耐150℃太陽翼基板結構膠黏劑性能研究

李皓鵬 趙賀一 殷永霞 邱泉水 孫東華

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）

（2 北京工業大學材料與制造學部，北京 100124）

0 引言

深空探測是除衛星應用、載人航天外人類航天活動的又一重大領域［1］，隨著“繞、落、回”探月工程三期任務的順利完成，“天問一號”探測器在火星表面的成功著陸，國家拉開了開展深空探測活動的序幕，然而愈加惡劣的空間環境是航天器尤其是空間電源系統面臨的最大挑戰［2］。

太陽翼基板是航天器電源系統主要結構，起承載太陽能電池片作用，其中剛性基板是應用最為廣泛的結構形式，根據安裝模式和應用方式又分為展開式基板和體裝式基板兩種，前者多為碳纖維網格面板∕鋁蜂窩夾層結構，后者多為碳纖維復合材料面板∕鋁蜂窩夾層結構［3］。太陽翼基板結構在軌的穩定性直接影響太陽電池片的功能發揮。太陽翼在裝星發射、在軌展開和鎖定、姿態與軌道調整、再入著陸過程中均會受到載荷作用，同時空間環境的高溫、空間輻照等影響均可能引起膠黏劑材料的特性變化，在載荷和內應力共同作用下，導致太陽翼基板出現板-芯脫粘等情況，進而產生面板凸起、鼓包等問題，造成電池片的鼓起、彎折甚至碎裂，影響航天器電源系統的在軌壽命［4-5］。因此結構膠黏劑材料尤其太陽翼基板板-芯膠黏劑的耐高溫等空間環境的性能至關重要。

目前太陽翼基板常用板-芯結構膠黏劑以J-47、J-154、Redux312 等中溫固化環氧結構膠膜為主，其應用溫度均在120 ℃以下，針對120 ℃以上滿足空間環境應用的基板板-芯膠黏劑的研究國內外均少有報道。本文介紹一種中溫固化改性環氧樹脂板-芯結構膠黏劑J-159 并研究其力學性能、真空揮發性能、耐帶電粒子輻照性能以及典型件耐熱真空循環性能。

1 實驗

1.1 原材料

J-159、J-47 系列結構膠黏劑，黑龍江省科學院石油化工研究院；鋁蜂窩芯材，西安雅西復合材料有限公司；F46環氧樹脂，上海樹脂廠有限公司；高模量碳纖維，日本東麗；聚酰亞胺薄膜，美國杜邦。

1.2 試樣制備

1.2.1 拉伸剪切試件制備

拉伸剪切性能試件采用鋁-鋁粘接形式，單個鋁合金試片尺寸為70 mm×20 mm×3 mm，膠接前經磷酸陽極化處理，片與片搭接長度為（15±0.5）mm。

1.2.2 夾層結構90°剝離試件制備

夾層結構90°剝離性能試件采用鋁面板∕鋁蜂窩夾層結構，試件規格為260 mm×20 mm，鋁面板厚度分別為0.3 和3 mm，蜂窩規格為0.05 mm×3 mm，鋁面板膠接前經磷酸陽極化處理。

1.2.3 夾層結構彎曲試件制備

夾層結構的彎曲性能試件采用碳纖維復合材料面板∕鋁蜂窩夾層結構形式，試件規格為280 mm×30 mm，高10 mm，面板材料為高模量碳纖維∕環氧樹脂復合材料，鋪層角度［0°∕+45°∕-45°∕90°］，上下面板對稱鋪層，厚度0.32 mm，蜂窩規格為0.05 mm×3 mm，蜂窩L向沿長邊方向。

1.2.4 基板典型樣件的制備

采用J-159板-芯結構膠黏劑制備碳纖維網格面板∕鋁蜂窩夾層結構樣件和碳纖維復合材料面板∕鋁蜂窩夾層結構樣件兩種，規格為600 mm×800 mm，高度為15 mm；鋁蜂窩規格0.03 mm×5 mm；碳纖維網格面板和碳纖維復合材料面板均采用高模量碳纖維∕環氧樹脂復合材料，同時粘接0.05 mm 的聚酰亞胺薄膜，前者為3 mm×3 mm 網格結構，采用纏繞工藝制備，后者直接手工鋪層，鋪層角度［0°∕+45°∕-45°∕90°］，上下面板對稱鋪層，厚度0.32 mm，均采用熱壓罐固化成型。

1.3 性能測試

1.3.1 拉伸剪切性能

與J-47 膠黏劑做性能對照，測試未經歷熱循環和經歷熱循環兩種狀態在不同溫度下的拉伸剪切性能。前者設置室溫、100、130、150℃的溫度條件，后者設置室溫和150℃兩種溫度條件，均按照GB∕T7124—2008《膠黏劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》和GJB 444—1988《膠黏劑高溫拉伸剪切強度試驗方法（金屬對金屬）》進行膠黏劑室溫和高溫條件下拉伸剪切性能測試，其中高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.2 夾層結構90°剝離性能

與J-47 膠黏劑做性能對照，測試蜂窩夾層結構在不同溫度下的90°剝離性能。設置室溫、100、130、150℃的溫度條件，按照GJB 130.8—1986《膠接鋁蜂窩夾層結構90°剝離試驗方法》進行測試，其中高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.3 夾層結構彎曲性能

與J-47 膠黏劑做性能對照，測試在不同溫度下的彎曲性能。設置室溫、100、120、130、140、150℃的溫度條件，按照GB∕T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》進行測試，其中外伸梁三點跨距120 mm，外伸長度60 mm，高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.4 真空揮發性能

按照QJ 1558B—2016《真空條件下材料揮發性能測試方法》對J-159膠黏劑真空條件下材料總質量損失和可凝揮發物進行測試。樣品測試前置于（23±2）℃，相對濕度45%～55%的恒溫恒濕箱中保持24 h，測試時樣品受熱溫度為（125±1）℃，收集板溫度（25±1）℃，真空度優于7 mPa，測試時間為24 h。

1.3.5 耐帶電粒子輻照性能

輻照源為60Co γ 源，輻照總劑量1.36×106rad（Si）。按照GB∕T7124—2008、GJB 444—1988 和GJB 130.8—1986 分別對J-159 輻照前、后在室溫和150℃條件下拉伸剪切性能和夾層結構90°剝離性能進行測試，高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.6 熱真空循環試驗

試驗環境壓力小于6.65 mPa；試驗溫度范圍為-105～+150℃；升降溫平均溫度變化速率大于10 ℃∕min；高溫停留1.5 h，低溫停留1.0 h，循環次數12.5次。

2 結果與討論

2.1 J-159膠黏劑拉伸剪切性能

J-159 和J-47 在未經歷熱循環和經歷熱循環兩種狀態下不同溫度下的膠黏劑拉伸剪切測試結果見表1。由結果分析可知，J-159 和J-47 熱真空循環試驗后與試驗前相比，相同測試溫度下膠黏劑的拉伸剪切性能不下降，表明兩種結構膠黏劑均具有優異的耐熱真空循環特性。J-159 的拉伸剪切性能在室溫至150℃內隨溫度變化較小，在150℃下的拉伸剪切強度相對室溫性能保持率約為89%，而J-47 隨溫度升高性能衰減較為明顯，在150℃下的拉伸剪切強度相對室溫性能保持率僅約為22%。

表1 J-159和J-47膠黏劑拉伸剪切性能Tab.1 Tensile lap-shear strength of J-159 and J-47

2.2 J-159膠黏劑夾層結構90°剝離性能

J-159和J-47在不同溫度下的夾層結構90°剝離性能測試結果見表2。由結果分析可知，在100 ℃時，J-159膠黏劑夾層結構90°剝離強度與J-47相當；在100 ℃之后J-159 膠黏劑性能優勢凸顯，隨溫度的升高性能衰減明顯低于J-47，在150℃條件下J-159膠黏劑的夾層結構90°剝離強度相對于室溫保持率約為58%，而J-47 在150℃條件下夾層結構90°剝離強度相對于室溫保持率不足10%，表明J-159膠黏劑具有更好的耐高溫性能。

表2 J-159和J-47膠黏劑90°蜂窩剝離性能Tab.2 90°peel strength of honey-comb-sandwich structure of J-159 and J-47

2.3 J-159膠黏劑夾層結構彎曲性能

J-159 和J-47 在不同溫度下的夾層結構彎曲強度測試結果見表3和圖1。

圖1 不同溫度下的夾層結構彎曲強度Fig.1 Bending strength of sandwich structure at different temperatures

表3 J-159和J-47膠黏劑夾層結構彎曲性能Tab.3 Flexural property of sandwich constructions of J-159 and J-47

由結果分析可知，采用J-159 和J-47 膠黏劑的夾層結構在室溫和100 ℃條件下彎曲性能相當。采用J-47 膠黏劑的夾層結構彎曲性能在100 ℃之后就開始明顯衰減，到150℃時彎曲強度40 MPa，相對于室溫性能保持率約為16%；而采用J-159膠黏劑的夾層結構彎曲性能在130 ℃之后才開始明顯衰減，到150℃時彎曲強度為145 MPa，相對于室溫性能保持率約為56%。夾層結構彎曲性能的快速衰減是由于膠黏劑材料特性發生變化造成的，J-159 膠黏劑轉變點在130 ℃之后，J-47 膠黏劑轉變點在100 ℃之后，這與膠黏劑材料本身的玻璃化轉變溫度有關。

2.4 J-159膠黏劑真空揮發性能

J-159 膠黏劑在真空環境下總質量損失（TML）為0.606%，可凝揮發物（CVCM）為0.022%，其真空揮發性能滿足航天器對非金屬材料的指標要求，具體測試結果和指標見表4。

表4 J-159膠黏劑真空條件下揮發性能Tab.4 Outgassing performance of J-159 in vaccum

2.5 J-159膠黏劑耐帶電粒子輻照性能

J-159 膠黏劑輻照前、后的拉伸剪切性能和夾層結構90°剝離性能測試結果見表5。

表5 J-159膠黏劑耐帶電粒子輻照性能Tab.5 Anti-charged particle radiation performance of J-159

由結果分析可知，在經過帶電粒子輻照后，J-159 膠黏劑在室溫條件下的拉伸剪切性能保持率為106%，夾層結構90°剝離性能保持率為98%，這說明J-159 膠黏劑分子鏈間結合力較強，在帶電粒子作用下化學鍵斷裂情況和內部缺陷產生較少，具備一定抵抗輻照的能力，可以維持材料本身宏觀力學性能。

2.6 基板典型件耐熱真空循環性能

圖2 為熱真空循環試驗后基板典型件狀態。由結果可知，兩者的貼膜面均未發現氣泡、褶皺、凸起等表觀缺陷，同時采用無損探傷對面板與蜂窩膠接質量進行檢測，也均未發現脫粘現象，這表明J-159板-芯膠黏劑的力學性能和工藝性經受住了150℃高溫真空循環試驗。此外，檢測聚酰亞胺薄膜與基板之間絕緣電阻，均大于10 MΩ；采用刀口尺及塞尺對基板平面度檢測，均小于0.1 mm∕100 mm×100 mm，這說明采用J-159板-芯膠黏劑的碳纖維網格面板基板和碳纖維復合材料面板基板典型件的各項指標均滿足150℃太陽翼基板的應用要求。

圖2 熱真空循環試驗后的基板狀態Fig.2 The state of the substrates after the thermal vaccum cycle test

3 結論

（1）J-159 膠黏劑在150℃下的拉伸剪切強度相對于室溫性能保持率約為89%，夾層結構90°剝離強度保持率約為58%，夾層結構的彎曲強度保持率約為56%，均遠高于J-47膠黏劑。

（2）J-159 膠黏劑的真空總質量損失為0.606%，可凝揮發物為0.022%；經歷1.36×106rad（Si）劑量輻照后拉伸剪切性能和夾層結構90°剝離性能保持率均大于98%，滿足航天器對非金屬材料真空揮發性能和耐帶電粒子輻照性能的要求。

（3）采用J-159膠黏劑制備的兩種剛性基板典型件均經受住150℃的高溫真空循環試驗，外觀質量、膠接質量及電絕緣、平面度均滿足基板產品的應用指標要求，能夠滿足太陽翼基板耐150℃及以下空間環境的使用需求。