熱防護層套裝粘接技術研究
摘要；本文著重介紹了兩種環氧膠粘劑對不同的熱防護層進行套裝粘接的技術方法，并對膠接表面處理、膠接工藝質量檢測進行了探討。
1 前 言
再入飛行器（導彈彈頭、宇宙飛船、航天飛機等）在鞏固國防、探索外層空間等方面扮演著重要角色，導彈彈頭及航天器的結構殼體表面均帶有熱防護層，其外層的熱防護材料在再入飛行器重返大氣層時起著極為重要的作用，保護飛行器內部免受高溫高速氣流沖蝕，同時在一定時間內阻止熱量向內部傳遞。由于防熱材料與結構材料線膨脹系數的差異，不允許于高溫高壓下在殼體上直接成型熱防護層，這樣，粘接便成為不可缺少的設計內容，在某些場合甚至還成為產品設計的關鍵。與機械連接相比，粘接的優點是相當突出的，尤其對于復合材料的連接更是如此。通過界面的粘附和物質的內聚等作用，能使兩種或兩種以上的制件或材料連接在一起的天然的或合成的、有機的或無機的一類物質，統稱為膠粘劑（adhesive），利用膠粘劑將各種材質、形狀、大小、厚薄、軟硬相同或不同的制件或材料連接成為一個連接牢固穩定整體的過程，叫做粘接（bond），因此防熱材料與結構材料之間必須采用套裝粘接技術。同時，再入飛行器需要承受一系列特殊的環境條件，必須考慮粘接體系的應變能力。一般來說可采用三種粘接結構，即剛性、半剛性和柔性粘接結構，以適應不同的需要。本文將以導彈彈頭的大面積熱防護層套裝粘接進行研究和探討。
導彈彈頭防熱結構通常由熱防護層、隔熱層和承力結構三部分組成，為保證它們在彈頭飛行和再入大氣層環境下能協調相容，必須采用柔性的膠粘系統把它們組合在一起，廣泛應用的彈頭各部段套裝粘接技術，就是這種有效的連接形式。
導彈彈頭通常由端頭、端頭體、上殼體、下殼體及裙部等部分所組成。除端頭外，其余部件均由熱防護層與殼體通過膠粘劑套裝粘接成整體，見圖1。防熱材料根據端頭的再入速度和所承受的熱環境不同，可采用玻璃-酚醛、高硅氧-酚醛及碳-酚醛燒蝕復合材料。結構殼體采用鋁合金、鋁-泡沫塑料-鋁夾層結構及碳-環氧結構復合材料。
在彈頭再入大氣層時，防熱制品外壁溫度高達數千度，而鋁合金金屬彈體的許用使用溫度設計為≤110℃,彈內儀器或戰斗部許用溫度設計為≤80℃，因此選擇合理的套裝用膠粘劑對金屬彈體和彈內儀器或戰斗部的防熱起到至關重要的作用。導彈彈頭套裝用膠粘劑的選擇，主要取決于彈頭所承受的熱環境以及防熱材料的性質等因素，通過選擇合理的膠粘劑和套裝工藝，來保證彈頭的防熱材料與結構材料之間的套裝滿足設計的要求。[-page-]
2 膠粘劑的選擇和性能
彈頭防熱結構的套裝粘接，是用適當的膠粘劑把彈頭各部段的熱防護層和相應部段的金屬殼體套裝粘接在一起的大面積連接技術。根據彈頭結構的特殊性，多由不同材料、不同結構的零部件組合而成。選用膠粘劑時，除考慮材料、結構本身的特性，膠接件允許的固化溫度、壓力、施工方便等條件，還應著重考慮膠粘劑與被粘膠材料之間的相容性，特別是線膨脹系數和加熱速度的差異，以及被粘接材料因變形而造成脫粘等不利因素。大面積熱防護層的套裝膠粘劑必須具備以下特性，①一定的耐溫性(l00~120℃）；②室溫或中溫（≤80℃）條件下固化似避免產生過大的熱應力；③能適應大部件裝配間隙的不均勻性而保證膠縫充滿；④膠液應具有較長的適用期而不含溶劑。室溫固化環氧膠粘劑、中溫固化環氧-丁腈型膠粘劑適用于導彈頭部的大面積套裝粘接。
2.1 室溫固化環氧膠粘劑
該膠粘劑系以雙酚A環氧樹脂（618#）為基體、以四乙烯五胺為固化劑、加入增塑劑、填料及觸變劑所組成的琥珀色粘稠液，具有觸變性能，適用于大部件之間的套裝粘接。通過調正配方，又可獲得流動型膠粘劑及不流動型膠粘劑，前者適用于一般零部件的粘接，后者則作為縫隙填充粘接和密封粘接更為適宜。
室溫固化環氧膠對多種金屬和非金屬材料均具有良好的粘接性能，能在-40~100℃溫度范圍內使用；用熱質損（TGA）測定的質量損失曲線表明，該室溫固化環氧膠開始質量損失的溫度大于160℃，熱分解溫度為370℃，質量損失率為50%的溫度為435℃。因此室溫固化環氧膠在100℃以下使用是可靠的。
室溫固化環氧膠具有優良的抗老化性能，在t=20±5℃、RH=60~70%條件下貯存十年，粘接鋁與玻璃-酚醛或玻璃-酚醛與玻璃-酚醛，其剪切強度不降低。在t=40±2℃、RH＝90~96%條件下恒定濕熱試驗21d,強度無明顯降低。
中程及中遠程導彈彈頭套裝，宜選用室溫固化環氧膠粘劑，它流動性好，既能室溫固化又能滿足100℃以下的使用要求。
2.2 中溫固化環氧-丁睛膠粘劑
該膠粘劑系以雙酚A環氧樹脂（618＃）為基體、以液體羧基丁腈橡膠為增韌劑、咪唑類為固化劑、并加入填料、觸變劑所組成的棕黃色粘稠液體，它具有中溫固化的特點，可作為110℃以下的結構膠粘劑。[-page-]
環氧-丁腈膠粘劑對多種金屬和非金屬材料具有優良的粘接性能見表2。粘接鋁合金時，室溫拉伸強度高達50MPa,粘接鋁與高硅氧-酚醛復合材料時也能大于30MPa，粘接鋁合金的其高使用溫度為150℃，粘接高硅氧一酚醛復合材料時，其使用溫度為110℃。如采用玻璃布作載體，可提高高溫粘接強度。環氧-丁腈膠粘劑的物理性能見表3，膠粘劑于室溫及110℃的拉伸應變及壓縮應變均大于2.5％（此時膠層均未裂）。
環氧-丁腈膠粘劑的抗老化性能優異。用環氧－丁腈膠粘劑粘接的抗剪試樣，分別貯存于庫房及坑道，經六年貯存后膠粘劑的室溫及110℃剪切強度均大于lOMPa。
遠程導彈彈頭套裝，宜選用環氧-丁腈膠粘劑，它粘接性能好，又能滿足110~120℃溫度的使用要求，其耐熱性及韌性均比室溫固化環氧膠粘劑好。[-page-]
3 工藝流程
彈頭各部段套裝粘接件的材料、形狀和粘接工藝過程大體相同，只是由于防熱要求不同而采用不同的膠粘劑。某型號彈頭裙部和戰斗部的套裝粘接，在彈頭各部段套裝粘接中具有代表性，下面就以裙部和戰斗部的套裝，來說明套裝粘接的工藝技術，裙部殼體的套裝所采用的膠粘劑是中溫固化環氧－丁腈膠粘劑，戰斗部的套裝所采用的膠粘劑是室溫固化環氧膠。
熱防護層的套裝粘接工藝過程如圖2所示，熱防護層的套裝結構示意圖如圖3所示。
4 結果與分析
4.1 表面處理
對膠接面進行表面處理可改變表面結構和組成，[-page-] 提高粘接性能。潔凈而有適當粗糙程度的膠接面可保證膠粘劑對其有著良好的浸潤性，是獲得牢固膠接接頭的重要保證條件之一表面處理有有機溶劑清理、噴砂處理、磷酸陽極化處理、表面涂敷銀、銅-鎳等處理方法，對要求不高的膠接裝配件，或條件不允許時，一般采用有機溶劑清理表面，除去水分、灰塵、油污等雜物；若要保證膠接表面有很高的活性層以獲得高的膠接強度，則常采用化學處理，如鋁合金的磷酸陽極化處理、硅橡膠表面涂敷專門配制的表面處理液及符合使用要求的玻璃鋼鍍銀、石英玻璃鍍銅-鎳處理方法。大面積膠接件一般采用噴砂處理，使膠接面有適當的粗糙度，不僅增大膠接件間的膠接面積而且在膠接件間形成機械嚙合，有利于提高粘接強度，膠接表面粗糙度Ra值一般控制在0.8~5.8μm之間，噴砂處理是將混合砂用高壓氣體噴在熱防護層的內表面和金屬殼體的外表面，進行噴砂處理后需要在規定時間內進行產品的膠接。
對室溫固化環氧膠粘劑和中溫固化環氧丁腈膠粘劑分別進行拉剪強度試體測試，試體均進行噴砂表面處理和不噴砂表面處理，進行噴砂表面處理的試體數據遠遠大于不進行噴砂表面處理的試體數據，表明進行噴砂處理的試體能提高粘接強度。
4.2 彈頭套裝膠接質量檢測
由于在彈頭飛行過程中所承受的外力須通過膠層傳遞給殼體，所以不允許有較大面積的局部缺膠，否則會引起彈頭失穩，影響彈頭的命中精度。產品膠接完成后，需要對膠接的質量進行檢測，目前膠接質量檢驗方法主要有目測法、敲擊法、溶劑法、試壓法、測量法、超聲波法、X射線法、聲阻法、液晶法、激光法等，但尚無較為理想的非破壞性檢驗方法。彈頭套裝膠接質量可采用目測法、敲擊法、超聲波無損檢測多種方法結合進行檢測。目測法就是用肉眼或放大鏡觀察膠層有無裂縫、孔洞、缺膠；敲擊法是用膠木錘對套裝的殼體進行敲擊粘接部位，發出清脆的聲音表明粘接良好；聲音變得沉悶沙啞，表面里面可能有大氣孔或夾空、高層和脫粘等缺陷；無損檢測是采用超聲探傷檢測技術，檢測設備采用NDTCA空氣耦合非接觸超聲波探傷儀，主要用于金屬或非金屬復合材料的粘接質量檢測。NDTCA的基本操作模式是through-transmission穿透傳輸模式，該模式使用U型固定支架將一對發散和接受傳感器分別固定在支架兩端，在此檢測模式下，超聲波束穿過被測材料并且北接收端接收檢測。被測材料內部缺陷狀態是由超聲波束在材料中傳輸所受到的阻礙和反射而發生非正常衰減之后反應在NDTCA儀器顯示屏上，無損檢測方法能大限度體現產品的膠接質量。
按上述工藝路線及方案制備的套裝粘接制品，對套裝好的多件產品進行目測法、敲擊法、超聲波無損檢測多種方法結合，無損檢測檢測結果發現裙部和戰斗部殼體端面與鋁殼體粘接質量均未見異常，整個殼體只有幾處信號不強面積不等的脫粘，多件產品的脫粘面積均不超過整個粘接面積的2％，從套裝檢測結果來看，套裝后的產品粘接質量良好，完全滿足設計的要求。圖4所示為脫粘面積區域示意圖（圖中帶標記的為探傷信號不強的脫粘區域）
5 結束語
熱防護層的套裝粘接工藝已經取得了較快的發展，其膠接技術服務于導彈彈頭、宇宙飛船、航天飛機等相關領域。在膠粘劑選擇、膠接面的表面處理、膠接工藝質量檢測等方面積累了一定的技術基礎，可以根據不同的防熱要求進行工藝方案選擇。
1 前 言
再入飛行器（導彈彈頭、宇宙飛船、航天飛機等）在鞏固國防、探索外層空間等方面扮演著重要角色，導彈彈頭及航天器的結構殼體表面均帶有熱防護層，其外層的熱防護材料在再入飛行器重返大氣層時起著極為重要的作用，保護飛行器內部免受高溫高速氣流沖蝕，同時在一定時間內阻止熱量向內部傳遞。由于防熱材料與結構材料線膨脹系數的差異，不允許于高溫高壓下在殼體上直接成型熱防護層，這樣，粘接便成為不可缺少的設計內容，在某些場合甚至還成為產品設計的關鍵。與機械連接相比，粘接的優點是相當突出的，尤其對于復合材料的連接更是如此。通過界面的粘附和物質的內聚等作用，能使兩種或兩種以上的制件或材料連接在一起的天然的或合成的、有機的或無機的一類物質，統稱為膠粘劑（adhesive），利用膠粘劑將各種材質、形狀、大小、厚薄、軟硬相同或不同的制件或材料連接成為一個連接牢固穩定整體的過程，叫做粘接（bond），因此防熱材料與結構材料之間必須采用套裝粘接技術。同時，再入飛行器需要承受一系列特殊的環境條件，必須考慮粘接體系的應變能力。一般來說可采用三種粘接結構，即剛性、半剛性和柔性粘接結構，以適應不同的需要。本文將以導彈彈頭的大面積熱防護層套裝粘接進行研究和探討。
導彈彈頭防熱結構通常由熱防護層、隔熱層和承力結構三部分組成，為保證它們在彈頭飛行和再入大氣層環境下能協調相容，必須采用柔性的膠粘系統把它們組合在一起，廣泛應用的彈頭各部段套裝粘接技術，就是這種有效的連接形式。
導彈彈頭通常由端頭、端頭體、上殼體、下殼體及裙部等部分所組成。除端頭外，其余部件均由熱防護層與殼體通過膠粘劑套裝粘接成整體，見圖1。防熱材料根據端頭的再入速度和所承受的熱環境不同，可采用玻璃-酚醛、高硅氧-酚醛及碳-酚醛燒蝕復合材料。結構殼體采用鋁合金、鋁-泡沫塑料-鋁夾層結構及碳-環氧結構復合材料。
在彈頭再入大氣層時，防熱制品外壁溫度高達數千度，而鋁合金金屬彈體的許用使用溫度設計為≤110℃,彈內儀器或戰斗部許用溫度設計為≤80℃，因此選擇合理的套裝用膠粘劑對金屬彈體和彈內儀器或戰斗部的防熱起到至關重要的作用。導彈彈頭套裝用膠粘劑的選擇，主要取決于彈頭所承受的熱環境以及防熱材料的性質等因素，通過選擇合理的膠粘劑和套裝工藝，來保證彈頭的防熱材料與結構材料之間的套裝滿足設計的要求。[-page-]
2 膠粘劑的選擇和性能
彈頭防熱結構的套裝粘接，是用適當的膠粘劑把彈頭各部段的熱防護層和相應部段的金屬殼體套裝粘接在一起的大面積連接技術。根據彈頭結構的特殊性，多由不同材料、不同結構的零部件組合而成。選用膠粘劑時，除考慮材料、結構本身的特性，膠接件允許的固化溫度、壓力、施工方便等條件，還應著重考慮膠粘劑與被粘膠材料之間的相容性，特別是線膨脹系數和加熱速度的差異，以及被粘接材料因變形而造成脫粘等不利因素。大面積熱防護層的套裝膠粘劑必須具備以下特性，①一定的耐溫性(l00~120℃）；②室溫或中溫（≤80℃）條件下固化似避免產生過大的熱應力；③能適應大部件裝配間隙的不均勻性而保證膠縫充滿；④膠液應具有較長的適用期而不含溶劑。室溫固化環氧膠粘劑、中溫固化環氧-丁腈型膠粘劑適用于導彈頭部的大面積套裝粘接。
2.1 室溫固化環氧膠粘劑
該膠粘劑系以雙酚A環氧樹脂（618#）為基體、以四乙烯五胺為固化劑、加入增塑劑、填料及觸變劑所組成的琥珀色粘稠液，具有觸變性能，適用于大部件之間的套裝粘接。通過調正配方，又可獲得流動型膠粘劑及不流動型膠粘劑，前者適用于一般零部件的粘接，后者則作為縫隙填充粘接和密封粘接更為適宜。
室溫固化環氧膠對多種金屬和非金屬材料均具有良好的粘接性能，能在-40~100℃溫度范圍內使用；用熱質損（TGA）測定的質量損失曲線表明，該室溫固化環氧膠開始質量損失的溫度大于160℃，熱分解溫度為370℃，質量損失率為50%的溫度為435℃。因此室溫固化環氧膠在100℃以下使用是可靠的。
室溫固化環氧膠具有優良的抗老化性能，在t=20±5℃、RH=60~70%條件下貯存十年，粘接鋁與玻璃-酚醛或玻璃-酚醛與玻璃-酚醛，其剪切強度不降低。在t=40±2℃、RH＝90~96%條件下恒定濕熱試驗21d,強度無明顯降低。
中程及中遠程導彈彈頭套裝，宜選用室溫固化環氧膠粘劑，它流動性好，既能室溫固化又能滿足100℃以下的使用要求。
2.2 中溫固化環氧-丁睛膠粘劑
該膠粘劑系以雙酚A環氧樹脂（618＃）為基體、以液體羧基丁腈橡膠為增韌劑、咪唑類為固化劑、并加入填料、觸變劑所組成的棕黃色粘稠液體，它具有中溫固化的特點，可作為110℃以下的結構膠粘劑。[-page-]
環氧-丁腈膠粘劑對多種金屬和非金屬材料具有優良的粘接性能見表2。粘接鋁合金時，室溫拉伸強度高達50MPa,粘接鋁與高硅氧-酚醛復合材料時也能大于30MPa，粘接鋁合金的其高使用溫度為150℃，粘接高硅氧一酚醛復合材料時，其使用溫度為110℃。如采用玻璃布作載體，可提高高溫粘接強度。環氧-丁腈膠粘劑的物理性能見表3，膠粘劑于室溫及110℃的拉伸應變及壓縮應變均大于2.5％（此時膠層均未裂）。
環氧-丁腈膠粘劑的抗老化性能優異。用環氧－丁腈膠粘劑粘接的抗剪試樣，分別貯存于庫房及坑道，經六年貯存后膠粘劑的室溫及110℃剪切強度均大于lOMPa。
遠程導彈彈頭套裝，宜選用環氧-丁腈膠粘劑，它粘接性能好，又能滿足110~120℃溫度的使用要求，其耐熱性及韌性均比室溫固化環氧膠粘劑好。[-page-]
3 工藝流程
彈頭各部段套裝粘接件的材料、形狀和粘接工藝過程大體相同，只是由于防熱要求不同而采用不同的膠粘劑。某型號彈頭裙部和戰斗部的套裝粘接，在彈頭各部段套裝粘接中具有代表性，下面就以裙部和戰斗部的套裝，來說明套裝粘接的工藝技術，裙部殼體的套裝所采用的膠粘劑是中溫固化環氧－丁腈膠粘劑，戰斗部的套裝所采用的膠粘劑是室溫固化環氧膠。
熱防護層的套裝粘接工藝過程如圖2所示，熱防護層的套裝結構示意圖如圖3所示。
4 結果與分析
4.1 表面處理
對膠接面進行表面處理可改變表面結構和組成，[-page-] 提高粘接性能。潔凈而有適當粗糙程度的膠接面可保證膠粘劑對其有著良好的浸潤性，是獲得牢固膠接接頭的重要保證條件之一表面處理有有機溶劑清理、噴砂處理、磷酸陽極化處理、表面涂敷銀、銅-鎳等處理方法，對要求不高的膠接裝配件，或條件不允許時，一般采用有機溶劑清理表面，除去水分、灰塵、油污等雜物；若要保證膠接表面有很高的活性層以獲得高的膠接強度，則常采用化學處理，如鋁合金的磷酸陽極化處理、硅橡膠表面涂敷專門配制的表面處理液及符合使用要求的玻璃鋼鍍銀、石英玻璃鍍銅-鎳處理方法。大面積膠接件一般采用噴砂處理，使膠接面有適當的粗糙度，不僅增大膠接件間的膠接面積而且在膠接件間形成機械嚙合，有利于提高粘接強度，膠接表面粗糙度Ra值一般控制在0.8~5.8μm之間，噴砂處理是將混合砂用高壓氣體噴在熱防護層的內表面和金屬殼體的外表面，進行噴砂處理后需要在規定時間內進行產品的膠接。
對室溫固化環氧膠粘劑和中溫固化環氧丁腈膠粘劑分別進行拉剪強度試體測試，試體均進行噴砂表面處理和不噴砂表面處理，進行噴砂表面處理的試體數據遠遠大于不進行噴砂表面處理的試體數據，表明進行噴砂處理的試體能提高粘接強度。
4.2 彈頭套裝膠接質量檢測
由于在彈頭飛行過程中所承受的外力須通過膠層傳遞給殼體，所以不允許有較大面積的局部缺膠，否則會引起彈頭失穩，影響彈頭的命中精度。產品膠接完成后，需要對膠接的質量進行檢測，目前膠接質量檢驗方法主要有目測法、敲擊法、溶劑法、試壓法、測量法、超聲波法、X射線法、聲阻法、液晶法、激光法等，但尚無較為理想的非破壞性檢驗方法。彈頭套裝膠接質量可采用目測法、敲擊法、超聲波無損檢測多種方法結合進行檢測。目測法就是用肉眼或放大鏡觀察膠層有無裂縫、孔洞、缺膠；敲擊法是用膠木錘對套裝的殼體進行敲擊粘接部位，發出清脆的聲音表明粘接良好；聲音變得沉悶沙啞，表面里面可能有大氣孔或夾空、高層和脫粘等缺陷；無損檢測是采用超聲探傷檢測技術，檢測設備采用NDTCA空氣耦合非接觸超聲波探傷儀，主要用于金屬或非金屬復合材料的粘接質量檢測。NDTCA的基本操作模式是through-transmission穿透傳輸模式，該模式使用U型固定支架將一對發散和接受傳感器分別固定在支架兩端，在此檢測模式下，超聲波束穿過被測材料并且北接收端接收檢測。被測材料內部缺陷狀態是由超聲波束在材料中傳輸所受到的阻礙和反射而發生非正常衰減之后反應在NDTCA儀器顯示屏上，無損檢測方法能大限度體現產品的膠接質量。
按上述工藝路線及方案制備的套裝粘接制品，對套裝好的多件產品進行目測法、敲擊法、超聲波無損檢測多種方法結合，無損檢測檢測結果發現裙部和戰斗部殼體端面與鋁殼體粘接質量均未見異常，整個殼體只有幾處信號不強面積不等的脫粘，多件產品的脫粘面積均不超過整個粘接面積的2％，從套裝檢測結果來看，套裝后的產品粘接質量良好，完全滿足設計的要求。圖4所示為脫粘面積區域示意圖（圖中帶標記的為探傷信號不強的脫粘區域）
5 結束語
熱防護層的套裝粘接工藝已經取得了較快的發展，其膠接技術服務于導彈彈頭、宇宙飛船、航天飛機等相關領域。在膠粘劑選擇、膠接面的表面處理、膠接工藝質量檢測等方面積累了一定的技術基礎，可以根據不同的防熱要求進行工藝方案選擇。
