張知博，王勇杰，楊慶浩*

（1.西安科技大學材料科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.31690 部隊,吉林 蛟河 132500）

0 前 言

傳感器技術是信息系統(tǒng)的感官，也是自動化控制技術和自動檢測技術不可缺少的重要環(huán)節(jié)[1]。現(xiàn)代科學技術的發(fā)展對傳感器技術的依賴度比較高，如果沒有傳感器對原始數(shù)據(jù)進行精確測量，不管是信號轉(zhuǎn)換還是信息處理都可能會存在一定問題[2]。電阻應變傳感器因其精確度高，被廣泛應用在飛機模型風洞試驗、船舶流體力學實驗中，蔡寧泊[3]等將應變計粘接在航空發(fā)動機葉片上，來測量新型航空發(fā)動機的振動應力。電阻應變傳感器的應用非常廣泛，其制成的部件天平可以對飛機、導彈等模型做空氣動力測定，多分量測力傳感器可應用于船體模型、螺旋槳、船舵等部件在流體中運動阻力的模擬測量[4]。

電阻應變傳感器通過金屬彈性體把力轉(zhuǎn)換為應變，彈性體在外載荷的作用下，將產(chǎn)生的應變通過貼片膠傳遞給敏感柵，從而引起敏感柵阻值的變化。因此，貼片膠在整個過程中占據(jù)著不可或缺的作用，其傳遞應變的準確性和精準性直接影響著傳感器的性能。國內(nèi)關于貼片膠的介紹很少，只有20世紀80年代的少量簡要性描述與介紹?；诖耍疚木唾N片膠的最新研究和應用進展、種類、成分和商業(yè)化產(chǎn)品作以綜述。

1 貼片膠應變傳遞機理

電阻應變計是由美國工程師Simmons 和Ruge在1938年發(fā)明的[5]。應變計利用金屬電阻絲的應變電阻效應，將構件表面的應變轉(zhuǎn)換為金屬電阻絲的電阻相對變化，金屬電阻絲受力發(fā)生變形時，其電阻的相對變化率與導線的應變成正比關系[6]。圖1為電阻應變計的結(jié)構圖：主要由四個部分組成，其中包括貼片膠、敏感柵、基底、彈性體。貼片膠的作用是將應變計牢牢地粘貼在彈性體原件上，并將彈性體上產(chǎn)生的無損變形準確地傳遞給應變計，引起敏感柵阻值的變化。貼片膠是應變傳遞的關鍵材料，對整個傳感器的數(shù)據(jù)采集起著至關重要的作用，是應變計和彈性體之間的橋梁，除了要有和其它用途的膠粘劑一樣的粘接性能，還必須要有較大的彈性模量、良好的電絕緣性能、蠕變性能和滯后小、固化時膠層體積收縮率小等特點[7]。同時貼片膠的物理性質(zhì)、固化溫度、加緊壓力、持續(xù)時間和膠層厚度都會影響傳感器的性能。鑒于貼片膠在電阻應變計中的特殊作用，使用時要根據(jù)應用條件和使用狀況進行選擇，選用不同種類或不同固化方式的貼片膠。

圖1 應變計結(jié)構圖Fig. 1 The structure schematic of a strain gauge

2 貼片膠對應變傳感器性能的影響

應變計是一種高度靈敏的傳感元件，在測試過程中極易受各種因素的影響而使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差[8]。在應變計中，貼片膠起到應變傳遞的作用，它的性能和使用工藝會影響并決定傳感器的性能，主要影響的性能有靈敏度系數(shù)、滯后、蠕變、零飄、熱輸出的重復性、線性（靈敏度系數(shù)隨應變大小的變化）等。

2.1 貼片膠的蠕變對應變傳感器性能的影響

貼片膠自身的蠕變會使應變傳感器的靈敏度系數(shù)下降及蠕變值增加。蠕變是指在恒定應力下形變隨時間增加而增加的現(xiàn)象，行業(yè)中通常檢測電壓值的變化，即在恒定的負載下，電壓值的變化。從分子運動的角度來講，高聚物在外力的作用下分子間會產(chǎn)生相對滑移，造成黏性流動，從而產(chǎn)生形變。施加的機械應變量愈大，應變計的蠕變就越大。選用彈性模量較大的貼片膠，減少膠層厚度并使貼片膠完全固化，能夠改善其蠕變性能。

2.2 貼片膠的滯后對應變傳感器性能的影響

彈性體表面的應變以剪切力的形式傳遞給敏感柵，貼片膠中大分子的鏈段在運動時受到內(nèi)摩擦力的作用，鏈段的運動跟不上外力的變化，導致形變的變化落后于應力變化，造成滯后的現(xiàn)象[9]。滯后會影響靈敏度系數(shù)隨應變大小的變化，即線性的變化。

3 貼片膠的分類

貼片膠是基于商業(yè)膠粘劑的特殊開發(fā)或修改，其種類繁多，但粘接強度、固化方式、固化溫度、應用范圍都不一樣，故沒有任何一種萬能膠存在。貼片膠在應用中的要求很高，不僅要具有足夠強的粘接能力，還要滿足應變計所需要的力學性能、物理性能和化學性能?；诖?，研究人員開發(fā)了各式各樣的貼片膠。貼片膠的分類方法很多，按其化學成分分類可分為丙烯酸酯、環(huán)氧、酚醛、環(huán)氧酚醛改性、聚酰亞胺貼片膠；按其固化方式可分為常溫固化和高溫固化貼片膠；按其組分可分為單組分和雙組分貼片膠。

3.1 氰基丙烯酸酯類貼片膠

1959年美國發(fā)明了Eastman910 膠粘劑(α- 氰基丙烯酸甲酯)，具有單組分、可室溫快速固化、粘接材料廣泛、黏度低、膠層薄且透明、耐油性好和電氣絕緣性佳等諸多特點[10]，被廣泛應用在貼片膠領域，氰基丙烯酸酯貼片膠的主要成分是α- 氰基丙烯酸酯，具有很強的吸電子氰基和酯基性能，容易受到被粘物上吸附的水或者其它陰離子的影響而產(chǎn)生瞬間聚合反應，使聚合體形成多極性中心，形成強的粘接力。該類型的貼片膠能在室溫下快速固化，并且其具有固化收縮率小、蠕變小等特點，對應變計基底材料的適應性較好，能夠滿足大多數(shù)應變計的粘接。具有優(yōu)異性能的同時也伴隨著固化后脆性大、不耐潮濕、易老化等缺點，通過改性能顯著提高其沖擊性、耐剝離、耐熱性。美國Omega 公司的SG401 和SG496 都是基于氰基丙烯酸酯的貼片膠，能夠在短時間內(nèi)完成固化，且對應變計基底材料的適應性比較好，能夠滿足絕大多數(shù)應變計的粘接。

3.2 環(huán)氧樹脂類貼片膠

環(huán)氧樹脂是指一個分子中含有兩個或者兩個以上的環(huán)氧基，并在適當?shù)墓袒瘎┫履軌蛐纬扇S網(wǎng)絡結(jié)構的低聚物。圖2 為常用的雙酚A 型環(huán)氧樹脂通式。

圖2 雙酚A 型環(huán)氧樹脂的分子式Fig. 2 The typical molecular structure of bisphenol A epoxy resin

兩末端的環(huán)氧基賦予其反應活性，使環(huán)氧樹脂不僅具有優(yōu)良的力學性能、耐藥品性能，還能兼顧電阻應變計所需要的電絕緣性能以及粘接性能[11]。固化劑是環(huán)氧樹脂貼片膠的重要組成部分，在其性能上發(fā)揮著決定性的作用，根據(jù)固化劑的不同，可以配制成室溫固化或高溫固化，開發(fā)制備適用于各種應用工況下單組分或雙組分貼片膠。由于貼片膠獨特的應用條件，要求貼片膠的熱膨脹系數(shù)(CET)要盡可能接近于被粘物，常用的方法是在膠液中加入無機填料。國外性能優(yōu)異的低膨脹膠CET 可達12~19 ppm/℃，粘接強度13 MPa 以上。國內(nèi)低膨脹膠粘劑方面研究極少，且CET 較高[12]。鑒于環(huán)氧樹脂優(yōu)異的性能，國外開發(fā)了許多基于環(huán)氧樹脂的貼片膠，日本東京測器的EA-2A、EB-2 環(huán)氧樹脂貼片膠，能夠在極低的溫度下工作，并且具有良好的性能。

3.3 酚醛樹脂類貼片膠

酚醛樹脂一般分為熱固型和熱塑型，是由酚類化合物和醛類化合物在酸或堿的催化作用下縮聚而成的高分子聚合物，抗蠕變性、耐水性好，并且能耐一般的有機溶劑。因其良好的機械性能、耐水性、耐熱性、耐候性、阻燃性和耐磨性，被廣泛應用于電子電器、機械、汽車、通訊以及航空航天等領域[13]。圖3 為酚醛樹脂的結(jié)構式。

圖3 酚醛樹脂的合成Fig. 3 The synthesis of phenolic resin

結(jié)構中含有的酚羥基以及R 基團容易被氧化，因此耐熱性和抗氧化性較差。此外，酚醛樹脂還存在著固化溫度高、固化速度慢和固化膠層脆性大等缺點，必須要對其進行改性處理。Haddadi[14]采用納米二氧化硅（SiO2）和碳化硼（B4C）對酚醛樹脂進行改性，制備耐高溫膠粘劑用于石墨材料的粘接。張銀銀等[15]采用納米SiO2、納米碳化硅、納米氫氧化鋁粒子對酚醛樹脂進行雜化改性，研究其粘接性能和高溫熱穩(wěn)定性。傳感器的適用工況要求貼片膠能夠在高溫環(huán)境下工作，必須要有良好的熱穩(wěn)定性。美國Vishay 公司的M-Bond 610 貼片膠、日本東京測器研究有限公司的C-1 貼片膠都是采用的酚醛樹脂作為主體材料，所粘接的應變計能長期在高溫環(huán)境下進行可靠測量。

3.4 環(huán)氧改性酚醛類貼片膠

基于酚醛樹脂優(yōu)良的性能，研究人員開發(fā)了許多以酚醛樹脂為主體材料的環(huán)氧改性酚醛類貼片膠，在電阻應變傳感器領域內(nèi)廣泛使用。環(huán)氧樹脂因其優(yōu)良的性能，被廣泛應用于酚醛樹脂的改性中，酚醛樹脂中的羥基能與環(huán)氧基發(fā)生反應，酚醛樹脂上引入了環(huán)氧樹脂，增長了鏈段，降低了固化產(chǎn)物的交聯(lián)密度，使分子的柔韌性增加[16]。經(jīng)過改良后的貼片膠不僅具有環(huán)氧樹脂優(yōu)良的粘附性，還能兼顧酚醛樹脂優(yōu)良的耐熱性能。史煜等[17]通過對環(huán)氧樹脂和酚醛環(huán)氧樹脂的混合液中加入聚乙烯醇縮醛，制得了一種具有良好性能、粘接強度高、蠕變性能優(yōu)良的貼片膠。

3.5 聚酰亞胺類貼片膠

聚酰亞胺（PI）通常由等物質(zhì)的量比的芳香族二酐與芳香族二胺或芳香族二異氰酸酯聚合而成，其最早的應用是杜邦公司發(fā)明的Kapton 結(jié)構，圖4 為典型的PI 分子式。

圖4 聚酰亞胺的典型分子式Fig. 4 The typical molecular structure of polyimide

PI 類貼片膠綜合性能良好，但粘接性能欠佳，通常使用環(huán)氧樹脂進行改性，兩者的共聚可以增長分子鏈段進行性能互補[18]。但該膠需要高溫加壓固化，對其工藝性要求比較高。日本共和公司的PI-32貼片膠，采用聚酰亞胺環(huán)氧樹脂體系，能夠適應多種環(huán)境，工作溫度在-269~350 ℃，在高溫的應變測量也具有優(yōu)良的性能。

以上五種是貼片膠最常用的分類方式，但在實際應用過程中往往會多種類型混合使用，使其能發(fā)揮最好的性能。

4 輔助材料對貼片膠性能的影響

4.1 填料

填料的加入可以增加環(huán)氧膠粘劑的黏度，降低膨脹系數(shù)，還可以降低成本，改善工藝性能和物理性能[19]。貼片膠中常用的填料有碳酸鈣、二氧化鈦、二氧化硅、玻璃纖維、滑石粉、石棉粉等。不同的填料改善的性能不同，由于貼片膠不同于一般的膠粘劑，下可以必須要選擇提高特定性能的填料。加入填料的貼片膠在固化時，隨著膠液溶度的改變而產(chǎn)生微粒，產(chǎn)生微觀相分離，相分離過程中產(chǎn)生體積膨脹，抵消其固化過程中體積的收縮。劉玲[20]等研究了無機填料種類及其含量對環(huán)氧樹脂體系剝離強度的影響，結(jié)果表明無機填料在改變提高各種性能時，還伴隨著剝離強度的降低。因此填料的選擇及含量至關重要，貼片膠必須有良好的絕緣性能，因此使用前必須經(jīng)過磁選，除去磁性雜質(zhì)。

4.2 溶劑

溶劑的作用主要是改變其黏稠度，便于工藝上的操作，其選擇要考慮溶劑的溶解性和沸點，良性的溶劑能與被粘物的表面形成較好的表面浸潤，產(chǎn)生較高的粘接強度和剝離強度，高沸點的溶劑揮發(fā)的速度慢，不易產(chǎn)生表面缺陷和內(nèi)應力[21]。一般溶劑的選擇分為活性溶劑和非活性溶劑，貼片膠領域常用非活性溶劑，該類型溶劑只會降低膠液的黏稠度而不參加固化反應，溶劑在固化的過程中會揮發(fā)掉，不會影響貼片膠的性能，膠液的黏稠度可以根據(jù)需要選擇。

4.3 偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑是使兩種材料或分子發(fā)生耦合作用的物質(zhì)，膠粘劑中常用的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑。它既含有能與有機聚合物反應的碳官能團，又具有易水解和縮聚的特點，還能形成與無機物料表面鍵合的硅官能團[22]。偶聯(lián)劑的一端以化學鍵與填料表面結(jié)合，另一端可溶解于環(huán)氧聚合物中，因此，偶聯(lián)劑的增加能夠增強彈性體和基底的粘接性能，還能提高貼片膠的物理力學性能。偶聯(lián)劑通過水解、縮合、縮聚等反應形成化學鍵、氫鍵結(jié)合以及物理吸附作用，改善了膠粘劑的濕潤性、被粘物和填料的表面性質(zhì)，形成牢固的粘接界面，從而提高了膠粘劑的內(nèi)聚強度、粘接強度、耐水性、耐熱性、耐濕熱老化性和耐久性等[23]。田甜等[24]對添加了偶聯(lián)劑的膠粘劑進行了抗拉剪及抗壓強度測試，表明添加偶聯(lián)劑能顯著提高各類膠粘劑體系的拉剪強度。在使用的過程中必須根據(jù)有機樹脂和無機材料的特點選擇合適的偶聯(lián)劑。

4.4 消泡劑

貼片膠在配制或應用過程中，非常容易混入氣泡，不除去氣泡會造成貼片膠粘接強度降低，尤其會影響傳感器的性能。消泡劑是具有低表面張力的物質(zhì)，應用體系產(chǎn)生表面張力差，破壞氣泡的彈性膜，進而達到破泡的效果[25]。常用的消泡劑種類有硅油消泡劑、聚硅氧烷消泡劑和聚醚改性消泡劑。不同類型的消泡劑的消泡效果不同，與環(huán)氧聚合物體系的相容性也不同，通常相容性差的消泡效果好。

5 結(jié) 語

國外對于應變測量技術的發(fā)展十分重視。美國Micro-Measurements 公司能提供廣泛的貼片膠，涵蓋應力分析測試的范圍，并用于傳感器制造，在國際市場上占有重要地位。德國的HBK 公司為應變計研發(fā)了特定的貼片膠，不推薦使用其它的貼片膠。應變計粘合劑必須滿足與一般粘合劑不同的要求。應變計與物體的簡單粘附并不是評估粘合劑是否適合測量目的的充分標準，它還必須確保物體的應變無故障傳輸。Tokyo Measuring Instruments Laboratory 公司研發(fā)并制造了大量的、適用于多種應用的貼片膠。表1 列出了國外貼片膠領域國際領先的企業(yè)及產(chǎn)品，長期以來在電阻應變計貼片膠領域占據(jù)著主導地位，其產(chǎn)品具有良好的性能，能夠很好地適配自己的應變計，形成了產(chǎn)業(yè)化，具有良好的性能，在業(yè)界取得了很好的口碑。

表1 國外貼片膠廠家及產(chǎn)品Table 1 The worldwide companies and products for bonding adhesive

貼片膠作為一種重要的工程粘接劑，隨著科技的不斷發(fā)展，對貼片膠提出越來越多的要求，逐漸朝著高性能化和高功能化方向發(fā)展，開發(fā)環(huán)境友好型，低公害貼片膠以及引進和開發(fā)新型固化劑成為熱點。貼片膠因其技術含量和附加值較高，國內(nèi)目前只要依賴從國外知名公司進口。國內(nèi)做的很好的企業(yè)如中航電測，有完備的產(chǎn)業(yè)鏈，但從產(chǎn)品性能、售后服務、品牌影響等均有明顯差距。常用貼片膠的原材料都含有不同程度的毒性和刺激性，貼片膠也在朝著環(huán)境友好型、低公害、無毒方向發(fā)展，浙江九為電子科技有限公司生產(chǎn)的G308 系列貼片膠，其成分全部為清潔試劑，且性能優(yōu)良，開創(chuàng)了國內(nèi)貼片膠領域無害化的先河。我國電阻應變計領域前景廣闊，國產(chǎn)貼片膠還需不斷的創(chuàng)新，希望能夠趕超國外，占領國內(nèi)外市場。