鋼試片表面微觀狀態(tài)Fig.4 Morphology of stainless steel surface with surface treatment agent

通過(guò)掃描電鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，在不銹鋼試片界面上涂上表面處理劑后，能夠有效改善基材界面狀態(tài)，使金屬基體處于浸潤(rùn)狀態(tài)。同時(shí)在使用硅橡膠進(jìn)行粘接時(shí)，硅橡膠能夠在金屬基體表面充分展開(kāi)，并且在界面上形成了金屬相－表面處理劑－有機(jī)相的結(jié)合層，從而使硅橡膠在不銹鋼基材上獲得了較好的粘接強(qiáng)度。

2.3 粘接性能測(cè)試

在不銹鋼界面上涂抹一層表面處理劑，用硅橡膠進(jìn)行粘接，按GB/T 7124—2008規(guī)定進(jìn)行粘接性能測(cè)試［7］。未經(jīng)處理及經(jīng)過(guò)處理的被粘不銹鋼試片粘接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，破壞界面的宏觀形貌如圖5所示。

表1 不銹鋼試片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of shearing strength tests for stainless steel

圖5 不銹鋼試片膠接斷后形貌Fig.5 Macro－appearance of shearing strength tests for stainless steel

由表1數(shù)據(jù)可以清楚地看出，使用過(guò)表面處理劑的不銹鋼試片相對(duì)于未經(jīng)任何處理的不銹鋼試片，其剪切強(qiáng)度提高了10倍以上。由剪切破壞試片界面(圖5)可以看出，經(jīng)過(guò)表面處理劑處理后的不銹鋼試片界面破壞均發(fā)生在硅橡膠的內(nèi)部，屬于內(nèi)聚破壞，而未經(jīng)處理的不銹鋼試片界面破壞形式是由內(nèi)聚和界面的混合破壞形成。粘接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步表明了通過(guò)在不銹鋼基材界面上使用表面處理劑進(jìn)行預(yù)處理，能夠顯著提升硅橡膠在此基材上的粘接強(qiáng)度。

2.4 改進(jìn)結(jié)果

從試驗(yàn)和分析可以看出，硅橡膠脫粘的原因?yàn)檎辰犹幚聿划?dāng)，硅橡膠在不銹鋼基材上的粘接強(qiáng)度過(guò)低。由于不銹鋼基材界面較為光滑，使用硅橡膠進(jìn)行粘接密封時(shí)易出現(xiàn)脫粘等問(wèn)題。在不銹鋼試片表面使用表面處理劑進(jìn)行預(yù)處理，能夠有效改善基材界面狀態(tài)，提高膠粘劑對(duì)被粘表面的浸潤(rùn)性。同時(shí)在使用硅橡膠粘接過(guò)程中，能在粘接界面形成金屬相－表面處理劑－有機(jī)相的結(jié)合層，提高硅橡膠在不銹鋼基材上的粘接強(qiáng)度。使用改進(jìn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品均未發(fā)生硅橡膠脫粘故障，順利通過(guò)地面試驗(yàn)。

3 結(jié)論

1)用于擴(kuò)散段外表面殼體與整流罩之間密封的硅橡膠脫粘，主要是由于不銹鋼基材未采取表面處理，造成不銹鋼基材與硅橡膠的粘接強(qiáng)度過(guò)低所致;

2)通過(guò)增加在不銹鋼基材粘接界面上使用表面處理劑的工序，能夠有效改善基材界面狀態(tài)，提高膠粘劑對(duì)被粘表面的浸潤(rùn)性。并且在膠接過(guò)程中，能在粘接界面之間形成金屬相－表面處理劑－有機(jī)相的結(jié)合層，從而提高硅橡膠在不銹鋼基材上的粘接強(qiáng)度。

［1］羅明波，孫彩云，張隆平.航空器用單組分RTV硅橡膠膠粘劑性能研究［J］.粘接，2011(12):67－68.

［2］成鋼，李堯.航天用RTV GD414硫化性能研究［J］.真空與低溫，2013，19(1):50－55.

［3］史亞君.硅烷偶聯(lián)劑的界面性能研究及機(jī)理探討［J］.國(guó)外建材科技，2005，26(4):70－71.

［4］徐溢，藤毅，徐銘熙.硅烷偶聯(lián)劑應(yīng)用現(xiàn)狀及金屬表面處理新應(yīng)用［J］.表面技術(shù)，2001，30(3):48－51.

［5］張明宗，管從勝，王威強(qiáng).有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑在金屬表面預(yù)處理中的應(yīng)用［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2001，13(2):396－400.

［6］張開(kāi).高分子界面科學(xué)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，1997:222－228.

［7］全國(guó)膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 7124—2008膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定方法［S］.2008.