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粘接技术在军事装备中的应用

时间:2012-10-10 16:30:32 来源: 作者:

  粘接技术在军事装备中的应用
    郝胜强1,谭业发1,高 立1,王小龙1,钱震中2
    (1.解放军理工大学 工程兵工程学院,江苏 南京 210007;2.江苏省陆军预备役高炮二师 军运油料科,江苏 扬州 225000)
    摘要:介绍了粘接技术的应用现状、胶粘剂发展历史,论述了胶粘剂的分类方法及特点,阐述了其在军事装备中的一些新的、巧妙的应用,最后展望了粘接技术在军事领域的应用前景。
    关键词:粘接技术;胶粘剂;军事装备
    中图分类号:TG49   文献标识码:A文章编号:1672-6413(2012)02-0214-03
 


    1 粘接技术概述
    粘接技术是利用胶粘剂将两种或两种以上同质或者异质的制件(或材料)连接在一起或获取特殊表面层的技术。胶粘剂是一种固化后具有足够强度的有机或无机的、天然或合成的一类物质。它是一类古老而又年轻的材料[1],早在数千年前,人类的祖先就已经开始使用胶粘剂。到上世纪初,合成酚醛树脂的发明,开创了胶粘剂的现代发展史。合成胶粘剂综合性能好[2],可实现对材质不同的重金属与非金属之间的有效粘接,因此在越来越多的领域代替了机械连接,从而为各行业简化工艺、节约能源、降低成本、提高经济效益提供了有效的途径。胶粘剂粘接的物件具有结构质量轻、表面光滑、应力集中小、密封性好、粘接强度高等优点,已经在军事装备中得到了广泛的应用。
    2 胶粘剂种类及粘接技术特点
    胶粘剂按化学成分可分为有机胶粘剂和无机胶粘剂,有机胶粘剂又分为合成胶粘剂和天然胶粘剂。合成胶粘剂有树脂型、橡胶型、复合型等;天然胶粘剂又分为动物、植物、矿物、天然橡胶等胶粘剂;无机胶粘剂按化学组分有磷酸盐、硅酸盐、硫酸盐、硼酸盐等多种。
    粘接连接方法与传统的连接方法相比有其独特的优点,是其他连接方法所无法代替的。
    近年来,粘接技术之所以发展较快,应用更加广泛,主要是其与铆接、焊接、螺纹联接等方法相比具有轻质性、耐温性、粘接无破坏性、低污染性等诸多优点。
    3 粘接技术在军事装备中的应用
    粘接技术不仅具有轻质性、粘接无破坏性、低污染性等特点,而且通过合理的工艺性设计能够适应高温、高压、低温、腐蚀、辐射、沙尘、盐雾等恶劣的军事环境,因而在军事领域应用广泛。首先,军事装备中多采用粘接技术代替以前的铆接、焊接和螺栓联接,可以减轻军事装备自重,减少接头的应力集中,从而达到提高运行安全性和降低制造成本的目的。其次,胶接技术具有工艺简单、生产成本低、效率高、工作强度小等优点,在军事装备制造、战场抢修中也得到了广泛的应用[3]。
    3.1 在军用机械中的应用
    粘接技术在发动机缸体等重要零部件裂纹、橡胶密封圈和磨损零部件的粘接、轴类及螺纹配合件松动的固持和平面与管接头泄漏的密封等方面已经得到了广泛的应用,并取得了较明显的经济效益。
    某空气锤缸体,其内表面有一拉痕,如果按常规应进行镗缸,并更换新活塞和活塞环,修复期至少得半个月以上,既费工又费钱。经采用AR-4型耐磨胶修复,仅用了两天半时间,就较好地恢复了装备的使用性能[4]。
    一台轮式推土机液力变矩器的壳体与盖之间漏油,选用515厌氧型平面密封胶密封,效果良好;此外,在维修两台日本KSS7型装载机的发动机和一台东风汽车后桥时,用密封胶代替原密封垫片,后检查各结合面,点滴不漏[5]。
    3.2 在舰艇中的应用
    3.2.1 舰艇装配
    采用一次性粘接的玻璃钢或纤维复合材料,可以减轻军用小艇艇体的自重并提高艇体的强度。制造这种小艇时,大量使用与玻璃钢相同的环氧树脂或不饱和聚酯组成的结构胶粘剂。在轮船上,主要用胶粘剂来解决其绝热层、保温材料与支架或壳体的粘接,要求使用具有良好的耐压、保温、绝热的特种胶粘剂。此外,潜艇隐身的一种重要方法是在潜艇外壳敷设消声瓦和声纳罩,为实现消声瓦与艇壁钢板的牢固结合,则要依赖于胶粘剂[6]。
    3.2.2 舰艇维修
    舰艇在海洋环境中长期与海水接触,随着舰艇执行任务时间的增长及环境温度的变化,舰艇与海水接触处的金属材料发生了不同程度的腐蚀,使舰艇壳体腐蚀渗水、管路泄漏,严重时会影响舰艇的再航率。因此,在般艇上因金属腐蚀而影响管系、动力装置以及其他结构件的维修的状况经常发生,这些问题的解决同样依赖于粘接技术[7]。
    某船在太平洋执行任务,突然发现左主机海水总管转弯处有大量海水泄漏,经检查系此处锈穿所致。按常规只能关闭进水阀,原地电焊修补,但此处电焊位置极不方便,而且阀门根本无法关死,在此情况下,采取粘接维修技术来堵塞泄漏处。堵后用高温修补剂进行粘堵,然后用链条、胶皮捆住泄漏部位,很容易就排除了故障,保证了动力的正常运行[8]。
    3.3 在导弹研制方面的应用
    潜射导弹和炮射导弹在发射过程中需承受巨大的瞬时加速度和高压等,一般情况下,导弹的壳体都比较薄,常经受不住炮射时产生的巨大冲击力,因此采用粘接补强技术是解决上述问题的有效途径[9]。而且导弹在发射过程中要经受短时高温,根据导弹射程、速度的不同,驻点温度可达几百度甚至几千度,这就要求选用强度高、韧性好、耐久性能好的胶粘剂。此外,胶粘剂还应满足短时耐高温的要求。战略导弹的第一、二级壳体的粘接则采用改性环氧树脂胶粘剂,整流罩的粘接则采用改性酚醛环氧树脂或改性聚酰亚胺胶粘剂,实际使用效果良好,曾出现过整流罩遭破坏而胶粘剂未被破坏的事例[10]。常用的胶粘剂主要有J-30、SY-14等品种,其中SJ-2在175℃固化3h,常温剪切强度≥25MPa,150 ℃剪切强度≥15 MPa,室温剥离强度≥3.5kN/m,可用于面板的粘接。
    为抵抗载入时的恶劣环境,导弹弹头要在其结构层外加热防护层。由于热防护层与弹头表面温度可达2 000℃左右,因此采用无机耐温胶粘剂,温度稍低的部位则采用有机树脂。刘成伦[11]等研制了一种硅酸盐系无机胶粘剂,该胶粘剂能满足导弹弹头碳-碳复合材料高温、高强度的粘接要求。而采用酚醛-有机硅-丁腈-石棉体系制备的结构胶粘剂,加入酚醛树脂固化促进剂后使胶粘剂能够中温(130 ℃)固化,提高了胶粘剂的力学性能和耐热性能。其瞬间耐热可达900℃,常温剥离强度可达1.7kN/m,可用于导弹弹头碳-碳复合材料的自粘或与金属材料的粘接[12]。
    3.4 在军用飞机中的运用
    3.4.1 飞机制造
    现役飞行机身、机翼外蒙皮采用厚度为1.5mm以下的铝合金板材,有的仅0.4mm~0.8mm厚,铆接薄蒙皮比较困难。采用胶接技术,不仅可以克服铆接薄皮引起的变形、铆钉划窝造成的整体强度损失,减少工装、缩短装配周期,而且增加了结构的抗腐蚀性、耐疲劳特性以及破损安全性[13-14]。
    胶粘剂用于飞机的各部位粘接,可取代铆钉连接,降低飞机自重。歼八机上使用SY-14胶粘剂胶接蜂窝夹层结构;军用直升机尾翼、平尾、垂尾、方向舵等采用J-89、J-99胶粘剂粘接共90m2的胶接结构,采用粘接技术可取代约50万件铆钉;而Boeing747飞机的胶接面积更是高达3 000余平方米[15]。
    3.4.2 应急抢修
    飞机构件在鸟撞、雷击、弹伤以及维护或操作不当等情况下,非常容易发生以冲击损伤为主的各种结构破坏,如分层、裂纹、缺口、破孔和断裂等。这些损伤会显著降低复合材料的静、动态承载性能,严重时会直接威胁飞机的飞行安全。
    美国 罗 宾 逊 空 军 基 地 软 件 中 心 (WR-ALC,AFBGA)、澳大利亚皇家空军航空研究实验室(ARL,RAAF)和加拿大国防部(NDH)等单位较早研究复合材料胶接修补飞机结构技术[16],并已经成功地将碳纤维、硼纤 维 增 强 聚 合 物 基 复 合 材 料 及 其 技 术 应 用 于C-141(机体)、C-141B(武器系统)、C-130(大力神)、Mirage(幻影)、F-111、B-1、P-3(猎户座)等军机[17]。
    我国首次具有演示验证性质并采用复合材料修理金属飞机结构的修理实践是于1999年7月在沈飞公司进行的海军航空兵某部1架长期驻守沿海机场的歼八I型飞机的修理。该机由于在沿海长期服役,2个水平尾翼有多处腐蚀损伤。飞机受损材料为LC9铝合金,相当于国外的7075-T6,修理使用的补片是碳/环氧 复 合 材 料,纤 维 是Boron5521,胶 粘 剂 为 美 国CYTEC公司的FM73[18]。
    4 结束语
    由于粘接技术具有适应性强、应用范围广、轻质性、低污染性等突出优点,正日益受到人们的重视,在材料科学领域已经发展成为独立的分支。适逢现代武器装备一体化、轻型化趋势,粘接技术在武器装备的粘接中会表现出更大的优势,粘接技术在未来军事领域中必定会发挥出更大的作用。
    参考文献:
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