热防护层套装粘接技术研究
摘要；本文着重介绍了两种环氧胶粘剂对不同的热防护层进行套装粘接的技术方法，并对胶接表面处理、胶接工艺质量检测进行了探讨。
1 前 言
再入飞行器（导弹弹头、宇宙飞船、航天飞机等）在巩固国防、探索外层空间等方面扮演着重要角色，导弹弹头及航天器的结构壳体表面均带有热防护层，其外层的热防护材料在再入飞行器重返大气层时起着极为重要的作用，保护飞行器内部免受高温高速气流冲蚀，同时在一定时间内阻止热量向内部传递。由于防热材料与结构材料线膨胀系数的差异，不允许于高温高压下在壳体上直接成型热防护层，这样，粘接便成为不可缺少的设计内容，在某些场合甚至还成为产品设计的关键。与机械连接相比，粘接的优点是相当突出的，尤其对于复合材料的连接更是如此。通过界面的粘附和物质的内聚等作用，能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质，统称为胶粘剂（adhesive），利用胶粘剂将各种材质、形状、大小、厚薄、软硬相同或不同的制件或材料连接成为一个连接牢固稳定整体的过程，叫做粘接（bond），因此防热材料与结构材料之间必须采用套装粘接技术。同时，再入飞行器需要承受一系列特殊的环境条件，必须考虑粘接体系的应变能力。一般来说可采用三种粘接结构，即刚性、半刚性和柔性粘接结构，以适应不同的需要。本文将以导弹弹头的大面积热防护层套装粘接进行研究和探讨。
导弹弹头防热结构通常由热防护层、隔热层和承力结构三部分组成，为保证它们在弹头飞行和再入大气层环境下能协调相容，必须采用柔性的胶粘系统把它们组合在一起，广泛应用的弹头各部段套装粘接技术，就是这种有效的连接形式。
导弹弹头通常由端头、端头体、上壳体、下壳体及裙部等部分所组成。除端头外，其余部件均由热防护层与壳体通过胶粘剂套装粘接成整体，见图1。防热材料根据端头的再入速度和所承受的热环境不同，可采用玻璃-酚醛、高硅氧-酚醛及碳-酚醛烧蚀复合材料。结构壳体采用铝合金、铝-泡沫塑料-铝夹层结构及碳-环氧结构复合材料。
在弹头再入大气层时，防热制品外壁温度高达数千度，而铝合金金属弹体的许用使用温度设计为≤110℃,弹内仪器或战斗部许用温度设计为≤80℃，因此选择合理的套装用胶粘剂对金属弹体和弹内仪器或战斗部的防热起到至关重要的作用。导弹弹头套装用胶粘剂的选择，主要取决于弹头所承受的热环境以及防热材料的性质等因素，通过选择合理的胶粘剂和套装工艺，来保证弹头的防热材料与结构材料之间的套装满足设计的要求。[-page-]
2 胶粘剂的选择和性能
弹头防热结构的套装粘接，是用适当的胶粘剂把弹头各部段的热防护层和相应部段的金属壳体套装粘接在一起的大面积连接技术。根据弹头结构的特殊性，多由不同材料、不同结构的零部件组合而成。选用胶粘剂时，除考虑材料、结构本身的特性，胶接件允许的固化温度、压力、施工方便等条件，还应着重考虑胶粘剂与被粘胶材料之间的相容性，特别是线膨胀系数和加热速度的差异，以及被粘接材料因变形而造成脱粘等不利因素。大面积热防护层的套装胶粘剂必须具备以下特性，①一定的耐温性(l00~120℃）；②室温或中温（≤80℃）条件下固化似避免产生过大的热应力；③能适应大部件装配间隙的不均匀性而保证胶缝充满；④胶液应具有较长的适用期而不含溶剂。室温固化环氧胶粘剂、中温固化环氧-丁腈型胶粘剂适用于导弹头部的大面积套装粘接。
2.1 室温固化环氧胶粘剂
该胶粘剂系以双酚A环氧树脂（618#）为基体、以四乙烯五胺为固化剂、加入增塑剂、填料及触变剂所组成的琥珀色粘稠液，具有触变性能，适用于大部件之间的套装粘接。通过调正配方，又可获得流动型胶粘剂及不流动型胶粘剂，前者适用于一般零部件的粘接，后者则作为缝隙填充粘接和密封粘接更为适宜。
室温固化环氧胶对多种金属和非金属材料均具有良好的粘接性能，能在-40~100℃温度范围内使用；用热质损（TGA）测定的质量损失曲线表明，该室温固化环氧胶开始质量损失的温度大于160℃，热分解温度为370℃，质量损失率为50%的温度为435℃。因此室温固化环氧胶在100℃以下使用是可靠的。
室温固化环氧胶具有优良的抗老化性能，在t=20±5℃、RH=60~70%条件下贮存十年，粘接铝与玻璃-酚醛或玻璃-酚醛与玻璃-酚醛，其剪切强度不降低。在t=40±2℃、RH＝90~96%条件下恒定湿热试验21d,强度无明显降低。
中程及中远程导弹弹头套装，宜选用室温固化环氧胶粘剂，它流动性好，既能室温固化又能满足100℃以下的使用要求。
2.2 中温固化环氧-丁睛胶粘剂
该胶粘剂系以双酚A环氧树脂（618＃）为基体、以液体羧基丁腈橡胶为增韧剂、咪唑类为固化剂、并加入填料、触变剂所组成的棕黄色粘稠液体，它具有中温固化的特点，可作为110℃以下的结构胶粘剂。[-page-]
环氧-丁腈胶粘剂对多种金属和非金属材料具有优良的粘接性能见表2。粘接铝合金时，室温拉伸强度高达50MPa,粘接铝与高硅氧-酚醛复合材料时也能大于30MPa，粘接铝合金的其高使用温度为150℃，粘接高硅氧一酚醛复合材料时，其使用温度为110℃。如采用玻璃布作载体，可提高高温粘接强度。环氧-丁腈胶粘剂的物理性能见表3，胶粘剂于室温及110℃的拉伸应变及压缩应变均大于2.5％（此时胶层均未裂）。
环氧-丁腈胶粘剂的抗老化性能优异。用环氧－丁腈胶粘剂粘接的抗剪试样，分别贮存于库房及坑道，经六年贮存后胶粘剂的室温及110℃剪切强度均大于lOMPa。
远程导弹弹头套装，宜选用环氧-丁腈胶粘剂，它粘接性能好，又能满足110~120℃温度的使用要求，其耐热性及韧性均比室温固化环氧胶粘剂好。[-page-]
3 工艺流程
弹头各部段套装粘接件的材料、形状和粘接工艺过程大体相同，只是由于防热要求不同而采用不同的胶粘剂。某型号弹头裙部和战斗部的套装粘接，在弹头各部段套装粘接中具有代表性，下面就以裙部和战斗部的套装，来说明套装粘接的工艺技术，裙部壳体的套装所采用的胶粘剂是中温固化环氧－丁腈胶粘剂，战斗部的套装所采用的胶粘剂是室温固化环氧胶。
热防护层的套装粘接工艺过程如图2所示，热防护层的套装结构示意图如图3所示。
4 结果与分析
4.1 表面处理
对胶接面进行表面处理可改变表面结构和组成，[-page-] 提高粘接性能。洁净而有适当粗糙程度的胶接面可保证胶粘剂对其有着良好的浸润性，是获得牢固胶接接头的重要保证条件之一表面处理有有机溶剂清理、喷砂处理、磷酸阳极化处理、表面涂敷银、铜-镍等处理方法，对要求不高的胶接装配件，或条件不允许时，一般采用有机溶剂清理表面，除去水分、灰尘、油污等杂物；若要保证胶接表面有很高的活性层以获得高的胶接强度，则常采用化学处理，如铝合金的磷酸阳极化处理、硅橡胶表面涂敷专门配制的表面处理液及符合使用要求的玻璃钢镀银、石英玻璃镀铜-镍处理方法。大面积胶接件一般采用喷砂处理，使胶接面有适当的粗糙度，不仅增大胶接件间的胶接面积而且在胶接件间形成机械啮合，有利于提高粘接强度，胶接表面粗糙度Ra值一般控制在0.8~5.8μm之间，喷砂处理是将混合砂用高压气体喷在热防护层的内表面和金属壳体的外表面，进行喷砂处理后需要在规定时间内进行产品的胶接。
对室温固化环氧胶粘剂和中温固化环氧丁腈胶粘剂分别进行拉剪强度试体测试，试体均进行喷砂表面处理和不喷砂表面处理，进行喷砂表面处理的试体数据远远大于不进行喷砂表面处理的试体数据，表明进行喷砂处理的试体能提高粘接强度。
4.2 弹头套装胶接质量检测
由于在弹头飞行过程中所承受的外力须通过胶层传递给壳体，所以不允许有较大面积的局部缺胶，否则会引起弹头失稳，影响弹头的命中精度。产品胶接完成后，需要对胶接的质量进行检测，目前胶接质量检验方法主要有目测法、敲击法、溶剂法、试压法、测量法、超声波法、X射线法、声阻法、液晶法、激光法等，但尚无较为理想的非破坏性检验方法。弹头套装胶接质量可采用目测法、敲击法、超声波无损检测多种方法结合进行检测。目测法就是用肉眼或放大镜观察胶层有无裂缝、孔洞、缺胶；敲击法是用胶木锤对套装的壳体进行敲击粘接部位，发出清脆的声音表明粘接良好；声音变得沉闷沙哑，表面里面可能有大气孔或夹空、高层和脱粘等缺陷；无损检测是采用超声探伤检测技术，检测设备采用NDTCA空气耦合非接触超声波探伤仪，主要用于金属或非金属复合材料的粘接质量检测。NDTCA的基本操作模式是through-transmission穿透传输模式，该模式使用U型固定支架将一对发散和接受传感器分别固定在支架两端，在此检测模式下，超声波束穿过被测材料并且北接收端接收检测。被测材料内部缺陷状态是由超声波束在材料中传输所受到的阻碍和反射而发生非正常衰减之后反应在NDTCA仪器显示屏上，无损检测方法能大限度体现产品的胶接质量。
按上述工艺路线及方案制备的套装粘接制品，对套装好的多件产品进行目测法、敲击法、超声波无损检测多种方法结合，无损检测检测结果发现裙部和战斗部壳体端面与铝壳体粘接质量均未见异常，整个壳体只有几处信号不强面积不等的脱粘，多件产品的脱粘面积均不超过整个粘接面积的2％，从套装检测结果来看，套装后的产品粘接质量良好，完全满足设计的要求。图4所示为脱粘面积区域示意图（图中带标记的为探伤信号不强的脱粘区域）
5 结束语
热防护层的套装粘接工艺已经取得了较快的发展，其胶接技术服务于导弹弹头、宇宙飞船、航天飞机等相关领域。在胶粘剂选择、胶接面的表面处理、胶接工艺质量检测等方面积累了一定的技术基础，可以根据不同的防热要求进行工艺方案选择。
1 前 言
再入飞行器（导弹弹头、宇宙飞船、航天飞机等）在巩固国防、探索外层空间等方面扮演着重要角色，导弹弹头及航天器的结构壳体表面均带有热防护层，其外层的热防护材料在再入飞行器重返大气层时起着极为重要的作用，保护飞行器内部免受高温高速气流冲蚀，同时在一定时间内阻止热量向内部传递。由于防热材料与结构材料线膨胀系数的差异，不允许于高温高压下在壳体上直接成型热防护层，这样，粘接便成为不可缺少的设计内容，在某些场合甚至还成为产品设计的关键。与机械连接相比，粘接的优点是相当突出的，尤其对于复合材料的连接更是如此。通过界面的粘附和物质的内聚等作用，能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质，统称为胶粘剂（adhesive），利用胶粘剂将各种材质、形状、大小、厚薄、软硬相同或不同的制件或材料连接成为一个连接牢固稳定整体的过程，叫做粘接（bond），因此防热材料与结构材料之间必须采用套装粘接技术。同时，再入飞行器需要承受一系列特殊的环境条件，必须考虑粘接体系的应变能力。一般来说可采用三种粘接结构，即刚性、半刚性和柔性粘接结构，以适应不同的需要。本文将以导弹弹头的大面积热防护层套装粘接进行研究和探讨。
导弹弹头防热结构通常由热防护层、隔热层和承力结构三部分组成，为保证它们在弹头飞行和再入大气层环境下能协调相容，必须采用柔性的胶粘系统把它们组合在一起，广泛应用的弹头各部段套装粘接技术，就是这种有效的连接形式。
导弹弹头通常由端头、端头体、上壳体、下壳体及裙部等部分所组成。除端头外，其余部件均由热防护层与壳体通过胶粘剂套装粘接成整体，见图1。防热材料根据端头的再入速度和所承受的热环境不同，可采用玻璃-酚醛、高硅氧-酚醛及碳-酚醛烧蚀复合材料。结构壳体采用铝合金、铝-泡沫塑料-铝夹层结构及碳-环氧结构复合材料。
在弹头再入大气层时，防热制品外壁温度高达数千度，而铝合金金属弹体的许用使用温度设计为≤110℃,弹内仪器或战斗部许用温度设计为≤80℃，因此选择合理的套装用胶粘剂对金属弹体和弹内仪器或战斗部的防热起到至关重要的作用。导弹弹头套装用胶粘剂的选择，主要取决于弹头所承受的热环境以及防热材料的性质等因素，通过选择合理的胶粘剂和套装工艺，来保证弹头的防热材料与结构材料之间的套装满足设计的要求。[-page-]
2 胶粘剂的选择和性能
弹头防热结构的套装粘接，是用适当的胶粘剂把弹头各部段的热防护层和相应部段的金属壳体套装粘接在一起的大面积连接技术。根据弹头结构的特殊性，多由不同材料、不同结构的零部件组合而成。选用胶粘剂时，除考虑材料、结构本身的特性，胶接件允许的固化温度、压力、施工方便等条件，还应着重考虑胶粘剂与被粘胶材料之间的相容性，特别是线膨胀系数和加热速度的差异，以及被粘接材料因变形而造成脱粘等不利因素。大面积热防护层的套装胶粘剂必须具备以下特性，①一定的耐温性(l00~120℃）；②室温或中温（≤80℃）条件下固化似避免产生过大的热应力；③能适应大部件装配间隙的不均匀性而保证胶缝充满；④胶液应具有较长的适用期而不含溶剂。室温固化环氧胶粘剂、中温固化环氧-丁腈型胶粘剂适用于导弹头部的大面积套装粘接。
2.1 室温固化环氧胶粘剂
该胶粘剂系以双酚A环氧树脂（618#）为基体、以四乙烯五胺为固化剂、加入增塑剂、填料及触变剂所组成的琥珀色粘稠液，具有触变性能，适用于大部件之间的套装粘接。通过调正配方，又可获得流动型胶粘剂及不流动型胶粘剂，前者适用于一般零部件的粘接，后者则作为缝隙填充粘接和密封粘接更为适宜。
室温固化环氧胶对多种金属和非金属材料均具有良好的粘接性能，能在-40~100℃温度范围内使用；用热质损（TGA）测定的质量损失曲线表明，该室温固化环氧胶开始质量损失的温度大于160℃，热分解温度为370℃，质量损失率为50%的温度为435℃。因此室温固化环氧胶在100℃以下使用是可靠的。
室温固化环氧胶具有优良的抗老化性能，在t=20±5℃、RH=60~70%条件下贮存十年，粘接铝与玻璃-酚醛或玻璃-酚醛与玻璃-酚醛，其剪切强度不降低。在t=40±2℃、RH＝90~96%条件下恒定湿热试验21d,强度无明显降低。
中程及中远程导弹弹头套装，宜选用室温固化环氧胶粘剂，它流动性好，既能室温固化又能满足100℃以下的使用要求。
2.2 中温固化环氧-丁睛胶粘剂
该胶粘剂系以双酚A环氧树脂（618＃）为基体、以液体羧基丁腈橡胶为增韧剂、咪唑类为固化剂、并加入填料、触变剂所组成的棕黄色粘稠液体，它具有中温固化的特点，可作为110℃以下的结构胶粘剂。[-page-]
环氧-丁腈胶粘剂对多种金属和非金属材料具有优良的粘接性能见表2。粘接铝合金时，室温拉伸强度高达50MPa,粘接铝与高硅氧-酚醛复合材料时也能大于30MPa，粘接铝合金的其高使用温度为150℃，粘接高硅氧一酚醛复合材料时，其使用温度为110℃。如采用玻璃布作载体，可提高高温粘接强度。环氧-丁腈胶粘剂的物理性能见表3，胶粘剂于室温及110℃的拉伸应变及压缩应变均大于2.5％（此时胶层均未裂）。
环氧-丁腈胶粘剂的抗老化性能优异。用环氧－丁腈胶粘剂粘接的抗剪试样，分别贮存于库房及坑道，经六年贮存后胶粘剂的室温及110℃剪切强度均大于lOMPa。
远程导弹弹头套装，宜选用环氧-丁腈胶粘剂，它粘接性能好，又能满足110~120℃温度的使用要求，其耐热性及韧性均比室温固化环氧胶粘剂好。[-page-]
3 工艺流程
弹头各部段套装粘接件的材料、形状和粘接工艺过程大体相同，只是由于防热要求不同而采用不同的胶粘剂。某型号弹头裙部和战斗部的套装粘接，在弹头各部段套装粘接中具有代表性，下面就以裙部和战斗部的套装，来说明套装粘接的工艺技术，裙部壳体的套装所采用的胶粘剂是中温固化环氧－丁腈胶粘剂，战斗部的套装所采用的胶粘剂是室温固化环氧胶。
热防护层的套装粘接工艺过程如图2所示，热防护层的套装结构示意图如图3所示。
4 结果与分析
4.1 表面处理
对胶接面进行表面处理可改变表面结构和组成，[-page-] 提高粘接性能。洁净而有适当粗糙程度的胶接面可保证胶粘剂对其有着良好的浸润性，是获得牢固胶接接头的重要保证条件之一表面处理有有机溶剂清理、喷砂处理、磷酸阳极化处理、表面涂敷银、铜-镍等处理方法，对要求不高的胶接装配件，或条件不允许时，一般采用有机溶剂清理表面，除去水分、灰尘、油污等杂物；若要保证胶接表面有很高的活性层以获得高的胶接强度，则常采用化学处理，如铝合金的磷酸阳极化处理、硅橡胶表面涂敷专门配制的表面处理液及符合使用要求的玻璃钢镀银、石英玻璃镀铜-镍处理方法。大面积胶接件一般采用喷砂处理，使胶接面有适当的粗糙度，不仅增大胶接件间的胶接面积而且在胶接件间形成机械啮合，有利于提高粘接强度，胶接表面粗糙度Ra值一般控制在0.8~5.8μm之间，喷砂处理是将混合砂用高压气体喷在热防护层的内表面和金属壳体的外表面，进行喷砂处理后需要在规定时间内进行产品的胶接。
对室温固化环氧胶粘剂和中温固化环氧丁腈胶粘剂分别进行拉剪强度试体测试，试体均进行喷砂表面处理和不喷砂表面处理，进行喷砂表面处理的试体数据远远大于不进行喷砂表面处理的试体数据，表明进行喷砂处理的试体能提高粘接强度。
4.2 弹头套装胶接质量检测
由于在弹头飞行过程中所承受的外力须通过胶层传递给壳体，所以不允许有较大面积的局部缺胶，否则会引起弹头失稳，影响弹头的命中精度。产品胶接完成后，需要对胶接的质量进行检测，目前胶接质量检验方法主要有目测法、敲击法、溶剂法、试压法、测量法、超声波法、X射线法、声阻法、液晶法、激光法等，但尚无较为理想的非破坏性检验方法。弹头套装胶接质量可采用目测法、敲击法、超声波无损检测多种方法结合进行检测。目测法就是用肉眼或放大镜观察胶层有无裂缝、孔洞、缺胶；敲击法是用胶木锤对套装的壳体进行敲击粘接部位，发出清脆的声音表明粘接良好；声音变得沉闷沙哑，表面里面可能有大气孔或夹空、高层和脱粘等缺陷；无损检测是采用超声探伤检测技术，检测设备采用NDTCA空气耦合非接触超声波探伤仪，主要用于金属或非金属复合材料的粘接质量检测。NDTCA的基本操作模式是through-transmission穿透传输模式，该模式使用U型固定支架将一对发散和接受传感器分别固定在支架两端，在此检测模式下，超声波束穿过被测材料并且北接收端接收检测。被测材料内部缺陷状态是由超声波束在材料中传输所受到的阻碍和反射而发生非正常衰减之后反应在NDTCA仪器显示屏上，无损检测方法能大限度体现产品的胶接质量。
按上述工艺路线及方案制备的套装粘接制品，对套装好的多件产品进行目测法、敲击法、超声波无损检测多种方法结合，无损检测检测结果发现裙部和战斗部壳体端面与铝壳体粘接质量均未见异常，整个壳体只有几处信号不强面积不等的脱粘，多件产品的脱粘面积均不超过整个粘接面积的2％，从套装检测结果来看，套装后的产品粘接质量良好，完全满足设计的要求。图4所示为脱粘面积区域示意图（图中带标记的为探伤信号不强的脱粘区域）
5 结束语
热防护层的套装粘接工艺已经取得了较快的发展，其胶接技术服务于导弹弹头、宇宙飞船、航天飞机等相关领域。在胶粘剂选择、胶接面的表面处理、胶接工艺质量检测等方面积累了一定的技术基础，可以根据不同的防热要求进行工艺方案选择。
