碳纖維復合材料抗原子氧層膠接工藝研究

郝玉 余虎 張躍峰 徐云研 李曉曉

摘要：鋁箔、碳纖維的熱膨脹系數相差懸殊，在碳纖維上粘貼鋁箔進行熱真空試驗后，鋁箔會出現氣泡、鼓包現象。文章進行了大量的試驗研究，在工藝特點分析和工藝試驗的基礎上，采用合理的工藝方法來制備抗原子氧層，確定了碳纖維復合材料表面粘貼鋁箔的最優工藝方法，解決了熱真空試驗后，鋁箔出現鼓包脫粘的工藝難點，滿足了航天器工作狀態的使用要求。

關鍵詞：鋁箔;熱膨脹系數;碳纖維復合材料;熱真空實驗

中圖分類號：TQ342⁺.742 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0061-04

0引言

熱真空實驗，是將航天器產品在真空和所需的溫度循環條件下進行的實驗，是驗證航天器產品功能、檢驗航天器制造工藝，驗證航天器在規定的壓力和溫度條件下是否滿足設計要求的指標。在熱真空實驗中，原子氧作為200～700km低地球軌道殘余大氣的主要成分，具有極強的化學活性，當原子氧撞擊在航天器表面時，會對航天器表面材料造成嚴重的氧化剝蝕作用，使航天器材料或器件性能下降或失效，是低軌道航天器表面材料或器件性能衰退的主要因素之一。

碳纖維復合材料作為一種新型的高溫結構材料，低比重、比強、高比模量、低的熱膨脹系數，抗熱沖擊和抗燒蝕和一系列優異的性能，更重要的是碳纖維復合材料在高溫條件下不會失效，在新一代航天器飛行器熱防護系統具有難以比擬的優。

然而，碳纖維復合材料作為航天器的防熱構件，隨著航天器進入外太空，直接暴露在嚴酷的太空中，它受到原子氧、熱循環、紫外線輻射、帶電粒子輻射等空間環境的作用，其結構性能的演化將直接影響其使用安全性。因此，通過制備防護層來抗原子氧是保證材料或器件在軌性能和壽命的重要手段。

1工藝關鍵技術研究

目前，抗原子氧方法主要有3類：①研制耐原子氧剝蝕的新材料;②用金屬箔層或防護布進行包覆;③在基底材料上沉積防護涂層。其中，在材料表面上沉積防護涂層的方法是目前國內外普遍采用的抗原子氧方法，一般在材料表面用金屬箔層進行包覆，本文用鋁箔作為保護層，通過制定合理的工藝方法在碳纖維復合材料表面進行粘貼，研究制備抗原子氧的工藝方法。

碳纖維復合材料表面粘貼鋁箔的工藝難點在于鋁箔厚度精度高，航天器所用鋁箔厚度一般為0.05mm，光滑且不透氣，粘貼時氣泡無法全部排出，同時鋁箔的熱膨脹系數為（18.8～23.6）×10^-6/%、碳纖維熱膨脹系數為（-0.56～-0.7）x 10^-6/℃，兩者熱膨脹系數相差較大，在熱真空試驗過程中，鋁箔所受的張應力越大，當這個張應力超過了涂層自身的抗張強度極限時，涂層出現裂紋.導致局部出現鼓包脫粘的現象。從而無法滿足衛星軌道環境高真空條件下的要求。本論文以常溫膠粘劑膠接鋁箔來制備抗原子氧保護層，通過對膠粘劑種類、涂膠方式等工藝參數進行優化，制備出無鼓包的抗原子氧保護層，從而滿足了航天器產品的使用要求。

2碳纖維抗原子氧保護層制備工藝研究

2.1工藝流程

目前，碳纖維復合材料表面粘貼鋁箔，使用的膠粘劑有兩種：J-133膠粘劑和Araldite420膠粘劑，兩者均為常溫固化膠粘劑，是衛星天線等復合材料膠接常用的膠粘劑，抗原子氧保護層制備工藝流程如圖1所示。

2.2涂膠工藝方法的優化

涂膠方式分為點膠和涂膠2種，點膠是膠粘劑非連續分布，如圖2所示，涂膠是膠粘劑連續分布，分為面涂膠和線涂膠兩種，如圖3和圖4所示。

根據膠粘劑的種類和涂膠方式，制備試樣，試樣制備參數如表1所示：

2.3結果與討論

將制備的試樣進行熱真空試驗，對鋁箔表觀進行觀察，分別如圖5～圖7所示。

從圖5一圖7可以看出：J-133膠粘劑和Araldite420膠粘劑制備抗原子氧防護層，在熱真空試驗后，采用面涂膠的工藝方法，表面的鼓包現象最嚴重;采用點膠的工藝方法鋁箔表觀沒有鼓包脫粘現象。

2.4機理分析

從圖2-圖4中膠粘劑的分布來分析，采用面涂膠和線涂膠的工藝方法，膠粘劑呈現連續分布，膠粘劑在碳纖維復合材料和鋁箔之間形成一個封閉的體系，在抗原子氧保護層熱真空試驗過程中，兩種工藝方法都會導致固化過程產生的氣不能及時排出，形成氣泡，氣泡粘貼在鋁箔和碳纖維復合材料之間，導致抗原子氧層產生鼓包;而采用點膠的方式，膠粘劑為非連續分布，膠液和膠液之間存在間隙，有足夠的空間使氣泡得到伸展或者排除，不易形成鼓包。除此之外，點涂膠的工藝方法減少了膠液的使用量，降低了航天器的重量。

2.5結論

通過以上試驗，采用點涂膠的工藝方法制備抗原子氧層，使用常溫膠粘劑J-133膠粘劑和420膠粘劑均無鼓包脫粘現象。

3工藝參數優化

針對具有空間結構的航天器產品，空間尺寸比較復雜，本文從點膠密度、圓角處涂膠工藝來進行工藝參數的優化。點膠密度可以通過膠液距離來控制，如圖8所示，圓角處涂膠工藝方法有點膠、涂膠、搭接3種，點膠如圖8所示，涂膠如圖9所示，搭接如圖10所示。

將膠粘劑固化后，將桿件進行熱真空實驗，實驗結束后對其表觀進行拍照記錄，如圖12～16所示。

圖12可以看出，點膠距離10mm，鋁箔表觀有輕微的鼓包，點膠距離對實驗結果影響不大，在實際生產中，可以根據抗原子氧面積的大小來確定，點膠距離一般控制在15～20mm之間。

本實驗以點膠距離20mm來研究圓角區域鋁箔工藝方法對抗原子氧層的影響，從圖14～圖16中可以看出，在圓角過度區域，采用鋁箔搭接的工藝方法制備的抗原子氧層，經過熱真空試驗后，鋁箔表面平整，沒有鼓包脫粘的現象，將該工藝方法應用在圓形桿件上，表觀如圖17所示。

4結語

原子氧具有極強的化學活性，對低軌道航天器表面材料或器件有嚴重的氧化剝蝕效應，會導致材料或器件性能下降或失效，是低軌道航天器表面材料或器件性能衰退的主要因素之一。本文通過對低軌道航天器原子氧防護面臨的問題進行分析，結合現有的航天器表面材料原子氧防護手段，通過實驗進行航天器抗原子氧層的制備并優化工藝參數，找到了制備原子氧防護層的工藝方法：

1）采用點涂膠的工藝方法來制備抗原子氧層。

2）點涂膠的工藝方法中，點膠密度15mm～20mm制備的抗原子氧層無鼓包脫粘。

3）在航天器空間結構中采用鋁箔搭接的工藝方法制備抗原子氧層。

該工藝方法通過改變膠粘劑的分布以及抗原子氧層的工藝方法達到了設計的要求。為航天器表面材料原子氧防護提供了新的技術方法。