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7 環(huán)氧樹脂膠接材料及膠接技術(shù)
幾乎所有的構(gòu)件都涉及到一個連接問題，而使用膠接是一種有效的連接方式，特別是對復(fù)合材料而言。環(huán)氧棚旨則是被作為結(jié)構(gòu)膠接材料使用的主要品種，即使在航空航天業(yè)也是如此。另外一種結(jié)構(gòu)膠的主要材料為雙馬樹脂。
航空用環(huán)氧樹脂膠接材料的主要應(yīng)用在金屬和金屬、金屬和復(fù)合材料、復(fù)合材料和復(fù)合材料之間的膠接以及作為膠膜使用在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中。
7.1 環(huán)氧樹脂膠接材料的形式
環(huán)氧樹脂膠接材料常見的形式包括膠膜、發(fā)泡膠和糊狀膠等。
7.1.1 膠膜
膠膜以樹脂膜的形式提供客戶，一般在膠膜的一面是離型紙，另外一面是保護(hù)薄膜。使用時將膠膜除去離型紙和保護(hù)薄膜后放在兩個膠接面之間，經(jīng)加溫、加壓而固化。
選用膠膜時需要考慮的包括膠膜的力學(xué)性能、固化溫度、固化時間、固化壓力、膠膜厚度(或面密度)，如采用共固化工藝時，還需考慮膠膜和共固化材料之間的相容性。
膠膜的力學(xué)性能主要考慮剪切強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度(夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品主要使用滾筒剝離)，ASTM和EN均有相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。
和環(huán)氧預(yù)浸料類似，環(huán)氧膠膜主要分為120℃和180℃兩大固化溫度，固化時的升溫速率、固化溫度、固化時間以及固化壓力由相應(yīng)的固化制度確定，具體需參考每個產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)。
7.1.2 發(fā)泡膠
樹脂膜形狀的發(fā)泡膠制造方法和膠膜相似，主要用于蜂窩與蜂窩之間的膠接。當(dāng)然，也有部分產(chǎn)品以糊狀形式提供，其具有良好的觸變性能，以防止固化之前的流膠。
和預(yù)浸料相匹配，發(fā)泡膠也有120℃和180℃固化兩大類，其另一個特有的指標(biāo)是發(fā)泡率，一般產(chǎn)品在1:1.9～4之間。
7.1.3 糊狀膠
并非所有的航空部件都適用膠膜膠接，所以，一般行業(yè)中常見的糊狀膠在航空業(yè)界也常見。糊狀膠分單組份膠和雙組分膠兩種，大部分雙組分膠可以在常溫下固化，當(dāng)然也可以在中高溫下固化。
7.2 環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠接材料的膠接技術(shù)
7.2.1 膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計
非常重要的一點(diǎn)是膠接需要設(shè)計的，這一點(diǎn)人們往往會忽視。膠接面常會受到拉伸、壓縮、剪切、剝離、扯拉等應(yīng)力，而膠接材料在拉伸、壓縮、剪切方面可以體現(xiàn)較好的性能。但在抗剝離、抗扯拉方面則相對較差。所以，在膠接設(shè)計時，要盡量將膠接節(jié)點(diǎn)形式設(shè)計好，以利用膠接強(qiáng)度好的一面，減少使用膠接性能弱的一面。
膠接結(jié)構(gòu)設(shè)計另一個需要注意的是如何避免應(yīng)力集中所造成的膠接破壞。高性能的膠接材料但沒有得到理想的膠接效果往往是由于應(yīng)力集中造成破壞所引起的，這一點(diǎn)在檢測試驗時經(jīng)常可以看到。
7.2.2 膠接材料選材
在膠接材料選擇時，先要考慮的是固化后的使用溫度，能保持有效強(qiáng)度的膠接材料的使用溫度各不相同，取決于膠接材料的種類，一般范圍在70℃～220℃。大部分的膠接材料在-55℃時性能依然保持良好。
當(dāng)然，并非膠接材料的使用溫度越高越好。使用溫度過高的膠接材料往往韌性降低，剝離強(qiáng)度下降。
材料選擇時其它需要注意的還包括固化條件、膠粘材料中有無襯墊、單位面積重量、規(guī)范要求等。和預(yù)浸料共固化時，還需要考慮膠接材料和預(yù)浸料之間的相容性。
7.2.3 表面處理
膠接表面的狀況直接影響膠接的效果。通常的表面處理方式包括去油脂，或去油脂加物理處理，或去油脂加化學(xué)處理。
基于不同的被膠接材料，去油脂的方法包括堿洗、溶劑清洗、環(huán)保洗滌液清洗等，由于環(huán)保的原因，后者的應(yīng)用會越來越多。對大部分材料，特別是金屬材料而言，直觀的檢測除脂效果的方法是水膜破裂測試。
物理處理的方式包括打磨、噴砂等。
通常，去脂加物理處理的方式基本可以滿足膠接要求，并體現(xiàn)有效的膠接強(qiáng)度。但是，對很多膠接材料而言，為了獲得高強(qiáng)度、重復(fù)性和長期穩(wěn)定性，我們需要進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理來進(jìn)行表面改性，或者進(jìn)行化學(xué)處理，從而使表面更適合于結(jié)構(gòu)膠接。化學(xué)處理包括鉻酸／硫酸的酸洗、鉻酸陽極化處理、磷酸陽極化處理等，取決于不同的材料。
表面處理以后，應(yīng)盡快在短時間內(nèi)完成膠接。否則，處理好的表面又可能很快再次氧化。如果表面處理完以后不能很快完成膠接，應(yīng)使用膠接用的底膠來保護(hù)表面。
對復(fù)合材料而言，使用剝離布是得到一個理想膠接表面的有效又簡單的方法之一。
無論何種處理工藝，在膠接之前，保持膠接面的干燥是得到良好膠接性能的必要條件之一。
7.2.4 膠接工藝
溫度、壓力和時間是保證膠接質(zhì)量的三個主要要素。不同牌號膠接材料的固化溫度、壓力和時間都能在產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)表中查到，下圖為典型的固化曲線。
需要注意的是，固化溫度是指膠接材料的溫度，而不是烘箱或壓機(jī)的溫度。所以，通常需要在膠接材料附近放置一個熱電偶來測量記錄溫度曲線，而不應(yīng)依據(jù)烘箱或壓機(jī)的設(shè)置溫度來判斷。
升溫速率通常被控制在1～5℃／分鐘，部件間不均勻的升溫速率會因為熱應(yīng)力而造成部件變形。所以，升溫速率不應(yīng)過陜，有時還需要在固化制度中設(shè)置一個加熱平臺，加熱平臺可以使得部件在膠接材料達(dá)到關(guān)鍵的凝膠溫度前保證部件的溫度均勻。
固化結(jié)束并完全冷卻以前都應(yīng)保持壓力，盡管如果沒有應(yīng)力時，這種壓力是沒有必要的。
通過適當(dāng)?shù)脑囼灴梢詫袒贫冗M(jìn)行必要的改進(jìn)，比如，為了使小尺寸部件達(dá)到較高的生產(chǎn)效率，可以使用感應(yīng)加熱技術(shù)使膠接材料在更高溫度下短時間固化。具體應(yīng)該由膠接材料本身的技術(shù)參數(shù)來確定。
有關(guān)膠接的設(shè)計、選材、表面處理、工藝、質(zhì)量控制、性能檢驗、膠接失敗形式分析等的詳細(xì)論述，可參考赫氏《REDUX膠接技術(shù)手冊))。
8 環(huán)氧樹脂基功能復(fù)合材料
一般而言，衡量環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的主要考量因素是力學(xué)性能，所謂輕質(zhì)高強(qiáng)就是體現(xiàn)的力學(xué)性能。但實際上，它還是一種功能材料。環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的功能應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中正在被逐步開發(fā)出來。
以下為環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料作為功能材料的一些應(yīng)用實例。
8.1 可加工的環(huán)氧樹脂基碳纖維模具材料-
制造航空航天用復(fù)合材料部件的模具通常有兩種，即金屬模具和復(fù)合材料模具。金屬模具采用的是后加工的方式來達(dá)到產(chǎn)品所需的型面和精度，尺寸精度高，使用壽命長，但其熱膨脹系數(shù)和所制造的復(fù)合材料部件有很大的差異。所以，產(chǎn)品在加熱固化和冷卻以后有較大的內(nèi)應(yīng)力，從而造成產(chǎn)品的變形。同時，模具重量重，能耗也較大。
常用的復(fù)合材料模具是在母模的基礎(chǔ)上翻制而得，由于模具材料和產(chǎn)品材料屬于同―類型材料，它解決了兩種材料在熱陛能上的差異，從而降低了產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力。同時模具重量輕，能耗小，且易于移動。但由于需從母模匕翻制而成，本身就具有變形，所以，精度沒有金屬模具高。
如何將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使之既具有金屬模具加工精度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有復(fù)合材料模具熱膨脹系數(shù)和復(fù)合材料部件一致、重量輕的特點(diǎn)，這就需要改善現(xiàn)有復(fù)合材料模具的可加工性。
HexTool就是這樣一種材料。實際上，它是一種短切碳纖維預(yù)浸料，有環(huán)氧基和雙馬基兩種，適用于不同固化溫度的復(fù)合材料部件。模具固化后通過機(jī)械加工來達(dá)到設(shè)計所需的型面和精度。目前，該種材料制作的模具已經(jīng)被用于制造B787、A350等的復(fù)合材料部件。下圖為用HexTool制作的飛機(jī)艙門的模具。
8.2 短切碳纖維模壓材料
HexMC也是一種短切的碳纖維預(yù)浸料，從它的命名方式上也可以看出其類似于SMC片狀材料。
該材料主要的成型工藝是模壓。因為是短切纖維，所以可以模壓成形狀復(fù)雜的碳纖維復(fù)合材料制品，并且適合批量生產(chǎn)。這種材料放棄了連續(xù)纖維的抗拉性能，更多的是利用碳纖維復(fù)合材料的剛性以及良好的工藝性能，因此，適合制作飛機(jī)上的窗框、連接板、鉸鏈等。
該材料成功的應(yīng)用案例之一是用于制作B787上的窗框。由于該產(chǎn)品的使用，使得B787的窗框比常用客機(jī)的窗框面積增加了30％以上。豐富的自然光線和寬闊的視野使得B787被譽(yù)為視覺好的客機(jī)。
下圖是使用HexMC制作的碳纖維復(fù)合材料窗框樣件。
8.3 防雷擊材料
防雷擊問題曾經(jīng)困擾碳纖維復(fù)合材料作為主結(jié)構(gòu)用于民用飛機(jī)機(jī)身，并且今天還在被質(zhì)疑中。但是實際上，通過分布于復(fù)合材料中的金屬材料的導(dǎo)電性能來解決防雷擊問題已經(jīng)是一個非常成熟的技術(shù)。
新的防雷擊材料不僅需要降低雷擊所造成損傷的面積和深度，還需要減少重量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，以及考慮和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料基體樹脂的相容性，甚至表面效果等。一種優(yōu)異的材料必然是基于這些綜合考慮的完美結(jié)合。
9 樹脂應(yīng)用于航空高性能碳纖維復(fù)合材料及固化成型技術(shù)的發(fā)展方向
眾所周知，影響復(fù)合材料性能的三要素是纖維、樹脂和界面，所以，樹脂起著極其重要的作用。那么，針對環(huán)氧樹脂基高性能碳纖維復(fù)合材料及固化成型技術(shù)，基體樹脂應(yīng)該向哪些方向發(fā)展?以下一些問題是必須要考慮的。
9.1 無論對于中模還是高強(qiáng)碳纖維，樹脂均可以充分發(fā)揮應(yīng)力傳遞功能，從而佳發(fā)揮纖維性能
樹脂在復(fù)合材料中起著應(yīng)力傳遞的作用，這種作用的高低，直接影響終的材料性能。
理論上而言，中模碳纖維和高強(qiáng)碳纖維對樹脂的要求是不一樣的，但在實際生產(chǎn)中，希望在同一部件中盡可能使用同一種基體材料。因為即使基體材料是相容的，或兩種材料在本質(zhì)上是相同的，按照航空規(guī)范的要求，要證明這兩種材料的界面之間不存在任何問題所需要的數(shù)據(jù)也是海量的。
所以，同一種基體材料可以適用于中模和高強(qiáng)纖維，并且能佳發(fā)揮兩種纖維的性能是我們期待的方向。
用于A350的M21E，B787的3900-2，A380的M21等均是這種材料的代表。
9.2 適用于自動鋪帶和纖維自動鋪放技術(shù)
隨著航空航天復(fù)合材料部件的尺寸越來越大，并且由于人工鋪貼的局限性，使用自動鋪帶技術(shù)和自動鋪絲技術(shù)已經(jīng)成為必然。但并非所有的基體材料都適用于自動鋪貼成型技術(shù)，所以，基體材料滿足自動鋪貼成型工藝要求是發(fā)展該材料的主要目標(biāo)之一。
9.3 高溫下仍有良好的濕熱性能
高性能航空航天復(fù)合材料不僅要考慮常溫條件下的濕熱性能，還必須考慮高溫條件下的濕熱性能。
9.4 可控的樹脂流動，同時對纖維良好的浸漬能力
所謂零吸膠預(yù)浸料的概念現(xiàn)在已經(jīng)普遍被行業(yè)所接受。過去一般認(rèn)為，預(yù)浸料中氣泡的排除必然伴隨著樹脂的析出。現(xiàn)在，技術(shù)有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，對某些基體而言，即使沒有任何樹脂的析出，只要工藝條件正確，預(yù)浸料固化以后的復(fù)合材料照樣可以滿足航空復(fù)合材料在孔隙率方面的要求。這主要得益于樹脂流動可控的概念(resin flow controlled)。另一方面，在固化后的復(fù)合材料中，纖維必須被樹脂良好浸漬。所以，低孔隙率、低樹脂析出、纖維浸漬良好是航空復(fù)合材料基體樹脂必須要達(dá)到的技術(shù)要求。
9.5 低放熱峰性能使超厚的單板結(jié)構(gòu)一次成型
A380的翼是航空復(fù)合材料部件中大的承力構(gòu)件之一，單板結(jié)構(gòu)的厚度在50毫米左右。按傳統(tǒng)材料和工藝，由于放熱峰的問題，如此厚的板材很難一次成型。
另一方面，一次成型大型結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢是顯而易見的，所以，制造大型商用飛機(jī)用復(fù)合材料構(gòu)件必須要解決超厚板材和放熱峰之間的矛盾。M21預(yù)浸料則成功地解決了放熱峰的問題，并在工藝性能和機(jī)械『生能上滿足翼的要求。
9.6 優(yōu)異的韌性和較高的沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度
部分航空復(fù)合材料設(shè)計師非常關(guān)注CAI(Compress After Impact)數(shù)值，盡管也有部分設(shè)計師對CAI有不同看法。為滿足這樣一種關(guān)注，航空預(yù)浸料生產(chǎn)廠家通過各種手段來增加復(fù)合材料的韌性，提高沖擊以后的抗壓強(qiáng)度，例如在樹脂中添加增韌材料，或在增強(qiáng)材料上附著增韌材料等。
目前，公開資料顯示，M91／IM7預(yù)浸料固化后按ASTMl37方法測試，在30.5J沖擊以后的CAI值可以達(dá)到358 MPa。
9.7 良好的粘性壽命和外置壽命
隨著復(fù)合材料部件的大型化，鋪貼所需操作的時間也越來越長，原有樹脂體系的粘性壽命和外置壽命已經(jīng)不適于這種變化，因此，需要更長的粘性壽命和外置壽命與之相匹配。
9.8 簡單、通用和成熟的操作和固化工藝
目前，航空復(fù)合材料部件的主流工藝仍為熱壓釜工藝，冷藏、解凍、裁剪、鋪貼、打袋、固化、后加工等系列操作使得復(fù)合材料航空部件的制造成本居高不下，也為眾多企業(yè)進(jìn)入該行業(yè)設(shè)置了較高的門檻，這對航空復(fù)合材料的大量使用是不利的。所以，人們在不斷研究如何使其工藝簡單化和通用化，非熱壓釜工藝(Out of Autoclave)、HexMC等就是在這樣背景下的產(chǎn)物。
10 結(jié) 語
隨著B787交付和A350的飛，碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)人了一個嶄新時期，也提供了一個廣闊的市場，這個市場需要材料的創(chuàng)新，需要工藝的創(chuàng)新，更需要思維的創(chuàng)新。
本文有關(guān)碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)只能介紹極小部分，更多地有待探索，特別是創(chuàng)新材料和技術(shù)，有些是革命性的，甚至?xí)嵏参覀儸F(xiàn)有的概念和整個體系，這種顛覆并非胡思亂想，它會給行業(yè)帶來全新的變化，需要引起充分的關(guān)注。
我們應(yīng)該跟蹤國際上復(fù)合材料的發(fā)展方向，但不應(yīng)固守現(xiàn)有的技術(shù)和水平；我們必須承認(rèn)和國際先進(jìn)水平的差距，但這種差距不可能永恒。腳踏實地，從每一個數(shù)據(jù)做起，努力創(chuàng)新，從每一個想法干起，這種差距就能縮小。所以，復(fù)合材料人任重而道遠(yuǎn)。