摘要
可重复使用运载器采用轻质热防护材料和应变隔离垫作为飞行器的热防护系统，轻质热防护组件通过硅橡胶胶黏剂粘接至碳纤维复合材料蒙皮表面。为提高可重复使用飞行器轻质热防护系统粘接质量，通过实验方法研究了加压压力、加压时间、表面处理方式等对轻质热防护组件与碳纤维复合材料的粘接强度的影响。结果表明：轻质热防护组件与碳纤维复合材料的粘接强度随加压压力的增大而增大，随加压时间的增长先迅速增大，当加压时间超过7 h时缓慢增大；打磨或涂处理剂表面处理方式均能提高粘接强度，同时施加两种处理方式时提高粘接强度大于52%。
近年来，随着航天技术的高速发展，新型航天飞行器对考虑经济、低成本、可重复使用需求越来越重
国外，在天地往返运输系统领域，使用陶瓷基复合材料制备的刚性隔热瓦粘接至冷结构表面作为可重复使用飞行器的重要热防护系
热防护系统是决定可重复使用飞行器再入大气层成败的关键技术之
近年来，超轻质酚醛浸渍碳烧蚀体体系复合材料由于低密度、轻质、耐烧蚀等优势逐渐应用于高超速等飞行器的热防护材
使用的轻质热防护材料和芳纶纤维毡制备的应变隔离垫为真实零件尺寸，尺寸为130 mm×130 mm×5 mm，如
图1 轻质热防护材料
Fig.1 Lightweight thermal protection materials
图2 粘接实验示意图
Fig.2 Schematic diagram of adhesion experiments
工艺路线如
图3 实验工艺路线
Fig.3 The roadmap of experimental process
为研究不同加压压力对轻质热防护组件与碳纤维复合材料粘接强度的影响，对粘接过程的抽真空压力分别设置为30、50、70和90 kPa，抽真空加压时间均为5 h，碳纤维复合材料表面不做打磨及涂处理剂处理，粘接完后试验件在常温下固化7 d后在万能试验机下进行拉离实验，得到粘接强度的实验结果如
图4 加压压力的影响
Fig.4 Effects of pressurizing pressure
实验发现拉离破坏面均在应变隔离垫与碳纤维复合材料界面。分析
在加压时间参数为3、5、7和9 h条件下进行轻质热防护组件与碳纤维复合材料粘接实验，粘接过程控制加压压力均为50 kPa。碳纤维复合材料表面不做打磨及涂处理剂处理，粘接完后试验件在常温下固化7 d后在万能试验机下进行拉离实验，得到粘接强度的实验结果如
图5 加压时间的影响
Fig.5 Effects of pressurizing time
实验发现拉离破坏面均在应变隔离垫与碳纤维复合材料界面。分析
粘接前，分别对碳纤维复合材料的粘接面进行4种不同表面处理方式，分别为：打磨+涂处理剂，打磨+不涂处理剂，不打磨+涂处理剂，不打磨+不涂处理剂。打磨采用正交打磨法，即采用120目（0.125 mm）金刚石砂纸，在碳纤维复合材料试验件粘接面沿着横向、纵向交替各打磨5次，打磨完吹除粉尘清理干净表面。表面处理完后，在加压压力均为50 kPa，加压时间均为5 h下进行粘接试验。粘接完后试验件在常温下固化7 d后在万能试验机下进行拉离实验，得到实验结果如
图6 表面处理方式的影响
Fig.6 Effects of surface treatments
研究发现，表面处理方式对轻质热防护材料装配强度具有显著影响。不打磨+不涂处理剂（即粘接表面不做任何表面处理）条件下粘接强度最弱，而对粘接面进行打磨+涂处理剂处理后条件下粘接强度最高，达到500 kPa。对碳纤维复合材料粘接面仅打磨或仅涂处理剂条件下粘接强度介于中间。说明打磨或涂处理剂均能提高粘接强度。同时打磨+涂处理剂与对表面不做任何处理结果相比，粘接强度提高大于52%，并且在拉离实验时发现轻质热防护材料本体或应变隔离垫处发生破坏，说明实际界面粘接强度大于500 kPa，如
图7 打磨+涂处理剂下实验结果
Fig.7 Results under grinding rough bonding surface or smeared treatment agent
（1）加压时间及表面处理方式相同时，轻质热防护组件与碳纤维复合材料粘接强度随粘接加压压力的增大而增大，当压力增大至70 kPa时，粘接强度缓慢增大。
（2）加压压力及表面处理方式不变时，轻质热防护组件与碳纤维复合材料粘接强度随加压时间的增大先迅速增大，当加压时间超过7 h时缓慢增大。
（3）表面处理方式对轻质热防护组件与碳纤维复合材料粘接强度影响较大，仅打磨或仅涂处理剂能提高胶层结合力，提高粘接强度。打磨并涂处理剂能提高粘接强度到500 kPa，与对表面不做任何处理相比，粘接强度提高大于52%。因此，装配时对碳纤维复合材料表面打磨并涂处理剂是提高装配质量的重要手段。
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