CN107828360A - 一种常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,包括主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂;其中,主体材料采用两种或三种不同化学构型的环氧树脂,且环氧树脂的环氧值为0.30mol/100g~0.85mol/100g;固化剂采用一种改性多元胺,胺值范围为230~710;填充剂采用两种或三种无机填料;流变剂采用一种或两种固体填料;硅烷偶联剂采用单一组份硅烷偶联剂;主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂的质量比为100:(30~85):(20~50):(1~6):(1~3)。本发明能够适应0.01mm~0.3mm的粘接间隙,室温钢‑钢剪切强度≥25MPa,不占用加热设备,节省能源;在应急情况下可加热固化。

Description

一种常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂
技术领域
本发明涉及一种结构粘接剂,用于固体火箭发动喷管防热内衬金属壳体的粘接,或防热内衬与喉衬的粘接。
背景技术
粘接连接结构是固体火箭发动机防热内衬与金属壳体常用连接结构形式,粘接结构具有连接结构重量轻、可以连接不同材料、特别是连接厚度差异很大的材料等特性。随着固体火箭发动机战术性能的提高,防热内衬与金属壳体,防热内衬与喉衬粘接界面的复杂程度不断提高,对于一件喷管组件,防热内衬与金属壳体、防热内衬与防热内衬、防热内衬与喉衬的配合间隙差异很大,粘接间隙差异可以达到十倍以上,同时被粘接零件的材料也不限于传统的酚醛基体复合材料与钢材的粘接。为达到喷管的粘接要求,粘接剂首先要对被粘零件具有良好的浸润性;其次,粘接剂需要具有较好的流变特性,既可以顺利填充0.01mm左右的配合间隙,不产生不流平现象,又不能在填充0.2mm~0.3mm配合间隙时出现胶液流失现象。受固体火箭发动机喷管大型化的影响,粘接剂需要在室温或稍高于室温的条件下固化,无需复杂的加热加压设备。粘接剂固化后常温剪切强度应≥25MPa,以满足喷管粘接可靠性要求。
喷管结构粘接剂一般采用环氧树脂作为基础组分,采用酸酐、多元胺、改性胺、低分子量聚酰胺等为固化剂,通过添加稀释剂、流变剂、增韧剂、增强剂、偶联剂、填充剂、分散剂等组分获得预期的使用性能。选用不同类型的环氧树脂以及固化体系,以及各功能组分的类型及各功能组分之间的协同关系可得到一系列性能不同的粘接剂。粘接剂各功能组分之间既有协同作用又有相互影响,如果各组分选择及配比不合理,会造成粘接剂性能缺陷,在某些极端情况下会使粘接结构失效,造成固体火箭发动机喷管工作失败。
粘接剂组分选择与各组分配比为粘接剂制造使用中的核心技术,同时适用于固体火箭发动机喷管粘接这种特殊组件的粘接剂作为军工产品使用,在公开资料中难以查找到相关信息。航天工业标准QJ1922.1~QJ1992.25系列标准对航天产品用胶粘剂的胶接工艺进行了规范,但不涉及胶粘剂组分与配比。通过互联网对国家知识产权局的国内专利和链接的国外专利机构的查询,没有查找到固体火箭发动机喷管粘接剂组分与配比关系方面的相关信息。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂,能粘接在配合间隙0.01mm~0.3mm固体火箭发动机喷管,不出现小间隙粘接剂不流平或大间隙胶液流失现象;室温适用期不小于1小时,具有适当的操作窗口;在常温固化条件下,12小时后达到初始强度,72小时达到最大强度;在应急条件下可在80℃固化3小时达到最大强度;常温钢-钢剪切强度≥25MPa。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂,包括主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂。其中,所述的主体材料采用两种或三种不同化学构型的环氧树脂,且环氧树脂的环氧值为0.30mol/100g~0.85mol/100g;所述的固化剂采用一种改性多元胺,胺值范围为230~710;所述的填充剂采用两种或三种无机填料;所述的流变剂采用一种或两种固体填料;所述的硅烷偶联剂采用单一组份硅烷偶联剂;所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂的质量比为100:(30~85):(20~50):(1~6):(1~3)。
所述的环氧树脂采用双酚A型环氧树脂、线性苯酚甲醛环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺性环氧树脂和混合型环氧树脂中的任意两种或三种。
所述的固化剂采用酰氨基改性胺、脂环族改性胺和脂肪族改性胺中的任意一种。
所述的填充剂采用氧化铝粉、氧化铁粉、氧化锌粉、石英粉、云母粉和钛白粉中的任意两种或三种。
所述的流变剂采用膨润土、气相白炭黑、通用炉黑和碳纤维磨粉的任意一种或两种。
所述的硅烷偶联剂采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、γ-(二乙基三胺)丙基三乙氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷中的任意一种。
所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂混合均匀后涂敷于被粘零件表面,施加接触压力后常温12小时达到初始粘接强度,72小时后达到最大粘接强度,初始粘接强度为最大粘接强度的1/3~1/2。
所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂混合均匀后涂敷于被粘零件表面,施加接触压力后以0.5℃/min~1.0℃/min的升温速率将温度升至80℃±2℃,保温3小时达到最大粘接强度。
所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂在加热条件下固化后,以≤5℃/min的速率降温冷却至室温+10℃。
本发明的有益效果是:采用本发明提供的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂可以对防热内衬与高强度钢、超高强度钢、超应铝及钛合金喷管壳体进行可靠粘接;可以对防热内衬与石墨喉衬、毡基碳/碳喉衬、针刺碳/碳喉衬、穿刺碳/碳喉衬、三维编织碳/碳喉衬进行可靠粘接;可以适应0.01mm~0.3mm的粘接间隙,对于0.01mm的小配合间隙具有良好的流平性,对于0.3mm的大配合间隙胶液不流失;施加接触压力后,常温12小时后达到初始粘接强度,常温72小时后达到最大粘接强度,室温钢-钢剪切强度≥25MPa,不占用加热设备,节省能源;在应急情况下可加热固化,适合固体火箭发动机喷管研制规律。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘结剂基于以下基本组分:两种或三种不同化学构型的环氧树脂为主体材料,单一组分的改性多元胺为固化剂,两种或三种无机填料为填充剂,一种或二种固体填料为流变剂、单一组分硅烷偶联剂。将各组分按比例称量及混合均匀后,均匀涂敷于被粘零件表面,将各被粘零件按顺序对接,在压力机上施加接触压力。用蘸有机溶剂的白棉布清除多余胶粘剂后,将被粘接零件用螺旋压紧工装夹紧,保持接触压力并常温放置12小时后,去除压紧工装得到粘接成型的固体火箭发动机喷管。在应急条件下,将被粘接零件用螺旋压紧工装夹紧,放置于80℃的热空气中,3小时后自然冷却至室温,去除压紧工装得到粘接成型的固体火箭发动机喷管。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂为环氧树脂基粘结剂,固化剂为改性多元胺。本发明所涉及的粘接剂同时使用两种或三种不同化学构型的环氧树脂。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂主体成分包括环氧树脂和改性多元胺固化剂。其中环氧树脂可以是双酚A型环氧树脂、线性苯酚甲醛环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺性环氧树脂、混合型环氧树脂等环氧树脂中的两种或三种,环氧值范围为0.30mol/100g~0.85mol/100g。固化剂可以是酰氨基改性胺、脂环族改性胺、脂肪族改性胺中的一种,胺值范围为230~710。根据不同类型的环氧树脂与改性多元胺固化剂,环氧树脂与固化剂的质量比范围为100:30~100:85。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂中的填充剂包括氧化铝粉、氧化铁粉、氧化锌粉、石英粉、云母粉、钛白粉一类无机填料中的两种或三种,环氧树脂与填充剂的质量比范围为100:20~100:50。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂中的流变剂包括膨润土、气相白炭黑、通用炉黑、碳纤维磨粉,添加一种或两种,环氧树脂与流变剂的质量比范围为100:1~100:6。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂中的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、γ-(二乙基三胺)丙基三乙氧基硅烷(B-201)、苯胺甲基三乙氧基硅烷(ND-42)中的一种,环氧树脂与硅烷偶联剂的质量比范围为100:1~100:3。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂各组分混合均匀后均匀涂敷于被粘零件表面,施加接触压力后常温12小时达到初始粘接强度,72小时后达到最大粘接强度,初始粘接强度约为最大粘接强度的1/3~1/2。应急情况下,对本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂施加接触压力后,放置在可控制升温速率的加热箱中,以0.5℃/min~1.0℃/min的升温速率将温度升至80℃±2℃,在此温度条件下保温3小时即可达到最大粘接强度。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂在加热条件下固化后为保证粘接界面不出现过高的应力集中,固化完成后以≤5℃/min的速率降温,被粘零件冷却至室温+10℃范围内,才可将喷管从加热箱中取出。
本发明涉及的常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂粘接过程中被粘零件的粘接界面需要使用有机溶剂进行清理。所使用的有机溶剂可以是无水乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种或者混合溶剂,清理用具可以是白绸布、白棉布等织物。清理料坯粘接界面时将有机溶剂浸润清理用具采用手工或者机械方法对料坯粘接界面进行洗涤,洗涤次数为2次~3次。
实施实例1
常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂配比Ⅰ包括以下质量份的组份:
混合均匀后涂敷于钢制试片表面,施加接触应力,常温固化72小时后测定常温剪切强度为26.4MPa。
实施实例2
常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂配比Ⅱ包括以下质量份的组份:
混合均匀后涂敷于钢制试片表面,施加接触应力,常温固化72小时后测定常温剪切强度为27.1MPa。
实施实例3
常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂配比Ⅲ包括以下质量份的组份:
混合均匀后涂敷于钢制试片表面,施加接触应力,常温固化72小时后测定常温剪切强度为25.8MPa。
实施实例4
常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂配比Ⅳ包括以下质量份的组份:
混合均匀后涂敷于钢制试片表面,施加接触应力,80℃±2℃常温固化3小时后冷却至室温,测定常温剪切强度为28.9MPa。
实施实例5
常温固化固体火箭发动机喷管粘接剂配比Ⅲ包括以下质量份的组份:
混合均匀后涂敷于钢制试片表面,施加接触应力,80℃±2℃常温固化3小时后冷却至室温,测定常温剪切强度为31.8MPa。

Claims (9)

1.一种常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:包括主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂;其中,所述的主体材料采用两种或三种不同化学构型的环氧树脂,且环氧树脂的环氧值为0.30mol/100g~0.85mol/100g;所述的固化剂采用一种改性多元胺,胺值范围为230~710;所述的填充剂采用两种或三种无机填料;所述的流变剂采用一种或两种固体填料;所述的硅烷偶联剂采用单一组份硅烷偶联剂;所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂的质量比为100:(30~85):(20~50):(1~6):(1~3)。
2.根据权利要求1所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的环氧树脂采用双酚A型环氧树脂、线性苯酚甲醛环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺性环氧树脂和混合型环氧树脂中的任意两种或三种。
3.根据权利要求1所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的固化剂采用酰氨基改性胺、脂环族改性胺和脂肪族改性胺中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的填充剂采用氧化铝粉、氧化铁粉、氧化锌粉、石英粉、云母粉和钛白粉中的任意两种或三种。
5.根据权利要求1所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的流变剂采用膨润土、气相白炭黑、通用炉黑和碳纤维磨粉的任意一种或两种。
6.根据权利要求1所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的硅烷偶联剂采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、γ-(二乙基三胺)丙基三乙氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂混合均匀后涂敷于被粘零件表面,施加接触压力后常温12小时达到初始粘接强度,72小时后达到最大粘接强度,初始粘接强度为最大粘接强度的1/3~1/2。
8.根据权利要求1所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂混合均匀后涂敷于被粘零件表面,施加接触压力后以0.5℃/min~1.0℃/min的升温速率将温度升至80℃±2℃,保温3小时达到最大粘接强度。
9.根据权利要求8所述的常温固化固体火箭发动机喷管结构粘接剂,其特征在于:所述的主体材料、固化剂、填充剂、流变剂和硅烷偶联剂在加热条件下固化后,以≤5℃/min的速率降温冷却至室温+10℃。
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