復合材料構(gòu)件真空氣密性能的提升技術(shù)研究
在簡述某復合材料在空間領(lǐng)域的應用事例之后，指出改進真空氣密性能的必要性。在歸納熱固性樹脂基復合材料真空氣密性問題的特點之后，提出要使復合材料構(gòu)件在真空度小于10-3Pa 等空間環(huán)境條件下漏率小于10-10 Pa.m3/s、總質(zhì)量損失小于1.00%、可凝揮發(fā)物小于0.10%，應從設(shè)計、制造和使用的各個環(huán)節(jié)采取系統(tǒng)性的措施。隨后從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝路線設(shè)計、工藝方法選擇、工藝控制措施、包裝、運輸、貯存、使用和維護方面，共計介紹了數(shù)十條可提升真空氣密性能的技術(shù)措施，并通過實例驗證了技術(shù)措施的有效性。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，具有輕質(zhì)、高強、可靈活設(shè)計特點的復合材料在航空航天、武器裝備、醫(yī)療、體育、運輸?shù)溶娒耦I(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。然而，象其它材料一樣，復合材料也具有一些相對較弱卻要足夠重視的性能，有時這些性能甚至還會嚴重影響構(gòu)件的正常使用。例如，真空氣密性能低于不銹鋼、鋁等金屬材料的某樹脂基復合材料應用在軌道航天器上時，在3~4 K低溫、高真空并有原子氧、電子輻射、紫外輻照、冷熱交變、碎片撞擊等的空間環(huán)境下發(fā)生的一處微小放氣和漏氣造成了加速度的改變，進而引起整個航天器運動軌道和姿態(tài)的改變，釀成了重大事故。實際上，較應用環(huán)境條件苛刻的空間領(lǐng)域，復合材料真空氣密性問題的事例在其它領(lǐng)域中也是經(jīng)常發(fā)生，只是危害程度輕一些而已，因而有必要展開改進材料真空氣密性能的研究。
據(jù)真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)提供的資料，真空氣密性問題主要包括材料的放氣和漏氣兩大類，放、漏氣的合格指標因具體使用要求而不同。放氣是由于真空條件下材料發(fā)生蒸發(fā)、升華、反應和降解造成，在地面上時衡量指標主要為出氣速率、出氣量及出氣成份，在空間領(lǐng)域時則為質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)份。漏氣即為構(gòu)件各零部件發(fā)生的氣體泄漏，衡量指標主要為個別部件漏率或總漏率。通常，空間復合材料的真空氣密性能指標為： 在真空度小于10-3 Pa 等空間環(huán)境條件下，漏率小于10-10 Pa.m3/ s、總質(zhì)量損失小于1.00% 、可凝揮發(fā)物小于0.10%。為了提升復合材料的真空氣密性能，降低放氣率、漏氣率及其帶來的不良影響，業(yè)內(nèi)人士進行了多年的研究和探索。由于不同材料的真空氣密機理、影響因素和改進措施均差異較大，限于篇幅，本文僅以空間用熱固性樹脂基復合材料構(gòu)件為研究對象，系統(tǒng)性地介紹可提升其真空氣密性能的技術(shù)措施。
1、復合材料真空氣密性問題的特點
應用范圍廣泛的熱固性樹脂基復合材料以基體樹脂和增強纖維為主要原料，按一定工藝成型后，經(jīng)固化交聯(lián)反應后形成的高比強高比模構(gòu)件，其真空氣密性問題具有如下特點：
(1) 真空環(huán)境與構(gòu)件的放、漏氣之間相互影響。真空會加劇材料放、漏氣的速率和量，漏、放氣也會影響真空環(huán)境的獲得，有時放氣也可能是壁厚即將發(fā)生泄漏的先兆。
(2) 漏放氣問題受到自身材料和結(jié)構(gòu)、制造工藝和使用環(huán)境的多重影響，顯得非常復雜。即使是同種材料，在結(jié)構(gòu)、制造工藝和使用環(huán)境不同時，不同構(gòu)件甚至同一構(gòu)件的不同部位的真空氣密性能也會不同。
(3) 構(gòu)件放出的氣體分為吸附解溶氣體、溶劑揮發(fā)氣體、反應氣體和老化降解氣體四類，成分包括H2O、CO、CH4、H2、CO2 等和其它低分子產(chǎn)物，其中H2O的含量最多。放氣存在于構(gòu)件壽命期內(nèi)的不同階段并以不同趨勢衰變和波動，總體上看，質(zhì)量損失會在一定條件下隨時間趨于飽和，未被收集的可凝揮發(fā)物也容易造成器件污染。
(4) 構(gòu)件內(nèi)部容易產(chǎn)生孔隙、疏松、裂紋和夾雜等缺陷，缺陷處易發(fā)生氣體泄漏。有時，還會因環(huán)境條件變化而發(fā)生冷漏、超漏的情況。
真空氣密性問題的復雜，使得單一的技術(shù)措施難以徹底進行解決。根據(jù)經(jīng)驗和有關(guān)文獻，空間復合材料的真空氣密性能，需要從設(shè)計、制造和使用的各個環(huán)節(jié)采取措施進行系統(tǒng)性地提升。通常，在應用到正式產(chǎn)品前，要實測其出氣數(shù)據(jù)，嚴格檢漏,確定其真空氣密性能是否滿足設(shè)計要求，應用到空間領(lǐng)域前還要經(jīng)多次地面模擬試驗驗證和空間飛行考核。
2、真空氣密性能的提升技術(shù)
提升技術(shù)措施基于放氣和漏氣的發(fā)生機理，貫穿產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計到使用維護的整個過程，可預防或減少復合材料構(gòu)件的真空氣密性問題。
2.1、產(chǎn)品設(shè)計
客觀上，沒有絕對真空致密的材料，設(shè)計時應以滿足使用要求為標準，將真空氣密性能指標設(shè)定在合理的范圍。通常，包含材料體系的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.1.1、材料體系的選擇
復合材料的原材料包含基體樹脂、增強纖維、填料、助劑和膠粘劑等。常用的基體樹脂有不飽和聚酯、環(huán)氧、酚醛、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺等，增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、PBO纖維等，填料有玻璃微珠、鋁粉、碳酸鈣、二硫化鉬、鈦酸鋇等，助劑有偶聯(lián)劑、消泡劑等，膠粘劑則分為有機、無機兩大類。選擇時應注意以下幾點。
(1) 樹脂體系包含樹脂、固化劑和引發(fā)劑等，選擇時應注意： 一是優(yōu)先選擇無溶劑樹脂體系，減少溶劑的影響; 二是樹脂體系應具有較低的粘度，利于氣體的排除; 三是樹脂體系固化類型應為加成聚合類,可形成較大化學鍵能的高密度分子結(jié)構(gòu)，較少生成小分子氣體產(chǎn)物，較少殘留活性官能團; 四是樹脂體系及固化物應具較低的吸濕量; 五是固化后的樹脂分子鏈上活性官能團應較少，較難再次發(fā)生化學反應; 六是樹脂澆注體應具有較好的韌性，以減少制品變形或纖維界面應力破壞，斷裂伸長率常以5% 以上為宜。據(jù)有關(guān)制品的使用結(jié)果，氰酸酯樹脂和熱塑性樹脂的真空氣密性能相對優(yōu)于常用的酚醛、環(huán)氧、不飽和聚酯等類樹脂。
(2) 增強纖維由于纖維的表面是較易發(fā)生氣體吸附、滲透和泄漏的區(qū)域，選擇時應注意： 一是應多選擇浸潤性好、低TEX 數(shù)、高模量、直徑較粗、線膨脹系數(shù)低的短切纖維、連續(xù)單向無捻或低捻纖維以及厚度較薄的織物; 二是纖維表面的多余雜質(zhì)或缺陷應容易清理，且清理后容易與活性分子發(fā)生反應;三是應采用合適的方式對纖維進行表面處理，以獲得強而韌的界面層，以減少某些環(huán)境下界面損傷帶來的影響; 四是纖維應具有和樹脂相接近的斷裂伸長率，以減少材料不同步變形時界面的損壞。根據(jù)經(jīng)驗，玻璃纖維增強的復合材料真空氣密性相對更好。
(3) 填料填料的使用可使構(gòu)件獲得平整光潔的表面。選擇時，應考慮填料的外形尺寸、添加比例、表面活性及其在樹脂體系中的分散性，必要時應先進行表面處理。
(4) 助劑適量助劑的使用可改善樹脂膠液的工藝性，還可提高構(gòu)件的致密程度。這是因為： 偶聯(lián)劑的分子鏈兩端可分別與纖維和樹脂發(fā)生化學反應,從而提高纖維和樹脂分子之間結(jié)合力，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)分層缺陷; 消泡劑可快速消除膠液中的氣泡并抑制新氣泡的產(chǎn)生，從而減少構(gòu)件內(nèi)部孔隙缺陷的尺寸和數(shù)量。選擇時，應考慮助劑與樹脂、纖維間的反應活性，及其給構(gòu)件性能帶來的影響。
(5) 膠粘劑用于零部件之間的膠接裝配。應盡量選擇剪切強度高、韌性好、工藝性好、無氣體固化產(chǎn)物、膠層真空出氣率低的膠粘劑，并通過合適的表面處理和涂覆工藝獲得致密的膠層。例如，某型號艦用部件采用多個金屬與復合材料構(gòu)件膠接的結(jié)構(gòu)，選用某國產(chǎn)雙組份膠粘劑，采用分次涂膠和除氣工藝，膠接后膠層的氦氣漏率小于2.0 ×10-8 Pa.m3/s。
2.1.2、結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計時應綜合考慮載荷條件、材料性能、環(huán)境、工藝手段、運輸安裝、檢驗測試、維護、壽命、使用工況、成本等因素，既保證構(gòu)件能安全可靠使用，又可以發(fā)揮其輕質(zhì)、高強、可設(shè)計的優(yōu)勢。在幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，要特別注意以下幾點：
(1)避免出現(xiàn)壁厚過薄和厚度不均勻性的設(shè)計。不均勻結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應力，進而導致薄壁面產(chǎn)生裂紋或使局部裂紋擴展成漏孔，因而設(shè)計時特別注意結(jié)構(gòu)形態(tài)和配合尺寸是否合理。一般壁厚不得小于1 mm，薄壁面轉(zhuǎn)折處半徑宜大于2.5 mm，厚薄變化不宜大于50%。
(2)避免在壁厚方向上設(shè)計有通孔。通孔的設(shè)計破壞了原壁面的完整，需要通過另外的密封方式進行密封，這將增加壁面漏氣的風險。設(shè)計通孔時,還應注意通孔形狀、尺寸、間距、邊距等參數(shù)的設(shè)計,防止孔壁和周邊出現(xiàn)損傷而形成漏孔。
(3)適當增加加強筋/ 肋。在壁厚較薄、不均勻、表面積較大且承受載荷較大時，加強筋/肋可提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少應力、變形和破壞，進而降低壁面漏氣的風險。筋/ 肋應以外形矮、數(shù)量多、分散均勻、邊緣處圓滑過渡為宜。通常，過渡圓角應大于R1。
(4) 模具成型面上應設(shè)計有適當脫模斜度。對固化收縮大、外形復雜、成型表面較小且修補不便的構(gòu)件，適當斜度可降低脫模難度，減少成型表面的變形和損傷，避免因損傷而造成氣體泄漏。一般，脫模斜度不應小于0.5℃。
(5) 預埋嵌件的特殊要求。嵌件可提高構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性和某些性能，還可給機械連接提供方便,但其結(jié)合界面處易產(chǎn)生應力破壞、分層甚至貫穿性漏孔。因而，設(shè)計時應選取合適的材質(zhì)，進行表面處理，并保持嵌件表面具有足夠厚度的復合材料層。通常，材料層厚度應大于嵌件直徑的3/4，或保持在1.5 mm 厚以上。
2.2、工藝設(shè)計
指在要求的生產(chǎn)速度下為制造出合格產(chǎn)品而采取的低成本方法、手段和控制措施，具體包含工藝路線的設(shè)計、工藝方法的選擇和工藝控制措施。設(shè)計時，應優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)功能一體化的新設(shè)計方案以及多種工藝復合后形成的新工藝。新設(shè)計可使材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的構(gòu)件同時具有高性能、多功能和高可靠性。新工藝則具有低成本、高效率的特點，可適應大批量化生產(chǎn)的需要。
2.2.1、工藝路線的設(shè)計
應將各工序安排合理、緊湊，便于過程氣體的及時排除，避免工序間隔時間過長，以減少氣體吸附及多余化學反應的發(fā)生，確保產(chǎn)品的生產(chǎn)過程可控。
2.2.2、工藝方法的選擇
包括選擇那些可減少構(gòu)件形成孔隙、分層、裂紋缺陷，污染和損傷，進而避免構(gòu)件發(fā)生泄漏的成型、固化、機加工、膠接和表面涂層等工藝方法。
(1) 成型工藝應優(yōu)先選擇纖維體積含量較低、有適當成型壓力的工藝方法，包括RTM 成型、纖維纏繞成型、鋪層成型、模壓成型等。成型時要盡量避免帶入氣體，對已裹入成型毛坯中的氣體，要在適當?shù)墓ば蚣皶r排除。
(2) 固化工藝應優(yōu)先選擇那些可抽真空除氣及均勻施加外部壓力的固化工藝，如： 模壓、液壓釜、熱壓罐以及抽真空固化等。
(3) 機加工工藝常用的有車削、鉆孔、銑切、鏜削、磨削、拋光、水切割等類型，應優(yōu)先選擇狀態(tài)穩(wěn)定、精加工能力強的數(shù)控設(shè)備，保證加工中工件的安全，避免造成產(chǎn)品損傷，給真空氣密性能帶來隱患。
(4) 膠接工藝包括膠粘劑選擇及復驗、預裝配、表面處理、膠接裝配、固化和清理修整等工序內(nèi)容。應優(yōu)先選擇放氣率低的無機膠粘劑，采用膠接和機械連接的混合連接方式，并有環(huán)境控制、表面處理、脫泡控制措施。
(5) 表面涂層常用的有模內(nèi)涂層、氣相沉積、油漆噴涂、火焰噴涂等類型，應選擇放氣率低的涂層,有表面處理和涂層保護控制措施。
2.2.3、工藝控制措施的設(shè)計
指為了實現(xiàn)成型、固化、機加工、膠接、涂層等制造過程中的工步操作質(zhì)量指標，減少孔隙、夾雜、分層、裂紋等各類缺陷，避免給構(gòu)件的氣密安全帶來隱患或造成構(gòu)件破壞形成泄漏，而應注意的操作細節(jié)和應采取的控制措施。
2.2.3.1、成型工藝控制措施
(1) 環(huán)境的控制包括對環(huán)境溫度、相對濕度、潔凈度、光照、通風等參數(shù)的控制。需要進行環(huán)境控制的工序有預浸料制作、纏繞、膠接等。通過控制可以減少對氣體、水分和粉塵的吸附，避免構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生孔隙、裂紋和夾雜。一般以溫度15~ 25 ℃ 、相對濕度[60%、潔凈度105 級、有進排風裝置并可換氣為宜。
(2) 表面處理指為了增加與樹脂之間的粘結(jié)力，減少構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)分層而進行的纖維、夾層和嵌件表面處理。具體方法有： 清洗、刻蝕、氧化、接枝等纖維處理，以及噴砂、磷酸陽極化、化學處理、電暈處理等嵌件和夾層的處理。選擇時應注意處理方法與材質(zhì)類型的匹配，應控制好處理工藝參數(shù)。
(3) 預浸料制作包括無緯布、預浸織物和預混料的制作。制作時應控制好展紗寬度、纖維張力、樹脂粘度、浸漬時間等工藝參數(shù)，保證預浸料的樹脂含量指標大于35%，揮發(fā)份指標小于5% 。儲存時應做好密封，避免吸附過多的環(huán)境氣體和水分。
(4) 成型過程：膠液配制配制后，可采取抽真空10 min 以上或添加0.5% ~ 1.5% 消泡劑，以除去樹脂膠液中的氣泡。RTM 成型采用機械或手工編織的方式成型纖維預成型體時，需要避免纖維的嚴重搭接和緊密堆積的情況，應在纖維束/ 層之間留有適當孔隙或者增加開放型的增強體層，并盡量使纖維的方向與樹脂的流向相同。由于沒有外部加壓，在注射過程中,可結(jié)合使用注射壓力和抽真空手段、鋪設(shè)導流網(wǎng)、降低樹脂粘度、延長浸漬時間來保證纖維浸潤和氣體排除的效果。纏繞成型濕法纏繞時通過紗片寬、纏繞速度、纏繞張力以及膠槽中膠液密度和深度等的控制來獲得致密的制品，干法纏繞時則主要對成型溫度和壓力參數(shù)進行控制，當采取干法鋪層和濕法纏繞相結(jié)合的混合工藝時應重點對成型厚度進行控制,必要時還應采取分次纏繞。
鋪層成型成型時，應避免纖維方向與厚度方向平行，減少纖維皺折和架橋，必要時可通過抽真空預壓、碾壓等方式排除出裹入的氣體，使鋪層平整、服帖。若有條件，應盡可能采用計算機控制的自動鋪層技術(shù)替代傳統(tǒng)的手工鋪層，提高鋪層質(zhì)量及其穩(wěn)定性。
模壓成型除了控制好溫度和壓力兩個主要工藝參數(shù)，還應控制好物料的預熱、裝料、排氣等操作細節(jié)，把握好加壓時機，使物料在凝膠前盡可能地充滿整個模腔并排出物料中的溶劑氣體、空氣及反應氣體。有條件時應引入在線檢測和壓力自動補給技術(shù)提高對模壓過程的監(jiān)測和控制力度。
內(nèi)部阻擋層的鋪設(shè)指在纏繞、鋪層等成型過程中，在指定部位的結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋪設(shè)低滲透率的阻擋層來提高壁面的真空氣密性。常用的阻擋層有：聚酰亞胺、尼龍、滌綸、賽綸、聚乙烯、聚碳酸酯薄膜(各材料的氦氣漏率數(shù)據(jù)如表1 所示) 以及金屬箔片，也有采用在滌綸表面鍍金屬膜或在金屬基底上沉積TiN 或BN 薄膜的方法制取的復合型阻擋層,還有將細至納米級的大理石、尼龍或鋁等粉末調(diào)入樹脂的方式在內(nèi)部某處形成的致密層。鋪設(shè)前應對阻擋層材料進行表面處理。
表1 各種材料的氦氣漏率
(5) 纖維體積含量指標的控制
真空環(huán)境下，纖維的放氣率低于樹脂澆鑄體的放氣率，但纖維體積含量越高，復合材料就越容易產(chǎn)生疏松、分層和裂紋缺陷，漏氣的可能性也就越大。根據(jù)經(jīng)驗，纖維體積含量控制在50% ~ 65% 時可較好地兼顧真空氣密性能和力學性能。
(6) 脫模劑的影響
有內(nèi)、外脫模劑之分，主要有硬脂酸鋅、鎂、鋁等金屬鹽以及過氯乙烯、聚乙烯醇、石蠟、醋酸纖維素、硅酯、硅油等。在使用時應盡量少用硅類脫模劑，避免因其滲入制品而造成裂紋。對于脫模后殘留在制品表面的脫模劑層應通過表面打磨和溶劑清洗等方式去除。
2.2.3.2、固化工藝控制措施
指通過對溫度、壓力、相對真空度等參數(shù)的控制，使樹脂達到要求的固化程度。
(1) 溫度主要指對升降溫速率以及保溫時間的參數(shù)控制。通常，以模具溫度為準，將升降溫速率制在0.3~ 1.5 ℃/min，太快或太慢均易造成樹脂反應不均勻、氣泡排除不盡、產(chǎn)生固化應力甚至形成疏松和裂紋缺陷。另外，設(shè)備應具有足夠的精度，溫度波動度不大于 1 ℃ ，爐內(nèi)溫差應不大于2 ℃ 。
(2) 壓力主要指對升降壓速率、保壓時間、壓力大小等參數(shù)和加壓時機的控制，其中加壓時機應給予特別的注意。加壓過早，易造成樹脂過多流失，形成內(nèi)部缺膠和疏松; 加壓過遲，壓力難以使部分凝膠的樹脂流動，易造成內(nèi)部裂紋、疏松和孔隙。通常,加壓時機的選取方法為： 模壓工藝為樹脂開始拉絲之時，熱壓罐或液壓釜工藝可通過溫度( 由DSC 或DDA 測定的凝膠溫度) 指示來判斷，或者根據(jù)樹脂氣體揮發(fā)譜線選取在氣體劇烈產(chǎn)生之前。
(3) 相對真空度指真空袋里氣體壓力與大氣壓之間的差值，其理論極限為- 0.1 MPa，在固化工藝中常和溫度、壓力參數(shù)協(xié)同控制。抽真空可壓實真空袋內(nèi)未固化的制品，也可抽除袋內(nèi)的溶劑氣體、吸附或裹入氣體以及反應產(chǎn)生的氣體。相對真空度應根據(jù)氣體揮發(fā)譜線設(shè)定。通常，B 階段溫度前宜為- 0.080~ - 0.060 MPa，C 階段加全壓前宜小于-0.097MPa，凝膠溫度后宜大于- 0.080MPa。
(4) 真空袋的制作制作時可通過適當增加透氣氈層和氣門嘴數(shù)量來提高抽真空效果。氈層厚度和氣門嘴數(shù)量以保證袋內(nèi)氣體抽取路徑的暢通，并使正負氣壓完全壓實袋內(nèi)毛坯為宜，避免構(gòu)件內(nèi)部形成孔隙和疏松。根據(jù)經(jīng)驗，在模具上開設(shè)氣門嘴安裝孔，在毛坯表面螺旋纏繞繩形氈層，可增加抽真空效果。
(5) 后處理常指將脫模后的毛坯通過梯度加熱來消除內(nèi)部應力并提高樹脂反應程度的方法。處理時應避免溫度的急升急降，且爐內(nèi)溫差不宜大于3 ℃ 。
(6) 固化度指樹脂的固化反應程度。固化度過低，較多的殘余活性基團將在后續(xù)反應中增加構(gòu)件的放氣率，并大大增加壁厚泄漏的風險。固化度過高，交聯(lián)的樹脂將更早進入老化階段，使用壽命因此而大大縮短。通常，固化度宜控制在90%~95%。
(7) 孔隙率指構(gòu)件內(nèi)部的孔隙總含量。孔隙因吸附、反應及溶劑氣體排除不盡造成，可通過監(jiān)控設(shè)備對氣體排除過程進行在線監(jiān)測，也可通過調(diào)節(jié)制造工藝參數(shù)減少其含量。構(gòu)件中孔隙的數(shù)量、大小可用超聲波、射線等無損檢測手段進行定性判別，也可通過顯微鏡法定量測試，還可通過測試密度、樹脂含量、纖維體積含量等數(shù)據(jù)來換算出孔隙含量。通常，孔隙率應在2%以下。
2.2.3.3、機加工工藝控制措施
加工時應控制好以下幾個方面，避免形成污染和損傷。
(1) 選擇導熱性好的銳利碳化物刀具進行機加工，如聚晶金剛石刀。必要時還應借助揮發(fā)性好的有機溶劑進行冷卻。
(2) 制定合適的工藝參數(shù)，如進給量、轉(zhuǎn)速等。進給量適宜控制在0.05- 0.15 mm，轉(zhuǎn)速控制在200r/min 以上，精銑時則應控制在400 r/min 以上。
(3) 做好防護措施，避免損傷和污染。如： 鉆孔時，應在加工表面墊一塊防護板，避免孔邊緣分層或開裂; 裝卸和搬運時，應用潔凈塑料薄膜包裹，裝包裝箱運輸。
(4) 使加工后表面具有較好的表面粗糙度，減小對外界氣體的吸附能力。通常Ra<3.2 um。
(5) 加工過程中應用除塵吸風裝置及時吸取粉塵和冷卻液氣體。
2.2.3.4、膠接工藝控制措施
據(jù)真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)提供的文獻，有機膠粘劑的透氣率普遍比金屬、陶瓷、玻璃等無機材料高2 個數(shù)量級，因而在高真空環(huán)境中工作的復合材料構(gòu)件壁面上應盡量少用膠接工藝。使用膠接工藝時應控制好以下幾點：
(1) 優(yōu)先選擇韌性好、出氣率低的液態(tài)膠粘劑。
(2) 膠接環(huán)境的溫度、相對濕度、潔凈度等應滿足使用要求。通常，溫度為5~30 ℃ 、相對濕度<65%、潔凈度105 級。
(3) 膠接部位的設(shè)計應便于清潔、檢漏和修補,膠接間隙宜設(shè)計為0.1~ 0.2 mm。
(4) 膠接區(qū)域應減少受力，膠接表層的纖維方向應與制品承載方向一致。
(5) 膠接面應進行粗化或活化處理及清洗，膠接時宜涂膠2 次以上，應及時除去膠液中裹入的氣體。
(6) 引入超聲波、X 射線、局部氦質(zhì)譜檢漏等無損檢測手段即時確定膠層中是否有內(nèi)部孔隙等缺陷及漏孔，并在模擬的極限使用條件下檢測膠接區(qū)域是否出現(xiàn)損壞或泄漏。
2.2.3.5、涂層工藝控制措施
指通過涂/鍍的方式對制品或阻擋薄膜表面進行防護處理，以形成一個物化性能穩(wěn)定、韌性致密、低放氣率的防護層，如膠態(tài)石墨、氟涂料、丁醋酸乙烯脂涂層等，以減少復合材料構(gòu)件的放氣。應控制好以下幾點：
(1) 優(yōu)先選擇以金屬鍵或化學鍵等高價鍵能結(jié)合的涂層材料，如金屬鋁膜、氟碳類涂層等，它們具有較低的放氣率和透氣率。
(2) 基材表面應經(jīng)過表面清洗和活化處理，必要時應在面層與基材之間增加柔韌性過渡層。
(3) 控制好涂層的工藝壓力和沉積速率，以獲得致密涂層。
(4) 保持工作表面和涂層面的清潔。
(5) 制作完成的構(gòu)件，應在高溫真空烘烤或低溫壁板除氣后進行氦質(zhì)譜總體檢漏。檢驗合格后放入真空環(huán)境儲存或用塑料袋封存。
2.2.3.6、過程質(zhì)量控制措施
包含工序檢驗、隨爐試件性能測試、無損檢測和氦質(zhì)譜檢漏。應做到：
(1) 工序檢驗中，對操作內(nèi)容、方法和工藝參數(shù)是否符合設(shè)計要求進行檢驗確認。
(2) 隨爐試件需要由制品生產(chǎn)操作人員，使用與制品相同的材料、工藝方法和設(shè)備，在同一操作環(huán)境中進行制作，使試件盡可能完整地反映出制品的真實狀態(tài)。
(3) 用超聲波、射線等無損檢測、敲擊法等手段檢查部件中是否有氣孔、夾雜、分層、開裂、脫膠、疏松等缺陷，用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測部件或某部位是否漏氣。
2.3、使用和維護
某些環(huán)境條件，如高溫燒蝕、液氦低溫、熱循環(huán)、濕熱、輻射、沖擊、腐蝕等可使構(gòu)件表面碳化，產(chǎn)生應力、變形、裂紋和泄漏，加速老化和裂解，因而應根據(jù)具體情況制定防護措施，多層次多角度防護，以提高材料的可靠性，延長其使用壽命。
2.3.1、包裝、運輸、貯存
應用軟質(zhì)防振材料將構(gòu)件密封包覆，裝專用包裝箱運輸后，貯存在具備一定溫度、濕度和潔凈度條件的庫房內(nèi)。貯存期內(nèi)，應控制好環(huán)境條件，定期檢查產(chǎn)品外觀，按規(guī)范要求填寫記錄，及時反映情況。在運輸后和交付使用前應對產(chǎn)品的實際氣密狀態(tài)進行檢驗確認，確保產(chǎn)品的可靠性。若產(chǎn)品已經(jīng)失效或經(jīng)修補也無法滿足使用要求，則應作報廢處理。
2.3.2、使用要求
使用時，應按規(guī)范進行操作，避免給構(gòu)件質(zhì)量帶來隱患或造成意外損傷。
2.3.3、維護
若構(gòu)件在貯存和使用過程中發(fā)生意外損傷，如表面污染、碰撞損壞、產(chǎn)生裂紋、涂層脫落等，應及時進行清洗、灌膠修補、補充涂層等防護處理，并通過氦質(zhì)譜檢漏儀檢測確定是否可以繼續(xù)使用。
2.4、實例
某長波焦平面探測器組件中的蓄冷器筒體采用了環(huán)氧/ 玻纖復合材料結(jié)構(gòu)，其毛坯形狀如圖1。筒體工作時兩端溫度分別為- 230 ℃ 和- 150 ℃ ，使用壽命8000 h。其真空氣密性能指標和檢測數(shù)據(jù)見表2。
圖 蓄冷器筒體毛呸圖
表2 蓄冷器筒體真空氣密性能數(shù)據(jù)
(1) 改進前： 采用濕法纏繞工藝成型毛坯。因溶劑含量過高、張力不均勻、布層起皺變形，抽真空固化造成局部疏松、分層，導致爐次合格率僅50%。在使用3~ 6 個月后，有30~ 40% 的構(gòu)件出現(xiàn)漏氣,漏孔為1~ 5 處，氦檢漏率最大為7.8 × 10-6 Pa.m3/ s。
(2) 改進措施： 一是改用低溫性能更好的樹脂體系; 二是將成型方法改為先制造預浸料再干法纏繞;三是通過改進纏繞張力、溫度等工藝參數(shù)減少內(nèi)部的孔隙和分層缺陷; 四是改用瑞士微型精密車床及特制刀具，改進機加工參數(shù)減少毛坯表面損傷。
(3) 改進后： 爐次合格率達95% 以上。產(chǎn)品交付使用后，未出現(xiàn)漏氣或揮發(fā)性氣體冷凝并堵塞氦氣流通路徑的現(xiàn)象。
3、結(jié)論
(1) 放、漏氣等真空氣密性問題具有普遍性和危害性，有必要展開改進材料真空氣密性能的研究。
(2) 要使復合材料構(gòu)件在真空度小于10-3 Pa 等空間環(huán)境條件下漏率小于10-10 Pa.m3/ s、總質(zhì)量損失小于1.00% 、可凝揮發(fā)物小于0.10%，應從設(shè)計、制造和使用的各個環(huán)節(jié)采取系統(tǒng)性的措施。
(3) 從產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和使用維護三個方面采取系統(tǒng)性措施后，可制出真空氣密性能較高的復合材料構(gòu)件。
