硅橡胶与钛合金粘接工艺研究_涂春潮

研究报告及专论

　2008年2月

粘接　A d h e s i o ni nC h i n a 硅橡胶与钛合金粘接工艺研究

涂春潮,米志安,王文志,苏正涛,王景鹤

(北京航空材料研究院,北京100095)

收稿日期:2007-10-16

作者简介:涂春潮(1978-),男,硕士,工程师,从事阻尼减震降噪材料的研究。

摘要:对硅橡胶与钛合金粘接的方法及工艺进行了研究。探讨了钛合金表面处理、胶粘剂种类、硫化条件、金属件预处理工艺等因素对粘接性能的影响,并给出了最佳粘接硫化工艺。

关键词:粘接工艺;钛合金;硅橡胶

中图分类号:T G 494　文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2008)02-0033-03

1　前言

钛合金具有强度高、质量轻、耐腐蚀等优点,是

一种广泛应用于航空航天工业的重要结构材料。硅橡胶具有耐高低温、耐紫外线、耐辐射、耐气候等优异性能,在航空、航天、电子电气等众多领域中得到了广泛应用。将钛合金与硅橡胶这2种不同性质的材料粘接在一起制成具有不同构型和特性的复合件,在航空航天、舰船等特殊场合具有广泛的应用前景,如固体火箭发动机的柔性接头、水下潜艇、扫雷

艇的密封部件等[1]

。但由于钛合金的表面活性低,硅橡胶很难与其直接粘接在一起。

在橡胶与金属的粘接过程中,由于橡胶的流动性、变形性等因素的影响,其粘接机理非常复杂,目

前公认的机理是扩散、渗透、共交联理论[2]

。金属与橡胶的粘接一般采用热硫化粘接的方法,该方法先对金属进行表面处理,然后涂刷胶粘剂,利用成型模具把混炼胶与金属制备成橡胶-金属复合构件,加热加压硫化,实现粘接。其好处是在热硫化的过程中,在胶粘剂与金属、胶粘剂与橡胶之间以及胶粘剂、橡胶内部发生一系列物理化学反应形成牢固的连接体。

本文以硅橡胶与T i 80粘接为例,对钛合金表面的处理方法,胶粘剂的种类以及硫化工艺,预处理工艺等因素对粘接性能的影响进行研究。2　实验部分2.1　原材料

苯基硅橡胶,国外进口;P R I M E R 24T ,日本进

口;胶粘剂V T P S ,哈尔滨化工研究所;胶粘剂X Y -601S ,北京航空材料研究院;钛合金T i 80,北京航空

材料研究院;丙酮(分析纯),市售。2.2　仪器与设备

X L L -50拉力试验机,广州试验机厂;Y J -500平板硫化试验机。

2.3　试验方法

金属表面处理一般分为机械物理方法和化学方法2大类[3]

。由于钛合金耐酸、碱溶液的腐蚀,酸、碱液对钛合金表面的处理效果较差。因此本文采用先用溶剂擦除钛合金表面的油脂,再用喷砂的方法进行粗化处理,最后用丙酮溶液清洗干净,晾干后待用。

将处理过的钛合金涂刷胶粘剂,在保证不缺胶的情况下,胶层尽量薄。

将涂刷好胶粘剂的金属件装入成型模具中,按照G B /T 12830—91《硫化橡胶与金属粘合剪切强度测定方法》标准,采用注压成型的方法,在平板硫化机上对硅橡胶与钛合金进行高温成型。

按照G B /T 12830—91规定的方法进行粘接强度测试。3　结果与讨论

3.1　喷砂粒径对粘接强度的影响

对钛合金进行喷砂处理时,分别用粗、细2种不同粒径的砂处理。比较2种粒径砂对粘接强度的影响,测试结果见表1。

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涂春潮,等:硅橡胶与钛合金粘接工艺研究

第29卷第2期

粘接　A d h e s i o ni n C h i n a

T a b .1　E f f e c t o f s a n dp a r t i c l e s i z e f o r b l a s t i n g

o nb o n d i n g s t r e n g t h

表1　喷砂粒径对粘接强度的影响

粒径粘接强度/M P a

破坏形式粗砂2.3界面破坏细砂

2.8

界面与内聚混合破坏

注:胶粘剂24T ;硫化条件:压力10M P a 、温度170℃、时间15m i n 。

从表1可以看出,采用细砂进行喷砂表面处理的试样粘接强度较高,可达2.8M P a ,而采用粗砂进行喷砂表面处理的试样粘接强度较低。这可能是由于用细砂进行喷砂表面处理更有利于增加钛合金表面积,进而增加了粘接面积,提高了粘接性能。所以采用细砂对钛合金进行喷砂表面处理更适宜。3.2　胶粘剂的选择

分别用胶粘剂24T 、V T P S 和自制胶粘剂X Y -601S 3种胶粘剂进行粘接试验,对X Y -601S 和V T P S 胶粘剂进行了室温30m i n 的干燥处理,对24T 胶粘剂进行了30m i n 的湿热处理,湿热处理条件为:湿度50%,温度:150℃。按国标G B /T 12830—91测试粘接强度,测试结果见表2。

T a b .2　E f f e c t o f a d h e s i v e t y p e o nb o n d i n g s t r e n g t h

表2　不同胶粘剂对粘接强度的影响

胶粘剂种类粘接强度/M P a

破坏形式X Y -601S 2.1界面破坏V T P S 2.3界面破坏24T

2.8

混合破坏

注:采用细砂对钛合金表面进行喷砂处理;硫化工艺:压力10M P a 、温度170℃、时间15m i n 。

从表2可以看到,胶粘剂24T 粘接强度最高,破

坏形式为混合破坏;V T P S 次之,X Y -601S 最低。分析认为,经过湿热处理的24T 胶粘剂会水解出部分羟基基团,而-O H 基团更有利于提高胶粘剂和钛合金之间的粘接强度。另外,胶粘剂24T 本身含有乙烯基,在粘接过程中乙烯基和硅橡胶可能产生共硫化反应,从而提高了硅橡胶和钛合金之间的粘接强度。3.3　硫化工艺对粘接性能的影响

热硫化型胶粘剂与橡胶的粘接需要加温加压硫化,才能获得粘接强度和内聚强度,而硫化条件是关键因素。当硅橡胶的硫化温度在170℃左右,压力

为10～15M P a ,硫化时间10～30m i n ,其粘接强度变化不大,因此,硫化条件确定为:温度170℃,压力10M P a ,硫化时间15m i n 。

3.4　预处理工艺对粘接性能的影响

在成型硫化之前,对涂刷好胶粘剂的钛合金金属件进行预处理与否对粘接性能有一定的影响。湿热处理的条件为:相对湿度50%,温度:150℃。预处理后再硫化成型的标准试板粘接试样性能测试结果见表3。

T a b .3　E f f e c t o f p r e t r e a t i n gp r o c e s s o nb o n d i n gs t r e n g t h

表3　预处理工艺对粘接强度的影响预处理工艺粘接强度/M P a

破坏形式室温干燥10m i n 2.0界面破坏室温干燥30m i n 2.1混合破坏室温干燥50m i n 2.4混合破坏室温干燥60m i n 2.4混合破坏湿热处理10m i n 2.2界面破坏湿热处理30m i n 2.8混合破坏湿热处理60m i n

2.8

混合破坏

注:钛合金经过细砂喷砂处理;硫化工艺:压力10M P a 、温度170℃、时间:15m i n 。

从表3可以看到,随着室温干燥时间的增加,硅橡胶和钛合金之间的粘接强度逐渐增大。室温干燥

处理少于30m i n 时硅橡胶和钛合金之间的粘接强度不高,而且破坏方式为胶粘剂和钛合金之间的界面破坏,这可能是因为胶粘剂中的溶剂未能完全挥发。当干燥时间大于30m i n 时,粘接强度稳定在2.4M P a ,破坏方式为混合破坏。表3显示出,通过湿热处理可以明显提高硅橡胶和钛合金之间的粘接强度,处理30m i n 时粘接强度即可以达到2.8M P a 。粘接强度提高的原因除了3.2节中所述之外,还可能因为高温有利于胶中的溶剂挥发。

4　结论

1)硅橡胶与钛合金粘接时,用细砂进行喷砂粗化处理是一种较好的方法。该方法能够除去钛合金表面的氧化层,还能够增加钛合金的比表面积,对提高硅橡胶与钛合金的粘接性能具有重要作用。

2)通过对3种胶粘剂进行粘接性能测试,证明胶粘剂24T 的粘接效果最好,适合于粘接硅橡胶和钛合金。

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