耐150℃太阳翼基板结构胶黏剂性能研究

李皓鹏 赵贺一 殷永霞 邱泉水 孙东华

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）

（2 北京工业大学材料与制造学部，北京 100124）

0 引言

深空探测是除卫星应用、载人航天外人类航天活动的又一重大领域［1］，随着“绕、落、回”探月工程三期任务的顺利完成，“天问一号”探测器在火星表面的成功着陆，国家拉开了开展深空探测活动的序幕，然而愈加恶劣的空间环境是航天器尤其是空间电源系统面临的最大挑战［2］。

太阳翼基板是航天器电源系统主要结构，起承载太阳能电池片作用，其中刚性基板是应用最为广泛的结构形式，根据安装模式和应用方式又分为展开式基板和体装式基板两种，前者多为碳纤维网格面板∕铝蜂窝夹层结构，后者多为碳纤维复合材料面板∕铝蜂窝夹层结构［3］。太阳翼基板结构在轨的稳定性直接影响太阳电池片的功能发挥。太阳翼在装星发射、在轨展开和锁定、姿态与轨道调整、再入着陆过程中均会受到载荷作用，同时空间环境的高温、空间辐照等影响均可能引起胶黏剂材料的特性变化，在载荷和内应力共同作用下，导致太阳翼基板出现板-芯脱粘等情况，进而产生面板凸起、鼓包等问题，造成电池片的鼓起、弯折甚至碎裂，影响航天器电源系统的在轨寿命［4-5］。因此结构胶黏剂材料尤其太阳翼基板板-芯胶黏剂的耐高温等空间环境的性能至关重要。

目前太阳翼基板常用板-芯结构胶黏剂以J-47、J-154、Redux312 等中温固化环氧结构胶膜为主，其应用温度均在120 ℃以下，针对120 ℃以上满足空间环境应用的基板板-芯胶黏剂的研究国内外均少有报道。本文介绍一种中温固化改性环氧树脂板-芯结构胶黏剂J-159 并研究其力学性能、真空挥发性能、耐带电粒子辐照性能以及典型件耐热真空循环性能。

1 实验

1.1 原材料

J-159、J-47 系列结构胶黏剂，黑龙江省科学院石油化工研究院；铝蜂窝芯材，西安雅西复合材料有限公司；F46环氧树脂，上海树脂厂有限公司；高模量碳纤维，日本东丽；聚酰亚胺薄膜，美国杜邦。

1.2 试样制备

1.2.1 拉伸剪切试件制备

拉伸剪切性能试件采用铝-铝粘接形式，单个铝合金试片尺寸为70 mm×20 mm×3 mm，胶接前经磷酸阳极化处理，片与片搭接长度为（15±0.5）mm。

1.2.2 夹层结构90°剥离试件制备

夹层结构90°剥离性能试件采用铝面板∕铝蜂窝夹层结构，试件规格为260 mm×20 mm，铝面板厚度分别为0.3 和3 mm，蜂窝规格为0.05 mm×3 mm，铝面板胶接前经磷酸阳极化处理。

1.2.3 夹层结构弯曲试件制备

夹层结构的弯曲性能试件采用碳纤维复合材料面板∕铝蜂窝夹层结构形式，试件规格为280 mm×30 mm，高10 mm，面板材料为高模量碳纤维∕环氧树脂复合材料，铺层角度［0°∕+45°∕-45°∕90°］，上下面板对称铺层，厚度0.32 mm，蜂窝规格为0.05 mm×3 mm，蜂窝L向沿长边方向。

1.2.4 基板典型样件的制备

采用J-159板-芯结构胶黏剂制备碳纤维网格面板∕铝蜂窝夹层结构样件和碳纤维复合材料面板∕铝蜂窝夹层结构样件两种，规格为600 mm×800 mm，高度为15 mm；铝蜂窝规格0.03 mm×5 mm；碳纤维网格面板和碳纤维复合材料面板均采用高模量碳纤维∕环氧树脂复合材料，同时粘接0.05 mm 的聚酰亚胺薄膜，前者为3 mm×3 mm 网格结构，采用缠绕工艺制备，后者直接手工铺层，铺层角度［0°∕+45°∕-45°∕90°］，上下面板对称铺层，厚度0.32 mm，均采用热压罐固化成型。

1.3 性能测试

1.3.1 拉伸剪切性能

与J-47 胶黏剂做性能对照，测试未经历热循环和经历热循环两种状态在不同温度下的拉伸剪切性能。前者设置室温、100、130、150℃的温度条件，后者设置室温和150℃两种温度条件，均按照GB∕T7124—2008《胶黏剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》和GJB 444—1988《胶黏剂高温拉伸剪切强度试验方法（金属对金属）》进行胶黏剂室温和高温条件下拉伸剪切性能测试，其中高温测试在试件到达指定温度保温20 min后进行。

1.3.2 夹层结构90°剥离性能

与J-47 胶黏剂做性能对照，测试蜂窝夹层结构在不同温度下的90°剥离性能。设置室温、100、130、150℃的温度条件，按照GJB 130.8—1986《胶接铝蜂窝夹层结构90°剥离试验方法》进行测试，其中高温测试在试件到达指定温度保温20 min后进行。

1.3.3 夹层结构弯曲性能

与J-47 胶黏剂做性能对照，测试在不同温度下的弯曲性能。设置室温、100、120、130、140、150℃的温度条件，按照GB∕T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》进行测试，其中外伸梁三点跨距120 mm，外伸长度60 mm，高温测试在试件到达指定温度保温20 min后进行。

1.3.4 真空挥发性能

按照QJ 1558B—2016《真空条件下材料挥发性能测试方法》对J-159胶黏剂真空条件下材料总质量损失和可凝挥发物进行测试。样品测试前置于（23±2）℃，相对湿度45%～55%的恒温恒湿箱中保持24 h，测试时样品受热温度为（125±1）℃，收集板温度（25±1）℃，真空度优于7 mPa，测试时间为24 h。

1.3.5 耐带电粒子辐照性能

辐照源为60Co γ 源，辐照总剂量1.36×106rad（Si）。按照GB∕T7124—2008、GJB 444—1988 和GJB 130.8—1986 分别对J-159 辐照前、后在室温和150℃条件下拉伸剪切性能和夹层结构90°剥离性能进行测试，高温测试在试件到达指定温度保温20 min后进行。

1.3.6 热真空循环试验

试验环境压力小于6.65 mPa；试验温度范围为-105～+150℃；升降温平均温度变化速率大于10 ℃∕min；高温停留1.5 h，低温停留1.0 h，循环次数12.5次。

2 结果与讨论

2.1 J-159胶黏剂拉伸剪切性能

J-159 和J-47 在未经历热循环和经历热循环两种状态下不同温度下的胶黏剂拉伸剪切测试结果见表1。由结果分析可知，J-159 和J-47 热真空循环试验后与试验前相比，相同测试温度下胶黏剂的拉伸剪切性能不下降，表明两种结构胶黏剂均具有优异的耐热真空循环特性。J-159 的拉伸剪切性能在室温至150℃内随温度变化较小，在150℃下的拉伸剪切强度相对室温性能保持率约为89%，而J-47 随温度升高性能衰减较为明显，在150℃下的拉伸剪切强度相对室温性能保持率仅约为22%。

表1 J-159和J-47胶黏剂拉伸剪切性能Tab.1 Tensile lap-shear strength of J-159 and J-47

2.2 J-159胶黏剂夹层结构90°剥离性能

J-159和J-47在不同温度下的夹层结构90°剥离性能测试结果见表2。由结果分析可知，在100 ℃时，J-159胶黏剂夹层结构90°剥离强度与J-47相当；在100 ℃之后J-159 胶黏剂性能优势凸显，随温度的升高性能衰减明显低于J-47，在150℃条件下J-159胶黏剂的夹层结构90°剥离强度相对于室温保持率约为58%，而J-47 在150℃条件下夹层结构90°剥离强度相对于室温保持率不足10%，表明J-159胶黏剂具有更好的耐高温性能。

表2 J-159和J-47胶黏剂90°蜂窝剥离性能Tab.2 90°peel strength of honey-comb-sandwich structure of J-159 and J-47

2.3 J-159胶黏剂夹层结构弯曲性能

J-159 和J-47 在不同温度下的夹层结构弯曲强度测试结果见表3和图1。

图1 不同温度下的夹层结构弯曲强度Fig.1 Bending strength of sandwich structure at different temperatures

表3 J-159和J-47胶黏剂夹层结构弯曲性能Tab.3 Flexural property of sandwich constructions of J-159 and J-47

由结果分析可知，采用J-159 和J-47 胶黏剂的夹层结构在室温和100 ℃条件下弯曲性能相当。采用J-47 胶黏剂的夹层结构弯曲性能在100 ℃之后就开始明显衰减，到150℃时弯曲强度40 MPa，相对于室温性能保持率约为16%；而采用J-159胶黏剂的夹层结构弯曲性能在130 ℃之后才开始明显衰减，到150℃时弯曲强度为145 MPa，相对于室温性能保持率约为56%。夹层结构弯曲性能的快速衰减是由于胶黏剂材料特性发生变化造成的，J-159 胶黏剂转变点在130 ℃之后，J-47 胶黏剂转变点在100 ℃之后，这与胶黏剂材料本身的玻璃化转变温度有关。

2.4 J-159胶黏剂真空挥发性能

J-159 胶黏剂在真空环境下总质量损失（TML）为0.606%，可凝挥发物（CVCM）为0.022%，其真空挥发性能满足航天器对非金属材料的指标要求，具体测试结果和指标见表4。

表4 J-159胶黏剂真空条件下挥发性能Tab.4 Outgassing performance of J-159 in vaccum

2.5 J-159胶黏剂耐带电粒子辐照性能

J-159 胶黏剂辐照前、后的拉伸剪切性能和夹层结构90°剥离性能测试结果见表5。

表5 J-159胶黏剂耐带电粒子辐照性能Tab.5 Anti-charged particle radiation performance of J-159

由结果分析可知，在经过带电粒子辐照后，J-159 胶黏剂在室温条件下的拉伸剪切性能保持率为106%，夹层结构90°剥离性能保持率为98%，这说明J-159 胶黏剂分子链间结合力较强，在带电粒子作用下化学键断裂情况和内部缺陷产生较少，具备一定抵抗辐照的能力，可以维持材料本身宏观力学性能。

2.6 基板典型件耐热真空循环性能

图2 为热真空循环试验后基板典型件状态。由结果可知，两者的贴膜面均未发现气泡、褶皱、凸起等表观缺陷，同时采用无损探伤对面板与蜂窝胶接质量进行检测，也均未发现脱粘现象，这表明J-159板-芯胶黏剂的力学性能和工艺性经受住了150℃高温真空循环试验。此外，检测聚酰亚胺薄膜与基板之间绝缘电阻，均大于10 MΩ；采用刀口尺及塞尺对基板平面度检测，均小于0.1 mm∕100 mm×100 mm，这说明采用J-159板-芯胶黏剂的碳纤维网格面板基板和碳纤维复合材料面板基板典型件的各项指标均满足150℃太阳翼基板的应用要求。

图2 热真空循环试验后的基板状态Fig.2 The state of the substrates after the thermal vaccum cycle test

3 结论

（1）J-159 胶黏剂在150℃下的拉伸剪切强度相对于室温性能保持率约为89%，夹层结构90°剥离强度保持率约为58%，夹层结构的弯曲强度保持率约为56%，均远高于J-47胶黏剂。

（2）J-159 胶黏剂的真空总质量损失为0.606%，可凝挥发物为0.022%；经历1.36×106rad（Si）剂量辐照后拉伸剪切性能和夹层结构90°剥离性能保持率均大于98%，满足航天器对非金属材料真空挥发性能和耐带电粒子辐照性能的要求。

（3）采用J-159胶黏剂制备的两种刚性基板典型件均经受住150℃的高温真空循环试验，外观质量、胶接质量及电绝缘、平面度均满足基板产品的应用指标要求，能够满足太阳翼基板耐150℃及以下空间环境的使用需求。