复合材料维修用高性能胶粘剂

2018-07-13张绪刚孙明明李坚辉刘彩召宋彩雨

粘接 2018年7期

张绪刚，张斌，孙明明，赵明，王磊，薛刚，李坚辉，刘彩召，宋彩雨

（黑龙江省科学院石油化学研究院，黑龙江哈尔滨 150040）

随着航空、航天飞行器对减重结构提出的要求越来越严格，对复合材料零件的制造要求也随之提高。一方面，复合材料的制件在加工制造过程中是通过树脂基体以及树脂与纤维之间的界面在成形模具内经过加热、加压，发生物理、化学等变化固化而成的，由于制造中影响因素较多而容易产生缺陷；另一方面，复合材料由于是多种材料体系复合而成，在使用过程中容易出现开裂、破损等损伤。这些缺陷和损伤可能对整个飞行器的安全性能产生严重的影响[1]，若处理不当，会导致整个结构件报废。为此，针对复合材料结构件的不同方式损伤和缺陷建立整套的维修方法是目前国内研究工作者迫切需要解决的问题。国外是在复合材料制造时就已经进行修补性能的研制，如波音公司已经依据复合材料结构件不同方式的损伤和缺陷建立系统维修方法，并建立完善的修补材料体系。

为了对复合材料制造及使用过程中出现的缺陷和破损，已研制出了符合修补要求的高性能胶粘剂，并用以下几种维修方式对航空、航天复合材料进行修补，获得了良好效果：①复合材料蜂窝夹层结构修补；②铝涂层损伤修补；③小尺寸滑窝或偏孔灌注修补[2]； ④复合材料分层、脱粘修补[3]；⑤碳布浸渍环氧树脂修补等。

1　复合材料蜂窝夹层结构修补

1.1　板-板、板芯或贴片粘接用高性能结构胶粘剂

J-229-1室温固化高韧性耐热环氧胶是一种以核/壳增韧多官能环氧为基体树脂的可室温固化的双组分环氧树脂结构胶粘剂。核/壳粒子与环氧树脂具有良好的相容性，能够均匀分散在环氧树脂中。因为核/壳粒子与环氧树脂处于相分离状态，对胶粘剂的增韧效果明显，而且不会明显影响体系的玻璃化转变温度。J-229-1胶粘剂具有较高的强度与韧性，90°剥离强度可达到7.1 kN/m以上，同时具有优异的耐温性能，150 ℃剪切强度达到15.4 MPa，与中温固化高性能结构胶水平相当，主要性能如表1所示。J-229-1具有优异的耐湿热、耐盐雾老化性能，对多种金属和非金属材料具有良好的粘接强度。适用于复合材料板-板、板芯或贴片粘接。

表1　J-229-1的主要性能Tab.1　Main performances of J-229-1

J-294室温固化高T剥离环氧胶粘剂，是一种双组分室温固化改性环氧胶粘剂，该胶以曼尼希改性胺为固化剂，在保证柔韧性的同时，提高了固化速度和粘接强度，特别是T剥离强度大于6.3 kN/m，可在-55～80 ℃下长期使用，耐水、耐湿热和耐盐雾性能良好。该胶粘剂的性能符合BMS5-109之Ⅰ型1类规范要求，主要性能如表2所示。可用于复合材料板-板、板芯或贴片粘接，此种修补涉及蜂窝粘接及拼接工艺，并适用于外场临时修补。

表2　J-294与BMS5-109之Ⅰ型1类规范的对比Tab.2　Comparison of J-294 and type I-1 specification of BMS5-109

1.2　蜂窝拼接、破损填充及边缘修饰用低密度填充料

J-291室温固化灌注型低密度阻燃环氧填充料，采用黏度较小的有机硅嵌段共聚物增韧，有效降低了黏度并提高了热老化性能，这是因为曼尼希改性胺固化剂有效地提高了室温固化耐温性能，其耐温为177～190℃；该填充料密度为0.9 g/cm3，流动性良好，符合波音BMS5-28、7型1类规范的要求，主要性能如表3所示。

表3　J-291与BMS5-28，7型1类规范的对比Tab.3　Comparison of J-291 and type 7-1 specification of BMS5-28

该胶适用于蜂窝填充或拼接及紧固件后埋粘接等，可替代发泡胶进行蜂窝拼接，并可与双马胶膜或复合材料共固化。也可用于复合材料和蜂窝结构等部位的嵌逢密封、封边、填充及表面修饰等。

J-293室温固化腻子型低密度阻燃环氧填充料是一种低密度、高压缩强度填充料。该填充料采用高强度、高粘接力和可室温固化的环氧树脂体系，以高强度密度比、质轻和分散性较好的中空玻璃微球作为主要填充体系，通过不同粒径大小的微球组合和空间排布，可以有效降低填充料密度，达到0.45 g/cm3。通过硅烷偶联剂、碱刻蚀等方法对填料表面进行处理，改性后的空心玻璃微球表面引入了与环氧树脂基体相容性较好并参与固化反应的基团，改善了微球与环氧树脂界面之间的相容性，使2者之间形成紧密结合，因而界面粘接强度大大提高，压缩强度达到22.0 MPa；由于体系中引入了特殊有机磷高效无卤阻燃剂，阻燃性能可达E0级；符合波音BMS5-28、28型规范的要求，主要性能如表4所示。可用于破损蜂窝的填充、复合材料的边缘密封以及机舱内的表面修饰等。

表4　J-293与BMS5-28之28型规范的对比Tab.4　Comparison of J-293 and type 28 specification of BMS5-28

2　铝涂层损伤修补

J-296室温固化超高剥离环氧胶粘剂是以核/壳增韧环氧为基体树脂，聚氨酯改性胺为固化剂，配合填料、阻燃剂和促进剂制得的可室温固化的双组分环氧树脂胶粘剂。其剥离强度可达17.1 kN/m，在71 ℃下具有11.1 MPa的剪切强度，并具有良好的阻燃性能；符合波音公司BMS5-92之Ⅴ型1类的规范要求，主要性能如表5所示。其对多种金属和非金属材料具有良好的粘接强度。对喷涂铝可直接进行粘接即可获得良好的粘接强度；并适用于外场临时修补及需要高剪切强度和剥离强度的复合材料制件修理；特别适用于外场表面难以进行精细处理、粗狂条件下的临时修补，可获得较高的粘接强度。

3　小尺寸滑窝或偏孔灌注修补

J-350-1中温固化单组分高性能环氧胶粘剂是一种强度较高、韧性较好的中温固化单组分高性能糊状结构胶。该胶粘剂以曼尼希改性的大分子质量、低活性聚醚胺为固化剂改性剂，结合以丙烯酸酯纳米核/壳离子为增韧剂，采用2者相互作用的双增韧方法提高了体系的韧性；通过优选促进体系，提高了反应活性并保持了较长的使用期，使该胶粘剂在较低的温度和较短的时间下达到较高的剪切强度和剥离强度。25 ℃剪切强度达到43.7 MPa，90°剥离强度达到7.8 kN/m，耐热性能、柔韧性能和耐湿热老化性能优异，主要性能如表6所示。其适用于在复合材料制造过程中的钻孔时，对出现的滑窝或偏孔进行灌注修补，以及各种金属、非金属材料之间的结构性粘接、密封和缝隙填充。

表5　J-296和BMS5-92Ⅴ型1类规范的对比Tab.5　Comparison of J-296 and type Ⅴ-1 specification of BMS5-92

表6　J-350-1的主要性能Tab.6　 Main performances of J-350-1

4　复合材料分层、脱粘修补

复合材料由于成型工艺复杂，以及相对脆弱的层间性能，在成型、加工安装以及运输过程中可能出现分层、脱粘等缺陷。可以采用低黏度修补环氧树脂胶进行复合材料修补，恢复缺陷、损伤件的使用性能。依据使用温度和固化温度选择相应的修补胶，主要性能如表7所示。另外，对于蜂窝夹层结构，蒙皮与蜂窝的开裂，可采用低黏度灌注的方式进行修补。

5　碳布浸渍环氧树脂修补

J-352高粘接强度室温固化干纤维布浸渍用环氧树脂是以低黏度多官能环氧树脂为基体树脂，同时以核/壳粒子和液体橡胶为增韧剂，配合胺类固化剂和促进剂制得的双组分浸渍树脂。J-352具有黏度较低、耐温性较好等特点，适用于多种体系的浸渍与修补。同时对多种材料具有较高的粘接强度，且耐热性能优异，177 ℃剪切强度达到7 MPa，主要性能如表8所示。可用于碳布浸渍修补及紧固件后埋粘接等。