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环氧胶黏剂的应用领域-航空航天方面的应用

时间:2011-04-01 11:44来源: 作者: 点击:
应力集中小.已用于空中客车A340的机身生产.波音787梦幻客机是首架机身和机翼不用铝而用高强度碳纤维增强塑料制成的客机.其连接当然离不开环氧结构胶粘接技术.正在逐步由传统的铆接
    航空工业使用胶黏剂最早,环氧结构胶黏剂起了非常重要的作用,用于金属结构、金属与塑料、金属与橡胶、蜂窝夹层结构与壁板等粘接,逐步代替部分铆钉、螺栓、焊接,具有结构质量轻、表面光滑、应力集中小、密封性好等优点,正适合于飞机不断减轻自身质量和提高航速发展的需要。第二次世界大战后,由于飞机制造工业的新要求,开始重视环氧胶黏剂,尤其是加入铝粉及其他改性剂,提高了粘接强度。在20世纪60年代对环氧胶的研究和应用都有了新飞跃,1970年,三叉戟和波音707客机都采用Redux系列改性环氧胶黏剂进行结构粘接,强度和耐热性较高者为Redux312胶膜。1972年第3代中温固化改性环氧结构胶黏剂FM-73、EA-9628、M1133等问世。美国空军在20世纪70年代中期提出的主结构粘接工艺计划中所推荐的中温固化结构胶黏剂体系为BR127底胶+FM73胶膜。1980年先涂胶后点焊工艺制造的粘接-点焊结构件用于A-10战斗机。一架波音747飞机粘接所用胶膜达3700㎡。一种新型中温固化环氧结构胶黏剂可在低压(0.07~0.1MPa)中温(115~120℃/50~60min)迅速固化,已用于空中客车A340的机身生产。世界上最大的客机空中“巨无霸”空客A380大量使用新型复合材料,其制造和连接都离不了高性能环氧胶黏剂。美国海军F-18大黄蜂战斗机就是用环氧结构胶黏剂将碳纤维复合材料制得的翅膀粘接在机身两侧的钛装配件上,即主要结构完全靠粘接固定。波音787梦幻客机是首架机身和机翼不用铝而用高强度碳纤维增强塑料制成的客机,是飞机制造史上的一个创举,其连接当然离不开环氧结构胶粘接技术。
    代飞机制造应用粘接结构日益增多,对于提高质量和性能、减轻结构重量、简化生产工艺、降低成本的作用十分显著。环氧胶黏剂用于飞机制造主要是机身、壳体、蜂窝结构材料等的结构粘接。特别是大量使用的蜂窝夹层结构,其面板与蜂窝芯之间必须用环氧胶黏剂粘接。目前世界上各种高速飞机都大量使用钛合金结构件,正在逐步由传统的铆接结构改为粘接结构,所用胶黏剂主要为环氧-聚砜结构胶,采用合适的表面处理方法(过氧化氢-碱蚀法)会获得良好的粘接耐久性。飞机的铆接结构75%~80%可用粘接结构代替。
    在飞机维修上采用环氧胶黏剂更是方便快捷,例如蜂窝夹层结构的不慎损伤,可以用环氧胶注入、填充、粘贴,固化后牢固可靠,性能依旧。又如整体油箱出现裂纹渗漏,若焊接动火,必须将油全部放掉,也难以处理干净,又不能保证安全。最为有效、简便的方法是粘接修理,选用快固高强环氧胶黏剂,不仅可迅速完成粘接密封治漏,而且因环氧胶耐油可确保日后使用安全可靠耐久。
    此外,环氧胶还可用于飞机蒙皮、机翼、壁板、复合材料、大直径低压导管等的粘接修补。
    航空用环氧胶黏剂的典型配方(质量份)如下。
    ①E-51环氧树脂                          100
    AG-80氧树脂                             100
    端羧基液体丁腈橡胶(CTBN)               20
    JLY-55聚硫橡胶                          100
    DMP-30                                   10
    KH-550                                    2
    E-51、AG-80、CTBN先于150℃反应30min,JLY-155和DMP-30于120℃反应1h,再进行混合配制。
    室温固化10d,剪切强度室温25.9MPa,120℃为14.9MPa,150℃为13.3MPa,200℃为5.6MPa;室温剥离强度6.0kN/m。
    用于航空、航天工业耐热结构部件的粘接。
    ②E-51环氧树脂                         100
    651聚酰胺                               65
    DMP-30                                   2
    铝粉                                    16
    KH-550                                   2
    室温/48h或60℃/4h固化。
    用于飞机大直径低压导管的粘接修复。
    宇航工业和空间技术发展极其迅速,航天器和空间站的制造与装配都离不开胶黏剂,如宇宙飞船、航天飞机、运载火箭、人造卫星、卫星整流罩、中继站、太阳能电池等都大量采用轻质高强的蜂窝结构材料、高强高模复合材料、玻璃钢、泡沫材料、密封材料等。而这些材料的制造和连接都需要环氧胶黏剂,并要求能长期经受恶劣的使用条件。
    航天技术的要求非常严格、苛刻,例如阿波罗飞船发射后,火箭穿越大气层飞往太空,高速飞行的火箭与大气层摩擦,表面温度高达2000℃以上。为保证指令舱能顺利通过大气层返回,必须要有一个绝热层,外侧是由酚醛树脂处理过的聚酰亚胺薄板,而内层则是由玻璃钢制成的蜂窝状结构空心层,以环氧-酚醛复合型结构胶黏剂进行粘接,保证了良好的绝热效果。人造卫星返回地面时,要求结构胶黏剂能承受400℃/20min。最近10多年研制的运载火箭、战略导弹采用改性环氧胶黏剂粘接第一、二级壳体,改性酚醛环氧胶黏剂用于整流罩的粘接,实际使用效果良好,曾出现过整流罩破坏而胶黏剂层仍完好的实例。
    运载火箭氢氧发动机燃料箱中氧气沸点为-183℃,氢气沸点为-253℃。燃料箱密封及火箭共底的制造要求所用的胶黏剂能耐超低温,在-253℃具有良好的强度和韧性,可用DW-3四氢呋喃聚醚改性环氧耐超低温胶黏剂,剪切强度室温19.2MPa,-253℃时≥17.6MPa。
    航天器的电子元器件大部分采用改性环氧树脂胶黏剂粘接或灌封,酚醛-环氧胶黏剂(J-163)用于伺服系统中磁钢与壳体的粘接,耐高温300℃,实际应用效果良好。
    改性环氧树脂发泡胶主要用于蜂窝夹芯之间拼接,以及局部增强蜂窝结构件的刚度,蜂窝夹芯与预埋件粘接和端框之间的粘接。
    我国成功发射与返回的载人宇宙飞船“神舟五号” 、 “神舟六号” 的座舱、地板、天线、太阳能电池板等部位,都使用了高性能环氧结构胶黏剂替代传统制造工艺中的铆接和焊接。
    航天用环氧胶黏剂的典型配方(质量份)如下。
    ①E-51环氧树脂                       100
    D-17环氧树脂                          20
    SM-60稀释剂                           12
    3051聚酰胺                            10
    2-乙基-4-甲基咪唑                      5
    KH-550                                 2
    100℃/4h固化。
    用于航天仪表的粘接和密封。
    ②AG-80环氧树脂                       80
    聚醚酰亚胺                             20
    二氨基二苯砜                           40
    N-甲基吡咯烷酮(NMP)                 适量
    125℃/2h+200℃/2h固化。固化物玻璃化温度256℃,200℃高温剪切强度仅下降10%。用于航天飞行器轻质高强的蜂窝结构材料粘接。
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