7　环氧树脂胶接材料及胶接技术

　　几乎所有的构件都涉及到一个连接问题，而使用胶接是一种有效的连接方式，特别是对复合材料而言。环氧棚旨则是被作为结构胶接材料使用的主要品种，即使在航空航天业也是如此。另外一种结构胶的主要材料为双马树脂。
　　航空用环氧树脂胶接材料的主要应用在金属和金属、金属和复合材料、复合材料和复合材料之间的胶接以及作为胶膜使用在复合材料夹层结构中。
7.1　环氧树脂胶接材料的形式
　　环氧树脂胶接材料常见的形式包括胶膜、发泡胶和糊状胶等。
7.1.1　胶膜
　　胶膜以树脂膜的形式提供客户，一般在胶膜的一面是离型纸，另外一面是保护薄膜。使用时将胶膜除去离型纸和保护薄膜后放在两个胶接面之间，经加温、加压而固化。
　　选用胶膜时需要考虑的包括胶膜的力学性能、固化温度、固化时间、固化压力、胶膜厚度(或面密度)，如采用共固化工艺时，还需考虑胶膜和共固化材料之间的相容性。
　　胶膜的力学性能主要考虑剪切强度、剥离强度(夹层结构产品主要使用滚筒剥离)，ASTM和EN均有相关的测试标准。
　　和环氧预浸料类似，环氧胶膜主要分为120℃和180℃两大固化温度，固化时的升温速率、固化温度、固化时间以及固化压力由相应的固化制度确定，具体需参考每个产品的技术数据。
7.1.2　发泡胶
　　树脂膜形状的发泡胶制造方法和胶膜相似，主要用于蜂窝与蜂窝之间的胶接。当然，也有部分产品以糊状形式提供，其具有良好的触变性能，以防止固化之前的流胶。
　　和预浸料相匹配，发泡胶也有120℃和180℃固化两大类，其另一个特有的指标是发泡率，一般产品在1:1.9～4之间。
7.1.3　糊状胶
　　并非所有的航空部件都适用胶膜胶接，所以，一般行业中常见的糊状胶在航空业界也常见。糊状胶分单组份胶和双组分胶两种，大部分双组分胶可以在常温下固化，当然也可以在中高温下固化。
7.2　环氧树脂结构胶接材料的胶接技术
7.2.1　胶接结构设计
　　非常重要的一点是胶接需要设计的，这一点人们往往会忽视。胶接面常会受到拉伸、压缩、剪切、剥离、扯拉等应力，而胶接材料在拉伸、压缩、剪切方面可以体现较好的性能。但在抗剥离、抗扯拉方面则相对较差。所以，在胶接设计时，要尽量将胶接节点形式设计好，以利用胶接强度好的一面，减少使用胶接性能弱的一面。
　　胶接结构设计另一个需要注意的是如何避免应力集中所造成的胶接破坏。高性能的胶接材料但没有得到理想的胶接效果往往是由于应力集中造成破坏所引起的，这一点在检测试验时经常可以看到。
7.2.2　胶接材料选材
　　在胶接材料选择时，先要考虑的是固化后的使用温度，能保持有效强度的胶接材料的使用温度各不相同，取决于胶接材料的种类，一般范围在70℃～220℃。大部分的胶接材料在-55℃时性能依然保持良好。
　　当然，并非胶接材料的使用温度越高越好。使用温度过高的胶接材料往往韧性降低，剥离强度下降。
　　材料选择时其它需要注意的还包括固化条件、胶粘材料中有无衬垫、单位面积重量、规范要求等。和预浸料共固化时，还需要考虑胶接材料和预浸料之间的相容性。
7.2.3　表面处理
　　胶接表面的状况直接影响胶接的效果。通常的表面处理方式包括去油脂，或去油脂加物理处理，或去油脂加化学处理。
　　基于不同的被胶接材料，去油脂的方法包括碱洗、溶剂清洗、环保洗涤液清洗等，由于环保的原因，后者的应用会越来越多。对大部分材料，特别是金属材料而言，直观的检测除脂效果的方法是水膜破裂测试。
　　物理处理的方式包括打磨、喷砂等。
　　通常，去脂加物理处理的方式基本可以满足胶接要求，并体现有效的胶接强度。但是，对很多胶接材料而言，为了获得高强度、重复性和长期稳定性，我们需要进行化学预处理来进行表面改性，或者进行化学处理，从而使表面更适合于结构胶接。化学处理包括铬酸／硫酸的酸洗、铬酸阳极化处理、磷酸阳极化处理等，取决于不同的材料。
　　表面处理以后，应尽快在短时间内完成胶接。否则，处理好的表面又可能很快再次氧化。如果表面处理完以后不能很快完成胶接，应使用胶接用的底胶来保护表面。
　　对复合材料而言，使用剥离布是得到一个理想胶接表面的有效又简单的方法之一。
　　无论何种处理工艺，在胶接之前，保持胶接面的干燥是得到良好胶接性能的必要条件之一。
7.2.4　胶接工艺
　　温度、压力和时间是保证胶接质量的三个主要要素。不同牌号胶接材料的固化温度、压力和时间都能在产品的技术数据表中查到，下图为典型的固化曲线。

　　需要注意的是，固化温度是指胶接材料的温度，而不是烘箱或压机的温度。所以，通常需要在胶接材料附近放置一个热电偶来测量记录温度曲线，而不应依据烘箱或压机的设置温度来判断。
　　升温速率通常被控制在1～5℃／分钟，部件间不均匀的升温速率会因为热应力而造成部件变形。所以，升温速率不应过陕，有时还需要在固化制度中设置一个加热平台，加热平台可以使得部件在胶接材料达到关键的凝胶温度前保证部件的温度均匀。
　　固化结束并完全冷却以前都应保持压力，尽管如果没有应力时，这种压力是没有必要的。
　　通过适当的试验可以对固化制度进行必要的改进，比如，为了使小尺寸部件达到较高的生产效率，可以使用感应加热技术使胶接材料在更高温度下短时间固化。具体应该由胶接材料本身的技术参数来确定。
　　有关胶接的设计、选材、表面处理、工艺、质量控制、性能检验、胶接失败形式分析等的详细论述，可参考赫氏《REDUX胶接技术手册))。

8　环氧树脂基功能复合材料

　　一般而言，衡量环氧树脂基复合材料的主要考量因素是力学性能，所谓轻质高强就是体现的力学性能。但实际上，它还是一种功能材料。环氧树脂基复合材料的功能应用在航空航天领域中正在被逐步开发出来。
　　以下为环氧树脂基复合材料作为功能材料的一些应用实例。
8.1　可加工的环氧树脂基碳纤维模具材料-
　　制造航空航天用复合材料部件的模具通常有两种，即金属模具和复合材料模具。金属模具采用的是后加工的方式来达到产品所需的型面和精度，尺寸精度高，使用寿命长，但其热膨胀系数和所制造的复合材料部件有很大的差异。所以，产品在加热固化和冷却以后有较大的内应力，从而造成产品的变形。同时，模具重量重，能耗也较大。
　　常用的复合材料模具是在母模的基础上翻制而得，由于模具材料和产品材料属于同―类型材料，它解决了两种材料在热陛能上的差异，从而降低了产品的内应力。同时模具重量轻，能耗小，且易于移动。但由于需从母模匕翻制而成，本身就具有变形，所以，精度没有金属模具高。
　　如何将两者的优点结合起来，使之既具有金属模具加工精度高的优点，又具有复合材料模具热膨胀系数和复合材料部件一致、重量轻的特点，这就需要改善现有复合材料模具的可加工性。
　　HexTool就是这样一种材料。实际上，它是一种短切碳纤维预浸料，有环氧基和双马基两种，适用于不同固化温度的复合材料部件。模具固化后通过机械加工来达到设计所需的型面和精度。目前，该种材料制作的模具已经被用于制造B787、A350等的复合材料部件。下图为用HexTool制作的飞机舱门的模具。

8.2　短切碳纤维模压材料
　　HexMC也是一种短切的碳纤维预浸料，从它的命名方式上也可以看出其类似于SMC片状材料。
　　该材料主要的成型工艺是模压。因为是短切纤维，所以可以模压成形状复杂的碳纤维复合材料制品，并且适合批量生产。这种材料放弃了连续纤维的抗拉性能，更多的是利用碳纤维复合材料的刚性以及良好的工艺性能，因此，适合制作飞机上的窗框、连接板、铰链等。
　　该材料成功的应用案例之一是用于制作B787上的窗框。由于该产品的使用，使得B787的窗框比常用客机的窗框面积增加了30％以上。丰富的自然光线和宽阔的视野使得B787被誉为视觉好的客机。
　　下图是使用HexMC制作的碳纤维复合材料窗框样件。

8.3　防雷击材料
　　防雷击问题曾经困扰碳纤维复合材料作为主结构用于民用飞机机身，并且今天还在被质疑中。但是实际上，通过分布于复合材料中的金属材料的导电性能来解决防雷击问题已经是一个非常成熟的技术。
　　新的防雷击材料不仅需要降低雷击所造成损伤的面积和深度，还需要减少重量，提高生产效率，降低生产成本，以及考虑和结构复合材料基体树脂的相容性，甚至表面效果等。一种优异的材料必然是基于这些综合考虑的完美结合。

9　树脂应用于航空高性能碳纤维复合材料及固化成型技术的发展方向

　　众所周知，影响复合材料性能的三要素是纤维、树脂和界面，所以，树脂起着极其重要的作用。那么，针对环氧树脂基高性能碳纤维复合材料及固化成型技术，基体树脂应该向哪些方向发展?以下一些问题是必须要考虑的。
9.1　无论对于中模还是高强碳纤维，树脂均可以充分发挥应力传递功能，从而佳发挥纤维性能
　　树脂在复合材料中起着应力传递的作用，这种作用的高低，直接影响终的材料性能。
　　理论上而言，中模碳纤维和高强碳纤维对树脂的要求是不一样的，但在实际生产中，希望在同一部件中尽可能使用同一种基体材料。因为即使基体材料是相容的，或两种材料在本质上是相同的，按照航空规范的要求，要证明这两种材料的界面之间不存在任何问题所需要的数据也是海量的。
　　所以，同一种基体材料可以适用于中模和高强纤维，并且能佳发挥两种纤维的性能是我们期待的方向。
　　用于A350的M21E，B787的3900-2，A380的M21等均是这种材料的代表。
9.2　适用于自动铺带和纤维自动铺放技术
　　随着航空航天复合材料部件的尺寸越来越大，并且由于人工铺贴的局限性，使用自动铺带技术和自动铺丝技术已经成为必然。但并非所有的基体材料都适用于自动铺贴成型技术，所以，基体材料满足自动铺贴成型工艺要求是发展该材料的主要目标之一。
9.3　高温下仍有良好的湿热性能
　　高性能航空航天复合材料不仅要考虑常温条件下的湿热性能，还必须考虑高温条件下的湿热性能。
9.4　可控的树脂流动，同时对纤维良好的浸渍能力
　　所谓零吸胶预浸料的概念现在已经普遍被行业所接受。过去一般认为，预浸料中气泡的排除必然伴随着树脂的析出。现在，技术有了相当的进步，对某些基体而言，即使没有任何树脂的析出，只要工艺条件正确，预浸料固化以后的复合材料照样可以满足航空复合材料在孔隙率方面的要求。这主要得益于树脂流动可控的概念(resin flow controlled)。另一方面，在固化后的复合材料中，纤维必须被树脂良好浸渍。所以，低孔隙率、低树脂析出、纤维浸渍良好是航空复合材料基体树脂必须要达到的技术要求。
9.5　低放热峰性能使超厚的单板结构一次成型
　　A380的翼是航空复合材料部件中大的承力构件之一，单板结构的厚度在50毫米左右。按传统材料和工艺，由于放热峰的问题，如此厚的板材很难一次成型。
　　另一方面，一次成型大型结构件的优势是显而易见的，所以，制造大型商用飞机用复合材料构件必须要解决超厚板材和放热峰之间的矛盾。M21预浸料则成功地解决了放热峰的问题，并在工艺性能和机械『生能上满足翼的要求。
9.6　优异的韧性和较高的冲击后剩余压缩强度
　　部分航空复合材料设计师非常关注CAI(Compress After Impact)数值，尽管也有部分设计师对CAI有不同看法。为满足这样一种关注，航空预浸料生产厂家通过各种手段来增加复合材料的韧性，提高冲击以后的抗压强度，例如在树脂中添加增韧材料，或在增强材料上附着增韧材料等。
　　目前，公开资料显示，M91／IM7预浸料固化后按ASTMl37方法测试，在30.5J冲击以后的CAI值可以达到358 MPa。
9.7　良好的粘性寿命和外置寿命
　　随着复合材料部件的大型化，铺贴所需操作的时间也越来越长，原有树脂体系的粘性寿命和外置寿命已经不适于这种变化，因此，需要更长的粘性寿命和外置寿命与之相匹配。
9.8　简单、通用和成熟的操作和固化工艺
　　目前，航空复合材料部件的主流工艺仍为热压釜工艺，冷藏、解冻、裁剪、铺贴、打袋、固化、后加工等系列操作使得复合材料航空部件的制造成本居高不下，也为众多企业进入该行业设置了较高的门槛，这对航空复合材料的大量使用是不利的。所以，人们在不断研究如何使其工艺简单化和通用化，非热压釜工艺(Out of Autoclave)、HexMC等就是在这样背景下的产物。

10　结　语

　　随着B787交付和A350的飞，碳纤维复合材料在航空工业的应用进人了一个崭新时期，也提供了一个广阔的市场，这个市场需要材料的创新，需要工艺的创新，更需要思维的创新。
　　本文有关碳纤维复合材料在航空工业中的应用技术只能介绍极小部分，更多地有待探索，特别是创新材料和技术，有些是革命性的，甚至会颠覆我们现有的概念和整个体系，这种颠覆并非胡思乱想，它会给行业带来全新的变化，需要引起充分的关注。
　　我们应该跟踪国际上复合材料的发展方向，但不应固守现有的技术和水平；我们必须承认和国际先进水平的差距，但这种差距不可能永恒。脚踏实地，从每一个数据做起，努力创新，从每一个想法干起，这种差距就能缩小。所以，复合材料人任重而道远。