摘要：酚醛樹(shù)脂膠粘劑在長(zhǎng)期使用或者受到紫外線、高溫等外部環(huán)境因素影響時(shí)，容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，降低粘接性能。為了滿足航天器膠粘劑高強(qiáng)度需求，進(jìn)行航天器復(fù)合材料膠粘接強(qiáng)度及破壞的有限元數(shù)值模擬研究。采用苯酚和甲醛制備酚醛樹(shù)脂，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試該膠粘劑在粘接航天器構(gòu)件時(shí)的剪切強(qiáng)度與剝離強(qiáng)度，以此確定該膠粘劑最佳固化條件和膠層厚度。將該膠粘劑的基礎(chǔ)參數(shù)輸入到ABAQUS有限元軟件中，構(gòu)建粘接試驗(yàn)樣品的有限元模型，分析該膠粘劑在極限荷載作用下的剪切應(yīng)力與剝離應(yīng)力變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，該膠粘劑在高溫或較長(zhǎng)時(shí)間固化后，粘接強(qiáng)度最佳，膠層厚度為150 mm時(shí)，粘接強(qiáng)度更高。

關(guān)鍵詞：航天器；復(fù)合材料膠；粘接強(qiáng)度；酚醛樹(shù)脂；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ433.4+31文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）02-0001-04

Simulative research on bonding strength and durability of adhesives for spacecraft composite components

KANG Jin1，DONG Junyan2

（1.Shaanxi Polytechnic Institute，Xiangyang 712000，Shaanxi China；

2.Rongsheng Meng Guli New Energy Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

Abstract：Phenolic-resin-based adhesives are highly susceptible to aging when they are either in long-term usage or exposedtoexternalenvironmentalfactorssuchasultraviolet（UV）radiationandhightemperatures.This agingphenome-non leads to a significant decline in their bonding performance.To fulfill the stringent high-strength requirements of ad-hesives for spacecraft，a finite-element numerical simulation study was carried out，focusing on the bonding strength and failure mechanisms of adhesives used in spacecraft composite components.Phenolic resin was synthesized through the reaction of phenol with formaldehyde.A universal testing machine was employed to measure the shear strength and peel strength of the adhesive during the bonding of spacecraft components.These measurements were used to determine the optimal curingconditions and the thickness of the adhesive layer.Subsequently，the fundamental parameters of the adhesive were input into the ABAQUS Finite Element Analysis software.Based on these inputs，afi-nite-element model of the adhesive-bonding test sample was constructed.This model was then utilized to analyze the variations in shear stress and peel stress of the adhesive under the action of the ultimate load.The experimental results demonstrate that the adhesive attains its optimal bonding strength when cured at high temperatures or over an extend-ed period.Notably，when the thickness of the adhesive layer is 150 mm，the bonding strength is further enhanced.

Key words：spacecraft；composite adhesive；bonding strength；phenolic resin；numerical simulation

酚醛樹(shù)脂又稱電木粉，是一種由酚類(lèi)化合物和醛類(lèi)化合物經(jīng)縮聚反應(yīng)得到的合成樹(shù)脂。它具有優(yōu)良的耐熱性、耐水性和絕緣性，同時(shí)具有良好的尺寸穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性能[1]。可以用于航天器中的金屬、非金屬結(jié)構(gòu)件的粘接[2-3]，承受高溫和惡劣環(huán)境，保證結(jié)構(gòu)件的牢固性和穩(wěn)定性[4]。然而，酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料膠在使用過(guò)程中[5-6]，容易受到外部環(huán)境的影響，降低膠粘接強(qiáng)度。選擇合適的低分子橡膠和聚砜作為改性劑，將制備好的膠粘劑薄膜樣品進(jìn)行彈性測(cè)試、強(qiáng)度測(cè)試等，評(píng)估改性后膠粘劑的性能[7]。以船舶結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，使用氯化石蠟和酚醛樹(shù)脂混合制備出復(fù)合膠粘劑，并且測(cè)試該復(fù)合膠的各項(xiàng)基礎(chǔ)性能[8]。研究一種用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)的膠粘劑，該膠粘劑能夠應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)，發(fā)揮良好的膠粘性能，但是該膠粘劑長(zhǎng)期使用后，容易出現(xiàn)脫膠、失效的情況，耐疲勞性能并不可觀[9]。將表面增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用于膠粘接頭中，減少應(yīng)力集中并阻止裂紋擴(kuò)展[10]，但該技術(shù)需要考慮與其他材料的相容性。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究一種丁腈橡膠與酚醛樹(shù)脂基及多種外加劑混合制備出復(fù)合膠粘劑，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試該航天器復(fù)合材料膠粘接強(qiáng)度并通過(guò)有限元數(shù)值模擬的方法研究該膠粘劑的破壞應(yīng)力分布。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1材料與儀器設(shè)備

（1）材料。苯酚，工業(yè)級(jí)，沸點(diǎn)一般在175℃，折射率為1.50，濟(jì)南澤寬化工有限公司；對(duì)羥基苯甲醛，工業(yè)級(jí)，熔點(diǎn)在112～116℃，具有強(qiáng)烈刺激性氣味，中山市迪欣化工有限公司；有機(jī)硅聚合物，工業(yè)級(jí)，沸點(diǎn)為134℃，熔點(diǎn)50～64℃，武漢安道麥新能源有限公司；氧化鈣，工業(yè)級(jí)，可過(guò)200～300目篩，pH值為13，山東鳴威化工有限公司；氧化鋅，工業(yè)級(jí)，熔點(diǎn)為1 975℃，不溶于水，河北騰格化工科技有限公司；丁腈膠，防火耐高溫，斷裂伸長(zhǎng)率為480%，具有較大的彈性，衡水赤兔馬新材料有限公司；增塑劑，工業(yè)級(jí)，凝固點(diǎn)為16℃，羥基值為16 max，黏度為750 cps，濟(jì)南金邦環(huán)?？萍加邢薰?；硫化劑，能夠改善膠粘劑的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、硬度和耐磨性，濟(jì)南山?；た萍加邢薰?；氧化劑，pH值為6～7.5，沸點(diǎn)為100℃，呈無(wú)色結(jié)晶體，山東正弘生物科技有限公司；

（2）儀器設(shè)備。LYHX-01烘箱、HH-2恒溫水浴鍋、BP-8172混煉機(jī)、CTM6000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和DF-101S磁力攪拌機(jī)。

1.2復(fù)合材料膠粘劑制備

（1）酚醛樹(shù)脂基料制備。向玻璃瓶中倒入一定量苯酚粉末，為使原料融化，將盛有苯酚粉末的玻璃瓶置于烘箱之中，烘干處理6 h。將融化之后的苯酚原料倒入三口燒瓶之中，3個(gè)口分別連接冷凝管、磁力攪拌機(jī)以及溫度計(jì)，為了不使試驗(yàn)原料殘留在器皿上，所有試驗(yàn)玻璃器材均涂抹凡士林，使用攪拌機(jī)攪拌原料0.5 h。將三口燒瓶置于初始溫度設(shè)定為65℃的恒溫水浴鍋之中，將氨水倒入三口燒瓶之中，攪拌30 min后將對(duì)羥基苯甲醛倒入燒瓶之中，為了避免氨水發(fā)生揮發(fā)，試驗(yàn)過(guò)程中將三口燒瓶的進(jìn)氣口密封。在95℃加熱狀態(tài)下使用磁力攪拌機(jī)持續(xù)攪拌，觀察混合溶液呈現(xiàn)出渾濁狀態(tài)后，停止攪拌靜置反應(yīng)0.5 h。停止反應(yīng)以后，將溶液轉(zhuǎn)移到圓底燒瓶之中繼續(xù)加熱旋蒸處理，旋蒸至沒(méi)有產(chǎn)物出現(xiàn)以后停止處理。旋蒸產(chǎn)物即為酚醛樹(shù)脂[13]基料；

（2）酚醛樹(shù)脂基料改性。在玻璃燒杯中倒入去離子水、氧化鈣與有機(jī)硅聚合物，使用磁力攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢瑁銣厮″仠囟壬咧?20℃。為了充分水解有機(jī)硅聚合物，將混合物置于該環(huán)境中反應(yīng)60 min，完成反應(yīng)以后，使用去離子水多次沖洗，使得有機(jī)硅pH值呈現(xiàn)中性。將制備的酚醛樹(shù)脂基料與氧化鋅催化劑混合，使用磁力攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢琛Ｍ瓿蓴嚢韬髮⒃摯呋蠡吓c有機(jī)硅混合[12-13]，攪拌后將烘箱溫度設(shè)置為100℃，將該混合物置于烘箱中烘干處理8 h，使得混合物質(zhì)中的小分子能夠完全從混合物之中脫除。烘干后的粘稠固體即為有機(jī)硅改性之后的酚醛樹(shù)脂；

（3）復(fù)合膠粘劑的制備。為了提升該膠粘劑的膠粘性能與黏度，需要向酚醛樹(shù)脂之中添加丁腈膠，使得復(fù)合膠粘劑的粘性提升。先用混煉機(jī)多次塑煉丁腈膠，待該膠的黏度提升至60～70 Pa·s，將增塑劑和硫化劑分別投入混煉機(jī)之中，實(shí)現(xiàn)丁腈膠的流通。該階段迅速向丁腈膠之中倒入去離子水，實(shí)現(xiàn)膠體的溶脹，通過(guò)混煉機(jī)的處理，得到丁腈膠漿。按照試驗(yàn)需求，將不同比例的丁腈膠漿與有機(jī)硅改性的酚醛樹(shù)脂混合，使用磁力攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，得到?fù)合材料膠粘劑。

1.3粘接強(qiáng)度測(cè)試方法

（1）粘接試件制備。采用細(xì)編穿刺方法處理該復(fù)合材料表面5 min，再使用60目的砂紙打磨，去除材料表面的毛刺，完成打磨以后使用丙酮沖洗消除雜質(zhì)[16]；使用80℃的氧化劑處理30 min，去離子水沖洗后置于110℃的烘箱中處理2 h，使得試件保持干燥。在試件表面涂刷濃度為50%的硅烷偶聯(lián)劑后再次沖洗烘干，室溫環(huán)境下靜置備用；

（2）固化條件對(duì)粘接強(qiáng)度影響。將制備的復(fù)合材料膠粘劑涂刷在處理后的C/C復(fù)合材料，完成涂刷以后，在不同固化條件下，測(cè)試各個(gè)膠粘劑的剪切強(qiáng)度與剝離強(qiáng)度[17]，以此獲得固化條件對(duì)于所制備的復(fù)合材料膠粘劑粘接強(qiáng)度的影響。固化條件分別為：固化條件A：130℃條件下養(yǎng)護(hù)3 h；固化條件B：150℃條件下養(yǎng)護(hù)1 h；固化條件C：150℃條件下養(yǎng)護(hù)3 h；固化條件D：180℃條件下養(yǎng)護(hù)1 h；固化條件E：200℃條件下養(yǎng)護(hù)1 h。剪切強(qiáng)度是測(cè)試膠粘劑粘接強(qiáng)度的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，剪切強(qiáng)度越高，表示膠粘劑的粘附和承載能力越強(qiáng)，越能夠有效地固定物體。剪切強(qiáng)度測(cè)試參考GB 7124—1986，涂膠后將2個(gè)樣品合攏粘貼并以5℃/min的升溫速率、0.15 MPa壓力固化膠粘劑，完成固化以后，結(jié)合萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試剪切強(qiáng)度。剝離強(qiáng)度也是評(píng)價(jià)膠粘劑粘接強(qiáng)度的指標(biāo)之一，剝離強(qiáng)度測(cè)試時(shí)以GB 7122—1986為標(biāo)準(zhǔn)，同樣借助萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)試；

（3）膠層厚度對(duì)粘接強(qiáng)度影響。制備試驗(yàn)試件時(shí)，調(diào)整膠層厚度分別為150、250、350、450 mm，與C/C復(fù)合材料粘接。使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，并通過(guò)計(jì)算獲得各個(gè)試驗(yàn)樣品的剪切強(qiáng)度變化。觀察各個(gè)試驗(yàn)樣品的破壞情況，由此確定膠層厚度對(duì)于該膠粘劑粘接強(qiáng)度的影響。

1.4破壞程度有限元數(shù)值模擬

（1）三維模型構(gòu)建。為了便于計(jì)算粘接破壞程度，需要先假設(shè)本文粘接C/C復(fù)合材料時(shí)的初始階段質(zhì)量較高，粘接位置沒(méi)有出現(xiàn)顯著破壞。粘接后的C/C復(fù)合材料在拉伸荷載作用下應(yīng)力數(shù)值為150 MPa；

（2）單元選擇。使用ABAQUS有限元軟件，模擬分析粘接C/C航天器復(fù)合材料的酚醛復(fù)合材料膠粘劑受到破壞時(shí)的應(yīng)力變化[18]。將試驗(yàn)材料的基本參數(shù)輸入到有限元軟件中構(gòu)建粘接試驗(yàn)樣品的有限元模型。有限元軟件中自帶多個(gè)模擬單元，C/C航天器復(fù)合材料選取C3D20R單元，酚醛復(fù)合材料膠粘劑選取C3D8R單元，種子布局選取1 mm；

（3）網(wǎng)格劃分。確定有限元單元后，需要對(duì)模型劃分網(wǎng)格，膠粘劑粘接位置的C/C材料接頭寬度會(huì)明顯寬于膠粘劑，所以劃分該區(qū)域的網(wǎng)格時(shí)，要尤其重視該區(qū)域的網(wǎng)格密度，整個(gè)有限元模型中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與單元數(shù)量分別為17 552個(gè)和5 521個(gè)。

2結(jié)果與討論

2.1粘接強(qiáng)度測(cè)試

2.1.1固化條件對(duì)粘接強(qiáng)度影響

結(jié)合萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同固化條件養(yǎng)護(hù)后，制備的復(fù)合材料膠粘劑粘接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，使用固化條件B時(shí)，所制備的復(fù)合材料膠粘劑剪切強(qiáng)度最低，其他條件養(yǎng)護(hù)后的膠粘劑剪切強(qiáng)度數(shù)值較為接近。這種情況是由于150℃溫度較低，只固化1 h無(wú)法達(dá)到理想粘接強(qiáng)度，其余各個(gè)固化條件的溫度或者時(shí)長(zhǎng)都能滿足粘接所需，各個(gè)固化條件下膠粘劑產(chǎn)生的內(nèi)聚條件高于被粘接材料的內(nèi)聚條件。因此，粘接后各個(gè)固化條件的剪切條件較為接近。

2.1.2膠層厚度對(duì)粘接強(qiáng)度影響

計(jì)算出不同膠層厚度下，膠粘劑粘接之后的各個(gè)試驗(yàn)試件的剪切強(qiáng)度變化情況，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)荷載的增加，膠粘劑的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯降低變化趨勢(shì)，說(shuō)明外力作用下膠粘劑的粘接強(qiáng)度受到破壞。不同膠層厚度下，膠粘劑的剪切強(qiáng)度也出現(xiàn)明顯變化。隨著膠層厚度增加，膠粘劑的剪切強(qiáng)度也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明二者為反比例關(guān)系，增加膠層厚度，反而不能提升粘接強(qiáng)度。

不同膠層厚度下，受到萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作用力的影響，膠層發(fā)生破壞時(shí)的情況如圖1所示。

由圖1可知，不同厚度膠層在荷載作用下的破壞形貌也各不相同，圖1（a）中膠層厚度為150 mm的試驗(yàn)樣品在外力作用下，即使C/C復(fù)合材料主體出現(xiàn)斷裂破壞膠層結(jié)構(gòu)也沒(méi)有出現(xiàn)破壞，說(shuō)明該厚度的膠層粘接強(qiáng)度較高。圖1（b）～圖1（d）各個(gè)膠層厚度的樣品分別發(fā)生內(nèi)聚破壞、混合破壞以及界面破壞等不同斷裂形式，該破壞也與表2中的試驗(yàn)結(jié)果一致。由此可以看出，選擇150 mm的厚度能夠滿足航天器材料粘接的需求。

2.2有限元數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1剪切應(yīng)力有限元分析

在有限元模型中，向粘接后材料模型施加極限荷載，通過(guò)有限元模擬出該復(fù)合材料膠粘劑在出現(xiàn)粘接破壞時(shí)的剪切應(yīng)力分布，該應(yīng)力模擬云圖如圖2所示。

由圖2可知，膠粘劑的剪切應(yīng)力越大代表粘接后的界面損傷越嚴(yán)重。受到極限荷載影響，復(fù)合膠粘劑粘接C/C材料位置出現(xiàn)集中剪切應(yīng)力，粘接界面出現(xiàn)明顯剪切應(yīng)力集中，且該應(yīng)力還向周邊區(qū)域擴(kuò)散，但是破壞集中在中心區(qū)域，最高剪切應(yīng)力數(shù)值約為89.5 MPa，該膠粘劑粘接的材料剪切應(yīng)力較小。

2.2.2剝離應(yīng)力有限元分析

在有限元模型中，向粘接后材料模型施加極限荷載，模擬出該狀況下的應(yīng)力分布，該剝離應(yīng)力模擬云圖如圖3所示。

由圖3可知，盡管粘接位置整體都出現(xiàn)剝離應(yīng)力變化，但是剝離應(yīng)力較大值集中在粘接位置的兩端。也就是說(shuō)，受到極限荷載影響時(shí)，粘接之后的邊緣位置更容易發(fā)生剝離開(kāi)膠的變化，粘接邊緣位置也會(huì)最先出現(xiàn)損傷破壞，應(yīng)力集中出現(xiàn)在該位置；進(jìn)一步增加荷載，應(yīng)力可能會(huì)向中心擴(kuò)展，直至整個(gè)粘接區(qū)域完全失效。

3結(jié)語(yǔ)

膠粘劑作為復(fù)合材料連接的主要方式之一，其強(qiáng)度和破壞特性對(duì)航天器的安全性和可靠性具有重要影響。研究航天器復(fù)合材料膠粘接強(qiáng)度及破壞的有限元數(shù)值模擬，制備試樣樣品并測(cè)試不同固化環(huán)境與膠層厚度對(duì)于航天器用膠粘劑的粘接強(qiáng)度的影響。通過(guò)試驗(yàn)分析確定，除了溫度較低且固化時(shí)間較短情況下不利于膠粘劑粘接強(qiáng)度提升外，高溫環(huán)境或者處理時(shí)間較長(zhǎng)固化養(yǎng)護(hù)情況下，航天器用膠粘劑具有較為理想的粘接強(qiáng)度。

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（責(zé)任編輯：蘇幔，平海）