空间相机光学件用XM23胶的杨氏模量测定和选用

高超 罗世魁 陈芳 史姣红



空间相机光学件用XM23胶的杨氏模量测定和选用

高超 罗世魁 陈芳 史姣红

（北京空间机电研究所，北京 100094）

空间相机光学件与结构件装配时，通常使用胶接的工艺方法。XM23胶作为常用的胶接剂，其杨氏模量直接影响组件基频以及光学件卸载热应力、装配应力的能力，进而影响光学系统的性能。已有的工程实例表明，XM23胶的杨氏模量会在一定的范围内波动。从目前掌握的试验数据看，此数值在1.2~3.0MPa之间，所以需要在每次用胶前对其杨氏模量进行测定。文章首先设计了拉伸试验试件，通过对拉伸试验数据的处理获得胶样的名义模量；其次，通过有限元方法将名义模量换算为真实模量，并利用“高分二号”（GF-2）卫星相机模型对此数据进行校验；再次，给出了结构设计时，XM23胶选用的一般方法；最后，通过对比试验发现，不同批次胶的杨氏模量会变化，同一批次胶在储存期内，随着时间的增长杨氏模量会不断下降，促进剂的配比对杨氏模量没有影响，利用此特点可以缩短产品的研制时间。

室温硫化胶 杨氏模量 拉伸试验 有限元仿真 空间相机

0 引言

由于减振、热应力卸载、微装配应力实现等目的，空间相机光学件与结构件装配时，常常采用注胶、抹胶、胶垫压紧等胶接方式，也取得了成熟的在轨应用经验[1-5]。XM23胶是一种室温硫化硅橡胶（RTV），多用于航空产品密封和粘接。由于其使用温度范围宽、剥离强度高、抗辐射性能好，可以很好地匹配空间相机的使用需求，所以越来越多地应用到空间相机上[6]。

光学件设计时，一般需要考虑组件基频及其应力卸载能力，这直接依赖于胶接剂的分布、体积和杨氏模量。通过仿真可以发现，当杨氏模量不同时，胶接剂的分布（影响卸载能力）及体积（影响基频）也需要进行相应的调整，因此胶接剂的杨氏模量是一个重要的材料参数，必须在设计或工艺实施初期就找准这个参数。

XM23胶是作为密封剂研制的[7]，厂家给出的技术指标以剥离强度、伸长率等为主，而杨氏模量则需要在实际使用前进行测定。本文参照国家标准，设计了拉伸试验试件，通过比对试验曲线及有限元仿真结果，确定该试件用胶的杨氏模量。

在实际生产过程中可以发现，XM23胶的杨氏模量不是一个固定的参数。不同批次的胶，其杨氏模量不同；即使是同一批次的胶，在其储存期内，其杨氏模量是缓慢下降的。从已经掌握的近10批次胶，20多组试验结果来看，此数值在1.2~3.0MPa之间，而80%以上的数据集中在1.5~2.5MPa范围内。对于光学件的粘接来说，这种参数上的差异意味着注胶量的变化，一旦胶量与设计值不匹配，就会造成组件基频下降以及光学件装框后的面形恶化。所以每次用胶前必须测定本次用胶的杨氏模量，并根据结果调整用胶方案。

1 XM23胶杨氏模量测定

测定XM23胶的杨氏模量时，首先制备相应的试验件，然后进行静力拉伸试验，在利用有限元软件对试验数据进行处理后，最终得到该批次胶样的杨氏模量。

1.1 试件选型

对橡胶进行拉伸试验来测定其材料参数或剥离强度的方法在各类标准中有不同的规定，其中常见的试样形式有：单板型[8]、两板型[9]、四板型[10]、环型[11]、哑铃型[11]等。其中哑铃型试件需要专用模具及设备来进行制备；单板型试件用于测量橡胶与金属90°剥离强度，通过试验曲线难以换算材料的杨氏模量；环型试样和两板型试样试验时方向误差较大，数据分离性大，得到的试验结果存在较大的误差；四板型试样制备相对简单，无需专用模具，且试验加载方向性好，批次试验结果一致性好，可信度高，所以本文采用四板型试样来进行拉伸试验。

图1为四板型拉伸试验件示意图，通过结构设计可以很好地保证拉伸试验机加载时，胶层受到纯剪切作用；试件通过结构定位后进行注胶，胶斑固化后撤去定位结构并刮去溢出部分胶样，即可进行试验。

图1 四板型拉伸试验件

1.2 拉伸试验

对图1中的试件进行拉伸试验[12]，就可以得到加载力—位移曲线。为减小误差，每次拉伸试验会使用5~6个试件，一组典型的试验结果曲线见图2。由于加载初期设备及试件存在空程、初期加载速率不稳定等原因，起始段通常会有台阶状非线性段，进行数据处理时应舍去此段。选取试验曲线的线性段，通过式（1）~式（4）推算，就可以获得此试件的名义模量[10]。对各个试件的计算结果进行平均，就可以得到本批胶的名义模量。

图2 一组试件的加载力—位移曲线

（3）剪切模量

由胡克定律可知，杨氏模量

（4）

式中为泊松比，对于XM23胶，此参数固定取为0.47[13]。

1.3 数据处理

图3为受约束胶层受剪时示意图[14]，胶层受剪切时是存在剪切应变的，而由于金属板的存在，胶接面上剪切应变为零，最终胶层变形行为表现为“凸出”。显然，只有在胶接面处作用面积为，实际胶层受力时的等效面积是大于的。所以式（2）得到的剪应力以及式（1）得到的剪应变只是名义值，而非真实值，这与经典的材料力学单轴拉伸试验中试件屈服后的颈缩现象[15~16]相似。使用有限元方法，可以真实地模拟试样拉伸试验的物理过程：建立试件的有限元模型，在模型上加载，调整预先给定的杨氏模量，使得仿真得到的位移值为，最终即可得到与试验数据对应的XM23胶的杨氏模量[17-19]。

图3 受约束胶层受剪时示意

图4为某批次试件试验曲线图。根据实测数据，位移为1mm时，加载力为149.48N；位移为8mm时，加载力为785.095N。试件胶层厚度为5mm，粘接面尺寸为25mm×20mm，由式（1）~式（4）可得，=1.744MPa。

按照上述仿真方法，设定加载力为635.615N，调整为3.07MPa时，得到试件位移为7mm，如图5。此例中，仿真得到的杨氏模量与用试验数据直接得到名义值差别在40%以上。

图4 某批次试件试验曲线图

图5 试件拉伸仿真结果图（位移）

1.4 方法验证

图6为某空间相机有限元模型。相机由主体与柔性支杆组成，其中柔性支杆与相机通过XM23胶连接。仿真结果表明，相机的主要模态都出现在柔性支杆上，当胶量不变时，其基频直接由XM23胶的杨氏模量确定。此相机使用的XM23胶经过拉伸试验，由1.2节中计算方法得到的名义模量为1.53MPa，由有限元模型修正后计算得到的杨氏模量值为2.51MPa。

图6 某空间相机有限元仿真模型

表1列出了通过有限元仿真和试验分别得到的相机前三阶基频，可以看到，以2.51MPa作为计算参数获得的相机基频与试验结果吻合，可以认为1.3节中提出的XM23胶杨氏模量的仿真方法准确、可靠。

表1 某相机仿真及试验获得的基频

Tab.1 FEA and experiment results of base frequencies for a space camera Hz

2 基于杨氏模量的光学件用XM23胶的选用方法

2.1 结构设计与XM23胶的选用

在进行光学件结构设计时，会进行大量的仿真，这就需要给定XM23胶的材料参数。试验数据表明，XM23胶的杨氏模量并非固定值，所以可以在设计阶段先给出一个初始值（如2.0MPa），并在设计胶斑时留出注胶量的调整范围。利用1.3节的方法，根据某批次试样的试验结果可以确定XM23胶的杨氏模量，从而进行胶斑面积调整。

在设计阶段，可以近似地认为模量与胶斑体积呈反比关系。目前所得到的XM23胶杨氏模量值一般在1.5~2.5MPa的范围内。对于2.0MPa的初始值来说，结构设计只需保证±20%的体积调整量就可以了，而通常进行胶斑设计时，胶斑半径的可调范围要远比这大得多。

在获得实际用胶的真实杨氏模量之后，就应该进行设计复算，确定最终的用胶体积。当设计调整范围不够时，就应该更换所使用的XM23胶。当设计时间充裕或工况简单时，也可以进行极限设计：确定允许选用的XM23胶杨氏模量的上下限，一旦实测值超出此范围，就直接弃用此批次胶。

2.2 促进剂配比的影响

XM23胶由四组分构成，分别是基膏（组分一）、增粘剂（组分二）、硫化膏（组分三）、促进剂（组分四）。配制时，前三者质量比例固定，为1 000∶70∶15，而促进剂则在0.7~1.5之间，调整促进剂的质量配比，可以获得不同的硫化时间。对于硫化橡胶来说，硫化过程是橡胶大分子链发生化学交联反应，最终形成三维网状体型结构的过程。实际上就是把塑性的胶料转变成具有高弹性橡胶的过程[20]。硫化时间越短，交联反应越快，网构形成越快，橡胶内部的内应力就越大。对于面型要求高、工况复杂的光学件，一般选用长硫化时间。而通过试验发现，硫化时间长短对于XM23胶的杨氏模量没有影响。图7为某批次XM23胶不同促进剂配比试样的拉伸试验曲线。从图中可见，不同试样曲线斜率基本一致，无显著差别。而随着促进剂配比的增大，试件的失效提前，承载能力明显下降，胶的剥离强度降低，结构设计考虑的强度裕度不大时，需要谨慎选择促进剂配比。

图7 不同促进剂配比试验曲线

2.3 储存期的影响

XM23胶储存期不长，单批次胶基材的储存期为6个月，同一批次胶的杨氏模量在储存期初期和末期存在差异。如某批次胶出厂时期为2015年7月，采购后测定其杨氏模量为2.4MPa，而2016年1月再次使用前测得杨氏模量降为1.3MPa；另一批次胶2014年8月测得杨氏模量为2.5MPa，2015年1月测得杨氏模量为1.7MPa。试验数据表明，XM23胶的杨氏模量随储存时间缓变，通常呈下降趋势，而不同批次胶下降程度不同。

由上所述，光学件用XM23胶在选用时必须注意以下几点：

1）XM23胶的杨氏模量是一个变化值，不同批次、不同储存时期的胶杨氏模量不同；

2）当结构设计敏感于XM23胶的杨氏模量时，必须在设计初期预留调整余量，并在每次工艺实施前进行杨氏模量确定；

3）根据实际得到的杨氏模量，确定此批胶是否适用，胶量是否进行调整；

4）促进剂配比对杨氏模量影响不大，可以使用高促进剂配比进行试样制作，使用低促进剂配比进行产品生产，以提高效率，压缩研制周期。

3 结束语

XM23胶的杨氏模量作为光学件设计过程中的一个重要参数并不是固定的，这就使得每次使用前，需要对此参数进行测定。本文参照国家标准，提出了一种通过拉伸试验结合有限元仿真来获取XM23胶杨氏模量的方法。通过仿真和振动试验结果的比对，验证了此方法的有效性。以此方法为基础，对不同促进剂配比、不同批次及储存期内不同时期XM23胶的杨氏模量进行了测定，从而给出了使用XM23胶进行胶接的光学件设计时选胶的一般方法。从现有的试验数据及工程实例来看，XM23胶的杨氏模量在1.2~3.0MPa之间，且与胶的批次、储存时期有关，促进剂的配比对此影响不大，但会影响胶的剥离强度。

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（编辑：王丽霞）

Young’s Modulus Determination and Selection for XM23 Glue Used in Space Camera Optics

GAO Chao LUO Shikui CHEN Fang SHI Jiaohong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Bonding technique is frequently used in assembly of optical components and structures. XM23 glue is a common adhesive whose Young’s modulus directly affects the base frequency of the components, the reloading of thermal stress and assembly stress, finally influences the optical system performance. Engineering examples show the Young’s modulus of XM23 fluctuates from 1.2MPa to 3MPa, so the determination of XM23’s Young’s modulus before using is necessary. In this paper, firstly, an extension experiment sample is designed and nominal modulus is obtained from experiment data processing. Secondly, nominal modulus is converted to real modulus via FEA method and corrected by GF-2 camera model. Thirdly, choosing principle of XM23 glue in structural design is given. Finally, a series of contrast experiments demonstrate the Young’s modulus changes for diverse batches and periods, but the influence of accelerator ratios is slight.

room temperature vulcanization; Young’s modulus; extension experiment; finite element simulation; space camera

TB30

A

1009-8518(2017)02-0048-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.02.007

2016-11-30

国家重大科技专项工程

高超，男，1983年生，2008年获北京大学一般力学专业硕士学位，工程师。研究方向为遥感相机结构设计工作。E-mail：106201@163.com。