空间光学遥感器反射镜组件中环氧胶的选用

周小华 邢辉 杨居奎



空间光学遥感器反射镜组件中环氧胶的选用

周小华1,2邢辉1,2杨居奎1

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶常用于空间光学遥感器光学件与金属结构件粘接。不同环氧胶对粘接后的反射镜面形差别较大，环氧胶的选择是反射镜组件研制过程中一个重要环节。胶的弹性模量、线胀系数、泊松比和固化收缩率等物理特性参数对粘接后面形影响较大。有些环氧胶的物理特性参数厂家提供不全，一些胶的性能参数测试困难，同时空间光学遥感器需要经历研制过程中各种环境条件考验，胶在经历不同环境条件下物理特性参数测试对比测试相对难度较大。文章针对空间光学遥感器在研制过程中环氧胶将经历的环境试验条件，设计一个考核Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶对面形影响的综合试验，通过固化前后面形的变化，以及热真空试验前后面形的变化的对比结果，优选确定了采用EC2216作为空间光学遥感器反射镜粘接用胶。

环氧胶 粘接 环境试验 变形 航天遥感

0 引言

空间光学遥感器反射镜常用胶与支撑结构进行粘接，胶的选用是反射镜支撑和固定过程中一个非常重要的环节。目前常用的粘接用胶主要有两种，一种是RTV（Room Temperature Vulcanized Silicon Rubber）硅橡胶，弹性模量小，固化后体积收缩应力小，但RTV胶粘接强度较低，通常只有2MPa左右，同时RTV胶线胀系数较大，需要粘接的胶层厚度较厚（一般约0.5mm左右）[1-3]，当环境温度变化时，容易引起反射镜面形的变化。另一种是环氧胶，粘接强度高，弹性模量大，线胀系数小，在空间光学遥感器反射镜的粘接中得到广泛应用[4-6]。

本项目需要粘接的ULE反射镜口径大于1m，反射镜面形对粘接非常敏感。由于粘接强度的要求，RTV胶不能满足使用要求，因此粘接胶选定为环氧胶。环氧胶有美国Summer Optical公司生产的Milbond、3M公司生产的EC2216和国产的SE-14-80。Milbond是NASA为满足空间光学遥感器粘接需要开发的一种环氧胶，这种胶满足MIL-A-48611规定的质损和可凝挥发物要求。文献[7]对Milbond这种胶进行了试验测试，证明这种胶的优异性能。EC2216是3M公司生产的一种高性能环氧胶，文献[8]对这种胶进行工艺改性研究，获得了很好的效果。SE-14-80是国内在遥感器中使用的最广泛的一种环氧胶，文献[9]采用这种胶粘接指向镜，证明这种胶具有极高的稳定性。

胶的弹性模量、线胀系数、泊松比和固化收缩率等物理特性参数对粘接后反射镜面形影响较大[10-21]。目前对胶的选用方法，大多是基于对胶自身性能的直接测量[22]，但基于对胶在经历空间环境后对粘接面形的影响的测试和研究较少。

为了确定反射镜粘接用最佳环氧胶，本文介绍了Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶对反射镜面形变化的影响试验，通过试验确定了反射镜粘接用的最佳环氧胶。

1 试验设计及选用判据

空间光学遥感器中环氧胶的粘接强度、线胀系数、弹性模量和泊松比可以通过测试获得数据，但测试数据受胶试件制作工艺影响，离散性较大。胶的固化收缩率和胶的性能参数稳定性目前测试难度较大。空间光学遥感器反射镜在粘接环氧胶后，需要经过真空出气以及真空镀膜下的温度变化（统称为热真空）实验，以消除在镀膜和在轨真空环境的影响。在这个过程中，胶对反射镜的面形影响机理十分复杂，是胶的各种物理化学特性综合作用的结果，难以通过试验将某一物理特性参数的影响从中剥离出来。本文不采用对胶性能参数进行测试的方式直接判断胶的性能，而是根据反射镜在研制过程中所要经受的环境条件，在同等条件下对比不同胶粘接对反射镜面形的影响，判断胶的性能优劣。

1.1 试件设计

试验试片由ULE试件和殷钢衬套组成，如图1和图2所示，ULE试件为直径70mm、厚度为30mm，ULE的线胀系数为0.05×10–6/℃。试件表面抛光，为了提高反射镜对胶粘接后面形变化的敏感度，镜面的面形精度RMS要求优于0.014光波波长；在试件中部贯穿一个直径为20mm的粘接孔，内部孔的圆柱度为0.02mm，表面粗糙度与真实反射镜粘接表面一致。在ULE试件中间粘接一个长度为60mm的圆柱殷钢衬套，外径19.6mm，内径14mm，外圆的圆柱度为0.005mm。衬套长度方向中间位置圆周均布4个直径为3mm的注胶孔，通过注胶孔和观测标记，控制胶斑直径为10mm，参考三种胶厂家给出的说明书的最佳粘接厚度，选择胶层的厚度为0.2mm。胶斑的厚度通过等厚的塞尺进行控制，实测ULE试片中心孔直径和殷钢衬套圆柱面直径并进行选配。考虑圆柱度误差，胶层的厚度最大的偏差可能小于等于0.05mm。胶斑直径大小可以控制在±0.5mm以内。通过转动殷钢衬套使之与ULE试件上刻线标记对齐，保证殷钢衬套与ULE试件的相对位置，确保胶斑相对镜面的位置相同。实测衬套的线胀系数为0.03×10–6/℃，与ULE线胀系数几乎一致。三种采用的ULE试件材料和衬套材料均为同一批次的材料，针对每一种胶设计了3个试件，以检验胶测试数据的重复性和离散性，Milbond试件编号为1#、2#和3#，EC2216试件编号为4#、5#和6#，SE-14-80试件编号为7#、8#和9#。粘接前用酒精对ULE和衬套粘接表面各进行3次清洁。注胶后测试试片如图3所示，图3试片中间的圆斑为胶斑，三种胶的胶斑颜色各不相同（Milbond为红色，EC2216为灰色，SE-14-80为无色透明）。

图1 ULE玻璃试件

图2 殷钢衬套

图3 胶试验件

1.2 试验流程

试验的流程如图4所示，先测试各个试片的面形、然后进行注胶固化。根据三种胶的使用说明书，在室温下，三种胶的固化时间均超过7天，在室温下固化后，连续一周检测试件面形的变化，确定试件的面形稳定后，进行真空下热循环；真空下热循环后稳定一天，再次进行面形测试，检测热真空前后面形的稳定性；在常温常压下放置一段时间，检测热真空试验后的面形稳定性。

图4 胶的试验流程

1.3 试验条件

（1）注胶、测试及固化环境条件

环氧胶在固化过程中，固化温度越高，胶层中固化的应力越大[23]，试验过程中的注胶、测试和固化的环境条件均为试验室温湿度环境条件，温湿度环境条件如下：

温度：20℃±2℃；

湿度：30%～50%。

（2）热真空试验条件

热真空试验条件是参考主镜组件的出气试验条件以及反射镜在镀膜时的温度和气压环境。试验的条件如图5所示，最低气压为6×10-4Pa，最高循环温度为60℃，并进行3个循环。

图5 热真空环境条件

1.4 试验测试系统

热真空试验采用北京空间机电研究所专用的热真空试验设备KM-5，该试验设备可实现内部真空度1×10–4Pa。可通过红外笼对试片进行加热，ULE试片中心孔位置附近粘接温度传感器，通过温度传感器控制热真空试验过程中温度的变化。试验前后均直接采用zygo干涉仪进行面形测试，面形测试的重复精度优于0.001λ，其中，λ为光波波长632nm。

2 试验结果及分析

图6～图8是其中1个试片在试验前测试、固化后7天测试和热真空及循环试验后反射镜面形图，胶固化后，由于胶层固化收缩，反射镜镜面与胶粘接对应位置镜面出现凹坑。3种胶在不同固化时间测试镜面的RMS值如表1所示。

图6 试验前测试面形

图7 固化后测试面形

图8 热真空试验后测试面形

表1 面形精度测试数据（RMS）

Tab.1 Surface figure of test Specimen (RMS)

经过粘胶固化，热真空试验并稳定后，最终总面形变化的平均值如表2所示。

表2 总面形精度变化对比

Tab.2 Total surface figure change λ

EC2216引起的总面形精度变化最小约为0.1λ，Milbond和SE-14-80相对较大，是EC2216的两倍，约为0.2λ。

造成同一种胶3个试片测试数据的差异因素非常多，主要有两大类：一类是由于试件制作的差别，另一类是由于仪器设备测试误差引起。仪器测试误差引起的误差包括仪器本身的误差和测试环境条件引入的误差。这部分误差应占总误差百分比很小，由于试件制作差别引入的误差是主要原因，主要有ULE试件粘接面粗糙度差别[24]、粘接胶层厚度的差别、胶斑面积的差别以及试件材料的差异等因素引起，通过表2中3个试片测试数据的标准差可知，胶的测试数据总体离散性较小，测试数据可信度较高，对试片的制作工艺控制是有效的。

2.1 胶固化时间分析

胶的固化时间是胶粘接工艺中一个重要的参数，一般固化温度越高，固化时间越短，为减低粘接固化应力，空间光学遥感器中一般采用常温常压固化。根据3种胶说明书，3种胶在20℃固化时固化时间约为7天。通过观察试件面形的变化规律，可以判断胶的完全固化时间。测试了固化16天以内ULE试件的面形变化趋势如图9所示。

图9 注胶后面形随时间变化趋势

从图9可以看出，3种胶在室温固化时，面形在9天左右趋于稳定，说明胶完全固化稳定的时间约为9天左右。

2.2 固化后胶的面形对比分析

3种胶16天固化后，试片面形变化对比如表3所示。

表3 16天固化面形变化对比

Tab.3 Surface figure change in after bonding 16 days λ

可以看出，Milbond固化后数据离散性较小，SE-14-80与EC2216两种胶的数据离散性相对较大，主要原因是由于这两种胶黏度较低，流动性较好，胶的粘接形状控制没有Milbond一致性控制好。Milbond粘接后平均面形变化最小约为0.029λ，SE-14-80与EC2216的面形平均变化较大，约为0.085λ。说明Milbond固化体积收缩率小，与反射镜粘接应力也较小。

2.3 热真空前后稳定性分析

热真空稳定性是指粘胶后的ULE试验片在热真空前后面形的变化。热真空前后试件面形变化如表4所示。

表4 热控真空试验前后面形精度的变化

热真空试验后，反射镜面形的变化最大的是Milbond，平均值约为0.187λ，SE-14-80变化也相对较大，平均值约0.129λ。变化最小的是EC2216，平均值约为0.018λ。

2.4 常温常压下稳定性分析

由于环氧胶为高分子材料，在空气中高分子材料会吸收空气中的水分子，在真空下释放后，体积收缩。反射镜组件粘接完成后，一般要在真空下进行出气处理。常温常压下稳定性分析是指胶经过真空出气后放置一段时间，胶的变化引起反射镜面形的变化，即热真空试验后稳定1天至5天面形的变化。如表5所示，从表1中可以看出，虽然Milbond试件面形品质在逐渐变好，但当遥感器再次入轨后，水汽再次释放，反射镜面形会再次变差。EC2216和SE-14-80几乎没有变化，稳定性最好。

表5 常温常压下稳定性分析

Tab.5 Stability of surface figure in normal temperature and pressure λ

3 胶选用分析

一般空间光学遥感器反射镜中粘胶后需要进行热真空试验，再进行镀膜，热真空试验后反射镜面形超差时，还可以对反射镜面形进行再次加工。因此对反射镜中粘接用胶的要求如下：1）粘接固化和热真空前后反射镜面形变化尽量小；2）胶经过热真空试验后，反射镜的面形的稳定性要好。

试验结果表明：EC2216性能相对最优。Milbond胶虽然固化前后面形变化最小，但这种胶热真空前后面形变化大，且胶常温常压下稳定性较差；SE-14-80胶固化前后面形变化较大，热真空试验前后面形变化很小，常温常压下稳定性也较好。EC2216固化前后面形相对较大，但经过热真空试验后总的面形变化最小，且常温常压下稳定性很好。从稳定性和试片最终的面形角度考虑，选择EC2216作为ULE反射镜组件中的粘接用胶。

4 结束语

本文设计了Milbond、EC2216和SE-14-80三种环氧胶在同等条件下对ULE反射镜的面形影响对比试验，从固化前后对面形影响、热真空前后和常温常压下胶的稳定性等方面对比了胶的性能，确定了EC2216是3种胶中性能最优的一种胶。相对于直接测量胶的各种性能参数，这种筛选方法工作量相对较少，费用较低，同时试验数据更直接。所获取的大量数据，可为环氧胶的选择提供参考。

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Epoxy Selection for Reflect Mirror Assembly in Space Remote Sensor

ZHOU Xiaohua1,2XING Hui1,2YANG Jukui1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

Milbond，EC2216 and SE-14-80 are three common optical adhesives to bond glass and metal structure in space optical remote sensor. As these adhesives have different and important impact on the surface figure, it is very important to select a proper epoxy during the detailed mirror design. Physical characteristic Parameters such as Young modulus, coefficient of thermal expansion, Possion ratio and curing shrinkage are critical to define the surface figure after bonding. For some Epoxies, not all the parameters can be available from the producer and it is also difficult to get the parameters by testing in environment the remote sensor will experiment during manufacture.Therefore, a comparative experiment is carried out for these three optical adhesives under the environment conditions that the mirror assembly will experience during development on ground and operation in orbit. At last, EC2216 is selected as the best candidate to bond the ULE mirror and invar ring by comparing the RMS change of the mirror surface figure during testing.

epoxy; bonding; environment test; deformation; remote sensing

V1

A

1009-8518(2019)03-0065-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.03.009

周小华，男，1979年生，2003年获哈尔滨工业大学机械电子专业硕士学位，高级工程师。现从事空间光学遥感器设计工作。E-mail：zxh_2102@126.com。

2019-04-26

（编辑：庞冰）