夹层结构剥离强度下降原因分析

王 越，张凤玲

（中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁 沈阳 110034）

夹层结构剥离强度下降原因分析

王 越，张凤玲

（中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁 沈阳 110034）

针对J-116胶膜粘接的铝板和铝蜂窝夹层结构，采用两种固化工艺，两种浸水条件、喷淋盐雾和两种刀具加工试样，对夹层结构的板板和板芯90°剥离强度进行了测试，分析了剥离强度下降的规律。研究结果表明：水的长期作用，会使胶接强度降低，温度会加速水的作用；盐雾和大气曝晒的影响较小，旧刀具对蜂窝芯子造成二次破坏，直接导致板芯剥离强度大幅下降。可得出如下结论：制造工艺和夹层结构进水或潮气，是造成夹层结构剥离强度下降的主要因素。

剥离强度；失效；夹层结构

前 言

夹层结构是采用板芯胶、板板胶和泡沫胶、发泡胶制备而成。国内外广泛采用大气曝晒实验来研究胶黏剂的大气老化性能,得到的老化数据实用意义较大,但缺乏重复性,同时难以定量。因此对航空使用的胶黏剂部件在不同温度水浸、盐雾、曝晒、不同加工方式后的强度变化，初步分析胶黏剂剥离强度下降的原因，从而解决生产中出现的实际问题。

1 实验

1.1 抗压实验

对蜂窝芯进行破坏,分别破坏40%、60%、100%后进行抗压实验,确定蜂窝芯子发生失稳现象后,破坏强度对抗压强度的影响。

1.2 剥离强度

1.2.1 剥离强度的标准值

被粘物为LY12CZ铝合金,表面经磷酸阳极化处理。板板90°剥离试件的薄板厚度为0.3mm,厚板厚度为3mm,板芯90°剥离试件的薄板厚度为0.3mm,依据GJB446-88,标准值见表1。

表1 标准值Table 1 Standard value

1.2.2 水浸低温实验

将试件在自来水中浸泡30d,停放温度为23℃,之后把表面的水用干布擦干,观察蜂窝部件表面状态和芯子颜色变化;用物理天平称出质量,观察质量变化;测试之后,把两个试件分别放在-45℃和-20℃冷冻3d,检查是否有脱黏情况,再加工成板芯板板剥离试样,测试剥离强度,分析剥离强度变化情况。

1.2.3 水浸中温实验

将试件在自来水中浸泡90d,停放温度为34℃,之后把表面的水用干布擦干,观察蜂窝部件表面状态和芯子颜色变化,用物理天平称出质量,观察质量变化,而后在加工成板芯板板剥离试样,测试剥离强度,查看剥离强度变化情况.

1.3 盐雾

盐雾反映海面和沿海陆地的大气特性,主要作用是加速胶接金属的电化学腐蚀,考虑这种腐蚀时胶接接头强度究竟有多大影响。实验采用定时喷淋盐雾的方式，模仿海面和沿海陆地的大气环境。盐雾实验条件是氯化钠溶液浓度：5%±1%,pH=6.5～7.2,实验温度为35±2℃,实验时间：30d。

1.4 曝晒实验

将试验件于5月份～11月份放入曝晒场，考察天气气候对试验件剥离强度的影响。

1.5 加工方式

采用何种刀具加工，对实验件强度的影响有多大,根据新旧刀具进行对比分析。

1.6 固化温度

一般情况下J-116胶膜的固化温度为180℃，保温时间为180min。为了对比固化温度对强度的影响，采用两种固化工艺对夹层结构进行固化，测试90°剥离强度。选取的固化工艺如下：

第一种固化工艺：固化温度为120～140℃；保温时间为10min，之后在180～190℃的温度下保持180min

第二种固化工艺：固化温度为220℃；保温时间为90 min，确保试样真正达到175℃，之后降温使试样达到175～180℃的温度下保温180min

2 结果与分析

2.1 抗压实验结果与分析

表2 不同芯子情况的抗压强度Table 2 The compressive strength of different cores

从表2的实验结果可以看出,芯子的失稳对抗压强度的影响是相当的,无论是何种情况的失稳,都会导致芯子的抗压强度大幅度下降。芯子的抗压强度低于指标,因而无法达到使用要求。

2.2 水浸低温实验结果与分析

水浸实验真实模拟夹层结构在水中的胶接接头的老化情况,测试试样板的结果见表3,发现有增重现象,说明蜂窝结构边缘及接缝处密封不严或密封遗漏,在长期使用过程中造成蜂窝夹芯有积水存在,一般情况蜂窝积水不会对夹层结构造成严重影响,但造成局部面积脱黏,如果在水中长期使用，会使胶接强度降低。有四个试样在近端处发现胶黏剂脱黏,二处有两个芯格大小,两处为20个芯格大小,并从其它试样的剥离强度形貌来看,胶黏剂的粘接性能较好,在磷酸阳极化的试板上黏附有均匀大小的椭圆形胶,试样为内聚破坏，并伴有板芯破坏。

表3 试样经过水浸低温后的强度和重量变化Table 3 The change of strength and weight of sample after water immersion at low temperature

2.3 水浸中温实验结果与分析

水浸中温实验真实模拟夹层结构在水中的胶接接头的老化情况,测试结果见表4。增重比水浸低温高,说明温度对试件的影响较大,有加速老化的现象，板板剥离强度受水浸影响较小,而采用工艺1制备的试件板芯强度迅速下降,多处进水,面积高达20%～30%。采用工艺2制备的试件有少许进水,面积为5%,并在侧壁中间有多个发黑点,板芯强度在正常范围内。

表4 试件经过水浸中温后的强度和质量变化Table 4 The change of strength and weight of sample after water immersion at medium temperature

2.4 盐雾实验

环氧胶黏剂部件耐盐雾老化测试结果所示,部件经30d连续盐雾老化后,测试强度结果如表5,芯子仍然有金属光泽，韧性较好;板板剥离强度有少许降低,但强度仍超过指标,处于合格范围内;板芯剥离强度在正常范围内,没有降低。

表5 试件经过盐雾实验后的强度和质量变化Table 5 The change of strength and weight of sample after salt spray test

2.5 曝晒实验

曝晒半年后取回试件，进行相应的剥离测试，测试结果见表6，发现试样表面无明显变化，铝箔的金属光泽性较强。板板剥离强度没有任何降低,强度超过指标,处于合格范围内;板芯剥离强度在正常范围内,没有降低。

表6 试件经过曝晒实验后的强度和质量变化Table 6 The change of strength and weight of sample after exposure test

2.7 加工方式的结果与分析

加工后的随炉件很容易对蜂窝芯子造成二次破坏，直接导致板芯剥离强度大幅下降，在接近胶膜区形成塌窝，造成板芯实验直接从折痕处断裂（见表7），强度很低。

观察试样的侧面有一条细细的折痕，对于此种类型的试样应不能接受，加工过程应更新刀具。

2.8 固化温度对板芯胶膜的结果与分析

两种工艺性能对比，发现存在很大的区别。两者工艺相差，有可能造成胶膜固化不完全，表观观察到第一种工艺的制样较黄，成嫩黄颜色；第二种工艺的制样呈暗黄（见表8）。第一种工艺的固化温度应保证试样在180℃下3h,这样才能准确地测试出材料的真实强度,如果在固化过程中超温,对板芯影响较大,胶呈焦黄色,且极易造成空心。板板胶膜测试过程强度还可以,但生成小分子的气体,在板板的剥离板上留有较大的气孔,底部留有网格。

表7 试件加工方式的强度变化Table 7 The change of strength of sample with different processing methods

表8 固化温度对试件强度的影响Table 8 The effect of curing temperature on the strength of sample

3 综合分析

3.1 理论分析

环氧胶黏剂处于水热老化环境下的胶黏剂能发生较大的变化[1]。胶黏剂接头在服役或存放过程中,由于受热、水、光、氧及其他腐蚀介质的作用,会发生性能退化,使胶层强度和界面强度都下降。环氧树脂胶在光照充足、高温高湿季节力学强度和表面光泽度下降较快,水、温度是环氧树脂胶黏剂失效的重要因素。

水分子渗入胶接界面形成弱界面层,破坏结构胶与被粘接物形成的化学键,使界面处的被粘接物容易发生锈蚀,甚至还会使这些高聚物分子发生降解。

3.2 造成夹层结构剥离强度下降的潜在原因

（1）制造工艺

制造过程中由于工艺分散性形成的弱胶接、微气泡、夹杂物等均能降低胶接强度，最终造成脱黏。

（2）夹层结构进水或潮气

由于夹层结构进水或潮气，在潮湿环境作用下，导致胶性能变差，胶接强度降低，在载荷作用下造成脱黏。进水量大的情况，会使水结冰膨胀，造成脱黏。

（3）使用过程中对夹层结构的冲击

自然因素：飞机在起飞或着陆过程中，跑道上的沙石、飞机停放和飞行过程中受到冰雹或沙尘暴的袭击。

人为因素：非故意人为踩踏、搬动、工具脱落冲击、非正确方法除冰造成的压坑等。

4 结 论

1）夹层结构部件剥离强度下降是因为受潮气和温度影响，造成剥离强度下降的原因有制造工艺、自然因素和人为因素。

2）加工方式采用新的刀具,固化温度必须使试样达到180℃保温180min、芯子必须保证全部为无损状态。

［1］张栋，失效分析［M］.北京：国防工业出版社，2005.

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［3］梁恒亮，邱海鹏，陈静，等.倪晓辉铝蜂窝夹层板正交结构件的制造方法［J］.航空制造技术,2009（S1）：30～32.

［4］李叙生.胶接铝蜂窝及其夹层结构件的制造［J］.战术导弹技术,1980(4)：52～56.

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Analysis of the Peel Strength Decrease of Sandwich Structure

WANG Yue and ZHANG Feng-ling
（AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110034,China）

The aluminum sheet and aluminum honeycomb sandwich structure panel bonded with J-116 adhesive films was used as sample in this experiment.The samples were treated by two curing technologies,two kinds of water immersion conditions,salt spray test and two kinds of cutters.The peel strength at 90°direction of panel to panel and panel to core was tested,and the law of peel strength decrease was analyzed.The study indicated that the bonding strength would decrease because of the long term of water action;and the temperature would accelerate this action.The salt spray and exposure in air had little effect on the peel strength;the old cutter would induce secondary damages to the honeycomb core,as a result,the peel strength of sheet core structure would decrease significantly.The following conclusions were drawn from all of the experiments：manufacture process and introduction of water or humidity of sandwich structure were the main factors which caused the decrease of peel strength.

Peel Strength;failure;sandwich structure

TQ 433.437

B

1001-0017（2011）04-0074-04

2011-02-17

王越（1975-），女，沈阳市人，高级工程师，研究方向：非金属失效和检测。