高温结构胶粘剂现状与发展

作者：黑龙江省石油化学研究院 李公淳

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 摘要：本文详细地介绍了黑龙江省石化院航空结构胶粘剂的发展历程和现状。 关键词：结构胶；高温固化；石化院；现状 1 前 言 结构胶粘剂系能在预定的时间内承受许用应力，环境作用而不失效的，用于承力结构胶接的胶粘剂。航空结构胶粘剂的发展已有半个多世纪的历史。虽然，它在整个胶粘剂工业中所占有的比重并不大，但是它在航空、航天和交通运输等方面起到非常大的作用。近40多年来，由于采用了先进的胶接体系致使飞行器，宇航器进一步安全可靠。目前国内外所有的高性能的飞行器和宇航器无一不采用胶接结构，由于胶接结构和复合材料的采用大大地促进航空工业的高速发展。本文只介绍石化院研制的高温结构胶粘剂即175～200℃固化，在-55～250℃长期使用的高温结构胶粘剂的现状和发展趋势。 2 航空结构胶粘剂的发展简史 1940年问世Redux系列酚醛－缩醛高性能结构胶粘剂后，1943年首次用于木质结构的大黄蜂号飞机的胶接，1946年De Havilland公司制造了铝合金胶接结构的飞机。尤其是1959年出现喷气式飞机以来，进一步推进了胶接技术的发展。但同时暴露了一些问题，即发现有孔蜂窝结构进水引起增重和脱胶的问题。因此，上世纪60年代初开始飞机夹层结构由有孔蜂窝夹层结构改用无孔蜂窝夹芯，所用的胶粘剂是环氧基的胶粘剂。上世纪70年代初始，使用抑制腐蚀底胶和表面处理方法改用磷酸阳极化工艺，1976年以后开始出现的新的胶接体系，即耐久胶接体系使胶接结构件的寿命可由原来的7－8年延长到20多年。 我国是上世纪50年代末开始研制飞机金属胶接结构。我国胶接结构的特点是：a、板金结构和蜂窝夹层结构并重；b、采用的胶接面积不大。其发展历程大体上是上世纪60年代酚醛类胶粘剂时飞机结构是有孔蜂窝夹层结构，上世纪70年代改用无孔蜂窝夹层接结构时胶粘剂是环氧基为主，上世纪90年代初开始采用耐久胶接体系。 石化院的航空结构胶粘剂研制历程，可以说是我国航空结构胶粘剂发展历史的缩影。航空结构胶粘剂的研制开始于上世纪50年代末，当时飞机结构采用有孔蜂窝夹层结构时，石化院研制的酚醛－橡胶类型胶粘剂J－01结构胶粘剂，上世纪60年中期用于歼－八飞机的有孔蜂窝夹层结构的胶接，当时所采用的胶接工艺是“浸胶瘤”，铝合金的表面处理是铬酸阳极化。65年J－03结构胶粘剂用于Z－5飞机上，大大地提高了其耐久性。 上世纪70年代，飞机结构由有孔蜂窝改用无孔蜂窝夹层结构时，需要环氧基结构胶粘剂。当时，石化院研制了环氧基的J－30无孔蜂窝结构胶粘剂和J－23－1胶粘剂。 上世纪80年代，国内开始研制耐久蜂窝夹芯和所用的胶粘剂的研制。石化院研制的J－70和J－71胶，成功地用于耐蚀夹芯的制造，由此大大地提高蜂窝夹芯的寿命。 上世纪80年代末到90年初，我国飞机制造工艺上有了较大的发展。飞机的夹层结构开始采用耐久夹芯，表面处理为磷酸阳极化，对胶粘剂的要求是必须配合抑制底胶使用。从此，我国飞机胶接史上出现了新的胶接体系－耐久胶接体系。上世纪90年代初研制的J－116、J－98、J－99和SJ－2是高剪切强度，高剥离强度的环氧基载体和无载体胶膜，这些胶粘剂分别与抑制底胶J－117和J－100配合使用。为新胶接体系的发展做出了应有的贡献。 为适应隐身技术和阻尼构件的胶接需要，上世纪90年代中期研制了J－193吸波胶粘剂和J－165阻尼构件结构胶粘剂已用于新型武器上。J－188耐高温结构胶粘剂是双马改性的结构胶粘剂，固化温度为200℃，使用温度达250℃。 3 石化院航空结构胶粘剂现状 航空结构胶粘剂具有较好的综合性能，同时每一种胶粘剂应突出它的特殊性能并满足特定的工艺要求。在一种飞机或一颗卫星的胶接结构件所处的位置不同，对胶粘剂性能及其工艺的要求不同。因此，完成一种机种的胶接往往需要十几种甚至几十种胶粘剂。“直九”飞机需要四十多种胶粘剂，其中有的需要量只有几十克，但不能用别的胶来替代它。因此，航空结构胶粘剂的系列化和配套化是非常必要的。 3．1 系列化 经四十多年研制与开发工作中石化院的航空结构胶粘剂已形成了常温、中温和高温等航空结构胶粘剂系列。 常温固化结构胶：以J－135和J－204为代表的常温固化胶，其常温剪切强度大于30MPa，其中J－135已用于“直九”国产化。 中温固化结构胶：以J－47和J－95为代表的中温固化航空结构胶粘剂已用于卫星、导弹和“直九”飞机的国产化。 高温固化的航空结构胶粘剂：SJ－2、J－98、J－99和J－116系列高温结构胶粘剂，其技术水平达到国外同列产品的水平，已用于我国卫星、导弹、“直九”及10#工程的研制和生产。 3．2 配套胶 发泡胶：J－29、J－60、J－118、J－121和J－94等。这些胶粘剂分别与SJ－2、J－116、J－98和J－99配合已用于飞行器和宇航器的生产。 芯条胶：J－71耐蚀胶和J－123高剥离强度胶。这些胶分别与J－70和J－122配合制造耐久蜂窝夹芯。 修补胶：J－48，配合J－116等主胶配合已用于飞行器和宇航器的生产。 工艺性胶膜：J－137校验工艺膜、SJ－2G工艺膜和J－177蜂窝拼接胶膜等。 总之，石化院经过四十多年的航空结构胶粘剂的研制与开发，航空结构胶粘剂已形成了体系并实现了配套化，胶粘剂的性能已达到国外同类产品的性能，胶粘剂的生产工艺采用了无溶剂的先进的成膜工艺，较完善的检验测试手段，使石化院的航空结构胶粘剂的性能更加稳定，生产和供应有保障。 4 石化院高温航空结构胶粘剂与应用 (1)J－01高强度结构胶粘剂：属酚醛－橡胶型胶粘剂。胶液或胶膜形式使用，固化温度为160℃x3h，-60－150℃下长期使用，特点是耐介质，耐湿热性能较好，上世纪60年代中期已用于歼－八机有孔蜂窝的副翼和襟翼的胶接。 (2)J－03高弹性结构胶粘剂：属酚醛－橡胶型胶粘剂，胶液或胶膜形式使用固化温度为160℃x3h，-60－150长期使用，上世纪60年中期用于直－五飞机生产，1989年获国家发明三等奖。 (3)J－15结构胶粘剂：属高邻位酚醛－橡胶型，胶液或胶膜形式使用，固化温度为180℃x3h，在-60－150℃下长期使用其实特点是板－板剥离强度较高，耐环境性能较好，已用于运输机水上飞机，反坦克导弹等板金结构胶接。 (4)J－04结构胶粘剂：属酚醛－橡胶型，胶液或胶膜形式使用，固化温度为180℃x2h，在-60－250℃下长期使用。 (5)J－23－1结构胶粘剂：属聚酚氧树脂改性环氧化酚醛树脂的胶粘剂，固化温度为170℃x2h，在-55－150℃下长期使用，特点是耐湿热性能较好，已用于直－八飞机蜂窝结构的胶接，1982年通过技术鉴定。 (6)SJ－2无孔蜂窝结构胶粘剂：属改性环氧结构胶粘剂，以胶膜和底胶配合使用，固化温度为175℃x3h，在-55－150℃下长期使用，特点是剥离强度较高，耐环境性能较好。已用于长征系列运载火箭的整流罩的蜂窝结构、卫星和导弹等，1993年获国家科技进步三等奖。 (7)J－98和J－99载体胶膜：属聚砜改性环氧树脂的载体胶膜，配合J－100防腐底胶使用，固化温度为180℃x90min，-55－150下长期使用特点是耐环境性能较好，已用于直九机国产化，1992年通过技术鉴定。 (8)J－116系列载体胶膜：以内增韧改性的环氧基载体胶膜有：A、B和F三种胶膜。A膜用于扳芯结构；B膜用于板金结构；F膜用于碳纤维复合材料的胶接。固化温度为175℃x3h，配合J－117抑制底胶使用。其特点是剥离强度较高、耐湿热、耐环境性能好，已用于歼－七Ⅲ和10＃飞机的生产。 (9)J－165阻尼构件粘接用胶膜：属特种橡胶和环氧基树脂为主体的胶膜，固化温度为180℃x2h，特点是剥离强度高(12KN／m)，1998年通过技术鉴定。 (10)J－188耐高温胶膜：属双马树脂改性的环氧基载体胶膜，固化温度为200℃x3h，在－55－230℃长期使用。特点是剪切强度较高，常温剪切强度大于30MPa，200℃剪切强度为大于23MPa，230℃剪切强度大于13MPa。 (11)J－29发泡胶：属酚醛改性的环氧树脂为主体的胶粘剂，固化温度为175℃x2h，-60－175℃下长期使用，已用于歼－八、歼－七Ⅲ生产。1989年获国家发明三等奖。 (12)J－60发泡胶：属聚酚氧改性环氧树脂为主体的胶粘剂，J－60胶分为粉状、粒状和棒状，固化温度为175℃x2h，-55－175℃下长期使用，与J－30、J－116和SJ－2配合已用于歼七Ⅲ和长征系列运载火箭。 (13)J－121发泡胶：属聚酚氧改性的环氧树脂为主体的胶粘剂，固化温度为175℃X2h，与J－116配合使用，1996年通过技术鉴定。 (14)J－71耐蚀芯条胶：属丁腈橡胶改性酚醛环氧型胶粘剂，固化温度为175℃x2h，-55－175℃下长期使用。特点是节点强度高，耐湿热性能较好，与J－70底胶配合制造耐久蜂窝夹芯，已广泛用于飞行器、宇航器的生产。1991年获黑龙江省科技进步 三等奖。 (15)J－123高强度芯条胶：属丁腈改性热塑性酚醛树脂型胶粘剂，固化温度为175℃x2h，在-55－175℃下长期使用，配合J－122底胶制造耐久蜂窝荚芯，已用于10＃飞机生产。 (16)J－80Nomex纸蜂窝夹芯胶粘剂：属丁腈改性环氧树脂类型胶粘剂，固化温度为180℃x2h，对Nomex具有较好的粘接性能，已用于各种型号上。 17)J－48修补胶粘剂：属环氧改性胶粘剂，常温或100℃固化的双组分胶粘剂，使用温度高达175℃。 5 同国外同类先进产品性能对比 5．1 J－99／J－100与Redux319／Reduxll9胶接体系性能对比(见表5) 5．2 J－116／J－117与FM300／BRl27胶接体系性能对比(见表6) 表5、6及大量试验与应用情况说明，石化院研制的高温结构胶粘体系已达到国外同类先进技术水平。 6 高温结构胶粘剂的发展 (1)复合材料已广泛地用在飞行器和宇航器的研制和生产中，但是在二次固化过程中有开胶现象，降低固化温度(150℃左右)，高温(200℃左右)使用的高强度的结构胶粘剂的研制是很必要； (2)配合200－250℃使用的高温结构胶粘剂，应该开展相适应的发泡胶等配套胶粘剂的研制； (3)更进一步加强对功能性的结构胶粘剂的研制与开发，适应高新技术的发展； (4)对各种材料表面具有较好粘接能力的耐久结构胶粘剂的研制和开发。 7 结束语 石化院的航空结构胶粘剂已经形成体系，实现了配套化。现有的胶粘剂中有100多种常温、中温和高温固化胶粘剂，成功地用在航空、宇航、兵工、舰船以及其他高新技术的开发和研制中。为我国现代科技的发展做出了较大的贡献。但与国外和国内先进的单位相比还有差距，在今后工作中要加强质量管理，保持信誉。研制出高质量、高性能的航空胶粘剂，为我国航空航天工业做出新的贡献。 参考文献： [1) 胡建国．航空制造工程手册[M]．北京：航空工业出版社：1995 [2] 郭忠信．铝合金结构胶接[M]．北京：国防工业出版社：1993 [3]Keizo,Yamana．Polymer[J]．1989(30)：662～668 [4] 彭艳萍．材料工程[J]．1993(12)：1～6 [5] 裘镜蓉．宇航材料工艺[J]．1986(5)：114～118(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/27/2005)