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本文介绍了中温固化的耐热双酚A环氧树脂胶粘剂的技术要求、配方组成特点、胶粘剂性能、粘接工艺和胶粘剂在固体火箭发动机长尾喷管粘接中的应用。

研究课题：粘合剂&密封剂

张崇耿¹，胡大宁²，沈红欣¹，耿志刚¹，包乐¹，王纪霞¹，张权¹，周一博¹

（1.西安长峰机电研究所，陕西西安 710065；2.陆军驻天水地区军事代表室，甘肃天水 740000） 

摘  要：本文介绍了中温固化的耐热双酚A环氧树脂胶粘剂的技术要求、配方组成特点、胶粘剂性能、粘接工艺和胶粘剂在固体火箭发动机长尾喷管粘接中的应用。

关键词：双酚A环氧树脂；胶粘剂；粘接；长尾喷管；固体火箭发动机 

固体火箭发动机长尾喷管粘接包括树脂基碳纤维复合材料内衬和金属壳体的粘接，粘接效果主要决定于被粘物表面状态、胶粘剂性能和界面层特性。双酚A环氧树脂由于极性环氧基和苯环的存在，粘接性能和耐热性能良好，而且与被粘物浸润性良好，得到广泛应用。金属壳体粘接面主要通过机械喷砂保证，内衬粘接面主要通过本身热压成型后机加型面的粗糙度保证。内衬树脂基材料由于是钡酚醛树脂含有极性基团与极性环氧树脂胶粘剂的粘接性能良好，金属壳体为超高强度钢材料由于过渡金属铁原子的d空轨道与胶粘剂中的环氧树脂环氧基氧原子的孤对电子形成配位络合作用，因此这一面粘接性能也好。此外，环氧胶粘剂固化时具有一定的收缩率，对于配合间隙大的粘接配合面一般需要增加用胶量保证胶粘剂均匀致密充满粘接缝隙。喷管防热部件粘接面温度在发动机工作时一般温度可以达到50℃～60℃，双酚A环氧树脂胶粘剂完全满足要求^[1]。

1 胶粘剂的技术要求

（1）使用温度为-20℃到150℃；

（2）对金属、防热内衬具有良好的粘接强度，铝-铝剪切强度≥15MPa，拉伸强度≥20MPa；

（3）工艺性能好，具有一定的流动性，对被粘物具有良好的浸润性，无需复杂的加热、加压设备，可以在室温和中低温条件下固化；

（4） 不应对被粘物造成侵蚀或腐蚀；

（5）有足够的抗老化性能，贮存10年后，强度保持率不低于80%。

2 胶粘剂的配方组成特点

由于环氧树脂对许多材料均具有活性，固化反应属于亲核加成反应，不放出小分子，收缩率不大，固化时不需要很高的压力，只需要一定的接触压力即可，因此粘接成型工艺简单。在此基础之上的配方选择也比较容易，根据使用的固化温度，选择相应固化剂，同时兼顾适用期和粘接剂固化后的性能。由于考虑胶粘剂的流动性，更好的充满粘接配合间隙（一般为0.05mm～0.20mm），需要降低胶粘剂粘度，配方组分中需要加入活性稀释剂；考虑使用温度一般需要加入耐热无机填料；由于胶粘剂固化时当温度达到60℃时，胶粘剂流动性增加，因此，配方组分中加入一定量的触变剂有利于粘接时，间隙较大的长尾喷管的缝隙的充满，减少了固化时胶粘剂的流出损失，导致粘接面出现空隙，导致超声探伤不合格。

典型的固体火箭发动机长尾喷管粘接胶粘剂的配方组份见表1。

表1  长尾喷管粘接胶粘剂的配方组份

3 胶粘剂性能

长尾喷管粘接胶粘剂见表2。

表2  长尾喷管粘接胶粘剂性能

4 胶粘剂粘接工艺

4.1 胶粘剂固化制度确定

E-51环氧树脂与2-乙基-4-甲基咪唑的反应包括有三个基本反应：首先是环氧基与咪唑环上活泼氢的反应，紧接着是氧负离子的生成反应，第三为氧负离子活性中心的链增长反应。一般的动力学研究未能将以上反应区别开来，故研究结果差异较大。有关学者用DSC以外推法求出了第一步反应动力学参数,即充分增加2-乙基-4-甲基咪唑的用量使反应只停留在第一步，此时的动力学方程为：

=1.5×10⁹e^-(1-α)s^-1

式中：α为环氧基反应的百分数，即第一步为一级反应，与环氧浓度的一次方成正比。但一般2-乙基-4-甲基咪唑的用量都比较少，故第一步的反应比例较少，第二步的反应也较少，因此以第三步反应为主。一般的动力学研究也是这个表观动力学。第三步的表观动力学方程为:

=3.49×10²⁷e^-s^-1

即为零级反应，与环氧的浓度无关。利用此式可以计算在指定温度下的完全固化时间。例如80℃固化，解出t∞=4.44 h。考虑到工件大小热传导的影响，一般采用80℃固化6h～ 8h。理论的计算与实践基本上是一致的。这个反应是反应机理明确、可以理论计算的唯一的固化反应^[2,3]。

4.2 长尾喷管粘接工艺的粘接工艺

某固体火箭发动机长尾喷管粘接采用套接成型工艺，粘接工艺流程图见图1，长尾喷管示意图见图2。由于室温固化环氧胶粘剂普遍存在固化速度慢、强度较低、耐热性差等缺点，本研究采用中温固化的环氧树脂体系，经过长期的生产实践证明该结构胶性能稳定，工艺可行，产品质量完全满足发动机使用要求。

图1  长尾喷管粘接工艺流程图

图2  长尾喷管示意图

5 胶粘剂在固体火箭发动机长尾喷管粘接中的应用

E-51环氧树脂与2-乙基-4-甲基咪唑配方体系胶粘剂，属于中温固化的环氧树脂结构胶，经过长期的批产型号使用表明，能够满足战术导弹固体火箭发动机中长尾喷管金属壳体和玻璃钢内衬之间的粘接。胶粘剂性能指标、成型工艺和质量稳定性、可靠性等完全满足产品使用要求。该胶粘剂在同类性的产品中可以参考或推广使用。

【作者简介】张崇耿，男，航天210所复合材料研究中心研究员。1992年至今供职于210所，主要从事固体火箭发动机材料和工艺研究，联系电话：13636701310，电子信箱：cgzhangsxs@163.com。

参考文献

[1] 丘哲明. 固体火箭发动机材料与工艺[M]. 北京: 宇航出版社, 1995.

[2] 张多太. 用DSC以外推法求复杂反应的动力学参数—EMI-2,4固化环氧树脂的研究[J]. 中国胶粘剂, 1997, 6(5): 38-43.

[3] 张多太. 用DSC曲线求EMI-2,4固化环氧树脂的动力学参数[J]. 宇航材料工艺, 1994, (5): 31-33.

文章源自：中国环氧树脂应用技术学会公众号

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