胶粘剂在航空航天工业中的应用
发布时间:2020-05-21 信息来源: 浏览次数:

胶黏剂粘接技术应用最主要的部门是航空工业。由于飞行器的结构采用了粘接工艺,明显地收到减轻结构质量,提高疲劳寿命,简化工艺过程等一系列的良好效果,因而许多国家都把粘接技术作为飞机制造的新工艺。大约在20世纪40年代就开始在飞机制造工业中使用合成胶黏剂了,在所有现代飞机上,几乎没有不采用粘接工艺的。有些飞机,粘接已经成为整个飞机设计的基础。B-58重型超音速轰炸机中,粘接壁板占全机总面积的85%,其中蜂窝夹层结构占90%。每驾飞机用胶量超过400kg,可取代约50万只铆钉。每驾波音747喷气客机用胶膜2500㎡,密封胶450kg。航空工业中常用的胶黏剂有酚醛-缩醛、酚醛-丁腈、酚醛-环氧树脂胶黏剂等。第2代丙烯酸酯胶黏剂已经大量用于飞机制造中,如飞机的行李舱、门、计算机及电子元器件和音响设备的粘接。

 

航天飞行器上有许多特殊的光电构件,要求非常苛刻,需要满足各种环境下使用要求的胶黏剂。耐高温、耐低温,因而必须使用聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚喹啉、聚氨酯、无机等胶黏剂。对宇航中座舱和仪器舱的密封,除了要求能耐高低温外,还要求在超真空下不挥发及耐强烈的离子辐射,故应当采用有机硅密封剂。


在宇航工业中,人造卫星上数以千计的太阳能电池全部都用胶黏剂固定。阿波罗飞船上的指挥舱,登月舱的钛铝合金蜂窝夹层结构采用耐高温的环氧-酚醛胶黏剂粘接。在阿波罗飞船上海采用了聚硫橡胶、聚氨酯胶和聚丁二烯等胶黏剂。卫星与飞船飞越或重返大气层时,外表的耐高温烧蚀材料与容器的固定、火箭液体燃料、-253℃时保温材料与容器的固定,其中的高温胶黏剂与超低温胶黏剂是必不可少的重要材料。


各种轻质金属合金材料和先进复合材料是航天、航空飞行器上使用的主要材料,此外还有门类品种繁多的许多其他材料,它们的性能各异,且差别悬殊,由这些不同材料构成的结构件,它们之间的连接往往不能采用传统的连接方法,而只能采用粘接工艺。

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用于火箭、导弹和卫星等航天器上的粘接材料,除需要满足一般工业用胶黏剂的性能要求外,还需要满足它们处于发射状态、在轨道上运行及重返大气层等所经历的各种特殊环境要求。根据胶黏剂使用部位不同,要求各异,有下述几方面特殊的要求:

(1)导弹弹头再入大气层时的环境特点是经受瞬时高焓高热流和高驻点压力。根据导弹射程不同,其弹头再入速度达十几至几十马赫数,驻点温度达数千摄氏度。要求所用胶黏剂具有超高温下优良的耐烧蚀特性。而当卫星和载人飞船等航天器在人大气层时,其再入环境特点是高焓、低热流、低驻点压力和时间,用于相应部位的胶黏剂必须具有优越的耐烧蚀和绝热特性。

(2)卫星、飞船及其他航天器在轨道上运行,其环境交变温度的范围达几百摄氏度(例如在地球同步轨道上运行的航天器,其环境交变温度为-157~120℃)。用于有关部位的胶黏剂不仅需要有适应严酷的交变温度特性,还必须具有耐高温能粒子及电磁波辐射特性,并且在高真空环境下没有或极少有挥发物及可凝性挥发物释放出来(例如挥发分<1%,可凝性挥发分<0.1%),以免污染航天器上的高精度光学仪器和有关部位。例如:阿波罗飞船勤务舱的观察窗上曾出现云状花纹,便是由于窗结构的密封材料所释放出来的挥发物凝聚造成的


(3)用于液氢、液氧发动机系统的胶黏剂,必须具有耐超低温(-253~-183℃)的优良特性。


(4)在火箭导弹和卫星等航天器采用粘接构件的被粘材料种类多,既有多种金属材料,也有各种无机材料、有机材料和复合材料,经常是不同材料间的粘接。而且由于被粘接部位的结构特殊,因此要求所用胶黏剂与被粘材料有优良的匹配特性和良好的工艺特性,能室温或中温固化,各种各样的苛刻环境条件下,例如舰地导弹必须具有长期耐海水和盐雾侵蚀能力;用于陀螺稳定平台系统的胶黏剂必须具有在真空条件下耐氟氯油的特性。

(5)复合固体火箭推进剂是指火箭提供高速向前运动的能源而在火箭发动机中燃烧的一种高能固态推进剂,它是以胶黏剂将氧化剂和金属燃料等固体颗粒粘接在一起。复合固体的致密物质,其中胶黏剂用量约占10%~20%,除具备将氧化剂与金属粘接在一起成为整体,保持一定几何形状,并提供一定力学性能以承受火箭在装配、运输、贮存、点火燃烧及飞行期间的巨大应力和应变外,同时还怍为产生气体和能量的燃料。因此复合固体火箭推进剂中所用胶黏剂其黏度应较低(通常为几至几十帕·秒),以便充分浸润氧化剂和金属颗粒,并与它们有良好的化学相容性,能组成致密的推进剂药柱;固化时反应速度适当,不产生挥发物,放热量小,固化收缩轻微;与固体火箭发动机壳体内壁的绝热层紧紧相粘;还能提高易燃性和成气性。

作为这种特殊目的使用的胶黏剂,多为高分子预聚物并加入固化剂的胶黏剂体系。最早采用的复合固体火箭推进剂中的胶黏剂是聚硫胶黏剂,例如98%(摩尔分数)二氯乙基缩醛与2%(摩尔分数)二氯丙酮于多硫化钠反应而成的聚硫化物。其力学性能和粘接性能良好,工艺简单,但含硫量多,使提供的能量不理想,且固化温度高,使用上受到限制。20世纪60年代多采用端羧基丁二烯,以其作胶黏剂的推进剂力学性能明显提高,为满足大型固箭、火箭发动机的推进剂要求,又研制成功了端羟基型胶黏剂,如端羟基酯、端羟基醚、端羟基醚三醇聚氯酯等。


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(6)在火箭导弹和卫星等的粘接点焊结构件中,主要是采用先点焊后灌胶工艺,要求固化温度低于80℃,最好为室温,而使用的温度在-45~200℃,为满足上述要求,选用了新型的加成型有机硅凝胶GH-522。

(7)航天飞行器在轨道运行期间,飞行器舱内必须保持一定的压力;以保证各种仪器仪表正常工作。而航天飞行器的运行轨道环境处于高真空,低温及大温差高低温交变状态,具有许多插头孔,各种舱门等的飞行器舱,需要密封的部位多,面积及长度均不小。单纯采用耐低温的橡胶,以通常的静密封形式,如O形圈进行密封,当温度低于-67℃,出现的微小泄露已不能满足飞行器舱内的工作压力要求,耐采用耐低温性好的硅橡胶为主要成分,并加环氧树脂改性的胶黏剂,室温固化,并与上述O形密封圈结合使用,底温下密封性能良好,甚至在O形密封圈受到损坏情况下,由于上述低温密封胶粘剂的作用,仍保证了飞行器舱的密封性要求。



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