膠接技術簡介

　　膠接是能提高機體結構效率和結構破損安全性能的先進連接技術。可能大家不知道的是，中國早在戰國時期就已經開始應用膠接技術。《周禮》中有用動物皮角熬制膠粘劑的記載，在許多出土文物中也發現有膠接的痕跡。

　　一般而言，“膠接”專指一種用膠黏劑來實現構件連接和固持的方法。與其它連接形式相比較，膠接具有如下優點：

　　(1)膠接采用的膠黏劑密度較小，可以有效地降低連接件的重量，滿足構件的輕質的要求。

　　(2)采用膠接手段時不需要在構件上預留孔洞，從而避免構件在使用過程中由于應力集中而產生破壞，延長構件的使用壽命。

　　(3)膠接在工藝上更加簡便，更易實現。

　　通過結構膠的使用，可以有效地實現各種構件的結合。通過膠黏劑而粘結而成的組件統稱“膠接接頭”，“被粘物”泛指膠接接頭中除膠黏劑外的固體材料，“粘結”則指被粘物所承受的載荷通過膠黏劑傳遞到膠接接頭的現象。膠接接頭不但可以實現不同材質構件的結合，還可實現不同幾何形態構件的結合，圖1給出了板材搭接、管材搭接和對接、型材對接等常見幾何形態構件的膠接接頭形式，其中板材搭接形式在工程中為常見。

不同形式的膠接接頭(紅色為膠黏劑，灰色為被粘部件)

　　國外民用飛機膠接技術現狀

　　自從航空工業誕生以來，膠接技術就開始應用于各類飛機結構的制造。早在20世紀初期飛機剛剛誕生時，膠接技術就已應用于飛機木質機翼緣條的連接。1943年，英國更是次在“大黃蜂”飛機金屬結構上應用了膠接技術。目前，大型飛機如美國的L-1011、波音737、747、787、C-130、C-141A、KC-135，歐洲的A300、A320、A380，俄羅斯的伊爾76、86等飛機在制造過程中，都采用了膠接結構。可以說，當代任何一種先進飛機的設計和制造都離不開膠接技術的應用。

　　20世紀70年代，美國組織實施了PABST(主承力膠接結構技術)計劃。80年代，美國為實現制造過程自動化和提高膠接構件的可靠性，又進行了計算機輔助固化過程控制、計算機輔助涂膠自動化方法以及自動化檢驗等關鍵技術的研究。鈦合金的膠接也獲得了實際應用，例如，美國洛克希德飛機公司的L-1011客機采用FM-137中溫固化膠膠接鈦合金止裂帶與鋁蒙皮，其阻止裂紋擴展能力提高了1倍以上。C-5A飛機的鈦蒙皮與玻璃布蜂窩的膠接也取得較好的效果。

　　歐洲從早期的FOKKER-27“友誼號”客機、中期的“三叉戟”客機、直至1978年投產的BAe-146客機，都在機翼及機身結構上廣泛采用了鈑金膠接結構，其應用的膠粘劑均為經過長期服役考驗的酚醛型膠粘劑(如Redux775膠粘劑與Redux120底膠)，采用Redux775結構膠。隨后，由于環氧系列膠粘劑的研制成功，表面處理技術的進步，膠接技術的應用迅速擴大。

BAe 146/AVRO RJ系列噴氣式支線客機機身壁板與上機翼蒙皮桁條的膠接結構

不同膠粘劑室溫機械性能如表1所示。膠接技術在國外民用客機制造中已獲得廣泛的應用。表2列出了采用膠接結構的民用飛機機種及部位。

表1 膠粘劑室溫機械性能


表2 民用飛機膠接部位

　　在波音系列飛機中，從波音707到波音787的制造中，都有大量的膠接結構件服役，而且膠接面積呈逐步上升的趨勢，如表3所示。

　　民用飛機膠接技術展望

　　目前，大型民用客機通過優勝劣汰的殘酷競爭，全球市場幾乎被美國波音公司和歐洲空中客車(空客)公司這兩大航空巨頭壟斷，而這兩家公司的新型機種都采用了大量的輕質混合材料制造，如新的鋁鋰合金和碳纖維增強塑料(CFRP)，而復合材料的大量應用，不可避免地也用到了結構膠粘劑來制造構件。圖為航空用CFRP兩種型材以及CFRP及熱塑性塑料在空客A380機型中的應用。

　　隨著我國大型運輸機和大型客機項目的啟動，膠接體系和膠接技術在力學性能、耐高溫性、耐久性能等方面有了更為明確的研發需求，主要包括：

　　(1)提高膠接結構的耐久性。民用飛機與軍用飛機很大的一點不同就體現在飛行壽命上，軍用飛機的航行時間為5000h，而民用飛機的航行時間需要達到60000h，因此需要研制耐久性優良的膠接體系以確保民用飛機的飛行壽命。

　　(2)開拓新材料膠接技術。為了在降低民用飛機成本的同時確保安全，輕質高強材料包括鋁鋰合金、復合材料等獲得了大量的應用，相應的需要針對復合材料膠接蜂窩結構、聚芳酰胺增強鋁層壓板(ARALL)結構、鋁鋰合金膠接結構與先進室溫固化膠接結構等膠接技術進行相關研究。

　　(3)簡化膠接固化工藝。有些膠粘劑雖性能優異，但存在著韌性差、固化溫度高、固化工藝繁瑣等缺點，雖然隨著膠接技術的發展，國外膠粘劑公司研發出許多類型的高(175℃)、中(120℃)溫固化膠粘劑，但是針對現在工藝技術趨于操作簡單方便的特點，仍需要研制中、低溫甚至常溫固化、性能優異的膠粘劑體系。

　　(4)開拓膠接件的質量檢測方法。現代的膠粘劑體系在生產過程中存在著質量穩定性差的缺點，而膠接件在固化完成后又存在著受檢測方法的制約，無法準確地檢測出構件膠縫的膠接質量等問題，因此需要建立相應完善的檢驗標準體系，并改進無損檢測的方法。

　　(5)進一步完善計算機輔助膠接技術。計算機輔助膠接技術可以逐步進行，主要包括：采用CAD/CAE/CAM技術進行零件加工及膠接工裝的設計、制造和優化;計算機輔助進行被粘件的表面處理，包括槽液配制監控、自動化實現表面清洗及表面處理、對制備后的膠接件表面進行計算機輔助觀察檢驗;對膠粘劑和底膠建立計算機輔助驗收檢驗系統;由計算機輔助完成膠接固化密封系統自動檢漏及固化實時監控，逐步實現針對包括固化時間、固化溫度、固化壓力等的分步控制、自適應控制等;膠接構件的膠接質量采用計算機輔助智能化無損檢測鑒定，所有信息及記錄均自動制成文件;運用計算機集成化技術，實現膠接全過程計算機輔助管理控制，包括膠接零件追蹤技術及機器人自動傳送工具和零部件等。通過以上研究終實現計算機輔助膠接流程。

　　結束語

　　膠接技術應用于民用飛機數十年以來，應用范圍和應用面積都呈增長趨勢，可以說當代任何一種先進飛機的設計和制造都離不開膠接技術的應用。我國無論是大型客機項目的研發還是低空領域的開放，都為民用飛機提供了很大的發展空間，而研制新型民用飛機也離不開膠接體系和膠接技術的應用，研制高性能耐久膠接體系、開拓新材料膠接技術成為一種新的挑戰!

　　文章節選自《航空制造技術》雜志，《民用飛機膠接技術應用分析》