郝玉 余虎 張躍峰 徐云研 李曉曉

摘要：鋁箔、碳纖維的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，在碳纖維上粘貼鋁箔進(jìn)行熱真空試驗后，鋁箔會出現(xiàn)氣泡、鼓包現(xiàn)象。文章進(jìn)行了大量的試驗研究，在工藝特點分析和工藝試驗的基礎(chǔ)上，采用合理的工藝方法來制備抗原子氧層，確定了碳纖維復(fù)合材料表面粘貼鋁箔的最優(yōu)工藝方法，解決了熱真空試驗后，鋁箔出現(xiàn)鼓包脫粘的工藝難點，滿足了航天器工作狀態(tài)的使用要求。

關(guān)鍵詞：鋁箔;熱膨脹系數(shù);碳纖維復(fù)合材料;熱真空實驗

中圖分類號：TQ342⁺.742 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0061-04

0引言

熱真空實驗，是將航天器產(chǎn)品在真空和所需的溫度循環(huán)條件下進(jìn)行的實驗，是驗證航天器產(chǎn)品功能、檢驗航天器制造工藝，驗證航天器在規(guī)定的壓力和溫度條件下是否滿足設(shè)計要求的指標(biāo)。在熱真空實驗中，原子氧作為200～700km低地球軌道殘余大氣的主要成分，具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，當(dāng)原子氧撞擊在航天器表面時，會對航天器表面材料造成嚴(yán)重的氧化剝蝕作用，使航天器材料或器件性能下降或失效，是低軌道航天器表面材料或器件性能衰退的主要因素之一。

碳纖維復(fù)合材料作為一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，低比重、比強(qiáng)、高比模量、低的熱膨脹系數(shù)，抗熱沖擊和抗燒蝕和一系列優(yōu)異的性能，更重要的是碳纖維復(fù)合材料在高溫條件下不會失效，在新一代航天器飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)具有難以比擬的優(yōu)。

然而，碳纖維復(fù)合材料作為航天器的防熱構(gòu)件，隨著航天器進(jìn)入外太空，直接暴露在嚴(yán)酷的太空中，它受到原子氧、熱循環(huán)、紫外線輻射、帶電粒子輻射等空間環(huán)境的作用，其結(jié)構(gòu)性能的演化將直接影響其使用安全性。因此，通過制備防護(hù)層來抗原子氧是保證材料或器件在軌性能和壽命的重要手段。

1工藝關(guān)鍵技術(shù)研究

目前，抗原子氧方法主要有3類：①研制耐原子氧剝蝕的新材料;②用金屬箔層或防護(hù)布進(jìn)行包覆;③在基底材料上沉積防護(hù)涂層。其中，在材料表面上沉積防護(hù)涂層的方法是目前國內(nèi)外普遍采用的抗原子氧方法，一般在材料表面用金屬箔層進(jìn)行包覆，本文用鋁箔作為保護(hù)層，通過制定合理的工藝方法在碳纖維復(fù)合材料表面進(jìn)行粘貼，研究制備抗原子氧的工藝方法。

碳纖維復(fù)合材料表面粘貼鋁箔的工藝難點在于鋁箔厚度精度高，航天器所用鋁箔厚度一般為0.05mm，光滑且不透氣，粘貼時氣泡無法全部排出，同時鋁箔的熱膨脹系數(shù)為（18.8～23.6）×10^-6/%、碳纖維熱膨脹系數(shù)為（-0.56～-0.7）x 10^-6/℃，兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，在熱真空試驗過程中，鋁箔所受的張應(yīng)力越大，當(dāng)這個張應(yīng)力超過了涂層自身的抗張強(qiáng)度極限時，涂層出現(xiàn)裂紋.導(dǎo)致局部出現(xiàn)鼓包脫粘的現(xiàn)象。從而無法滿足衛(wèi)星軌道環(huán)境高真空條件下的要求。本論文以常溫膠粘劑膠接鋁箔來制備抗原子氧保護(hù)層，通過對膠粘劑種類、涂膠方式等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，制備出無鼓包的抗原子氧保護(hù)層，從而滿足了航天器產(chǎn)品的使用要求。

2碳纖維抗原子氧保護(hù)層制備工藝研究

2.1工藝流程

目前，碳纖維復(fù)合材料表面粘貼鋁箔，使用的膠粘劑有兩種：J-133膠粘劑和Araldite420膠粘劑，兩者均為常溫固化膠粘劑，是衛(wèi)星天線等復(fù)合材料膠接常用的膠粘劑，抗原子氧保護(hù)層制備工藝流程如圖1所示。

2.2涂膠工藝方法的優(yōu)化

涂膠方式分為點膠和涂膠2種，點膠是膠粘劑非連續(xù)分布，如圖2所示，涂膠是膠粘劑連續(xù)分布，分為面涂膠和線涂膠兩種，如圖3和圖4所示。

根據(jù)膠粘劑的種類和涂膠方式，制備試樣，試樣制備參數(shù)如表1所示：

2.3結(jié)果與討論

將制備的試樣進(jìn)行熱真空試驗，對鋁箔表觀進(jìn)行觀察，分別如圖5～圖7所示。

從圖5一圖7可以看出：J-133膠粘劑和Araldite420膠粘劑制備抗原子氧防護(hù)層，在熱真空試驗后，采用面涂膠的工藝方法，表面的鼓包現(xiàn)象最嚴(yán)重;采用點膠的工藝方法鋁箔表觀沒有鼓包脫粘現(xiàn)象。

2.4機(jī)理分析

從圖2-圖4中膠粘劑的分布來分析，采用面涂膠和線涂膠的工藝方法，膠粘劑呈現(xiàn)連續(xù)分布，膠粘劑在碳纖維復(fù)合材料和鋁箔之間形成一個封閉的體系，在抗原子氧保護(hù)層熱真空試驗過程中，兩種工藝方法都會導(dǎo)致固化過程產(chǎn)生的氣不能及時排出，形成氣泡，氣泡粘貼在鋁箔和碳纖維復(fù)合材料之間，導(dǎo)致抗原子氧層產(chǎn)生鼓包;而采用點膠的方式，膠粘劑為非連續(xù)分布，膠液和膠液之間存在間隙，有足夠的空間使氣泡得到伸展或者排除，不易形成鼓包。除此之外，點涂膠的工藝方法減少了膠液的使用量，降低了航天器的重量。

2.5結(jié)論

通過以上試驗，采用點涂膠的工藝方法制備抗原子氧層，使用常溫膠粘劑J-133膠粘劑和420膠粘劑均無鼓包脫粘現(xiàn)象。

3工藝參數(shù)優(yōu)化

針對具有空間結(jié)構(gòu)的航天器產(chǎn)品，空間尺寸比較復(fù)雜，本文從點膠密度、圓角處涂膠工藝來進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。點膠密度可以通過膠液距離來控制，如圖8所示，圓角處涂膠工藝方法有點膠、涂膠、搭接3種，點膠如圖8所示，涂膠如圖9所示，搭接如圖10所示。

將膠粘劑固化后，將桿件進(jìn)行熱真空實驗，實驗結(jié)束后對其表觀進(jìn)行拍照記錄，如圖12～16所示。

圖12可以看出，點膠距離10mm，鋁箔表觀有輕微的鼓包，點膠距離對實驗結(jié)果影響不大，在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)抗原子氧面積的大小來確定，點膠距離一般控制在15～20mm之間。

本實驗以點膠距離20mm來研究圓角區(qū)域鋁箔工藝方法對抗原子氧層的影響，從圖14～圖16中可以看出，在圓角過度區(qū)域，采用鋁箔搭接的工藝方法制備的抗原子氧層，經(jīng)過熱真空試驗后，鋁箔表面平整，沒有鼓包脫粘的現(xiàn)象，將該工藝方法應(yīng)用在圓形桿件上，表觀如圖17所示。

4結(jié)語

原子氧具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，對低軌道航天器表面材料或器件有嚴(yán)重的氧化剝蝕效應(yīng)，會導(dǎo)致材料或器件性能下降或失效，是低軌道航天器表面材料或器件性能衰退的主要因素之一。本文通過對低軌道航天器原子氧防護(hù)面臨的問題進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)有的航天器表面材料原子氧防護(hù)手段，通過實驗進(jìn)行航天器抗原子氧層的制備并優(yōu)化工藝參數(shù)，找到了制備原子氧防護(hù)層的工藝方法：

1）采用點涂膠的工藝方法來制備抗原子氧層。

2）點涂膠的工藝方法中，點膠密度15mm～20mm制備的抗原子氧層無鼓包脫粘。

3）在航天器空間結(jié)構(gòu)中采用鋁箔搭接的工藝方法制備抗原子氧層。

該工藝方法通過改變膠粘劑的分布以及抗原子氧層的工藝方法達(dá)到了設(shè)計的要求。為航天器表面材料原子氧防護(hù)提供了新的技術(shù)方法。