张知博，王勇杰，杨庆浩*

（1.西安科技大学材料科学与工程学院, 陕西 西安 710054; 2.31690 部队,吉林 蛟河 132500）

0 前 言

传感器技术是信息系统的感官，也是自动化控制技术和自动检测技术不可缺少的重要环节[1]。现代科学技术的发展对传感器技术的依赖度比较高，如果没有传感器对原始数据进行精确测量，不管是信号转换还是信息处理都可能会存在一定问题[2]。电阻应变传感器因其精确度高，被广泛应用在飞机模型风洞试验、船舶流体力学实验中，蔡宁泊[3]等将应变计粘接在航空发动机叶片上，来测量新型航空发动机的振动应力。电阻应变传感器的应用非常广泛，其制成的部件天平可以对飞机、导弹等模型做空气动力测定，多分量测力传感器可应用于船体模型、螺旋桨、船舵等部件在流体中运动阻力的模拟测量[4]。

电阻应变传感器通过金属弹性体把力转换为应变，弹性体在外载荷的作用下，将产生的应变通过贴片胶传递给敏感栅，从而引起敏感栅阻值的变化。因此，贴片胶在整个过程中占据着不可或缺的作用，其传递应变的准确性和精准性直接影响着传感器的性能。国内关于贴片胶的介绍很少，只有20世纪80年代的少量简要性描述与介绍。基于此，本文就贴片胶的最新研究和应用进展、种类、成分和商业化产品作以综述。

1 贴片胶应变传递机理

电阻应变计是由美国工程师Simmons 和Ruge在1938年发明的[5]。应变计利用金属电阻丝的应变电阻效应，将构件表面的应变转换为金属电阻丝的电阻相对变化，金属电阻丝受力发生变形时，其电阻的相对变化率与导线的应变成正比关系[6]。图1为电阻应变计的结构图：主要由四个部分组成，其中包括贴片胶、敏感栅、基底、弹性体。贴片胶的作用是将应变计牢牢地粘贴在弹性体原件上，并将弹性体上产生的无损变形准确地传递给应变计，引起敏感栅阻值的变化。贴片胶是应变传递的关键材料，对整个传感器的数据采集起着至关重要的作用，是应变计和弹性体之间的桥梁，除了要有和其它用途的胶粘剂一样的粘接性能，还必须要有较大的弹性模量、良好的电绝缘性能、蠕变性能和滞后小、固化时胶层体积收缩率小等特点[7]。同时贴片胶的物理性质、固化温度、加紧压力、持续时间和胶层厚度都会影响传感器的性能。鉴于贴片胶在电阻应变计中的特殊作用，使用时要根据应用条件和使用状况进行选择，选用不同种类或不同固化方式的贴片胶。

图1 应变计结构图Fig. 1 The structure schematic of a strain gauge

2 贴片胶对应变传感器性能的影响

应变计是一种高度灵敏的传感元件，在测试过程中极易受各种因素的影响而使测量结果产生误差[8]。在应变计中，贴片胶起到应变传递的作用，它的性能和使用工艺会影响并决定传感器的性能，主要影响的性能有灵敏度系数、滞后、蠕变、零飘、热输出的重复性、线性（灵敏度系数随应变大小的变化）等。

2.1 贴片胶的蠕变对应变传感器性能的影响

贴片胶自身的蠕变会使应变传感器的灵敏度系数下降及蠕变值增加。蠕变是指在恒定应力下形变随时间增加而增加的现象，行业中通常检测电压值的变化，即在恒定的负载下，电压值的变化。从分子运动的角度来讲，高聚物在外力的作用下分子间会产生相对滑移，造成黏性流动，从而产生形变。施加的机械应变量愈大，应变计的蠕变就越大。选用弹性模量较大的贴片胶，减少胶层厚度并使贴片胶完全固化，能够改善其蠕变性能。

2.2 贴片胶的滞后对应变传感器性能的影响

弹性体表面的应变以剪切力的形式传递给敏感栅，贴片胶中大分子的链段在运动时受到内摩擦力的作用，链段的运动跟不上外力的变化，导致形变的变化落后于应力变化，造成滞后的现象[9]。滞后会影响灵敏度系数随应变大小的变化，即线性的变化。

3 贴片胶的分类

贴片胶是基于商业胶粘剂的特殊开发或修改，其种类繁多，但粘接强度、固化方式、固化温度、应用范围都不一样，故没有任何一种万能胶存在。贴片胶在应用中的要求很高，不仅要具有足够强的粘接能力，还要满足应变计所需要的力学性能、物理性能和化学性能。基于此，研究人员开发了各式各样的贴片胶。贴片胶的分类方法很多，按其化学成分分类可分为丙烯酸酯、环氧、酚醛、环氧酚醛改性、聚酰亚胺贴片胶；按其固化方式可分为常温固化和高温固化贴片胶；按其组分可分为单组分和双组分贴片胶。

3.1 氰基丙烯酸酯类贴片胶

1959年美国发明了Eastman910 胶粘剂(α- 氰基丙烯酸甲酯)，具有单组分、可室温快速固化、粘接材料广泛、黏度低、胶层薄且透明、耐油性好和电气绝缘性佳等诸多特点[10]，被广泛应用在贴片胶领域，氰基丙烯酸酯贴片胶的主要成分是α- 氰基丙烯酸酯，具有很强的吸电子氰基和酯基性能，容易受到被粘物上吸附的水或者其它阴离子的影响而产生瞬间聚合反应，使聚合体形成多极性中心，形成强的粘接力。该类型的贴片胶能在室温下快速固化，并且其具有固化收缩率小、蠕变小等特点，对应变计基底材料的适应性较好，能够满足大多数应变计的粘接。具有优异性能的同时也伴随着固化后脆性大、不耐潮湿、易老化等缺点，通过改性能显著提高其冲击性、耐剥离、耐热性。美国Omega 公司的SG401 和SG496 都是基于氰基丙烯酸酯的贴片胶，能够在短时间内完成固化，且对应变计基底材料的适应性比较好，能够满足绝大多数应变计的粘接。

3.2 环氧树脂类贴片胶

环氧树脂是指一个分子中含有两个或者两个以上的环氧基，并在适当的固化剂下能够形成三维网络结构的低聚物。图2 为常用的双酚A 型环氧树脂通式。

图2 双酚A 型环氧树脂的分子式Fig. 2 The typical molecular structure of bisphenol A epoxy resin

两末端的环氧基赋予其反应活性，使环氧树脂不仅具有优良的力学性能、耐药品性能，还能兼顾电阻应变计所需要的电绝缘性能以及粘接性能[11]。固化剂是环氧树脂贴片胶的重要组成部分，在其性能上发挥着决定性的作用，根据固化剂的不同，可以配制成室温固化或高温固化，开发制备适用于各种应用工况下单组分或双组分贴片胶。由于贴片胶独特的应用条件，要求贴片胶的热膨胀系数(CET)要尽可能接近于被粘物，常用的方法是在胶液中加入无机填料。国外性能优异的低膨胀胶CET 可达12~19 ppm/℃，粘接强度13 MPa 以上。国内低膨胀胶粘剂方面研究极少，且CET 较高[12]。鉴于环氧树脂优异的性能，国外开发了许多基于环氧树脂的贴片胶，日本东京测器的EA-2A、EB-2 环氧树脂贴片胶，能够在极低的温度下工作，并且具有良好的性能。

3.3 酚醛树脂类贴片胶

酚醛树脂一般分为热固型和热塑型，是由酚类化合物和醛类化合物在酸或碱的催化作用下缩聚而成的高分子聚合物，抗蠕变性、耐水性好，并且能耐一般的有机溶剂。因其良好的机械性能、耐水性、耐热性、耐候性、阻燃性和耐磨性，被广泛应用于电子电器、机械、汽车、通讯以及航空航天等领域[13]。图3 为酚醛树脂的结构式。

图3 酚醛树脂的合成Fig. 3 The synthesis of phenolic resin

结构中含有的酚羟基以及R 基团容易被氧化，因此耐热性和抗氧化性较差。此外，酚醛树脂还存在着固化温度高、固化速度慢和固化胶层脆性大等缺点，必须要对其进行改性处理。Haddadi[14]采用纳米二氧化硅（SiO2）和碳化硼（B4C）对酚醛树脂进行改性，制备耐高温胶粘剂用于石墨材料的粘接。张银银等[15]采用纳米SiO2、纳米碳化硅、纳米氢氧化铝粒子对酚醛树脂进行杂化改性，研究其粘接性能和高温热稳定性。传感器的适用工况要求贴片胶能够在高温环境下工作，必须要有良好的热稳定性。美国Vishay 公司的M-Bond 610 贴片胶、日本东京测器研究有限公司的C-1 贴片胶都是采用的酚醛树脂作为主体材料，所粘接的应变计能长期在高温环境下进行可靠测量。

3.4 环氧改性酚醛类贴片胶

基于酚醛树脂优良的性能，研究人员开发了许多以酚醛树脂为主体材料的环氧改性酚醛类贴片胶，在电阻应变传感器领域内广泛使用。环氧树脂因其优良的性能，被广泛应用于酚醛树脂的改性中，酚醛树脂中的羟基能与环氧基发生反应，酚醛树脂上引入了环氧树脂，增长了链段，降低了固化产物的交联密度，使分子的柔韧性增加[16]。经过改良后的贴片胶不仅具有环氧树脂优良的粘附性，还能兼顾酚醛树脂优良的耐热性能。史煜等[17]通过对环氧树脂和酚醛环氧树脂的混合液中加入聚乙烯醇缩醛，制得了一种具有良好性能、粘接强度高、蠕变性能优良的贴片胶。

3.5 聚酰亚胺类贴片胶

聚酰亚胺（PI）通常由等物质的量比的芳香族二酐与芳香族二胺或芳香族二异氰酸酯聚合而成，其最早的应用是杜邦公司发明的Kapton 结构，图4 为典型的PI 分子式。

图4 聚酰亚胺的典型分子式Fig. 4 The typical molecular structure of polyimide

PI 类贴片胶综合性能良好，但粘接性能欠佳，通常使用环氧树脂进行改性，两者的共聚可以增长分子链段进行性能互补[18]。但该胶需要高温加压固化，对其工艺性要求比较高。日本共和公司的PI-32贴片胶，采用聚酰亚胺环氧树脂体系，能够适应多种环境，工作温度在-269~350 ℃，在高温的应变测量也具有优良的性能。

以上五种是贴片胶最常用的分类方式，但在实际应用过程中往往会多种类型混合使用，使其能发挥最好的性能。

4 辅助材料对贴片胶性能的影响

4.1 填料

填料的加入可以增加环氧胶粘剂的黏度，降低膨胀系数，还可以降低成本，改善工艺性能和物理性能[19]。贴片胶中常用的填料有碳酸钙、二氧化钛、二氧化硅、玻璃纤维、滑石粉、石棉粉等。不同的填料改善的性能不同，由于贴片胶不同于一般的胶粘剂，下可以必须要选择提高特定性能的填料。加入填料的贴片胶在固化时，随着胶液溶度的改变而产生微粒，产生微观相分离，相分离过程中产生体积膨胀，抵消其固化过程中体积的收缩。刘玲[20]等研究了无机填料种类及其含量对环氧树脂体系剥离强度的影响，结果表明无机填料在改变提高各种性能时，还伴随着剥离强度的降低。因此填料的选择及含量至关重要，贴片胶必须有良好的绝缘性能，因此使用前必须经过磁选，除去磁性杂质。

4.2 溶剂

溶剂的作用主要是改变其黏稠度，便于工艺上的操作，其选择要考虑溶剂的溶解性和沸点，良性的溶剂能与被粘物的表面形成较好的表面浸润，产生较高的粘接强度和剥离强度，高沸点的溶剂挥发的速度慢，不易产生表面缺陷和内应力[21]。一般溶剂的选择分为活性溶剂和非活性溶剂，贴片胶领域常用非活性溶剂，该类型溶剂只会降低胶液的黏稠度而不参加固化反应，溶剂在固化的过程中会挥发掉，不会影响贴片胶的性能，胶液的黏稠度可以根据需要选择。

4.3 偶联剂

偶联剂是使两种材料或分子发生耦合作用的物质，胶粘剂中常用的偶联剂为硅烷偶联剂。它既含有能与有机聚合物反应的碳官能团，又具有易水解和缩聚的特点，还能形成与无机物料表面键合的硅官能团[22]。偶联剂的一端以化学键与填料表面结合，另一端可溶解于环氧聚合物中，因此，偶联剂的增加能够增强弹性体和基底的粘接性能，还能提高贴片胶的物理力学性能。偶联剂通过水解、缩合、缩聚等反应形成化学键、氢键结合以及物理吸附作用，改善了胶粘剂的湿润性、被粘物和填料的表面性质，形成牢固的粘接界面，从而提高了胶粘剂的内聚强度、粘接强度、耐水性、耐热性、耐湿热老化性和耐久性等[23]。田甜等[24]对添加了偶联剂的胶粘剂进行了抗拉剪及抗压强度测试，表明添加偶联剂能显著提高各类胶粘剂体系的拉剪强度。在使用的过程中必须根据有机树脂和无机材料的特点选择合适的偶联剂。

4.4 消泡剂

贴片胶在配制或应用过程中，非常容易混入气泡，不除去气泡会造成贴片胶粘接强度降低，尤其会影响传感器的性能。消泡剂是具有低表面张力的物质，应用体系产生表面张力差，破坏气泡的弹性膜，进而达到破泡的效果[25]。常用的消泡剂种类有硅油消泡剂、聚硅氧烷消泡剂和聚醚改性消泡剂。不同类型的消泡剂的消泡效果不同，与环氧聚合物体系的相容性也不同，通常相容性差的消泡效果好。

5 结 语

国外对于应变测量技术的发展十分重视。美国Micro-Measurements 公司能提供广泛的贴片胶，涵盖应力分析测试的范围，并用于传感器制造，在国际市场上占有重要地位。德国的HBK 公司为应变计研发了特定的贴片胶，不推荐使用其它的贴片胶。应变计粘合剂必须满足与一般粘合剂不同的要求。应变计与物体的简单粘附并不是评估粘合剂是否适合测量目的的充分标准，它还必须确保物体的应变无故障传输。Tokyo Measuring Instruments Laboratory 公司研发并制造了大量的、适用于多种应用的贴片胶。表1 列出了国外贴片胶领域国际领先的企业及产品，长期以来在电阻应变计贴片胶领域占据着主导地位，其产品具有良好的性能，能够很好地适配自己的应变计，形成了产业化，具有良好的性能，在业界取得了很好的口碑。

表1 国外贴片胶厂家及产品Table 1 The worldwide companies and products for bonding adhesive

贴片胶作为一种重要的工程粘接剂，随着科技的不断发展，对贴片胶提出越来越多的要求，逐渐朝着高性能化和高功能化方向发展，开发环境友好型，低公害贴片胶以及引进和开发新型固化剂成为热点。贴片胶因其技术含量和附加值较高，国内目前只要依赖从国外知名公司进口。国内做的很好的企业如中航电测，有完备的产业链，但从产品性能、售后服务、品牌影响等均有明显差距。常用贴片胶的原材料都含有不同程度的毒性和刺激性，贴片胶也在朝着环境友好型、低公害、无毒方向发展，浙江九为电子科技有限公司生产的G308 系列贴片胶，其成分全部为清洁试剂，且性能优良，开创了国内贴片胶领域无害化的先河。我国电阻应变计领域前景广阔，国产贴片胶还需不断的创新，希望能够赶超国外，占领国内外市场。