一种高性能天线结构胶的研究

宁保江

（中国电子科技集团公司第三十九研究所，陕西 西安 710065）

结构粘接在天线制造领域有着广泛和重要的应用。结构粘接技术不仅可以大幅提高天线的精度和刚性，同时使天线结构轻量化和智能化。在机载天线﹑星载天线和共形天线（conformal antenna）等先进复合材料天线成型技术领域，结构胶有着重要的技术应用[1，2]。先进复合材料制造的天线中需要较高强度﹑较佳韧性和较好耐热性的中﹑高温成型工艺的结构胶。普通环氧结构胶在强度﹑韧性和耐热性方面不能满足其要求。20世纪80年代曾出现用耐热性的热塑性树脂增韧热固性树脂，其中，聚醚酰亚胺（PEI）具有优异的韧性、良好的力学性能和耐热性。PEI增韧环氧树脂固化体系，其与环氧树脂具有良好的化学亲和力，可改善固化物断裂韧性，同时不会降低原固化物的弹性模量﹑拉伸性能和耐热性[3～11]。针对提高天线用先进复合材料结构胶的粘接性能﹑韧性和耐热性之要求，本研究研制出了一款高性能PEI增韧环氧结构胶，并对其增韧机理做了一些研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

环氧树脂（Jeh022），佳发化学公司；固化剂，自制；聚醚酰亚胺（PEI），美国GE公司；底胶，自制；磷酸、二氯甲烷，分析纯，西安化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

CMT5105型电子万能试验机，深圳新三思材料检测有限公司；2910型差示扫描量热分析仪（DSC），美国TA公司；A650型热分析仪（TG），美国PE公司。

1.3 实验制备

1.3.1 粘接试件表面处理

铝合金试片粘接前需进行磷酸化学氧化处理，然后将底胶涂在处理过的粘接试片上，室温固化1 d。

1.3.2 胶粘剂配制及试件粘接工艺

用二氯甲烷溶解PEI粉末，溶解7 d，抽真空除去多余的二氯甲烷；将Jeh022﹑固化剂和PEI按比例混合均匀，涂在试片上，160℃固化2 h。

1.4 性能测试

（1）拉伸剪切强度：按照GB/T 7124—1986《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法（金属对金属）》标准，采用电子万能试验机进行测试。

（2）剥离强度：按照GB/T 2791—1995《胶粘剂T剥离强度试验方法挠性材料对挠性材料》标准，采用电子万能试验机进行测试。

（3）热性能：采用差示扫描量热分析仪（DSC）进行测试。

（4）热稳定性：采用热分析仪（TG）进行测试。

2 结果与讨论

2.1 PEI对Jeh022固化体系示差扫描量热曲线（DSC）的影响

图1为无PEI固化体系的DSC曲线（A）和纯胶中加入20 g（相对于100 g纯胶中的加入量，下同）PEI的DSC曲线（B）比较。由图1可知：加入PEI固化体系的DSC曲线向略高温方向移动，峰顶温度由225 ℃移到237 ℃。DSC曲线说明，PEI对结构胶固化无明显影响。

2.2 PEI用量对胶粘剂拉伸剪切强度的影响

PEI增韧Jeh022固化体系不会显著降低Jeh022固化物的弹性模量﹑拉伸强度和玻璃化转变温度（Tg） 。本研究分别采用10 g、20 g和30 g的PEI增韧Jeh022结构胶，测试了不同温度下的拉伸剪切强度，结果如表1所示。由表1可知：加入PEI后，胶粘剂室温拉伸剪切强度得以提高，PEI加入30 g的拉伸剪切强度最高时为45.1 MPa。拉伸剪切强度的提高主要是相结构变化引起的。低用量PEI在结构胶中为分散相结构，高用量PEI则形成双连续相和相反转结构。PEI在环氧固化体系形成连续相，有利于结构胶力学性能的大幅提高，特别是断裂韧性。PEI有较高的Tg（ 为249℃），PEI连续相不仅有助于提高结构胶韧性，而且也提高了结构胶的耐热性，改善了结构胶的热老化性能。

图1 PEI增韧对固化体系DSC的影响Fig.1 Effect of PEI toughening on DSC behavior of curing system

表1 不同PEI用量对结构胶拉伸剪切强度的影响Tab.1 Effect of PEI amount on tensile shear strength of structural adhesive

PEI增韧Jeh022体系结构与“海岛”结构及互穿网络结构都不同。这是以韧性聚合物为连续包覆固化Jeh022球粒分散相形成“网膜-球粒”的相反转结构。Cardwell提出热塑性粒子架桥模式，即热塑性粒子作为不可穿透的障碍，使产生裂纹向外弯曲，消耗额外的能量；热塑性粒子的存在降低了裂纹端部的应力强度，其次裂纹位移增加时，粒子冷拉，使热塑性树脂相的塑形变形和应变变硬，把应力集中从裂纹端部移动到更大的区域，从而使增韧更加有效。

2.3 PEI用量对结构胶剥离强度的影响

一般情况下，热塑性树脂增韧热固性树脂，随着热塑性树脂相对分子质量和用量的增加，材料的韧性提高[3]。由表2可知：随着PEI用量的增加，结构胶的剥离强度也在不断提高。这也是由于PEI在结构胶中形成了双连续相和相反转结构，使剥离强度有较大幅度地提高。

表2 PEI用量对剥离强度的影响Tab.2 Effect of PEI amount on peeling strength

2.4 PEI对结构胶Tg的 影响

采用DSC测试了无PEI增韧（A）和20 g PEI增韧（B）的固化体系之Tg，如图2所示。由图2可知：无PEI增韧固化体系（A）的Tg=183.2 ℃，加入20 g PEI增韧固化体系（B）的Tg=197.5 ℃，由于PEI的Tg=249 ℃，PEI的加入使得Jeh022固化体系的耐热等级提高。

2.5 PEI对结构胶热稳定性的影响

测 试 比 较 了 无 PEI（A）和 20 g PEI（B）的TG曲线，结果如图3所示。由图3可知：相对最快的热失重在403 ℃和402 ℃之间。对于曲线B而言，在第2区域有较大的失重量，这是由于PEI脱胺所致。由于PEI有较高的耐热性，并且在脱胺缩合时可能发生交联，从而提高了其热分解稳定性，所以失重量和失重率都比纯胶小。

图2 无PEI固化物（A）与20 g PEI固化物（B）的DSC曲线比较Fig.2 Comparison of DSC curves of cured products without PEI（A） and with 20 g PEI（B）

图3 纯胶与20 g PEI固化物的热重（TG）曲线Fig.3 TG curves of cured products without PEI and with 20 g PEI

3 结论

（1）PEI用量对结构胶的相结构影响较大，PEI和Jeh022双连续相结构和PEI相反转结构的拉剪强度大于PEI相分散结构，PEI作为连续相，有利于粘接性能的大幅提高。只有PEI的质量分数达到20份以上时才能将PEI分散相转变为双连续相以及相反转结构。

（2）采用底胶进行预先处理表面，可以显著提高粘接性能。该结构胶对天线铝合金材料具有优异的粘接性能。结构胶纯胶粘接铝合金的拉伸剪切强度为39 MPa。采用PEI增韧拉剪强度都在40 MPa以上。加入30 g的PEI拉剪强度为45 MPa，200 ℃时的拉剪强度仍为15 MPa。随着PEI用量的增加，结构胶剥离强度也不断提高，加入30 g的PEI室温剥离强度提高了2.6倍。PEI增韧可以显著提高结构胶的拉剪强度和韧性。

（3） 加 入20 g的PEI增 韧 结 构 胶 之Tg为197 ℃，PEI增韧提高了结构胶的热分解稳定性，热失重量和失重率都比纯胶小。PEI在20 g和30 g时形成了PEI连续相，大幅提高了结构胶的力学性能，尤其是断裂韧性。PEI增韧不降低结构胶的耐高温性能，是一种天线用先进复合材料结构胶的理想增韧剂。