高超 羅世魁 陳芳 史姣紅

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空間相機(jī)光學(xué)件用XM23膠的楊氏模量測定和選用

高超 羅世魁 陳芳 史姣紅

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

空間相機(jī)光學(xué)件與結(jié)構(gòu)件裝配時，通常使用膠接的工藝方法。XM23膠作為常用的膠接劑，其楊氏模量直接影響組件基頻以及光學(xué)件卸載熱應(yīng)力、裝配應(yīng)力的能力，進(jìn)而影響光學(xué)系統(tǒng)的性能。已有的工程實例表明，XM23膠的楊氏模量會在一定的范圍內(nèi)波動。從目前掌握的試驗數(shù)據(jù)看，此數(shù)值在1.2~3.0MPa之間，所以需要在每次用膠前對其楊氏模量進(jìn)行測定。文章首先設(shè)計了拉伸試驗試件，通過對拉伸試驗數(shù)據(jù)的處理獲得膠樣的名義模量；其次，通過有限元方法將名義模量換算為真實模量，并利用“高分二號”（GF-2）衛(wèi)星相機(jī)模型對此數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗；再次，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計時，XM23膠選用的一般方法；最后，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，不同批次膠的楊氏模量會變化，同一批次膠在儲存期內(nèi)，隨著時間的增長楊氏模量會不斷下降，促進(jìn)劑的配比對楊氏模量沒有影響，利用此特點可以縮短產(chǎn)品的研制時間。

室溫硫化膠 楊氏模量 拉伸試驗 有限元仿真 空間相機(jī)

0 引言

由于減振、熱應(yīng)力卸載、微裝配應(yīng)力實現(xiàn)等目的，空間相機(jī)光學(xué)件與結(jié)構(gòu)件裝配時，常常采用注膠、抹膠、膠墊壓緊等膠接方式，也取得了成熟的在軌應(yīng)用經(jīng)驗[1-5]。XM23膠是一種室溫硫化硅橡膠（RTV），多用于航空產(chǎn)品密封和粘接。由于其使用溫度范圍寬、剝離強(qiáng)度高、抗輻射性能好，可以很好地匹配空間相機(jī)的使用需求，所以越來越多地應(yīng)用到空間相機(jī)上[6]。

光學(xué)件設(shè)計時，一般需要考慮組件基頻及其應(yīng)力卸載能力，這直接依賴于膠接劑的分布、體積和楊氏模量。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)楊氏模量不同時，膠接劑的分布（影響卸載能力）及體積（影響基頻）也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，因此膠接劑的楊氏模量是一個重要的材料參數(shù)，必須在設(shè)計或工藝實施初期就找準(zhǔn)這個參數(shù)。

XM23膠是作為密封劑研制的[7]，廠家給出的技術(shù)指標(biāo)以剝離強(qiáng)度、伸長率等為主，而楊氏模量則需要在實際使用前進(jìn)行測定。本文參照國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了拉伸試驗試件，通過比對試驗曲線及有限元仿真結(jié)果，確定該試件用膠的楊氏模量。

在實際生產(chǎn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，XM23膠的楊氏模量不是一個固定的參數(shù)。不同批次的膠，其楊氏模量不同；即使是同一批次的膠，在其儲存期內(nèi)，其楊氏模量是緩慢下降的。從已經(jīng)掌握的近10批次膠，20多組試驗結(jié)果來看，此數(shù)值在1.2~3.0MPa之間，而80%以上的數(shù)據(jù)集中在1.5~2.5MPa范圍內(nèi)。對于光學(xué)件的粘接來說，這種參數(shù)上的差異意味著注膠量的變化，一旦膠量與設(shè)計值不匹配，就會造成組件基頻下降以及光學(xué)件裝框后的面形惡化。所以每次用膠前必須測定本次用膠的楊氏模量，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整用膠方案。

1 XM23膠楊氏模量測定

測定XM23膠的楊氏模量時，首先制備相應(yīng)的試驗件，然后進(jìn)行靜力拉伸試驗，在利用有限元軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，最終得到該批次膠樣的楊氏模量。

1.1 試件選型

對橡膠進(jìn)行拉伸試驗來測定其材料參數(shù)或剝離強(qiáng)度的方法在各類標(biāo)準(zhǔn)中有不同的規(guī)定，其中常見的試樣形式有：單板型[8]、兩板型[9]、四板型[10]、環(huán)型[11]、啞鈴型[11]等。其中啞鈴型試件需要專用模具及設(shè)備來進(jìn)行制備；單板型試件用于測量橡膠與金屬90°剝離強(qiáng)度，通過試驗曲線難以換算材料的楊氏模量；環(huán)型試樣和兩板型試樣試驗時方向誤差較大，數(shù)據(jù)分離性大，得到的試驗結(jié)果存在較大的誤差；四板型試樣制備相對簡單，無需專用模具，且試驗加載方向性好，批次試驗結(jié)果一致性好，可信度高，所以本文采用四板型試樣來進(jìn)行拉伸試驗。

圖1為四板型拉伸試驗件示意圖，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以很好地保證拉伸試驗機(jī)加載時，膠層受到純剪切作用；試件通過結(jié)構(gòu)定位后進(jìn)行注膠，膠斑固化后撤去定位結(jié)構(gòu)并刮去溢出部分膠樣，即可進(jìn)行試驗。

圖1 四板型拉伸試驗件

1.2 拉伸試驗

對圖1中的試件進(jìn)行拉伸試驗[12]，就可以得到加載力—位移曲線。為減小誤差，每次拉伸試驗會使用5~6個試件，一組典型的試驗結(jié)果曲線見圖2。由于加載初期設(shè)備及試件存在空程、初期加載速率不穩(wěn)定等原因，起始段通常會有臺階狀非線性段，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時應(yīng)舍去此段。選取試驗曲線的線性段，通過式（1）~式（4）推算，就可以獲得此試件的名義模量[10]。對各個試件的計算結(jié)果進(jìn)行平均，就可以得到本批膠的名義模量。

圖2 一組試件的加載力—位移曲線

（3）剪切模量

由胡克定律可知，楊氏模量

（4）

式中為泊松比，對于XM23膠，此參數(shù)固定取為0.47[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖3為受約束膠層受剪時示意圖[14]，膠層受剪切時是存在剪切應(yīng)變的，而由于金屬板的存在，膠接面上剪切應(yīng)變?yōu)榱?，最終膠層變形行為表現(xiàn)為“凸出”。顯然，只有在膠接面處作用面積為，實際膠層受力時的等效面積是大于的。所以式（2）得到的剪應(yīng)力以及式（1）得到的剪應(yīng)變只是名義值，而非真實值，這與經(jīng)典的材料力學(xué)單軸拉伸試驗中試件屈服后的頸縮現(xiàn)象[15~16]相似。使用有限元方法，可以真實地模擬試樣拉伸試驗的物理過程：建立試件的有限元模型，在模型上加載，調(diào)整預(yù)先給定的楊氏模量，使得仿真得到的位移值為，最終即可得到與試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的XM23膠的楊氏模量[17-19]。

圖3 受約束膠層受剪時示意

圖4為某批次試件試驗曲線圖。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，位移為1mm時，加載力為149.48N；位移為8mm時，加載力為785.095N。試件膠層厚度為5mm，粘接面尺寸為25mm×20mm，由式（1）~式（4）可得，=1.744MPa。

按照上述仿真方法，設(shè)定加載力為635.615N，調(diào)整為3.07MPa時，得到試件位移為7mm，如圖5。此例中，仿真得到的楊氏模量與用試驗數(shù)據(jù)直接得到名義值差別在40%以上。

圖4 某批次試件試驗曲線圖

圖5 試件拉伸仿真結(jié)果圖（位移）

1.4 方法驗證

圖6為某空間相機(jī)有限元模型。相機(jī)由主體與柔性支桿組成，其中柔性支桿與相機(jī)通過XM23膠連接。仿真結(jié)果表明，相機(jī)的主要模態(tài)都出現(xiàn)在柔性支桿上，當(dāng)膠量不變時，其基頻直接由XM23膠的楊氏模量確定。此相機(jī)使用的XM23膠經(jīng)過拉伸試驗，由1.2節(jié)中計算方法得到的名義模量為1.53MPa，由有限元模型修正后計算得到的楊氏模量值為2.51MPa。

圖6 某空間相機(jī)有限元仿真模型

表1列出了通過有限元仿真和試驗分別得到的相機(jī)前三階基頻，可以看到，以2.51MPa作為計算參數(shù)獲得的相機(jī)基頻與試驗結(jié)果吻合，可以認(rèn)為1.3節(jié)中提出的XM23膠楊氏模量的仿真方法準(zhǔn)確、可靠。

表1 某相機(jī)仿真及試驗獲得的基頻

Tab.1 FEA and experiment results of base frequencies for a space camera Hz

2 基于楊氏模量的光學(xué)件用XM23膠的選用方法

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與XM23膠的選用

在進(jìn)行光學(xué)件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，會進(jìn)行大量的仿真，這就需要給定XM23膠的材料參數(shù)。試驗數(shù)據(jù)表明，XM23膠的楊氏模量并非固定值，所以可以在設(shè)計階段先給出一個初始值（如2.0MPa），并在設(shè)計膠斑時留出注膠量的調(diào)整范圍。利用1.3節(jié)的方法，根據(jù)某批次試樣的試驗結(jié)果可以確定XM23膠的楊氏模量，從而進(jìn)行膠斑面積調(diào)整。

在設(shè)計階段，可以近似地認(rèn)為模量與膠斑體積呈反比關(guān)系。目前所得到的XM23膠楊氏模量值一般在1.5~2.5MPa的范圍內(nèi)。對于2.0MPa的初始值來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計只需保證±20%的體積調(diào)整量就可以了，而通常進(jìn)行膠斑設(shè)計時，膠斑半徑的可調(diào)范圍要遠(yuǎn)比這大得多。

在獲得實際用膠的真實楊氏模量之后，就應(yīng)該進(jìn)行設(shè)計復(fù)算，確定最終的用膠體積。當(dāng)設(shè)計調(diào)整范圍不夠時，就應(yīng)該更換所使用的XM23膠。當(dāng)設(shè)計時間充裕或工況簡單時，也可以進(jìn)行極限設(shè)計：確定允許選用的XM23膠楊氏模量的上下限，一旦實測值超出此范圍，就直接棄用此批次膠。

2.2 促進(jìn)劑配比的影響

XM23膠由四組分構(gòu)成，分別是基膏（組分一）、增粘劑（組分二）、硫化膏（組分三）、促進(jìn)劑（組分四）。配制時，前三者質(zhì)量比例固定，為1 000∶70∶15，而促進(jìn)劑則在0.7~1.5之間，調(diào)整促進(jìn)劑的質(zhì)量配比，可以獲得不同的硫化時間。對于硫化橡膠來說，硫化過程是橡膠大分子鏈發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，最終形成三維網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)的過程。實際上就是把塑性的膠料轉(zhuǎn)變成具有高彈性橡膠的過程[20]。硫化時間越短，交聯(lián)反應(yīng)越快，網(wǎng)構(gòu)形成越快，橡膠內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力就越大。對于面型要求高、工況復(fù)雜的光學(xué)件，一般選用長硫化時間。而通過試驗發(fā)現(xiàn)，硫化時間長短對于XM23膠的楊氏模量沒有影響。圖7為某批次XM23膠不同促進(jìn)劑配比試樣的拉伸試驗曲線。從圖中可見，不同試樣曲線斜率基本一致，無顯著差別。而隨著促進(jìn)劑配比的增大，試件的失效提前，承載能力明顯下降，膠的剝離強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮的強(qiáng)度裕度不大時，需要謹(jǐn)慎選擇促進(jìn)劑配比。

圖7 不同促進(jìn)劑配比試驗曲線

2.3 儲存期的影響

XM23膠儲存期不長，單批次膠基材的儲存期為6個月，同一批次膠的楊氏模量在儲存期初期和末期存在差異。如某批次膠出廠時期為2015年7月，采購后測定其楊氏模量為2.4MPa，而2016年1月再次使用前測得楊氏模量降為1.3MPa；另一批次膠2014年8月測得楊氏模量為2.5MPa，2015年1月測得楊氏模量為1.7MPa。試驗數(shù)據(jù)表明，XM23膠的楊氏模量隨儲存時間緩變，通常呈下降趨勢，而不同批次膠下降程度不同。

由上所述，光學(xué)件用XM23膠在選用時必須注意以下幾點：

1）XM23膠的楊氏模量是一個變化值，不同批次、不同儲存時期的膠楊氏模量不同；

2）當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計敏感于XM23膠的楊氏模量時，必須在設(shè)計初期預(yù)留調(diào)整余量，并在每次工藝實施前進(jìn)行楊氏模量確定；

3）根據(jù)實際得到的楊氏模量，確定此批膠是否適用，膠量是否進(jìn)行調(diào)整；

4）促進(jìn)劑配比對楊氏模量影響不大，可以使用高促進(jìn)劑配比進(jìn)行試樣制作，使用低促進(jìn)劑配比進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，以提高效率，壓縮研制周期。

3 結(jié)束語

XM23膠的楊氏模量作為光學(xué)件設(shè)計過程中的一個重要參數(shù)并不是固定的，這就使得每次使用前，需要對此參數(shù)進(jìn)行測定。本文參照國家標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種通過拉伸試驗結(jié)合有限元仿真來獲取XM23膠楊氏模量的方法。通過仿真和振動試驗結(jié)果的比對，驗證了此方法的有效性。以此方法為基礎(chǔ)，對不同促進(jìn)劑配比、不同批次及儲存期內(nèi)不同時期XM23膠的楊氏模量進(jìn)行了測定，從而給出了使用XM23膠進(jìn)行膠接的光學(xué)件設(shè)計時選膠的一般方法。從現(xiàn)有的試驗數(shù)據(jù)及工程實例來看，XM23膠的楊氏模量在1.2~3.0MPa之間，且與膠的批次、儲存時期有關(guān)，促進(jìn)劑的配比對此影響不大，但會影響膠的剝離強(qiáng)度。

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（編輯：王麗霞）

Young’s Modulus Determination and Selection for XM23 Glue Used in Space Camera Optics

GAO Chao LUO Shikui CHEN Fang SHI Jiaohong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Bonding technique is frequently used in assembly of optical components and structures. XM23 glue is a common adhesive whose Young’s modulus directly affects the base frequency of the components, the reloading of thermal stress and assembly stress, finally influences the optical system performance. Engineering examples show the Young’s modulus of XM23 fluctuates from 1.2MPa to 3MPa, so the determination of XM23’s Young’s modulus before using is necessary. In this paper, firstly, an extension experiment sample is designed and nominal modulus is obtained from experiment data processing. Secondly, nominal modulus is converted to real modulus via FEA method and corrected by GF-2 camera model. Thirdly, choosing principle of XM23 glue in structural design is given. Finally, a series of contrast experiments demonstrate the Young’s modulus changes for diverse batches and periods, but the influence of accelerator ratios is slight.

room temperature vulcanization; Young’s modulus; extension experiment; finite element simulation; space camera

TB30

A

1009-8518(2017)02-0048-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.02.007

2016-11-30

國家重大科技專項工程

高超，男，1983年生，2008年獲北京大學(xué)一般力學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向為遙感相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail：106201@163.com。