随着大型光学仪器的不断发展,提出的光学器件表面变形要求越来越小,使得粘接技术越来越多的应用到光学仪器的结构设计中。相对于传统的机械连接方法,粘接方法不但可以改善粘接件的应力分布状况,实现其它连接方式难于解决的各种不同材料之间的连接,而且适当的粘合剂的选择可达到耐温和抗震等的性能要求。
为了获得足够的粘接强度和小的粘接应力,应根据被粘结构件的具体情况,合理选择胶种或配方设计。现代光学仪器结构用胶中,较常用的有酚醛树脂胶、环氧树脂胶、聚氨酯胶、氯丁橡胶以及有机硅树脂胶等,但趋向于选用室温或中温固化、柔性好、弹性模量低的经过改性的弹性胶及采用低毒的改性胺固化剂。环氧树脂胶粘剂是运用的较广的一种合成胶粘剂,有着固化强度高、韧性好和工艺简单等优点。
1胶粘剂的性质
1.1改性的基本设想
目前使用较多的是低分子双酚A型环氧树脂配制的环氧树脂胶,但其不足之处是固化后胶层脆性大,抗冲击强度低,容易产生胶接应力,这些都是在高精度光学仪器在装配的过程中尽量避免的情况,为了改善其使用性能,一般添加活性增韧材料进行改性,选用的增韧剂主要是低分子量带有端羧基的丁腈聚合物CTBN,在环氧树脂的结构上,嵌上丁腈共聚物的柔性链段,从而起到增韧的作用,增韧后胶粘剂主要表现在粘接强度高和韧性好等方面。为了提高粘接结构件的稳定性和可靠性,选用了中温固化和耐热性好的二甲氨基丙胺甲醛聚合物作为固化剂,同时为了有效地提高粘接强度,可以通过选用偶联剂,使得其一端能与金属表面形成化学键,另一端则与环氧树脂发生化学反应,参与固化,文中选用的为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷作为偶联剂。
1.2原材料基本组成及配方
原材料包括:
CTBN、E-44环氧树脂、309不饱和聚脂、二甲氨基丙胺甲醛聚合物、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷。
胶粘剂的制备:
甲组分:100份E-44环氧树脂、10份CTBN、5份309不饱和聚脂。
乙组分:10份二甲氨基丙胺甲醛聚合物、2份γ-氨基丙基三乙氧基硅烷。
甲组分∶乙组分20∶1
配制后的基本性能：
室温放置36小时,然后再经50℃4个小时可使之固化。胶层耐油性和耐溶性能好,粘接强度高,固化后的室温剪切强度为18.7MPa,室温下剥离强度为5.6kN/m,综合性能良好,基本可以满足光学仪器的粘接强度要求。
1.3粘合剂的粘接步骤
在进行实验前,需要制定粘合剂的使用步骤如下：
(1)需要对金属连接件与光学件进行试装,初步确定所设计的结构正确;
(2)对需要粘接的表面进行脱脂、粗化、清洗等;
(3)调制粘合剂,涂胶并且控制胶层的厚度;
(4)预紧金属连接件上的螺母,调整到设计的精度要求;
(5)锁紧螺母,去余胶,固化粘接件;
(6)拆除工装,校核精度。
2光学件的受力变形
在选择了合适的胶粘剂后,为了能够更好的对比分析使用胶粘剂后对光学件的应力变形的影响,使用有限元分析软件对光学件在不同的受力情况下的状态进行分析,在分析之前,需要把上述的胶粘剂的物理特性代入软件。
2.1粘接方法与传统连接方法的变形比较
为了更好地比较粘接方法和传统连接方法的不同之处,在光学件与金属框座的连接中,使用胶粘剂在侧面四点均匀粘接金属框座,而传统的连接方法是在光学件的底部使用四点均匀支撑。在分析的过程中,主要是利用有限元分析软件进行分析,在进行分析以前,需要做出所要分析的光学件的几何模型,然后根据连接件与光学件具体的连接情况,来确定几何模型的位移约束条件,根据建立的几何模型然后进行有限元分析与计算。下面模型的几何尺寸为:光学件是口径300mm,厚度是40mm,两个面都是平面。与光学件连接的机械件的材料是与玻璃膨胀系数接近的因钢,因为这样可以减少均匀的温度升降带来的镜面畸变。光学件所涉及的材料的参数如下表所示：
根据上述的参数,然后进行有限元分析,得到相应的有限元分析结果。下图是有限元分析的根据具体的连接方法而得到的不同的变形结果,其中:
从变形图上可以看出:a)表示的传统连接方法是光学件产生的大变形为1.167×10-4mm,而b)表示的使用粘接方法后的光学件的大变形为7.42×10-5mm,两者相比可以得出,在现在高精度光学仪器要求的变形条件越来越高的时候,使用粘接方法可以比较有效地减小光学件的变形,使得在装调光学仪器时尽可能的达到光学设计所提出的技术要求。文中评价光学性能的降低程度使用计算变形引起的波面误差来描述,一般用镜面的表面点相对于某一佳面型的轴向偏差的均方根值(RMS)来表示。
在对传统连接方法与粘接方法对光学件的变形影响的过程中,不同的粘接点对光学件的表面变形的作用是有较大的区别的,下面表2、表3分别表示使用传统方法与粘接方法的不同之处: