高精度天线面板结构胶粘剂应用研究

王海东，霍明亮，王亚楠，石晓改，金 超

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

近年来，随着通信、测控和射电天文等领域的天线工作频段向着Ka、Q 频段甚至更高频段发展，高精度的天线面板是实现高频段天线功能的关键部件之一［1］。当前，满足Ka以上频段使用的天线面板主要有碳纤维复合材料面板和铝合金胶接面板，尽管铝合金胶接面板存在重量大的缺点，但其凭借着材料来源广泛、价低、工艺成熟稳定等优点，在国内外大型天线中得到了广泛应用，如美国GBT100m 天线、意大利64m 天线和上海天文台65m 天线等。铝合金胶接面板中大量使用结构胶粘剂，胶粘剂性能的优劣、胶接工艺过程的控制好坏直接影响天线面板的精度指标和使用寿命［2］。因此，本文主要对批量化生产铝合金胶接面板所使用的结构胶粘剂进行应用研究。

1 主要指标与测试方法

1.1 主要指标

用于高精度铝合金天线面板的结构胶粘剂需满足相应的性能指标要求，具有较好的综合力学性能，如表1所示。

除了满足上述性能指标外，适合于高精度铝合金天线面板的胶粘剂还应具备如下要求：

（1）与被胶接件的相容性好，如不发生界面破坏，主要发生内聚破坏。

（2）在尽量低的温度下固化，如室温固化。

（3）填缝能力大，要求具有良好的触变性。

（4）工艺性好，满足批量化生产要求，如操作时间适中（≥15min），初固化时间较短（≤4h）等。

表1 胶粘剂主要力学指标要求

1.2 胶粘剂选型

根据天线面板的使用要求，对国内外高性能结构胶粘剂进行了广泛调研，最终选取了十二种室温固化的高性能结构胶粘剂进行对比测试，具体如下：

（1）410胶（美国），丙烯酸类；（2）835胶（美国），丙烯酸类；（3）806胶（中国），丙烯酸类；（4）4800胶（德国），丙烯酸类；（5）832胶（美国），丙烯酸类；（6）420 胶（美国），环氧类；（7）460胶（美国），环氧类；（8）9460胶（德国），环氧类；（9）133C 胶（中国），环氧类；（10）133B胶（中国），环氧类；（11）250胶（美国），环氧类；（12）Z－G6胶（中国），环氧类。

上述胶粘剂均为具有良好触变性的双组分结构胶。

1.3 测试方法

所有试片材料采用2A12硬铝，经硫酸阳极化处理，试片胶粘后均在常温下固化，并放置7天以上。

常温、70℃剪切强度和常温剥离强度分别参照GB／T 7124－2008、GJB444－1988和GJB 446－1988进行测试。冷热交变试验和湿热试验分别参照GJB150.5A－2009和法国宇航标准AIR4108进行。

测试仪器：INSTRON 4467（常温）和INSTRON 4505（高温）。

2 结果分析

2.1 初选结果

初步筛选试验得到的剪切强度和剥离强度见表2。

根据胶粘剂性能和初选试验得出：满足表1常规技术指标的胶粘剂为4800和832。同时，832和4800胶粘剂均有较好的填缝能力，且在20℃的常温条件下，两种胶粘剂的操作时间为15～25min左右、初固化时间≤90min、完全固化时间为24h，满足批量化生产要求。

表2 胶粘剂初选试验结果

2.2 优化结果

对胶粘剂4800和832做冷热交变后性能测试和湿热老化后性能测试，进行优选，结果如表3和表4所示。

表3 冷热交变后胶粘剂性能对比表

表4 冷热交变＋湿热老化后胶粘剂性能对比表

由表3可知，经冷热交变后，胶粘剂4800和832的剪切强度和剥离强度较初始试样的保有率均大于90%。

由表4可知，进行湿热试验后，胶粘剂4800常温剪切强度保有率小于80%，不符合表1的力学指标要求，而剥离强度保有率符合要求。

胶粘剂832的剪切强度和剥离强度均满足表1的力学指标要求，并且832胶常温和70℃测试条件下的剪切强度保有率均大于90%，可靠性较好。

3 胶接接头耐久性试验研究

对胶接接头和胶粘剂进行耐久性研究，主要是认识不同环境因素对接头和材料老化的影响，从而找出防止接头和胶粘剂老化的有效措施，评价胶粘剂的好坏，提高结构胶接的耐久性［3］。

本文选用4800和832两种胶粘剂进行大气暴露试验和水浸试验。制作剪切试片，将其试片分别于大气暴露试验和水浸试验1个月、3个月、6个月后依据GB／T7124－2008做常温剪切强度测试，1个月、3个月和6个月的测试数据见表5。

由表5可知：经大气暴露1个月、3个月和6个月后两种胶粘剂的常温剪切强度较初始试样的保有率均大于90%。但4800胶经3个月和6个月的水浸后，其常温剪切强度较初始试样的保有率分别仅为8.6%和4.2%，无法满足使用要求。832胶经水浸1个月、3个月和6个月后常温剪切强度较初始试样的保有率分别大于90%、85%和90%，性能优异。以上试验数据说明，832胶与4800胶相比具有较高的耐久性。

4 胶接工艺参数研究

4.1 涂胶参数研究

图1 面板胶接结构示意图

鉴于上述选型的优化结果，选用可靠性更高的832 胶进行工艺应用研究。本研究所选的胶粘剂主要应用于高精度铝合金胶接面板，胶接结构示意如图1所示。由于开槽的铝合金加强筋（横筋和纵筋）为手工校形，贴膜精度较差，导致它们和贴膜良好的铝蒙皮胶接缝隙较大且厚度不均匀。传统的刮涂方式更适合均匀厚度的缝隙胶接，而用胶枪挤涂的圆柱截面胶粘剂，能够挤压流动对不同厚度的缝隙进行填充，非常适合大缝隙或不均匀缝隙的平面粘接。因此，本文涂胶采用胶枪挤涂方式。

通过对832胶的胶接缝隙（胶层厚度）、胶接宽度和出胶口直径之间关系的试验，得到了三者之间对应关系的数据，其结果见表6。从表5中可以看出胶接同样的宽度，胶接缝隙越大，出胶口的直径越大。但是，实际上出胶口的直径是不能无限增大的，我们认为胶接宽度超过40mm 后，可以将打胶的条数增加到2～3条，从而保证胶接缝隙的良好填充。

另外，通过测得不同胶层厚度下的常温剪切强度，见图2可知，随着胶层厚度的增大，剪切强度近似线性下降。

表6 胶接宽度与出胶口直径之间的关系

图2 胶层厚度影响剪切强度变化图

4.2 固化工艺参数研究

通过对温度、固化时间、成型压力等工艺参数研究，确定832胶粘剂的胶接固化成型工艺参数。

832胶在不同固化温度下达到相同的可脱模硬度所对应的操作时间见表7。对较大面积的天线面板，同时考虑夏季容易实现操作间环境温度，建议固化温度控制在20℃左右为宜，其所对应的保压时间为80min，脱模时间短，批量化生产效率高。

表7 不同固化温度对应的操作时间比较

另外，在其他条件相同的情况下，对832胶施加3种不同固化压力，待其完全固化后进行常温剪切强度和常温90°剥离强度测试，其试验结果见表8。

表8 不同固化压力下的胶粘强度比较

从表7看出，施加的3种不同固化压力对应的强度值变化不大。考虑到施工方便性，采用611Pa左右的低压力。

5 天线面板上的应用

根据上述试验结果，选用832胶粘剂作为某项目高精度天线面板用胶制作了一批高精度铝合金天线面板，其中最大单块面板面积为9m2，型面精度0.141mm r.m.s（API T3激光跟踪仪检测），其余单块面板型面精度最高可达0.05mm r.m.s。随后，对制作的高精度铝合金胶接天线面板进行顶拉试验和5670个循环的往复试验，试验完成后，经仔细检查，未发现面板开胶及其他破坏现象，同时面板精度无明显变化，具有较高的可靠性。目前，该类面板已用于多个型号的Ka及以上频段的天线工程中，应用前景广泛。

图3 高精度铝合金胶接天线面板

图4 胶接面板可靠性试验

6 结束语

根据高精度铝合金天线面板对胶粘性能指标、工艺性、耐久性、可靠性等方面的要求，通过试验可知832胶粘剂具有优异的力学强度、良好的工艺性和较高的可靠性、耐久性，作为高性能的结构胶粘剂能够广泛应用于高精度铝合金天线面板。

［1］赵海.Ka波段天线反射面板成型技术［J］.中国制造业信息化，2007，36（3）：81－83.

［2］王嘉陵.通信天线面板胶粘中胶种的选择与分析［J］.航空制造技术，2005，5：93－94.

［3］吴健伟等.结构胶粘剂及结构粘接耐久性研究［C］.全国特种胶粘剂行业研究和应用技术研讨会论文集，2005，36－39.