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C/C复合材料粘接用胶粘剂的选择
耐高温胶粘剂目前没有严格的界限,一般在200~C以上长期使用的胶粘剂,通常被称为耐热胶粘剂,一般的聚合物胶粘剂较高使用温度仅350oC,温度再高只能短期或瞬间使用川。而无机胶粘剂耐热温度虽然很高,但粘接强度和耐久性能很差,无法用于结构粘接。各种胶粘剂长期使用温度如下:
1O00~C——无机/有机杂化胶粘剂(瞬间耐高温);
800~C— —无机胶粘剂;
4oocI=—— 酚醛树脂改性有机硅聚合物;
350~C——聚苯并咪唑、聚酰亚胺;
3oocI=——有机硅聚合物、双马来酰亚胺;
20o℃一一环氧树脂、缩醛或橡胶改性酚醛树脂。
其中有机硅聚合物、酚醛树脂、聚苯并咪唑和聚酰亚胺作为耐热性能优异的高分子材料翻,广泛用于耐热材料的粘接。有机硅聚合物由于固化温度较低,并具有良好的韧性,主要用做密封胶粘剂;聚酰亚胺由于耐热老化性能优异,粘接强度较高,主要用于航空、航天领域的耐高温结构粘接;酚醛树脂由于含有大量苯环,高温下可以碳化形成石墨化层和碳化层,因此瞬间耐热性能优异,在航空、航天瞬间耐热胶粘剂领域得到广泛应用;而聚苯并咪唑虽然耐热性能优异,但制备工艺复杂、成本过高、粘接强度过低,工艺性能差,在胶粘剂领域已经不再使用141。 .
C/C复合材料由于具有良好的耐热性能和力学性能,因此所选择的胶粘剂也同样要求具有与之相匹配的良好耐热性能和力学性能,以克服外界各种破坏作用。此外航天、航空器还要求粘接部件长期贮存性能基本不变,所以胶粘剂还要具有良好的耐久性能,保证长期贮存条件下,性能下降符合可靠性要求。
由于C/C复合材料的制造难度大,应用部位大多结构复杂,并处于高温和振动环境中,其较高温度可以达到几百度甚至上千度。此外由于导弹等航天器还要求在多变的气候和环境下长期储存而性能不变,例如:高纬度寒冷的冬季、低纬度炎热的夏季和潮湿的雨季;以及在舰船上长期贮存,受到盐雾腐蚀、高湿热和低振动等破坏作用。如果采用机械连接容易造成应力集中,耐久性能下降,而且还会使结构重量增大,降低有效载荷。所以只有采用胶接技术,才能基本满足使用和贮存要求。这就要求所使用的胶粘剂不仅要具有良好的耐高温性能,特别是瞬间耐高温性能(耐热700~C以上),满足C/C复合材料粘接技术要求;还要求胶粘剂具有良好的韧性和耐久性能,从而保证粘接接头在长期盐雾、湿热、疲劳和冷热交变环境条件下贮存而性能不变。此外胶粘剂还要具有良好的贮存性能和工艺性能,特别是满足在不同温度和时间,以及简单的操作环境下可以正常进行粘接,而且固化温度不很高、固化时间不很长,不会造成C/C复合材料或其它粘接材料由于高温受热,使结构和性能发生变化;以及粘接时不需要预先配胶、涂胶和烘干等工序,例如:将胶粘剂制备成膜状,贮存数月性能不变,粘接时被粘接部件贴上胶膜就可以直接加压升温固化,这样可以简化制造工艺、降低成本、满足对多种材料粘接工艺的要求。
C/C复合材料的特点和应用部位决定了所使用的胶粘剂应具有良好的耐热性能和韧性以满足结构粘接性能要求。可以选择的耐热结构胶粘剂有多种,例如:聚酰亚胺、聚苯并咪唑、有机硅聚合物和酚醛树脂等耐热高分子材料,其中虽然前两者耐热性能优异,但其固化温度高;有机硅聚合物虽然耐热性能和韧性优异,但粘接强度低,不能作为结构粘接材料使用;而酚醛树脂尽管耐热性能低于前三者,但羟甲基活性高、固化温度低于聚酰亚胺和聚苯并咪唑,而且其粘接强度高,高温下表面可以形成石墨化层和碳化层,减缓内部被氧化速度,因此可以作为瞬间耐高温胶粘剂使用,现阶段瞬间耐高温胶粘剂大多采用酚醛树脂体系,而对于长期高温使用的结构胶粘剂或复合材料基体树脂则多采用聚酰亚胺体系。为满足胶粘剂固化温度低,瞬间耐热性能优异等技术要求,选择热固性酚醛树脂为主体,并以有机硅聚合物等进行改性,以提高其耐热性能和韧性可以获得性能良好的瞬间耐高温胶粘剂。
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