一种结构胶固化应力测试装置及测试方法与流程

本发明属于应力测量领域，具体涉及一种航天结构胶固化应力测试装置及测试方法。

背景技术：

航天相机对光学元件的面形有很高的要求，为了减小装配应力对光学元件面形的影响，光学元件与其支撑结构一般采用结构胶进行粘接，结构胶在固化过程中产生的固化应力成为影响光学元件面形的主要因素。此外，结构胶固化应力会使光学元件和支撑结构之间产生预应力，在经受力学环境和热环境考验时产生高于预测值的应力，增大航天载荷风险。因此在光学元件与支撑结构粘胶前，必须对结构胶在当前光机连接状态下的固化应力进行实验测量，为航天光学元件应力预测提供数据支持。

目前测试固化应力的方法一般采用铝、铁等不透光材料制造装填结构胶的容器，此种结构无法测量需要光照射才能发生固化反应的结构胶的应力值，其次在承载结构胶容器的设计中，结构胶的填充方式、结构胶尺寸形状以及固化应力收缩时的变形结构与实际光学元件粘接情况中不同，测量得到的应力值没有工程参考价值。

技术实现要素：

为解决现有的测试装置无法测量光照射时结构胶固化应力值以及测量情况与实际工程情况不符使测量结果不准确的问题，本发明提供了一种透明有机玻璃作为固化平台，固化平台中的变形结构与工程实际胶粘光学元件相符的结构胶固化应力测试装置及测试方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种结构胶固化应力测试装置，包括紫外防护保温箱1、设置在紫外防护保温箱1外的应变放大仪9、数据采集仪10、和设置在紫外防护保温箱1内的紫外灯6、应变片7、透明有机玻璃片5、固化平台3；固化平台3上端面的形状大小与实际胶粘结构胶4的形状大小相同，固化平台3的上端边缘处设置有多个支柱11；固化平台3设有注胶孔12；紫外灯6设置在应变片7的上端；应变片7设置在透明有机玻璃片5上端，透明有机玻璃片5通过固化平台3的支柱11设置在固化平台3的上端，结构胶4设置在透明有机玻璃片5和固化平台3形成的间隙内；应变片7通过数据线缆8与应变放大仪9连接，应变放大仪9通过数据线缆8与数据采集仪10连接。

进一步地，为稳固支撑固化平台3，固化平台3的下方还设置有载物台2。

进一步地，为保证测量结果的准确性，注胶孔12设置在固化平台3的中心位置。

进一步地，为保证测量结果的准确性，应变片7设置在透明有机玻璃片5的中心位置。

进一步地，为保证粘结的牢固性，用环氧胶将应变片7粘贴在透明有机玻璃片5的中心位置，用硅橡胶将透明有机玻璃片5粘贴在固化平台3上端。

一种测试结构胶固化应力的方法，包括以下步骤：

1)选取固化平台3和应变片7，固化平台3上端面的形状大小与实际胶粘结构胶4的形状大小相同；

2)将应变片7粘贴在透明有机玻璃片5上；

3)将透明有机玻璃片5和固化平台3上端的支柱11粘结；

4)将结构胶4从固化平台3的注胶孔12注入，充满透明有机玻璃片5与固化平台3形成的间隙，刮掉多余的胶液；

5)将固化平台3放置于紫外防护保温箱1内；

6)将应变片7与应变放大仪9连接，将应变放大仪9与数据采集仪10连接；

7)打开应变放大仪9和数据采集仪10，开启紫外灯6，设置紫外防护保温箱1的温度，进行固化应变值测量；

8)应变测量数据不变后停止数据采集，对已测数据进行保存，即可获得不同时刻结构胶4的固化应变值；

9)根据透明有机玻璃片5的应变及有机玻璃的弹性模量，采用胡克定律计算公式求出结构胶固化过程对透明有机玻璃片5的作用力大小，该作用力即为固化应力的数值，具体公式为σ＝eε，

其中：σ-测试的应力；

e-有机玻璃的弹性模量6.9gpa；

ε-固化应变值。

进一步地，透明有机玻璃片5和固化平台3形成的间隙为0.15-0.2mm。

进一步地，将结构胶4用注射器从固化平台3的注胶孔12注入。

本发明的优点为：

1.本发明提供的测试装置结构简单，测试方法简单，适用于不同配方结构胶固化应力的测试.通过九个操作步骤的实施，可测量到结构胶固化应力的大小。

2.本发明所使用的有机玻璃固化平台透光，可兼容光固化结构胶固化应力的测量。

3.通过紫外灯强度的调节，可对不同光强照射下光固化结构胶的固化应力进行测量，通过紫外防护保温箱温度的调节，可对不同温度下结构胶的固化应力进行测量，对实际工程中胶粘条件具有指导作用。

4.固化平台的结构与航天相机光学元件实际胶粘模型相同，粘接的胶斑厚度与形状相同，测量数据具有工程适用性。

附图说明

图1为本发明测量装置结构示意图；

图2为20℃时，结构胶4固化应力测量曲线；

图3为40℃时，结构胶4固化应力测量曲线；

图4为60℃时，结构胶4固化应力测量曲线。

附图标记：1-紫外防护保温箱，2-载物台，3-固化平台，4-结构胶，5-透明有机玻璃片，6-紫外灯，7-应变片，8-数据线缆，9-应变放大仪，10-数据采集仪，11-支柱，12-注胶孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1所示，一种结构胶固化应力测试装置，包括紫外防护保温箱1、设置在紫外防护保温箱1外的应变放大仪9、数据采集仪10、和设置在紫外防护保温箱1内的紫外灯6、应变片7、透明有机玻璃片5、固化平台3；固化平台3的上端边缘处设置有4个支柱11；固化平台3设有注胶孔12；紫外灯6设置在应变片7的上端；应变片7设置在透明有机玻璃片5上端，透明有机玻璃片5通过固化平台3的支柱11设置在固化平台3的上端，结构胶4设置在透明有机玻璃片5和固化平台3形成的间隙内；应变片7通过数据线缆8与应变放大仪9连接，应变放大仪9通过数据线缆8与数据采集仪10连接。固化平台3的下方设置有载物台2。为保证测量结果的准确性，注胶孔12设置在固化平台3的中心位置。应变片7设置在透明有机玻璃片5的中心位置。为保证粘结的牢固性，用环氧胶将应变片7粘贴在透明有机玻璃片5的中心位置，用硅橡胶将透明有机玻璃片5粘贴在固化平台3上端。固化平台3的结构与航天相机光学元件实际胶粘模型相似，粘接的胶斑厚度与形状类似，固化平台3上端面的形状大小与实际胶粘结构胶4的形状大小相同。

针对航天结构胶应力参数量化的需求，本发明提供了一种航天结构胶固化过程中固化应力的测试方法和测量装置，固化平台3材料为透明有机玻璃，可兼容光固化结构胶4的固化应力测量，通过应变片7测量结构胶4在固化过程中引起的有机玻璃变形来计算结构胶4的固化应力，为低应力航天结构胶的选择提供理论支持。

本发明方法将结构胶4放入玻璃制成的固化平台3内，固化平台3顶部粘贴有应变片7，通过紫外灯6强度的调节，固化平台3内结构胶4在不同温度下发生固化，根据测试到的有机玻璃的变形可对结构胶4的固化应力进行实时测量和记录，本发明方法操作简单，适用于不同配方结构胶4固化应力的测试。该装置和方法可对不同温度下结构胶4的固化应力进行实时测量。本发明测试方法中，选取一定大小的有机玻璃，在测量前加工出与实际光学元件胶粘时胶斑大小相同的圆面，用粘贴的方法制成固化平台3，在容器顶部粘贴应变片7，将固化平台3放置在紫外防护保温箱1内，结构胶4会发生固化收缩或膨胀变形，再根据胡克定律可计算出固化应力的实时数据。

具体测量步骤如下：

1)选取固化平台3和应变片7，固化平台3上端面的形状大小与实际胶粘结构胶4的形状大小相同；

2)用环氧胶将应变片7粘贴在透明有机玻璃片5的中心位置；

3)用硅橡胶将透明有机玻璃片5粘贴在固化平台3上端边缘的支柱上；

4)将结构胶4用注射器从固化平台3注胶孔12注入，充满透明有机玻璃片5与固化平台3之间的间隙，刮掉多余的胶液；

5)将固化平台3放置于紫外防护保温箱1内；

6)将应变片7通过数据线连接在应变放大仪9上，再将应变放大仪9通过数据线连接到数据采集仪10；

7)打开应变放大仪9和数据采集仪10，开启紫外灯6，设置紫外防护保温箱1的温度，进行固化应变值测量；

8)应变测量数据不变后停止数据采集，对已测数据进行保存，即可获得不同时刻结构胶4的固化应变值；

9)根据透明有机玻璃片5的应变及有机玻璃的弹性模量，采用胡克定律计算公式可以求出结构胶4固化过程对透明有机玻璃片5的作用力大小，该作用力即为固化应力的数值，具体公式为σ＝eε，

其中：σ-测试的应力；

e-有机玻璃的弹性模量6.9gpa；

ε-固化应变值。

上述测量过程中，结构胶4固化过程由于固化放热和交联反应，结构胶4会发生膨胀和收缩变形，由于透明有机玻璃片5的约束，结构胶4的变形会引起粘贴有应变片7的有机玻璃发生形变。应变片7通过应变仪和数据采集仪10记录这种应变，然后根据胡克定律和应变数据可获得不同时刻结构胶4的固化应力。

在测试前首先制作固化平台3，利用透明有机玻璃片可透光的特性，选择有机玻璃制作基材，根据实际粘接胶斑形状大小，确定固化平台3胶粘面为φ8mm，厚度为0.2mm；根据结构胶4固化应力引起的有机玻璃应变量应大于1×10^-6，确定透明有机玻璃片5的厚度为0.5mm。

实施例1：

本实施例是φ8mm×0.2mm结构固化胶在20℃下，固化应力的测量。

1)选取固化平台3和应变片7，固化平台3上端面的形状大小与实际胶粘结构胶4的形状大小相同；

2)先将固化平台3和透明有机玻璃片5放在盛无水乙醇的超声波清洗仪中清洗，用蒸馏水二次冲洗吹干。用220目砂纸将各部件的粘结位置打出45°交叉条纹，用丙酮擦拭干净，留待备用；

3)将应变片7粘贴在透明有机玻璃片5的中心位置，粘贴应变片7时应用手挤出粘接层中的气泡，应变片7采用120ω-350ω单轴应变计，栅格尺寸1.0mm×1.5mm，玻璃丝布增强聚酰亚胺基底，耐热250℃，应变片7粘接剂为环氧-酚醛粘接剂，工作温度-70℃-370℃；

4)透明有机玻璃片5用环氧胶粘贴到固化平台3的支柱11上，粘接宽度小于1mm；

5)：将结构胶4吸入注射器内，将结构胶4胶液从固化平台3的注胶孔12注入固化平台3与透明有机玻璃片5形成的0.2mm的间隙中，尽量不要带入气泡，刮掉多余胶液，待注入的胶的溢出粘接面时，停止注胶，用刀片刮掉挤出的胶，将固化平台3放置于紫外防护保温箱1内；

6)将应变片7通过数据线连接在应变放大仪9上，再将应变放大仪9通过数据电缆连接到数据采集仪10；

7)开启应变放大仪9和数据采集仪10，开启紫外灯6，将紫外防护保温箱1温度调节到25℃，开始进行固化应变测量，其中应变放大仪9为动态应变仪，直流供电2v-8v、直流放大100-1000倍，采样频率100/s；

8)等应变测量数据不变后，停止数据采集，对已测数据进行保存，关闭紫外防护保温箱1；

9)根据透明有机玻璃片5的应变及有机玻璃的弹性模量，采用胡克定律计算公式可以求出结构胶4固化过程对透明有机玻璃片5的作用力大小，该力即为固化应力的数值，具体公式为σ＝eε，

σ-测试的应力；

e-有机玻璃的弹性模量6.9gpa；

ε-固化应变值。

对每一时刻应变计算后的应力与实践的关系曲线如图2所示。

实施例2：

试验过程按实施例1进行，本实施例中，紫外防护保温箱1温度为40℃，对每一时刻应变计算后的应力与时间的关系曲线如图3所示。

实施例3：

试验过程按实施例1进行，本实施例中，紫外防护保温箱1温度为60℃，对每一时刻应变计算后的应力与时间的关系曲线如图4所示。