环氧胶膜在铝合金—泡沫塑料夹层结构中的应用

郭绍华，苏 航，冉安国

（中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，陕西 汉中 723215）

环氧胶膜在铝合金—泡沫塑料夹层结构中的应用

郭绍华，苏 航，冉安国

（中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，陕西 汉中 723215）

研究了飞机结构件中铝合金-泡沫塑料夹层结构的界面胶接工艺。通过对铝合金-泡沫塑料胶接缺陷的分析，自制了一种环氧胶膜。通过对2种结构的强度对比，表明自制环氧胶膜的应用可有效改善铝合金-泡沫塑料界面胶接质量。

自制环氧胶膜；泡沫塑料；夹层结构；胶接

泡沫塑料夹层结构复合材料目前在风能、船舶制造、体育运动器材、交通运输、医用设备配件等领域中大量应用[1]，在航空、航天中的应用也越来越多，如推进器鼻锥、雷达罩、隔热罩、直升机桨叶、空中客车A380气密机舱的球面框等[2]。泡沫塑料夹层结构一般是由上面板、下面板、芯层、上下面板与芯层的粘接层所构成[3]。

泡沫塑料夹层结构面板材料可以采用钛合金、玻璃钢薄板[4]等，芯层通常采用聚氯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫等[5]。在飞机的一些结构件中使用铝合金薄板作为泡沫夹层结构的面板。某制件为铝合金薄板作面板、硬质聚氯乙烯泡沫塑料作芯层的夹层结构，由于面板与芯层均为刚性材料，胶接面配合性差，导致该零件在使用过程中面板局部常出现脱胶现象，严重影响产品质量。经分析认为，该制件面板在胶接时，胶层材料无法兼顾泡沫层和面板层两种刚性界面，胶接并不牢靠，当面板遭受外力时，容易造成脱胶。

在横向载荷的作用下，上下面板主要承担拉应力和压应力，芯层主要承担剪切应力[6]。上下面板与芯层的粘接层要有足够的剪切强度和韧性，保证粘接层不先于芯层而破坏，才能把剪切应力从面层传递到芯层，最终保持夹层结构的整体性。因而在该制件粘接层中使用剪切强度更高的胶粘剂，是解决脱胶问题的必然选择。在复合材料制件成型过程中常用胶膜作为面板和芯层的粘接层材料。对于玻璃纤维或碳纤维复合材料的面板，可以使用胶膜通过加温、加压将面板与芯层胶接。但由于该夹层结构制件必须在室温下胶接，因而不适宜采用常用胶膜胶合面板与芯层，因而考虑采用一种自制环氧胶膜作为面板与芯层的粘接层。

该自制环氧胶膜以经过表面处理的玻璃纤维布作为载体，用室温固化环氧胶粘剂将玻璃纤维布完全浸渍后制成，然后在湿态下将其铺贴于铝合金面板与泡沫芯层之间。该自制环氧胶膜的优势在于：首先，采用剪切强度更好的室温胶粘剂作粘接层，提高了粘接层的抗剪切能力；其次，自制环氧胶膜具有一定的可塑性及厚度，可与铝合金面板及泡沫芯层良好贴合；再次，以玻璃纤维布作为载体，在真空压力的作用下，使胶液沿着载体填充于面板与芯层胶接的间隙中，为胶液的合理分布提供了条件。自制环氧胶膜用于该制件制造后，面板再未发生脱胶现象。

1 实验部分

1.1 实验用材料

EW100无碱玻璃纤维布，陕西华特；SW100高强玻璃纤维布，中材科技；H-6室温固化胶粘剂，自配；J-241室温固化胶粘剂，黑龙江石油化学研究院；铝合金薄板，自制。

1.2 试样制备及测试

试样分为A、B 2种结构。A结构面板与芯层之间用H-6室温固化胶粘剂粘接；B为自制环氧胶膜胶接结构，自制环氧胶膜以J-241作为胶粘剂，载体为2层SW100高强玻璃纤维布及1层EW100无碱玻璃纤维布。A、B分别制作一组剪切试样及滚筒剥离试样，剪切试样的制作及测试按照GB/T1455—2005进行；滚筒剥离试样的制作及测试按照GB1457—2005进行。

2 结果与讨论

2.1 剪切强度

剪切强度测试结果见表1。

表1 A、B试样剪切强度Tab.1 Shear strength of structure A and structure B

表1数据显示，B结构的剪切强度平均值大于A结构。脱胶通常发生在结构最薄弱的界面胶接缺陷部位，因而须对强度数据分情况分析。从破坏形式上看，A、B 2结构各有3件试样为内聚破坏，且发生内聚破坏试样的剪切强度均为表1中较高的数值。图1为做完剪切试验后的试样照片图。

将2组试样剪切强度中的3个高值去除，仅对比发生界面破坏试样的数据，B结构2个界面破坏强度数据（1.49 MPa、1.71 MPa）明显高于A结构（1.40 MPa、1.30 MPa），可以看出B结构的界面剪切强度明显优于A结构。

J-241的室温剪切强度为26 MPa，而H-6的室温剪切强度仅为4.86 MPa。胶粘剂剪切强度的提高起到了关键作用；同时自制环氧胶膜的存在使得面板与芯层胶合更加紧密，对剪切强度提高也产生了较好效果。

图1 剪切试样照片图Fig.1 Photo of shearing test sample

2.2 滚筒剥离强度

滚筒剥离强度测试结果见表2。

表2 A、B试样滚筒剥离强度Tab.2 Climbing drum peel strength of structure A and structure B

表2显示，B结构的面板滚筒剥离强度平均值明显高于A结构，说明B结构面板与芯层粘接效果优于A结构。图2为做完滚筒剥离试验后的试样照片图。

图2 滚筒剥离试样照片图Fig.2 Photo of climbing drum peeling test sample

从破坏形式来看，A、B结构滚筒剥离试样均为界面破坏，但是A结构试样在界面均存在不同程度的缺胶现象，这与脱胶发生时的实际情况相符； B结构试样的界面良好，未出现缺胶的现象。

3 结论

（1）采用自制环氧胶膜结构的剪切强度平均值（1.78 MPa）、滚筒剥离强度平均值（13.04 N·mm/mm）分别比未采用自制环氧胶膜结构的剪切强度平均值（1.66 MPa）、滚筒剥离强度平均值（10.31 N·mm/mm）提高了7.2%及26.5%；

（2）自制环氧胶膜的应用有效改善了铝合金-泡沫塑料界面的胶接质量，解决了面板的脱胶问题。

[1]赵锐霞,尹亮,潘玲英,等.PMI泡沫夹层结构性能研究[J].宇航材料工艺,2012,(5):34-37.

[2]赵锐霞,尹亮,潘玲英. PMI泡沫夹层结构在航天航空工业的应用[J].宇航材料工艺,2011,(2):13-16.

[3]胡培.飞机夹层结构的设计和泡沫芯材的选择[J].航空制造技术,2010,17:94- 96.

[4]益小苏,杜善义,张立同,等.中国材料工程大典[M].北京:化学工业出版社,2005.

[5]刘永涛,杨杰,黄业青,等.泡沫夹层复合材料耐水性能研究进展[J].材料导报,2011,25:439-443.

[6]林晓虎,杨庆生.航空航天夹层结构抗冲击性能的研究现状[J].航空制造技术,2013,10:71-74.

Application of self-made epoxy film adhesive in bonding of aluminium alloy-polyfoam sandwich structure

GUO Shao-hua, SU Hang, RAN An-guo
(Hanzhong Aircraft Company of AVIC Aircraft. Co. ,Ltd., Hanzhong, Shaanxi 723215,China)

In a certain aircraft structural component ,a type of bonding technology used in the cemented surface of aluminium alloy-polyfoam sandwich structure was investigated in this article.By analyzing the defects located at the cemented surface,a kind of self-made epoxy film adhesive was designed. The strength comparison of two different bonding structure was carried out. The results showed that using the self-made epoxy film adhesive improved the bonding quality of cemented surface effectively.

self-made epoxy film adhesive; polyfoam; sandwich structure; bonding

TQ433.4+37

A

1001-5922（2016）01-0077-02

2015-09-25

郭绍华（1978-），女，高级工程师，主要从事复合材料构件制造方面的工作。E-mail：shaohuasac@sohu.com。