陶瓷透波材料的特性及粘接強度影響研究

王響　張慶利　王艷艷　王洪升　唐建新

摘 要：陶瓷透波材料除了具備無機材料的表面特性外，還具有滿足介電性能的材料密度和孔隙率。陶瓷透波材料特點決定了材料粘接需要進行測試和分析。進行了陶瓷透波材料的粘接試驗，從陶瓷透波材料方面分析了影響粘接強度的因素，進行了石英陶瓷（QC）、石英纖維復合陶瓷材料（QFC）、氮化硅陶瓷（SNC）的粘接強度試驗，分析了陶瓷透波材料結構、強度、表面粗糙度和表面孔隙對粘接強度的影響。結果表明：硅橡膠膠粘劑對幾種陶瓷材料的粘接強度差別在5%～10%，而環氧樹脂膠粘劑的粘接強度大于陶瓷透波材料的強度，出現被粘物破壞情況。

關鍵詞：粘接試驗；陶瓷透波材料；膠粘劑

中圖分類號：TQ433.4 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0007-03

Characteristics and adhesive strength study of wave permeable materials for ceramic antenna hoods

WANG Xiang1，ZHANG Qingli2，WANG Yanyan1，WANG Hongsheng1，TANG Jianxin1

（1.Shandong Industrial Ceramic Research and Design Institute Co.，Ltd.，Zibo 255000，Shandong China；2.Engineer Military Representative Office of PLA Air Force Equipment Department in Jinan Region，Jinan 250023，China）

Abstract：In addition to the surface properties of inorganic materials，ceramic permeable materials also possess the density and porosity of dielectric materials. The characteristics of ceramic permeable materials determine the need for testing and analysis of material bonding.Adhesive testing of ceramic permeable materials was conducted，and the factors affecting the adhesive strength of the permeable material were analyzed.Mainly，adhesive strength tests of quartz ceramic （QC），quartz fiber ceramic （QFC），and silicon nitride ceramic （SNC） were performed to analyze the influence of the structure，strength，surface roughness，and surface pores of ceramic materials on the adhesive strength.Results show that the adhesive strength difference of silicone rubber adhesive for ceramic materials is between 5%-10%;however，the adhesive bond strength of epoxy resin is greater than that of ceramic material，when the matrix failure occurs.

Key words：adhesive testing;ceramic permeable materials;adhesive

針對某bipod柔性支撐式次鏡組件，分析了膠縮對面形的影響，并針對真空放氣試驗后的面形下降問題，采用消應力與熱浸泡相結合的方式有效解決了面形下降的問題［1］。研究了某型航空發動機外涵機匣復合材料損傷深度為0.5 mm的粘接修復典型試驗件在不同溫度下的熱振綜合性能，綜合考核了溫度、振動、受力方向等參數對復合材料粘接修補件的影響［2］；進行了發動機多層橡膠粘接結構超聲波圖像缺陷識別的研究［3］；為提升直升機槳葉包片粘接質量，開展激光毛化技術在不同材料包片粘接前表面處理工藝中的有效性研究［4］。采用不同的粘接體系對自粘樹脂水泥膠結的纖維增強復合樹脂樁進行粘接強度評價［5］；采用3D打印托盤對瓷貼面進行可預測的三維導向粘接［6］；采用強脈沖光表面處理改善鋁與碳纖維增強復合材料（ CFRP ）的粘接性能［7］。

研究主要采用幾種常用的陶瓷透波材料，以陶瓷組件的裝配為應用背景，進行了石英陶瓷（QC）、石英纖維陶瓷材料（QFC）、氮化硅陶瓷材料（SNC）的粘接強度研究，從陶瓷透波材料方面分析了影響粘接強度的因素。

1 試驗方案

本研究以壓縮剪切強度（以下簡稱壓剪強度）為主要指標測試粘接件的粘接強度，將粘接破壞載荷在粘接面上的分布視為均勻分布，采用單位面積上的載荷作為壓剪強度，計算公式：

式中：δ為壓剪強度，MPa；F為破壞載荷，N；S為粘接面積，mm2；L為粘接寬度，mm；H為粘接高度，mm。

將陶瓷透波材料和的金屬連接件（銦鋼材料）加工成試樣，制備單搭接接頭樣件，尺寸如圖1所示。

在研究的試驗中，陶瓷透波材料采用乙酸乙酯表面除油；金屬材料采用噴砂粗化處理。粘接件膠層厚度為0.2～0.3 mm。

主要試驗材料和設備為：J-1硅橡膠膠粘劑和J-2環氧樹脂膠粘劑，黑龍江省科學院石油化工研究所；電子拉力試驗機，濟南聯工；表面粗糙度儀，時代TR150；AE200電子天平，美國Mettler。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

試驗中采用金屬-金屬粘接試樣作為對照組，試樣結果如圖2所示。

從圖2可以看出，J-1硅橡膠膠粘劑對于3種陶瓷材料的粘接強度大小有著0.5～1.0 MPa的差異，壓剪強度大小依次為SNC、QC、QFC。QC和QFC此2種陶瓷試塊壓剪破壞界面為界面破壞。SNC粘接陶瓷材料的壓剪強度與對金屬粘接強度基本一致，界面破壞均為膠層內聚性破壞。J-2環氧樹脂膠粘劑對3種陶瓷透波材料的壓剪強度處于11～14 MPa，約為金屬-金屬粘接強度的50%。

2.2 影響因素分析

2.2.1 表面微觀結構的影響

QC材料和SNC材料均為顆粒堆積結構，具有一定的孔隙率，孔隙率的大小與原材料粉體顆粒大小、成型工藝和燒結溫度等因素有關。QFC材料也會在復合工藝過程中產生一定的氣孔率。材料孔隙率分為顯氣孔率和閉氣孔率，對于粘接過程而言，顯氣孔率對膠體與陶瓷表面界面產生明顯影響。試驗中的QC、QFC和SNC材料的顯氣孔率如表1所示。

對于粘接面的孔隙，如果膠體能夠在孔內表面充分浸潤接觸，形成“鉚釘”結構物理連接，則有利于提高粘接強度；如果膠體無法對孔隙充分浸潤填充，則會產生結構缺陷，不僅造成實際粘接面積的減少，還會產生應力集中現象，降低粘接強度，如圖3所示。

將粘接破壞后的QC和SNC試塊切開，對陶瓷透波材料的剖面進行觀察，發現膠體會在陶瓷透波材料表面形成一定深度的滲透層。粘接件的界面結構形成金屬件-膠層-滲透層-陶瓷材料的界面結構，具體如圖4所示。

材料顯氣孔率差異會導致膠粘劑在陶瓷表面的滲透深度形成明顯差異。氣孔率更高的材料，表面膠層滲透深度明顯更大，SNC表面滲透深度約為0.2 mm，QC表面滲透深度為0.1 mm，如圖5所示。SNC材料與QC材料膠體滲透深度與顯氣孔率表現出明顯的相關性。

由于QFC材料具有纖維與陶瓷材料復合的結構，在表面容易出現纖維與陶瓷基體2種不同的界面結構，造成粘接的不均勻性。QC與SNC等均質材料相比，纖維的空間結構使復合材料的界面結構具有先天性的不均勻度，是石英纖維復合材料試樣粘接強度較低的原因。

QFC材料表面形貌如圖6所示。

從圖6可以看出，QFC材料表面顯現出纖維交織的結構，表面微觀結構的形貌差異很大。

2.2.2 表面粗糙度的影響

材料表面粗糙度大，一方面可以使膠體與陶瓷表面產生交錯界面結構；另一方面從微觀結構上增加了實際粘接面積，所以粗糙的表面可以獲得較好的粘接效果。在試塊表面上取A、B、C、D這4個點，測試粗糙度表征3種透波材料的表面狀態，測試點位及粗糙度測試儀探針運動方向如圖7所示，測試中取樣長度λc=（2.5×5）mm。

3種陶瓷透波材料的粗糙度測試結果如表2所示。

由表2可知，QFC試樣表面雖然具有最大的粗糙度，但是離散系數同樣最大，說明材料不同部位表面有較大差異。材料表面與膠體粘接面具有明顯的不均勻性，造成很難獲得較高的粘接強度。QC和SNC作為均質陶瓷材料，材料表面粗糙度低，但是離散系數小，表面粗糙度具有良好的均勻性。SNC表面粗糙度比QC大約0.2～0.4 um，意味著粘接件更容易獲得理想的粘接效果。

2.2.3 透波材料強度的影響

在J-2膠粘劑的試驗中，陶瓷透波材料粘接強度約為金屬對照組的50%，試塊界面破壞發生在被粘材料上，粘接試塊壓剪破壞情況如圖8所示。

由圖8可以看出，QC試樣破壞狀態未界面破壞和材料破壞的混合型，QFC為復合材料表面纖維剝離造成的界面破壞，SNC試塊則出現破碎性的破壞。

QC、QFC和SNC材料的彎曲強度分別為52 、81和78 MPa；而J-2膠體彎曲強度為87 MPa，說明被粘物破壞的主要原因為膠體強度大于陶瓷透波材料強度，環氧樹脂膠粘劑對陶瓷透波材料具有良好的粘接效果。

3 結語

陶瓷透波材料的種類是影響粘接強度的重要因素。陶瓷透波材料自身材料強度、表面粗糙度和表面顯氣孔率等性能是影響粘接件強度的重要因素，需要進一步研究和優化。

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收稿日期：2022-08-09；修回日期：2023-04-03

作者簡介：王 響（1988-），男，碩士，工程師，主要從事陶瓷材料方面研究;E-mail：1334743653@qq.com。

引文格式：王 響，張慶利，王艷艷，等.陶瓷透波材料的特性及粘接強度影響研究[J].粘接，2023，50（6）：7-9.