高性能胶黏剂密封剂在航天工业领域的应用

赵云峰

（航天材料及工艺研究所,北京 100076）

高性能胶黏剂密封剂在航天工业领域的应用

赵云峰

（航天材料及工艺研究所,北京 100076）

对航天产品用胶黏剂密封剂的特殊要求及热防护层粘接剂、防热密封剂、耐低温胶黏剂、耐空间环境胶黏剂、功能性胶黏剂和复合材料结构胶黏剂等高性能胶黏剂密封剂的性能及其在运载火箭、卫星、飞船和空间站等航天产品上的应用进行了综合评述。

胶黏剂;密封剂;粘接;航天;应用

前言

运载火箭、卫星、飞船等航天器的各种结构部件广泛采用轻合金、蜂窝结构和复合材料，因此胶黏剂密封剂及胶接技术在航天产品上扮演着十分重要的角色。胶黏剂密封剂及胶接技术在发展的同时也在向其它连接技术渗透，形成了形式多样优势互补的混合连接，如胶接与铆接复合、胶接与螺纹连接复合等，以实现连接的多种功能。此外，采用胶接方式对金属结构件进行局部补强也日益受到重视，如作者及同事们就曾将直径约2m的环状金属结构件通过采用胶接方式进行局部补强而满足了使用要求。近60年来，航天材料及工艺研究所在高性能树脂、特种胶黏剂及胶接技术领域开展了大量研究工作，研制了百余种特种胶黏剂密封剂，主要有聚氨酯类、酚醛树脂类、环氧树脂类、有机硅类、丙烯酸酯类、有机硼类等，其中绝大多数已应用于我国运载火箭、卫星及飞船等航天产品[1～7]。同时也与国内胶黏剂密封剂研制单位合作，将许多高性能胶黏剂密封剂应用于我国的航天工业，胶黏剂及胶接技术已广泛应用于我国航天产品的承力结构部位。

1 航天产品对胶黏剂密封剂的特殊要求

运载火箭、卫星、飞船等航天器上使用的胶黏剂密封剂与一般工业领域不同，行业标准高、要求严、使用环境苛刻，要经历发射环境、空间轨道环境、再入环境等，承受高温、烧蚀、空间温度的急剧变化、高真空、超低温、热循环、紫外线、带电粒子、原子氧等特殊环境的考验。因此往往对胶黏剂密封剂等有一些特殊的要求，主要可归纳为：

（1）瞬时耐高温及耐烧蚀：飞行器再入大气层的环境特点是瞬时高焓、高热流、高温，胶黏剂要以满足耐高温烧蚀性能为主。对长时间、高焓、低热流的情况，则以满足高温绝热性能为主。

（2）耐超低温耐特种介质：液氢液氧是目前常用的火箭推进剂，与其相关部位的粘接密封用材料必须满足-253℃下的使用要求，与其接触的部位还要满足与推进剂的相容性要求。

（3）耐空间环境：主要包括空间温度的交变、高真空、紫外线、带电粒子、原子氧等对胶黏剂密封剂的影响。

（4）多功能化：随着对航天产品要求的不断提高，航天产品对胶黏剂密封剂的多功能要求愈来愈高，如在满足粘接密封性能的同时，要具有导电、绝缘、导热、阻尼、电磁屏蔽、高介电等功能。

（5）良好的密封性能、工艺性能和高可靠性。

2 高性能胶黏剂密封剂的性能及其在航天产品上的应用

2.1 热防护层粘接胶黏剂及其应用

航天飞行器在高速飞行过程中与空气摩擦产生高温，因此其结构壳体表面通常带有防热层。由于防热材料与结构材料线膨胀系数的差异，必须采用胶黏剂粘接的方式连接结构壳体与防热层。同时，再入飞行器需要承受一系列特殊的环境条件，因此要考虑粘接体系的应变能力。

为此研制了具有触变性能，适于大部件之间套装粘接的HYJ-16环氧树脂胶黏剂，适于一般零部件粘接的流动型胶 HYJ-4和适于缝隙填充的HYJ-40环氧树脂胶黏剂，可室温固化，具有三防性能，贮存寿命10年以上。研制的HYJ-29橡胶改性环氧胶黏剂，中温固化，在110℃下可安全使用，耐老化性能优异。研制的环氧聚酰胺型胶黏剂，室温固化，在120℃下可安全使用。研制的柔性多功能胶黏剂，具有隔热、粘接、低密度等多重功能，很好地满足了产品的需求。

返回式卫星要经受“轨道运行段”高真空及高低温交变等轨道环境的考验和“再入段”长时间的低热流冲击，要求胶黏剂不仅具有一定的粘接强度和室温固化的特性，而且还必须具有良好的柔性和在高低温范围内足够的伸长率，以便调节结构层和防热层之间由于线膨胀系数不同而引起的应力。研制了室温固化硅橡胶胶黏剂GXJ-34,室温剪切强度4.8MPa,不均匀扯离强度22.4kN/m，-150℃下剪切强度29.8MPa。

2.2 防热密封剂及其应用

飞行器各部件的连接处以及部件上的窗口等需解决局部防热和密封粘接问题。研制了中温固化FHJ-5酚醛树脂胶黏剂，粘接玻璃纤维/酚醛复合材料时，300℃下剪切强度≥20MPa，短期耐温可达500℃；粘接45号钢时使用温度为230℃；烧蚀模拟试验表明，其胶缝不裂不凹，与壳体烧蚀同步。

某些航天产品的局部区域需要防热密封粘接，由于材料间的线膨胀系数相差达数十倍，这时大多采用耐烧蚀性能良好的GXJ系列硅橡胶胶黏密封剂（见表1），如GXJ-24、GXJ-33、GXJ-34、GXJ-38、 GXJ-62、GXJ-69等，其中GXJ-38胶黏剂在中焓中热流条件下的质量烧蚀率0.09g/s，在高焓高热流条件下的质量烧蚀率0.12g/s。硅橡胶胶黏剂大多与表面处理剂配合以提高粘接强度。如南大-42、，南大-73、GPJ-43、KH-550 KH-560等，其中以GPJ-43效果较佳[8,9]。密封剂往往不可能事先按形状和尺寸预制，因此其使用工艺性尤为重要。有机硅密封剂在航天领域广泛应用，许多航天产品需要长期耐300℃密封、短期耐 400℃以上密封或瞬间耐1000℃以上的密封等，其它部位使用的RTV硅橡胶胶黏 剂 密 封 剂 还 有 GD401、GD414、GD442、HZ-706B、南大704、HM301等[10]。

表1 航天产品有机硅防热胶黏剂密封剂主要性能Table 1 Main properties of silicone heat-resisting adhesives and sealants applied in aerospace industry

2.3 耐低温胶黏剂及其应用

目前国内用于航天产品且可在-253℃下使用的低温胶黏剂主要有,由航天材料及工艺研究所研制的用于运载火箭液氢液氧贮箱共底和绝热层粘接的NHJ-44胶、聚氨酯改性环氧胶、与聚酰亚胺和铝贮箱膨胀系数相匹配的DWJ-46胶等。其中NHJ-44胶与美国联邦规范MMM-A-132Al型结构胶的性能指标完全一致，其工作温度范围-253～82℃，工艺性好，可制成薄膜。该胶黏剂室温下剪切强度在40MPa以上，-196℃下剪切强度20MPa以上[11]。还有用于氢氧发动机表面温度传感器粘接的低温导热绝缘胶,其热导率为0.63～0.7W/m·K[12]。

采用DWJ-46胶黏剂，并对其粘接系统和粘接工艺进行适当的调整和改进后，在-253～-196℃温度下的粘接强度明显提高，其破坏模式从粘附破坏变为内聚破坏，粘接的试件经过一系列地面试验的考核，粘接的产品则通过了一系列地面试验和大量飞行试验的考核[13]。

航天材料及工艺研究所研制的低温改性环氧胶黏剂在室温、液氮及液氢温度下的剪切强度均超过17MPa,室温下断裂伸长率大于16%，液氢液氮温度下的断裂伸长率大于8.2%，具有良好的韧性。经历10个室温至液氮的温度循环试验不开裂不脱粘，可以在液氢液氧温度下使用。此外，上海华谊树脂有限公司的DW-1聚醚聚氨酯胶、DW-3四氢呋喃聚醚环氧胶也可应用[14]。

卫星在轨道运行期间舱内必须保持一定的压力，以保证各种仪器仪表正常工作。单纯采用橡胶“O”型圈进行密封，有时会出现微少泄漏，而采用涂敷GXJ-33胶黏剂与上述“O”型密封圈结合使用后，低温下密封性能良好，甚至在“O”型密封圈受损被压断及挤出的情况下，仍可保证密封性能良好。

2.4 空间级胶黏剂及其应用

国外从1960年末就已开始使用加成型硅橡胶作为卫星太阳能电池的胶黏剂,并已逐渐代替缩合型硅橡胶。其中最有代表性的产品有美国的DC93-500和德国的RTV-S691与RTV-S695，其最大特点是热真空失重低,其中DC93-500为0.22%, RTV-S695为0.23%,RTV-S691为1%[15]。中国科学院化学研究所较系统地开展了这方面的研究工作,现已研制出6种具有低热真空失重的加成型和缩合型空间级硅橡胶（其真空热失重为0.1～0.3 %）并已得到应用。空间级加成型室温硫化硅橡胶KH-SP-B具有低的热真空失重,在125℃，24h,1× 10-10MPa下的热真空失重可小于0.3%，高的粘接强度,与金属及聚酰亚胺等的粘结强度可达到2 MPa以上，高的热稳定性能,分解温度可达524℃，优异的低温性能,脆性温度为-114℃，良好的电性能,体积电阻率可达1.3×1016Ω·cm[16]。

文献[17]通过地面模拟空间环境质子辐照条件研究了不同辐照剂量下环氧树脂648和TDE-85浇注体的质量损失、弯曲强度和表面粗糙度的变化。结果表明，随着辐照剂量的增加，质量损失呈现先加速递增后趋于平缓的趋势；648的弯曲强度呈单边下降趋势，TDE-85的弯曲强度呈现先上升后下降的趋势，树脂表面产生了碳化效应，表面粗糙度发生了不同程度的变化。

文献[18]对所选的环氧树脂和硅橡胶两种粘结剂进行了原子氧作用评价试验，依据轨道参数与航天器两年的设计寿命，选定试验中原子氧的等效积分通量为1.4×1021atom/cm2。结果表明，环氧树脂样品出现了较大的质量损失，而硅橡胶样品的质量损失则相对较小。根据质量损失计算环氧树脂样品的原子氧反应率处于3.2×10-24～3.8×10-24cm3/atom之间。试验后的环氧树脂样品表面颜色变浅，硅橡胶样品的表面则呈现了玻璃化。对两种材料都进行了表面形貌分析，试验前后测试结果的对比分析表明原子氧的氧化作用使材料表面发生了较大的变化。

2.5 其它功能性胶黏剂及其应用

导热胶HYJ-51具有优良的导热绝缘性能，用于传感器与测温部件内壁之间的粘接。热导率≥0.84W/m·K,室温剪切强度14.8MPa,250℃剪切强度2.8MPa.对HYJ-51胶进行工艺适应性改进，延长适用期，用于箭体结构舱体外表面的软木粘贴，提高了粘接和装配质量[19]。研制的导热绝缘胶黏剂GXJ-67用于插头座和电路板粘接和密封，其导热系数0.8～1.0 W/m·K，体积电阻率（20℃）＞1012Ω·cm。

HYJ-13导电胶及FHJ-23胶黏剂是专为噪声传感器研制的导电胶，可在-40～150℃下使用；导电环氧胶黏剂HYJ-40电阻值4～9×10-4Ω，铝-铝拉剪强度：室温≥15 MPa，200℃≥3 MPa；200℃，5h后室温≥10 MPa，200℃≥1.5 MPa；-40℃，24h后室温≥15 MPa。导电硅橡胶胶黏剂GXJ-39铝-铝粘接强度≥1.0 MPa，电阻≤10-2Ω；Dq441J-101体积电阻率≤0.1Ω.cm，铝-铝粘接强度≥1.5 MPa。

耐油密封粘接通常采用HYJ-47环氧-聚硫胶黏剂，在油中其粘接强度不降低，室温下剪切强度28MPa，135℃下剪切强度3.4MPa。研制的高温耐油胶对多种材料有良好的粘接强度，室温下铝/铝粘接剪切强度16.8MPa，250℃下剪切强度8.5MPa，270℃下剪切强度3.8MPa。

研制的阻尼导热导电多功能胶黏剂具有优异的导热导电和阻尼性能，阻尼系数可达0.78；研制的阻尼导热绝缘多功能胶黏剂具有优异的导热绝缘和阻尼性能，阻尼损耗因子达0.93,均可以用于各类仪器、仪表、线路板的防振、绝缘、散热、粘接和固定。

研制的MR-4硅酸盐无机胶黏剂，单压剪强度铝-铝≥6.0MPa，不锈钢-不锈钢≥5.0MPa，Cu-Cu≥5.5 MPa，石墨-石墨≥4.5 MPa，玻璃钢-玻璃钢≥2.0 MPa；表面电阻≥100MΩ，可用于传感器粘接。GR-3磷酸盐无机胶黏剂单压剪切强度（Nb，Cu，石英，不锈钢）≥6.5 MPa，短时耐温1800℃，可用于传感器等粘接。

ZN系列黏弹性阻尼材料具有优良的阻尼性能和灵活的可设计性，已经广泛应用于装备的减振控制，其中ZN-1应用最为广泛[20,21]。该材料以丁基橡胶为主，与铝合金、复合材料等的粘接性能较差，已经有不少文献对此进行了研究，针对不同基体材料需采用适宜的表面处理方法[22-24]。作者等结合实际应用，分析研究了ZN-1阻尼材料表面处理方式对其与硬铝粘接性能的影响[25]。研究表明，ZN-1材料的表面状态对粘接强度影响很大。采用172℃热风、K2Cr2O7-H2SO4溶液处理ZN-1材料，可以增加表面粗糙度，改变材料表面官能团状态，获得橡胶本体破坏的粘接效果。

文献[26]研制了一种以溴化三元乙丙橡胶为主体材料，以高耐磨炭黑为补强剂，以过氧化物和酚醛树脂为硫化剂，以松香为增粘剂，环己烷为溶剂的低毒溶液型胶黏剂，对三元乙丙橡胶和碳钢、铝合金、复合材料之间具有良好的粘接强度，已经应用于内衬材料的粘接成型。

研制了系列化的硬度可调的单组分和双组分聚氨酯密封剂，见表2，主要用于航天产品需防水的电器连接件、电缆端部和插头、线路板和其他电器组件的灌封等[27]。

表2 航天产品用聚氨酯胶黏剂密封剂主要性能Table 2 Main properties of PU adhensives and sealants applied in aerospace industry

2.6 纤维增强树脂基复合材料结构胶黏剂及其应用

由于其突出的性能，复合材料结构在火箭及卫星等航天产品上的应用愈来愈广泛，与其配套的胶黏剂产品也被大量使用。如在运载火箭整流罩、卫星支架、仪器舱段等部件的制造中，大量使用了板-板、板-芯结构胶膜、糊状结构胶黏剂、发泡胶、蜂窝夹芯节点胶、芯材拼接胶、修补胶等。

结构胶膜是无溶剂的膜状胶黏剂，具有较高的韧性和抗疲劳性，力学强度和耐久性能优良，是结构胶黏剂最主要的胶种。特点是工艺简单，操作方便，胶量和厚度可控，胶接性能稳定，使用安全可靠性高。主要用于主、次承力结构金属、非金属及复合材料蜂窝夹层结构的板-板结构及板-芯结构的胶接，在航空航天复合材料产品中使用的部位最多、用量最大，是结构胶黏剂中最重要的品种。早期使用酚醛-丁腈类结构胶黏剂，如JX-9、JX-10等；目前广泛使用的结构胶膜主要为改性环氧树脂类胶黏剂等，如J-47中温固化胶黏剂体系、SJ-2高温固化胶黏剂、改性氰酸酯系列膜状胶黏剂[28～29]和LWF系改性环氧型胶膜等，使用的糊状结构胶黏剂主要有J-22、J-133[30]、J-153和J-164[31]等。

文献[32]研制的J-188胶膜以双马来酰亚胺树脂为主体树脂，以双酚A型环氧树脂为改性剂，聚芳醚砜为增韧剂，以DDS为固化剂。具有良好的耐介质、耐湿热、耐老化性能，铝/铝粘接剪切强度，室温下25.0MPa,200℃时达到20.0MPa以上；铝蜂窝滚筒强度室温达到35.0Nmm/mm以上，200℃时达到47.0Nmm/mm。可以满足双马来酰亚胺树脂基碳纤维复合材料预浸料共固化的胶接工艺，可用于双马来酰亚胺树脂基复合材料、聚酰亚胺树脂基复合材料、铝合金、钛合金等材料的胶接。

发泡胶亦称泡沫胶，分为带状、粉状等形式，主要用于金属或复合材料构成的蜂窝夹芯结构件中，对蜂窝零件的周边、侧面和与之相连接的梁、肋、腹板间不平整、不规则表面的结构胶接、填充或密封，以及蜂窝夹芯局部填充补强。目前使用的主要有J-47D、J-60和J-145等牌号。J-47D发泡胶是配合J-47结构胶膜使用的中温固化发泡胶，有粉状和带状两种形式，主要用于蜂窝夹层结构的填充和端框补强。J-145是中温固化的发泡胶，其特点是膨胀比较高（≥4），对蜂窝夹层结构的减重效果显著。J-60发泡胶适用于铝蜂窝及芳纶纸蜂窝夹层结构件的局部填充与补强。

蜂窝夹芯胶也称芯条胶或节点胶，用于制造蜂窝芯材的液体胶黏剂。主要是指用于制造铝蜂窝芯材和纸蜂窝芯材的一类胶黏剂，具有节点强度高、优异的耐湿热性、耐介质性等特点。

芯材拼接胶用于夹层结构芯材拼接，主要包括蜂窝芯材拼接胶膜及泡沫芯材拼接胶两类。J-177用来拼接铝蜂窝芯材，其特点是固化前初始粘接力强，拼接后（不需要固化）的铝蜂窝芯材与结构件一同固化成型即可。

J-249低密度糊状结构胶黏剂以低粘度环氧树脂为主体树脂，以核壳橡胶为增韧剂，以高强玻璃微珠为填充料，用于PMI泡沫夹层结构的拼接和补强。该胶黏剂在密度、耐热性、力学性能和工艺性能上获得的了较好的平衡；其密度达到了0.50g/cm3，其铝合金胶接常温剪切强度达到了15.0MPa以上，常温本体压缩强度达到了40.0MPa以上，PMI泡沫拼接平面拉伸强度达到了3.0MPa以上；满足常温可凝胶拼接定型，中温及高温条件下均可以固化成型的工艺特性；目前已在环氧预浸料－PMI泡沫夹层结构件热压罐成型工艺中获得了成功应用[33]。

修补胶用于复合材料构件局部修补，避免复合材料构件报废，提高复合材料构件的合格率，降低复合材料制造成本。适用于各种金属、非金属材料之间的结构性粘接密封及缝隙填充。固化时不需要加热、加压，当胶层厚度达到1.6mm时，仍具有较高强度。可在-55～80℃长期使用。

3 结束语

新材料是航天技术发展的重要物资基础，一代新型航天产品的诞生往往建立在一大批先进新型材料研制成功的基础上，同时也可以带动许多新材料项目的快速启动和应用。随着我国国民经济的迅速发展和经济实力的增强，载人航天、探月工程等重点工程的开展需要众多新材料的支撑。胶黏剂密封剂及胶接技术在结构轻质化的过程中尤其独特的优势，工艺性好，可功能化，适合于制备结构复杂的零部件，尤其适合批量生产，加工成本低，已经开始在航天工业领域得到愈来愈广泛的应用，且应用于许多主承力结构件。随着对航天飞行器轻质、高强、多功能、低成本化的不断需求，高性能胶黏剂密封剂在航天工业中的应用必将更加广泛和深入。

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Application of High-Performance Adhesives and Sealants in Aerospace Industry

ZHAO Yun-feng
（Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology,Beijing 100076,China）

It gives an introduction and summarization of the special requirements for aerospace adhesives and sealants and the properties of thermal protecting layer adhesives,heat-resisting sealants,adhesives applied under low temperature,adhesives applied in space,other functional adhesives and adhesives for composite structure manufacturing,as well as the application in Chinese aerospace industry,such as carrier rocket,satellite, spaceship and space station.

Adhesive;sealant;adhesion;aerospace;application

TQ325

A

1001-0017（2014）06-0446-05

2014-08-11

赵云峰（1964-），男，山西朔州人，工学博士，主要从事特种高分子材料、树脂基复合材料及其应用研究工作。