陶瓷透波材料的特性及粘接强度影响研究

王响　张庆利　王艳艳　王洪升　唐建新

摘 要：陶瓷透波材料除了具备无机材料的表面特性外，还具有满足介电性能的材料密度和孔隙率。陶瓷透波材料特点决定了材料粘接需要进行测试和分析。进行了陶瓷透波材料的粘接试验，从陶瓷透波材料方面分析了影响粘接强度的因素，进行了石英陶瓷（QC）、石英纤维复合陶瓷材料（QFC）、氮化硅陶瓷（SNC）的粘接强度试验，分析了陶瓷透波材料结构、强度、表面粗糙度和表面孔隙对粘接强度的影响。结果表明：硅橡胶胶粘剂对几种陶瓷材料的粘接强度差别在5%～10%，而环氧树脂胶粘剂的粘接强度大于陶瓷透波材料的强度，出现被粘物破坏情况。

关键词：粘接试验；陶瓷透波材料；胶粘剂

中图分类号：TQ433.4 文獻标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0007-03

Characteristics and adhesive strength study of wave permeable materials for ceramic antenna hoods

WANG Xiang1，ZHANG Qingli2，WANG Yanyan1，WANG Hongsheng1，TANG Jianxin1

（1.Shandong Industrial Ceramic Research and Design Institute Co.，Ltd.，Zibo 255000，Shandong China；2.Engineer Military Representative Office of PLA Air Force Equipment Department in Jinan Region，Jinan 250023，China）

Abstract：In addition to the surface properties of inorganic materials，ceramic permeable materials also possess the density and porosity of dielectric materials. The characteristics of ceramic permeable materials determine the need for testing and analysis of material bonding.Adhesive testing of ceramic permeable materials was conducted，and the factors affecting the adhesive strength of the permeable material were analyzed.Mainly，adhesive strength tests of quartz ceramic （QC），quartz fiber ceramic （QFC），and silicon nitride ceramic （SNC） were performed to analyze the influence of the structure，strength，surface roughness，and surface pores of ceramic materials on the adhesive strength.Results show that the adhesive strength difference of silicone rubber adhesive for ceramic materials is between 5%-10%;however，the adhesive bond strength of epoxy resin is greater than that of ceramic material，when the matrix failure occurs.

Key words：adhesive testing;ceramic permeable materials;adhesive

针对某bipod柔性支撑式次镜组件，分析了胶缩对面形的影响，并针对真空放气试验后的面形下降问题，采用消应力与热浸泡相结合的方式有效解决了面形下降的问题［1］。研究了某型航空发动机外涵机匣复合材料损伤深度为0.5 mm的粘接修复典型试验件在不同温度下的热振综合性能，综合考核了温度、振动、受力方向等参数对复合材料粘接修补件的影响［2］；进行了发动机多层橡胶粘接结构超声波图像缺陷识别的研究［3］；为提升直升机桨叶包片粘接质量，开展激光毛化技术在不同材料包片粘接前表面处理工艺中的有效性研究［4］。采用不同的粘接体系对自粘树脂水泥胶结的纤维增强复合树脂桩进行粘接强度评价［5］；采用3D打印托盘对瓷贴面进行可预测的三维导向粘接［6］；采用强脉冲光表面处理改善铝与碳纤维增强复合材料（ CFRP ）的粘接性能［7］。

研究主要采用几种常用的陶瓷透波材料，以陶瓷组件的装配为应用背景，进行了石英陶瓷（QC）、石英纤维陶瓷材料（QFC）、氮化硅陶瓷材料（SNC）的粘接强度研究，从陶瓷透波材料方面分析了影响粘接强度的因素。

1 试验方案

本研究以压缩剪切强度（以下简称压剪强度）为主要指标测试粘接件的粘接强度，将粘接破坏载荷在粘接面上的分布视为均匀分布，采用单位面积上的载荷作为压剪强度，计算公式：

式中：δ为压剪强度，MPa；F为破坏载荷，N；S为粘接面积，mm2；L为粘接宽度，mm；H为粘接高度，mm。

将陶瓷透波材料和的金属连接件（铟钢材料）加工成试样，制备单搭接接头样件，尺寸如图1所示。

在研究的试验中，陶瓷透波材料采用乙酸乙酯表面除油；金属材料采用喷砂粗化处理。粘接件胶层厚度为0.2～0.3 mm。

主要试验材料和设备为：J-1硅橡胶胶粘剂和J-2环氧树脂胶粘剂，黑龙江省科学院石油化工研究所；电子拉力试验机，济南联工；表面粗糙度仪，时代TR150；AE200电子天平，美国Mettler。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

试验中采用金属-金属粘接试样作为对照组，试样结果如图2所示。

从图2可以看出，J-1硅橡胶胶粘剂对于3种陶瓷材料的粘接强度大小有着0.5～1.0 MPa的差异，压剪强度大小依次为SNC、QC、QFC。QC和QFC此2种陶瓷试块压剪破坏界面为界面破坏。SNC粘接陶瓷材料的压剪强度与对金属粘接强度基本一致，界面破坏均为胶层内聚性破坏。J-2环氧树脂胶粘剂对3种陶瓷透波材料的压剪强度处于11～14 MPa，约为金属-金属粘接强度的50%。

2.2 影响因素分析

2.2.1 表面微观结构的影响

QC材料和SNC材料均為颗粒堆积结构，具有一定的孔隙率，孔隙率的大小与原材料粉体颗粒大小、成型工艺和烧结温度等因素有关。QFC材料也会在复合工艺过程中产生一定的气孔率。材料孔隙率分为显气孔率和闭气孔率，对于粘接过程而言，显气孔率对胶体与陶瓷表面界面产生明显影响。试验中的QC、QFC和SNC材料的显气孔率如表1所示。

对于粘接面的孔隙，如果胶体能够在孔内表面充分浸润接触，形成“铆钉”结构物理连接，则有利于提高粘接强度；如果胶体无法对孔隙充分浸润填充，则会产生结构缺陷，不仅造成实际粘接面积的减少，还会产生应力集中现象，降低粘接强度，如图3所示。

将粘接破坏后的QC和SNC试块切开，对陶瓷透波材料的剖面进行观察，发现胶体会在陶瓷透波材料表面形成一定深度的渗透层。粘接件的界面结构形成金属件-胶层-渗透层-陶瓷材料的界面结构，具体如图4所示。

材料显气孔率差异会导致胶粘剂在陶瓷表面的渗透深度形成明显差异。气孔率更高的材料，表面胶层渗透深度明显更大，SNC表面渗透深度约为0.2 mm，QC表面渗透深度为0.1 mm，如图5所示。SNC材料与QC材料胶体渗透深度与显气孔率表现出明显的相关性。

由于QFC材料具有纤维与陶瓷材料复合的结构，在表面容易出现纤维与陶瓷基体2种不同的界面结构，造成粘接的不均匀性。QC与SNC等均质材料相比，纤维的空间结构使复合材料的界面结构具有先天性的不均匀度，是石英纤维复合材料试样粘接强度较低的原因。

QFC材料表面形貌如图6所示。

从图6可以看出，QFC材料表面显现出纤维交织的结构，表面微观结构的形貌差异很大。

2.2.2 表面粗糙度的影响

材料表面粗糙度大，一方面可以使胶体与陶瓷表面产生交错界面结构；另一方面从微观结构上增加了实际粘接面积，所以粗糙的表面可以获得较好的粘接效果。在试块表面上取A、B、C、D这4个点，测试粗糙度表征3种透波材料的表面状态，测试点位及粗糙度测试仪探针运动方向如图7所示，测试中取样长度λc=（2.5×5）mm。

3种陶瓷透波材料的粗糙度测试结果如表2所示。

由表2可知，QFC试样表面虽然具有最大的粗糙度，但是离散系数同样最大，说明材料不同部位表面有较大差异。材料表面与胶体粘接面具有明显的不均匀性，造成很难获得较高的粘接强度。QC和SNC作为均质陶瓷材料，材料表面粗糙度低，但是离散系数小，表面粗糙度具有良好的均匀性。SNC表面粗糙度比QC大约0.2～0.4 um，意味着粘接件更容易获得理想的粘接效果。

2.2.3 透波材料强度的影响

在J-2胶粘剂的试验中，陶瓷透波材料粘接强度约为金属对照组的50%，试块界面破坏发生在被粘材料上，粘接试块压剪破坏情况如图8所示。

由图8可以看出，QC试样破坏状态未界面破坏和材料破坏的混合型，QFC为复合材料表面纤维剥离造成的界面破坏，SNC试块则出现破碎性的破坏。

QC、QFC和SNC材料的弯曲强度分别为52 、81和78 MPa；而J-2胶体弯曲强度为87 MPa，说明被粘物破坏的主要原因为胶体强度大于陶瓷透波材料强度，环氧树脂胶粘剂对陶瓷透波材料具有良好的粘接效果。

3 结语

陶瓷透波材料的种类是影响粘接强度的重要因素。陶瓷透波材料自身材料强度、表面粗糙度和表面显气孔率等性能是影响粘接件强度的重要因素，需要进一步研究和优化。

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收稿日期：2022-08-09；修回日期：2023-04-03

作者简介：王 响（1988-），男，硕士，工程师，主要从事陶瓷材料方面研究;E-mail：1334743653@qq.com。

引文格式：王 响，张庆利，王艳艳，等.陶瓷透波材料的特性及粘接强度影响研究[J].粘接，2023，50（6）：7-9.