魏 元，徐 岱，冯 卫

（1. 北京强度环境研究所，北京 100076；2. 中国航天科技集团公司，北京 100048）

0 引言

在热试验中进行热参数测量时，有些试验需要应用胶粘剂将传感器粘贴在试件上。在高温试验条件下不仅要求胶粘剂的物理化学性质稳定，而且还要求胶粘剂可将传感器有效粘贴在被测试件上[1]。

胶粘剂分为有机和无机两大类，无机型胶粘剂的使用温度通常在900 ℃以上，而有机胶粘剂的使用温度一般在900 ℃以下[2]。随着热试验温度的日益提高，在热试验中应用的胶粘剂逐渐以无机胶粘剂为主[3]。与有机胶粘剂相比，无机胶粘剂在耐温性能上占有很大的优势，但是在粘贴工艺的要求上要严格很多。随着试验温度的升高，会发生传感器脱离试件表面的现象，分析其原因是胶粘剂不能将传感器有效粘贴在试件上所致[4]。选取Al(OH)3与H3PO4混合的无机型基底胶为例，从粘贴工艺入手，研究试件表面的处理、胶粘剂的固化工艺对胶粘剂有效粘贴的影响。

1 影响因素的分析与研究

常规的无机型胶粘剂粘贴工艺流程如图 1所示，从流程图中可以看出，表面处理和胶粘剂的固化在粘贴工艺流程中是较为靠前的工序，关系到接下来的粘贴工序能否继续进行。本文将对不同程度的表面处理和胶粘剂的固化工艺对有效粘贴的影响进行研究和分析。

图 1 胶粘剂粘贴工艺流程图Fig. 1 Flow chart of adhesive technology

1.1 表面处理对有效粘贴的影响

表面处理包括试件表面的粗糙化和清洁两个步骤，粗糙化及清洁的目的主要是将试件表面上会阻止胶粘剂与试件接触的漆、油脂等物质除去，以扩大胶粘剂在试件表面的铺展范围，使得胶粘剂可以与试件“咬合”，有利于胶粘剂的有效粘贴[5]。

为评价试件的表面处理对有效粘贴的影响，进行了不同表面处理和室温下固化后的正交性试验，并与常温下的粘贴效果进行比较，试验条件及结果如表1所示。

表 1 表面处理对常温下有效粘贴影响的正交性试验Table 1 Orthogonal tests for the influence of surface treatment on effective adhesion under normal temperature condition

由以上正交性试验结果可以看出：在常温条件下，彻底的表面处理可以确保传感器有效地粘贴在试件上。

1.2 固化工艺对有效粘贴的影响

由图1可知，固化工艺包括室温固化和高温加压固化。室温固化是使用胶粘剂将传感器粘贴在试件上以后，裸露在空气中进行挥发固化，此工艺的关键是需要确保在空气中足够的裸露时间[6]；而高温加压固化则是在室温固化的基础上，使用夹具对胶粘剂粘贴点进行加压并在设定温度下进行烘烤，固化温度及加压点的选择是关键。

1）固化温度的选择分析

作为基底胶的Al(OH)3与H3PO4混合后在适当的高温下会相互发生反应并生成不同的磷酸盐，即Al(H2PO4)3、Al2(HPO4)3和AlPO4[7]。该反应属于在液相中进行的非均相反应，反应过程中磷酸分子向氢氧化铝颗粒表面扩散的活化能较反应活化能大，故该反应的速率主要受扩散控制，反应的总速率近似于扩散速率。

周武艺等人对以上反应建立如下模型[8]：Al(OH)3分子不动，任何磷酸分子的进入是以Al(OH)3分子为中心，当进入以rAB(rAB=rA+ rB)为半径的球内时（为了方便，用A表示Al(OH)3，用B表示 H3PO4），即可与 Al(OH)3分子反应。由于反应速率很快，故在 Al(OH)3颗粒邻近区域的H3PO4浓度降低，形成浓度梯度。并对此模型进行计算分析，得出 H3PO4与 Al(OH)3的活化能为94.9 kJ·mol[8]。

此反应的速率方程可表示为

式中：Kd为磷酸分子向Al(OH)3分子的扩散速度；Kb为玻耳兹曼常数；A为参与反应的Al(OH)3浓度；T为反应温度；Ea为活化能；R为常数。

由式(1)可知：在Al(OH)3浓度一定的情况下，温度越高，磷酸分子向Al(OH)3分子的扩散速度越快，使得该反应的速率提高。

由以上分析可以得出结论：在胶粘剂使用量固定的前提下，在试件可以承受的温度范围内，选择低于胶粘剂各组成成分的熔点温度条件下，提高固化温度可以有效地控制并减少胶粘剂的固化时间。

2）加压工艺的分析

根据润湿理论分析加压工艺对有效粘贴影响，假设胶粘剂液体在固体表面上形成液滴，如图2所示。

图 2 液滴在固体表面的平衡状态Fig. 2 Equilibrium state of droplet on the solid surface

从图2可看出：γs-g力使液滴沿固体表面扩展，而γg-l和γl-s力则使液滴收缩。在平衡状态下这些张力与接触角θ的关系可以用杨氏公式表示为

当 θ=0°时，液体对固体完全浸润，且自发地扩展到表面上；当0°＜θ＜90°时，液体部分浸湿在固体上；当θ=90°时，液体处在扩展与不扩展的分界处；当90°＜θ＜180°，液体不会在固体表面扩展；当 θ=180°时，液体完全不会在固体表面扩展。因此可以得出以下结论：自发浸润的产生（即胶粘剂与试件表面大面积接触）必须满足接触角0°＜θ＜90°的条件；当θ=0°时，胶粘剂可完全扩展于固体表面上[9]。如果胶粘剂不能在固体表面浸润，则可通过压力的施加迫使胶粘剂液滴在固体表面扩展浸润[10]。

在试验过程中出现传感器与试验件剥离的现象，分析其原因是：在高温固化过程中胶粘剂由于发生化学反应而导致成分发生改变，使得胶粘剂与试件间的接触角不满足完全浸润条件，胶粘剂与试件粘贴不完全，而在胶粘剂层产生大量热应力；在试验过程中，随着温度的升高，热应力的作用使得胶层与试件表面相互剥离。因此可通过施加外力以消除热应力，使得胶粘剂与试件尽量保持完全贴合。

3）加压固化工艺对有效粘贴影响的正交性试验研究

为了评价不同的加压固化工艺对有效粘贴的影响，进行以下正交性试验：在保证胶粘剂在室温条件下自然干燥且有效粘贴试件的前提下，使用或不使用夹具对粘接处进行设定压力的加压，或选择加压位置不同，然后按照相关规定对胶粘剂进行不同温度的烘烤，最后对比粘贴情况。试验条件和结果如表2所示。

表2 正交试验实施方案和结果对比表Table 2 Orthogonal test implementations and results

从表2中的正交性试验结果可以看出：在试验过程中，无论是在缓慢升温还是快速升温条件下，只进行低温固化工艺的胶粘剂，无论是否加压，传感器都会从试件上完全或者部分剥离下来；而选择了高温固化并且同时选择针对胶粘剂粘贴点进行加压，传感器有效地粘贴在试件表面，并具有一定的粘贴强度。因此选择粘贴点加压的高温固化工艺有利于胶粘剂的有效粘贴。

2 结论

本文通过混合无机型胶粘剂Al(OH)3与H3PO4的应用，探索和研究了试件的表面处理、胶粘剂的加压固化等工艺对胶粘剂有效粘贴的影响。得出结论：彻底的表面处理工艺及粘贴点的加压高温固化工艺有利于胶粘剂将传感器有效地粘贴在试件表面，采用这两种处理工艺有利于热试验中的热参数测量。

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