摘要
考察了一种适用于卫星太阳翼基板的国产中温固化胶膜的胶接性能和热破工艺性,并分别采用国产和进口胶膜,利用胶膜热破施胶方法制备了碳纤维网格面板/铝蜂窝芯夹层结构,对其弯曲性能进行评价。结果表明,国产胶膜的室温拉伸剪切强度(铝基材)为34.9 MPa,150 ℃时拉伸剪切强度降为10.2 MPa,-150 ℃时拉伸剪切强度降为30.4 MPa。碳纤维复合材料作为胶接基材时,室温拉伸剪切强度为17.5 MPa,破坏模式为基材分层破坏和胶黏剂内聚破坏的混合破坏模式。国产胶膜具有良好的热破工艺特性,在合适的工艺条件下,破孔率优于99.9%,90°板-芯剥离强度为15.4 N/cm;采用国产胶膜制备的蜂窝夹层结构的弯曲性能与采用进口Redux312UL的接近,弯曲刚度为1.94×1
中温固化热破胶膜是卫星太阳翼基板碳纤维网格面板与铝蜂窝芯的粘接材料,其主要作用是通过胶粘作用实现结构的有效连接,为太阳电池片和电路提供具有一定刚度和强度的安装平面与支撑,确保太阳翼在轨正常工作,为航天器提供可靠的电源。目前,我国太阳翼基板用热破胶膜基本为进口Redux312UL,国内开展了适用于太阳翼基板的中温固化热破胶膜研制。
由于太阳翼基板在发射过程中需要承受噪声、振动等力学环境载荷,在轨运行期间一般需要面临±150 ℃的温度交
中温固化热破胶膜:J-312L,黑龙江石化院;Redux312UL,赫氏公司。
铝蜂窝芯,PAMG-XR1-3/8-5056-0.000 7P,普拉斯科公司。
铝面板:LY12CZ,西南铝业。
碳纤维/环氧树脂基复合材料:碳纤维,M40J,东丽公司;环氧树脂,BS-2,北京卫星制造厂有限公司。
拉伸剪切试样按照GB/T 7124—2008进行加工,其中,铝板表面经过磷酸阳极化,碳纤维复合材料表面打磨处理。按照标准要求尺寸进行制样,固化温度120 ℃,固化时间1.5 h。
剥离试样按照相关标准进行加工,其中,铝板表面经过磷酸阳极化。采用胶膜热破法实现蜂窝夹层结构胶膜的施胶,固化温度120 ℃,抽真空固化时间1.5 h,然后按照标准要求尺寸进行试件加工。
LY12CZ铝合金作为胶接基材制备的板-板拉剪试件在不同温度下胶膜的拉伸剪切强度(铝基材)测试结果如

图1 胶膜在不同温度下的拉伸剪切强度
Fig.1 The shear strength of adhesive film at different temperatures
可以看出,胶黏剂在室温以下的拉伸剪切强度均大于30 MPa,表明该胶膜在室温及以下具有良好的胶接性能。室温以上时,随着温度的升高,拉伸剪切强度逐渐降低,150 ℃时的拉伸剪切强度从室温的34.9 降低至10.2 MPa。但仍能满足在太阳翼基板使用(含地面试验环境)温度范围内胶黏剂拉伸剪切强度不小于10 MPa(铝基材)的使用要求,表明该胶膜可用于服役温度范围在±150 ℃的太阳基板。
胶膜在太阳翼基板中的实际使用工况为碳纤维复合材料的胶接,为了更真实地评价胶膜的粘接性能,考察了不同基材的拉伸剪切试件强度,结果如
基材 | 拉伸剪切强度/MPa |
---|---|
Al(LY12CZ) | 34.9 |
碳纤维/环氧树脂复合材料 | 17.5 |
一般来说,胶黏剂的破坏包括胶黏剂的内聚破坏、被粘物的内聚破坏、黏附破坏和混合破坏4种模

(a) 基材分层破坏

(b) 混合破坏
图2 拉伸剪切试件破坏形貌(复合材料基体)
Fig.2 Failure morphologies of tensile shear specimens
胶膜热破工艺是一种新型高效的蜂窝夹层结构胶膜施胶工艺,其原理如

图3 胶膜热破施胶原理
Fig.3 Principle of adhesive film hot-break
通过调节胶膜热破的温度、鼓风风压以及水平扫描速率,确定了胶膜的最佳热破工艺参数,如
热破温度/℃ | 鼓风风压/MPa | 扫描速率/mm· |
---|---|---|
75±3 | 0.1±0.01 | 3 |
注: 1)胶膜厚度0.1 mm;蜂窝芯格边长3 mm。

图4 胶膜热破状态图
Fig.4 The morphology of adhesive film after hot-break
为了评价热破工艺对胶膜固化特性的影响,根据胶膜非等温固化曲线,测试胶膜热破前后不同升温速率下的固化起始温度、固化峰顶温度、固化终止温度。以5、10、15 ℃/min升温速率进行DSC测试结果如

(a) 热破前

(b) 热破后
图5 不同升温速率下胶膜的固化温
Fig.5 Curing temperature of adhesive film at different heating rate
项目 | Ti/℃ | Tp/℃ | Tf/℃ |
---|---|---|---|
热破前 | 114 | 128 | 146 |
热破后 | 112 | 127 | 139 |
注: 1)Ti为固化起始温度;Tp为固化峰顶温度;Tf为固化终止温度。
碳纤维网格面板/铝蜂窝芯夹层结构是卫星刚性太阳翼基板的典型结构形式。网格面板与蜂窝芯格的胶接性能直接影响整个太阳翼基板的性
胶膜牌号 | 弯曲刚度/1 | 弯曲强度/MPa |
---|---|---|
J-312L | 1.94 | 35.7 |
Redux312UL | 1.88 | 38.4 |
(1)国产中温固化胶膜的室温拉伸剪切强度(铝基材)为34.9 MPa,150 ℃时拉伸剪切强度降为10.2 MPa,-150 ℃时拉伸剪切强度降为30.4 MPa,满足太阳翼基板使用(含地面试验环境)温度范围内胶黏剂拉伸剪切强度不小于10 MPa(铝基材)的要求,表明该胶膜可用于服役温度范围在±150 ℃的太阳基板结构。
(2)碳纤维复合材料作为基材进行胶接时,基材成为拉伸剪切破坏的薄弱环节,导致拉伸剪切强度降低。
(3)国产中温固化胶膜具有良好的热破性,热破前后胶黏剂的固化特性未发生明显变化,胶黏剂均匀分布在蜂窝芯表面,破孔率优于99.9%。
(4)采用国产胶膜制备的碳纤维网格面板/铝蜂窝芯夹层结构试验件弯曲刚度与弯曲强度与采用进口Redux312UL胶膜的试验件相当。
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