劉松良，王潤庭，盧影峰，姚 澤

（1.海裝沈陽局 駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，遼寧 沈陽1100312；沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽110034）

引 言

現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)件中為減輕重量，機(jī)翼、機(jī)身等部件采用了大量的復(fù)合材料。由于復(fù)合材料導(dǎo)電性能較差[1]，當(dāng)遭受雷擊時，很難將高能量的電流傳導(dǎo)出去[2]，必然導(dǎo)致大能量的聚集，破壞結(jié)構(gòu)從而影響飛機(jī)的安全性能[3]。迄今復(fù)合材料雷擊防護(hù)技術(shù)主要有4種，分別是網(wǎng)箔保護(hù)法、表面層保護(hù)法、復(fù)合膠膜保護(hù)法和添加導(dǎo)電材料保護(hù)法[4]。

本文對J-338對應(yīng)的3種規(guī)格金屬網(wǎng)復(fù)合膜的工藝適用性進(jìn)行了試驗，具體包括考察固化參數(shù)對復(fù)合膜粘接強(qiáng)度的影響，共固化條件下復(fù)合膜粘接強(qiáng)度的研究和典型件制造工藝研究。

1 試驗材料與測試方法

本文所用J-338金屬網(wǎng)復(fù)合膜由黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院提供。該產(chǎn)品為J-272A膠膜與鋁網(wǎng)的復(fù)合膜，根據(jù)不同用途，使用不同規(guī)格的鋁網(wǎng)制成了3種規(guī)格金屬網(wǎng)復(fù)合膜，其面密度分別為176g/m2（J-338A型）、188g/m2（J-338B型）和260g/m2（J-338C型）。

剪切強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 7124-2008膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定進(jìn)行測試，每個樣品做5個平行測試，取其平均值為剪切強(qiáng)度的測量結(jié)果。

90°剝離強(qiáng)度：根據(jù)GJB446膠粘劑90°剝離強(qiáng)度測試方法進(jìn)行測試，每個樣品做5個平行測試，取其平均值為剝離強(qiáng)度的測量結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

3種金屬網(wǎng)復(fù)合膜試驗用料見圖1，指標(biāo)要求及復(fù)驗結(jié)果見表1。對來料進(jìn)行外觀的檢查，將保護(hù)紙撕開，檢查復(fù)合膜的膠膜表面狀態(tài)均為淺綠色，表面光滑、均勻平整，無外來雜質(zhì)、孔洞、裂紋、褶皺、污漬和機(jī)械損傷。三種膠膜相比，B膜外觀較其它二種差，邊緣局部有膠膜薄厚不一現(xiàn)象，易粘紙。

圖1 3種規(guī)格J-338金屬網(wǎng)復(fù)合膜Fig.1 Three kinds of J-338 metal mesh laminated film

表1 J-388金屬網(wǎng)復(fù)合膜指標(biāo)要求及復(fù)驗結(jié)果Table 1 The technical index and retest result of J-338 metal mesh laminated film

2.1 固化參數(shù)對J-338復(fù)合膜粘接性能的影響

由于金屬網(wǎng)復(fù)合膜用于復(fù)合材料表面，制件時需與復(fù)合材料進(jìn)行共固化或二次固化操作。所以其固化參數(shù)應(yīng)與復(fù)合材料固化參數(shù)一致。本項目所用復(fù)合材料為T300/BA9913預(yù)浸料，其固化參數(shù)為：固化壓力0.1～0.6 MPa；保溫時間1～4h；固化溫度120～130℃；降溫速率≤1.5℃/min。參照復(fù)合材料固化參數(shù)，本文首先開展了不同固化參數(shù)對復(fù)合膜粘接強(qiáng)度影響的性能研究試驗，試驗基材為鋁合金陽極化試片。

2.1.1 固化時間對粘接性能的影響

開展固化時間為1h、2h和4h的粘接強(qiáng)度試驗。固化時間為1h時，J-338膠膜可以達(dá)到常溫下剪切強(qiáng)度＞38MPa，剝離強(qiáng)度＞4.4kN/m；固化時間達(dá)到2h后，J-338膠膜可以達(dá)到常溫下剪切強(qiáng)度＞39MPa，剝離強(qiáng)度＞4.9kN/m；試驗結(jié)果表明，隨著固化時間的增加，J-338膠膜的粘接強(qiáng)度增強(qiáng)變化不明顯。

2.1.2 重復(fù)固化對粘接性能的影響

以“固化溫度120℃，固化時間2h”為1個固化周期，開展固化次數(shù)為1次、2次和3次的剪切強(qiáng)度試驗，J-338膠膜經(jīng)1～3個固化周期處理后的粘接強(qiáng)度均可以滿足常溫下剪切強(qiáng)度≥28MPa，剝離強(qiáng)度≥3.5kN/m的指標(biāo)要求。在2個固化周期處理后，粘接強(qiáng)度達(dá)到最大值，其常溫下剪切強(qiáng)度＞39MPa，剝離強(qiáng)度＞4.8kN/m；在3個固化周期處理后，其粘接強(qiáng)度略有下降（下降1～2個單位強(qiáng)度），與經(jīng)1個固化周期處理后的強(qiáng)度相近。

2.1.3 固化壓力對粘接性能的影響

開展固化壓力分別為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa和0.6MPa的粘接強(qiáng)度試驗。在不同壓力下，均可以達(dá)到常溫下剪切強(qiáng)度＞35MPa，剝離強(qiáng)度＞4.0kN/m的粘接強(qiáng)度。J-338膠膜在此壓力范圍內(nèi)固化，其對固化壓力不敏感。

2.1.4 降溫速率對粘接性能的影響

開展自然冷卻和加速冷卻（約1.5℃/min）兩種條件下粘接強(qiáng)度測試。試驗結(jié)果表明：采用自然冷卻方式處理的試片粘接強(qiáng)度更高（剪切強(qiáng)度高1～5個單位），但兩種降溫條件下處理的試片均可以達(dá)到常溫下剪切強(qiáng)度≥28MPa，剝離強(qiáng)度≥3.5kN/m的指標(biāo)要求。

由以上測試結(jié)果可知，J-338膠膜固化參數(shù)可以較好的匹配T300/BA9913預(yù)浸料的固化參數(shù)；即“在固化壓力0.1～0.6MPa；保溫時間1～4h；固化溫度120～130℃；降溫速率≤1.5℃/min。”范圍內(nèi)，根據(jù)工藝需求情況，任意選用固化參數(shù)，均可以滿足粘接強(qiáng)度指標(biāo)要求。

2.2 共固化條件下J-338復(fù)合膜粘接強(qiáng)度的研究

為研究J-338膠膜與T300/BA9913預(yù)浸料的相容性，開展了J-338膠膜與T300/BA9913預(yù)浸料共固化測試，并測試其在-55℃、23℃和70℃的條件下粘接強(qiáng)度，試驗結(jié)果見表2，剪切試片見圖2、剝離試片見圖3。由表2可見，除了-55℃下J-338A膠膜的剪切強(qiáng)度測試和-55℃、23℃下，J-338C膠膜的剝離強(qiáng)度三組試樣，其余組均為復(fù)材基材破壞。試驗結(jié)果表明，J-338膠膜與T300/BA9913預(yù)浸料有較好的相容性。

圖2 剪切試片破壞形式Fig.2 The shear failure mode of J-338 co-cured with T300/BA9913 prepreg

圖3 剝離試片破壞形式Fig.3 The peel failure mode of J-338 co-cured with T300/BA9913 prepreg

表2 與T300/BA9913預(yù)浸料共固化粘接強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 2 The bonding strength of J-338 co-cured with T300/BA9913 prepreg

由表2可知，在共固化條件下，3種J-338金屬網(wǎng)復(fù)合膜在-55℃、23℃和70℃條件下，均可以滿足指標(biāo)要求。

2.3 J-338復(fù)合膜典型件制造工藝研究

使用J-338復(fù)合膜，按下列固化參數(shù)制作5個典型件（A1、B1、B2、C1和C2）。

固化參數(shù)：抽真空至-0.097MPa以下，后加壓至0.50±0.02MPa，以（1.5～3.0）℃/min的升溫速率加熱至120～125℃之間，保溫120min，以不高于1.5℃/min的降溫速率將至60℃以下，出罐。

使用J-338A復(fù)合膜制作典型件A1，使用J-338B復(fù)合膜制作典型件B1和B2，使用J-338C復(fù)合膜制作典型件C1和C2。詳細(xì)情況見表3。

表3 J-338復(fù)合膜典型件情況Table 3 The typical parts prepared with J-338 metal mesh laminated film

圖4 J-338復(fù)合膜典型件實物照片F(xiàn)ig.4 The photos of typical parts prepared with J-338 laminated film

鋪貼過程中，通過剪裁、挖補(bǔ)及搭接等操作方法，可知三種金屬網(wǎng)復(fù)合膜鋪貼性能良好，可操作性強(qiáng)。三種膠膜的鋪貼過程見圖5所示。但也發(fā)現(xiàn)與J-338A、J-338C相比，J-338B金屬網(wǎng)復(fù)合膜與離型紙和保護(hù)膜剝離難度較大，在鋪貼時，容易因保護(hù)膜與金屬網(wǎng)復(fù)合膜難以剝離而導(dǎo)致金屬網(wǎng)復(fù)合膜自身的開裂（圖6）。搭接縫按照10～20mm的寬度進(jìn)行操作。

圖5 A1、B2、C1金屬網(wǎng)復(fù)合膜的鋪貼Fig.5 The applied technology of（a）A1,（b）B2 and（c）C1 metal mesh laminated film

圖6 B1金屬網(wǎng)復(fù)合膜鋪貼Fig.6 The applied technology of B1 metal mesh laminated film

固化后，目視檢查所有貼膜面均平整光滑。除搭接縫外，無金屬網(wǎng)重疊和屈折斷裂情況出現(xiàn)。對試驗件進(jìn)行超聲掃描，經(jīng)檢驗，所有試驗件的金屬網(wǎng)和預(yù)浸料之間的界面完全合格，只是由于金屬網(wǎng)復(fù)合膜的存在對平板的翹曲變形有一定的影響（B2，C1）[5]，且C1引起的平面翹曲（圖7b）變形比B2要大（圖7a），復(fù)合膜對平板類試驗件造成的變形是由于金屬網(wǎng)和預(yù)浸料的熱膨脹系數(shù)不同造成的[6～7]，且預(yù)浸料的貼合層（即表面層）對變形影響最大，鋪層時應(yīng)避免0°方向鋪層，而盡量采用45°方向鋪層[8]。通過試驗件附型后，敲擊聽聲音的辦法，可知金屬網(wǎng)復(fù)合膜對模具型面本身有彎曲變化的試驗件（A1、B1）幾乎沒有影響。除此之外，在膠膜的搭接縫對應(yīng)的蒙皮內(nèi)表面，經(jīng)水潤濕后能看到由于膠膜厚度增加導(dǎo)致的拼接印痕，但是用手觸摸時，并不能感覺到明顯的厚度梯度變化。

圖7 固化后平板翹曲現(xiàn)象Fig.7 The buckling deformation of（a）B2 and（b）C1 plate after curing

3 結(jié)論

1）J-338金屬網(wǎng)復(fù)合膜與T300/BA9913預(yù)浸料的固化參數(shù)匹配性較好；

2）J-338金屬網(wǎng)復(fù)合膜與T300/BA9913預(yù)浸料的共固化性能較好；

3）J-338金屬網(wǎng)復(fù)合膜工藝可以滿足使用要求；對平板類結(jié)構(gòu)有一定變形影響，應(yīng)避免預(yù)浸料表面0°鋪層，盡量采用45°方向鋪層。