7　環氧樹脂膠接材料及膠接技術

　　幾乎所有的構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，特別是對復合材料而言。環氧棚旨則是被作為結構膠接材料使用的主要品種，即使在航空航天業也是如此。另外一種結構膠的主要材料為雙馬樹脂。
　　航空用環氧樹脂膠接材料的主要應用在金屬和金屬、金屬和復合材料、復合材料和復合材料之間的膠接以及作為膠膜使用在復合材料夾層結構中。
7.1　環氧樹脂膠接材料的形式
　　環氧樹脂膠接材料常見的形式包括膠膜、發泡膠和糊狀膠等。
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，另外一面是保護薄膜。使用時將膠膜除去離型紙和保護薄膜后放在兩個膠接面之間，經加溫、加壓而固化。
　　選用膠膜時需要考慮的包括膠膜的力學性能、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。
　　膠膜的力學性能主要考慮剪切強度、剝離強度(夾層結構產品主要使用滾筒剝離)，ASTM和EN均有相關的測試標準。
　　和環氧預浸料類似，環氧膠膜主要分為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的固化制度確定，具體需參考每個產品的技術數據。
7.1.2　發泡膠
　　樹脂膜形狀的發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。當然，也有部分產品以糊狀形式提供，其具有良好的觸變性能，以防止固化之前的流膠。
　　和預浸料相匹配，發泡膠也有120℃和180℃固化兩大類，其另一個特有的指標是發泡率，一般產品在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，一般行業中常見的糊狀膠在航空業界也常見。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，當然也可以在中高溫下固化。
7.2　環氧樹脂結構膠接材料的膠接技術
7.2.1　膠接結構設計
　　非常重要的一點是膠接需要設計的，這一點人們往往會忽視。膠接面常會受到拉伸、壓縮、剪切、剝離、扯拉等應力，而膠接材料在拉伸、壓縮、剪切方面可以體現較好的性能。但在抗剝離、抗扯拉方面則相對較差。所以，在膠接設計時，要盡量將膠接節點形式設計好，以利用膠接強度好的一面，減少使用膠接性能弱的一面。
　　膠接結構設計另一個需要注意的是如何避免應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力集中造成破壞所引起的，這一點在檢測試驗時經常可以看到。
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、規范要求等。和預浸料共固化時，還需要考慮膠接材料和預浸料之間的相容性。
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、環保洗滌液清洗等，由于環保的原因，后者的應用會越來越多。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，并體現有效的膠接強度。但是，對很多膠接材料而言，為了獲得高強度、重復性和長期穩定性，我們需要進行化學預處理來進行表面改性，或者進行化學處理，從而使表面更適合于結構膠接。化學處理包括鉻酸／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，應盡快在短時間內完成膠接。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，應使用膠接用的底膠來保護表面。
　　對復合材料而言，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品的技術數據表中查到，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，而不應依據烘箱或壓機的設置溫度來判斷。
　　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力而造成部件變形。所以，升溫速率不應過陜，有時還需要在固化制度中設置一個加熱平臺，加熱平臺可以使得部件在膠接材料達到關鍵的凝膠溫度前保證部件的溫度均勻。
　　固化結束并完全冷卻以前都應保持壓力，盡管如果沒有應力時，這種壓力是沒有必要的。
　　通過適當的試驗可以對固化制度進行必要的改進，比如，為了使小尺寸部件達到較高的生產效率，可以使用感應加熱技術使膠接材料在更高溫度下短時間固化。具體應該由膠接材料本身的技術參數來確定。
　　有關膠接的設計、選材、表面處理、工藝、質量控制、性能檢驗、膠接失敗形式分析等的詳細論述，可參考赫氏《REDUX膠接技術手冊))。

8　環氧樹脂基功能復合材料

　　一般而言，衡量環氧樹脂基復合材料的主要考量因素是力學性能，所謂輕質高強就是體現的力學性能。但實際上，它還是一種功能材料。環氧樹脂基復合材料的功能應用在航空航天領域中正在被逐步開發出來。
　　以下為環氧樹脂基復合材料作為功能材料的一些應用實例。
8.1　可加工的環氧樹脂基碳纖維模具材料-
　　制造航空航天用復合材料部件的模具通常有兩種，即金屬模具和復合材料模具。金屬模具采用的是后加工的方式來達到產品所需的型面和精度，尺寸精度高，使用壽命長，但其熱膨脹系數和所制造的復合材料部件有很大的差異。所以，產品在加熱固化和冷卻以后有較大的內應力，從而造成產品的變形。同時，模具重量重，能耗也較大。
　　常用的復合材料模具是在母模的基礎上翻制而得，由于模具材料和產品材料屬于同―類型材料，它解決了兩種材料在熱陛能上的差異，從而降低了產品的內應力。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。
　　如何將兩者的優點結合起來，使之既具有金屬模具加工精度高的優點，又具有復合材料模具熱膨脹系數和復合材料部件一致、重量輕的特點，這就需要改善現有復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浸料，有環氧基和雙馬基兩種，適用于不同固化溫度的復合材料部件。模具固化后通過機械加工來達到設計所需的型面和精度。目前，該種材料制作的模具已經被用于制造B787、A350等的復合材料部件。下圖為用HexTool制作的飛機艙門的模具。

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雜的碳纖維復合材料制品，并且適合批量生產。這種材料放棄了連續纖維的抗拉性能，更多的是利用碳纖維復合材料的剛性以及良好的工藝性能，因此，適合制作飛機上的窗框、連接板、鉸鏈等。
　　該材料成功的應用案例之一是用于制作B787上的窗框。由于該產品的使用，使得B787的窗框比常用客機的窗框面積增加了30％以上。豐富的自然光線和寬闊的視野使得B787被譽為視覺好的客機。
　　下圖是使用HexMC制作的碳纖維復合材料窗框樣件。

8.3　防雷擊材料
　　防雷擊問題曾經困擾碳纖維復合材料作為主結構用于民用飛機機身，并且今天還在被質疑中。但是實際上，通過分布于復合材料中的金屬材料的導電性能來解決防雷擊問題已經是一個非常成熟的技術。
　　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，提高生產效率，降低生產成本，以及考慮和結構復合材料基體樹脂的相容性，甚至表面效果等。一種優異的材料必然是基于這些綜合考慮的完美結合。

9　樹脂應用于航空高性能碳纖維復合材料及固化成型技術的發展方向

　　眾所周知，影響復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，針對環氧樹脂基高性能碳纖維復合材料及固化成型技術，基體樹脂應該向哪些方向發展?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碳纖維，樹脂均可以充分發揮應力傳遞功能，從而佳發揮纖維性能
　　樹脂在復合材料中起著應力傳遞的作用，這種作用的高低，直接影響終的材料性能。
　　理論上而言，中模碳纖維和高強碳纖維對樹脂的要求是不一樣的，但在實際生產中，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，或兩種材料在本質上是相同的，按照航空規范的要求，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據也是海量的。
　　所以，同一種基體材料可以適用于中模和高強纖維，并且能佳發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
　　隨著航空航天復合材料部件的尺寸越來越大，并且由于人工鋪貼的局限性，使用自動鋪帶技術和自動鋪絲技術已經成為必然。但并非所有的基體材料都適用于自動鋪貼成型技術，所以，基體材料滿足自動鋪貼成型工藝要求是發展該材料的主要目標之一。
9.3　高溫下仍有良好的濕熱性能
　　高性能航空航天復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
　　所謂零吸膠預浸料的概念現在已經普遍被行業所接受。過去一般認為，預浸料中氣泡的排除必然伴隨著樹脂的析出?，F在，技術有了相當的進步，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，預浸料固化以后的復合材料照樣可以滿足航空復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合材料基體樹脂必須要達到的技術要求。
9.5　低放熱峰性能使超厚的單板結構一次成型
　　A380的翼是航空復合材料部件中大的承力構件之一，單板結構的厚度在50毫米左右。按傳統材料和工藝，由于放熱峰的問題，如此厚的板材很難一次成型。
　　另一方面，一次成型大型結構件的優勢是顯而易見的，所以，制造大型商用飛機用復合材料構件必須要解決超厚板材和放熱峰之間的矛盾。M21預浸料則成功地解決了放熱峰的問題，并在工藝性能和機械『生能上滿足翼的要求。
9.6　優異的韌性和較高的沖擊后剩余壓縮強度
　　部分航空復合材料設計師非常關注CAI(Compress After Impact)數值，盡管也有部分設計師對CAI有不同看法。為滿足這樣一種關注，航空預浸料生產廠家通過各種手段來增加復合材料的韌性，提高沖擊以后的抗壓強度，例如在樹脂中添加增韌材料，或在增強材料上附著增韌材料等。
　　目前，公開資料顯示，M91／IM7預浸料固化后按ASTMl37方法測試，在30.5J沖擊以后的CAI值可以達到358 MPa。
9.7　良好的粘性壽命和外置壽命
　　隨著復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合材料航空部件的制造成本居高不下，也為眾多企業進入該行業設置了較高的門檻，這對航空復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物。

10　結　語

　　隨著B787交付和A350的飛，碳纖維復合材料在航空工業的應用進人了一個嶄新時期，也提供了一個廣闊的市場，這個市場需要材料的創新，需要工藝的創新，更需要思維的創新。
　　本文有關碳纖維復合材料在航空工業中的應用技術只能介紹極小部分，更多地有待探索，特別是創新材料和技術，有些是革命性的，甚至會顛覆我們現有的概念和整個體系，這種顛覆并非胡思亂想，它會給行業帶來全新的變化，需要引起充分的關注。
　　我們應該跟蹤國際上復合材料的發展方向，但不應固守現有的技術和水平；我們必須承認和國際先進水平的差距，但這種差距不可能永恒。腳踏實地，從每一個數據做起，努力創新，從每一個想法干起，這種差距就能縮小。所以，復合材料人任重而道遠。