本文介紹了用於低溫應用的 15 種環氧樹脂的低溫拉伸和剪下試驗研究。 環氧樹脂用於許多不同的應用; 然而，本研究的重點是使用環氧樹脂將 MLI 支架粘合到低溫儲罐上，以及通過 MLI 將載荷施加到儲罐上。 為了進行測試，樣品由裸露的不鏽鋼、鋁和塗有底漆的鋁製成。 該測試涉及使用液氮 （LN2） 緩慢冷卻測試樣品，然後對環氧樹脂施加逐漸增加的拉伸載荷。 如果樣品通過拉伸試驗，則以類似的方式進行剪下試驗。 該測試評估了環氧樹脂在低溫下的強度和耐久性，結果表明，一些環氧樹脂能夠承受惡劣的條件，而另一些則無法承受。 產生最佳效果的三種環氧樹脂是 CTD Cryobond 621、Masterbond EP29LPSP 和 ScotchWeld 2216。 對於所有測試的金屬表面，這些環氧樹脂中的每一種在重量不超過 18 kg 時均未出現任何故障。 （福林塑料**環氧樹脂）。
需要改進結構方法將MLI毯連線到太空飛行器上，以承受加速度，聲學和通風載荷的組合，同時最大限度地減少儲罐上的寄生熱載荷。 這些附件充當儲罐的直接熱負荷，通常是儲罐施加的熱負荷的重要組成部分。 在某些情況下，由於沒有正確連線到太空飛行器，MLI丟失或損壞，影響了任務。 根據對典型連線方法的回顧，大多數使用塑料（尼龍或聚醯亞胺）支架來最大程度地減少通過毯子的傳導損耗。 然而，這些塑料具有更大的熱收縮係數，通常比大多數賤金屬收縮 1% 或更多（大多數金屬在室溫和 77 K 之間收縮3 – 0.4%，塑料收縮率可達15% 或更高）。因此，環氧樹脂必須能夠應對兩種材料之間的差異收縮，並能夠應對可能遇到的許多其他力。
低溫上級的典型絕緣系統由MLI毯下方的泡沫噴塗絕緣層（SOFI）組成，以防止空氣液化。 聚醚醯亞胺支架將連線到儲罐上並通過 SOFI 突出，為 MLI 橡皮布提供連線點。 之前嘗試將 MLI 直接連線到 SOFI 導致 SOFI 中斷，如圖 1 所示。
圖1MLI直接連線到表面後面的SOFI。
作為參考，圖 2 顯示了帶有 MLI 覆蓋的支撐的可能配置。 支架的平盤部分用環氧樹脂粘接到罐壁上。 環氧樹脂鍵在低溫下的強度非常重要，因為這種鍵的失效將導致MLI與罐體分離並增加低溫推進劑的蒸發。 因此，進行了測試以評估鋁、底漆鋁和不鏽鋼樣品在低溫下的拉伸和剪下環氧強度。
圖2MLI 支架將 MLI 毯子和泡沫絕緣材料固定在金屬表面上。
剪下和拉伸環氧樹脂測試在美國宇航局格倫研究中心的克里克路低溫綜合體進行了六輪，歷時八個月。 每個測試的環氧樹脂都粘合到鋁、底漆鋁和不鏽鋼樣品上。 該測試包括將 E 型熱電偶連線到樣品背面，並在大約 30 分鐘內用液氮 （LN2） 緩慢冷卻，以最大限度地減少樣品中隨時間推移的熱應力並避免熱衝擊。 一旦溫度達到86K，通過在支架末端懸掛重物來測試環氧樹脂粘結劑的拉伸強度，如圖3a所示。 在測試乙個或兩個砝碼後，將樣品放回液體中，以儘量減少樣品的加熱和熱迴圈。 支架上懸架的質量逐漸從129 kg 至 1182公斤。 最大重量由聚醚醯亞胺軸承的額定強度決定。 然後，通過在支架底部懸掛乙個重物來對拉伸測試樣品進行剪下試驗，如圖3b所示。 對於剪下測試，將樣品附著在一塊 G10 上，以最大限度地減少熱傳遞。 此外，在支架底部附近使用支撐支架，使重量盡可能靠近支架底部，以減少力矩效應。 這些測試沒有嚴格遵循 ASTM 標準，而是使用 ASTM E8 和 D1002、D3163 和 D4896 作為制定測試程式的指南。
圖3（a） 環氧樹脂拉伸試驗配置與重量樣品。 （b） 使用重量樣品進行剪下環氧試驗配置。
01.用於測試的環氧樹脂
測試的 15 種環氧樹脂包括 Altheris C1、Altheris EA-2A、Cryobond 621、GE Varnish、Huntsman Epibond、HYSOL EA9369、HYSOL EA9430、Masterbond EP29LPSP、Masterbond EP21TCHT-1、MASTERBOND EP30-2、Masterbond SUP12AOHT-LO、M-Bond AE-10、ScotchWeld 2216、Stycast 1266 和 Stycast 2850ft。 （福林塑料**環氧樹脂）。
02.測試樣品
這些樣品是通過切割出大約 4 x 5 厘公尺的矩形金屬板製成的。 在金屬端的中心鑽乙個孔，作為液氮冷卻的連線點。 在表面去毛刺並用丙酮擦拭後，MLI 支架將環氧樹脂塗在底漆鋁 2219、鋁 6061 或不鏽鋼 304 上，如圖 4 所示，並根據製造商的說明進行固化。 此外，用於 Altheris 和 Masterbond AE-10 環氧樹脂的環氧樹脂表面在塗覆環氧樹脂和安裝之前用 320 粒度的砂紙打磨。環氧樹脂的固化時間各不相同，有的需要在烘箱中加熱一段時間才能完成固化。 當有多種固化選項可用時，選擇最低溫度的固化。 金屬基環氧樹脂軸承在這裡稱為試樣。 盡可能多地使用相同的環氧樹脂金屬基組合製備多個樣品。
圖4（a） 2219鋁的底漆樣品。 （b） 鋁6061樣品。 （c） 不鏽鋼304樣品。
熱電偶貼在每個樣品的背面，以在冷卻和測試期間監測樣品溫度。 使用的 10 個砝碼是從不鏽鋼棒材上切割而成的，重量範圍為 111 到 116公斤。 在每個砝碼的末端攻絲三個孔，以便安裝不鏽鋼法蘭配件或螺紋鉤，分別用於拉伸和剪下測試。
03.測試流程
為了最大限度地減少隨時間變化的冷卻應力並防止熱衝擊，樣品通過鉤子和夾子懸浮在液氮杜瓦瓶上方，以緩慢冷卻每個樣品，如圖 5 所示。 以 5 分鐘為增量，將每個樣品保持在上方約 25 公釐和上方約 12 公釐處，剛好足以接觸並完全浸沒在液氮中。 使用粘在樣品背面的E型熱電偶監測樣品溫度。
圖5示例冷卻設定。
一旦樣品達到 86 K 的最低溫度，將其從液氮浴中取出並通過擰緊將其連線到適當的重量上，見圖 3a。 然後通過將 （a） （b） （c） 樣品液氮直接拉到金屬樣品上來提公升重物。 觀察施加的每個重量並監測溫度。 在測試兩個砝碼後，將樣品從連線的硬體中取出並重新浸入液氮中。 通常，在此期間，樣品會公升溫到 125 K。 一旦樣品回到大約 86k 處，用下乙個最高重量重複該過程。 試驗的抗拉重量為： 0 和 185 kg。如果樣品質量大於 185 kg，根據圖3b從最低重量開始進行剪下試驗。 測試的剪下質量為： 9 和 183 kg。拉伸和剪下試驗之間 018 kg 的質量差異是由於用於拉伸試驗的改性法蘭的重量增加。 拉伸和剪下試驗的示例如圖 3 所示。
拉伸和剪下試驗結果總結在表1中。 每根柱子代表不同的重量以及剪下或拉伸測試。 綠色複選標記和紅色“x”分別表示環氧樹脂通過和失敗。 從表1中可以看出，環氧樹脂鍵的結果非常二元，因為鍵通常在較低質量時斷裂或在最大質量時保持存在。 幾種環氧樹脂（Huntsman Epibond、HYSOL EA9369、Masterbond EP21TCHT-1、Stycast、2850ft 和 Stycast 1266）在不鏽鋼和鋁上表現不佳，但在底漆塗層鋁樣品上效果良好。
表1：環氧樹脂低溫拉伸和剪下試驗結果。
在環氧樹脂失效的情況下，除 Altheris C1 外，環氧樹脂從金屬樣品中“乾淨”地去除，大部分留在支架上，如圖 6 所示。 鑑於環氧樹脂的不透明性和較厚的稠度，Stycast 2850ft、Masterbond EP29LPSP 和 CTD 621 都被認為易於使用。 隨後的幾輪測試記錄了樣品冷卻過程中巨大的爆裂聲和破裂聲的觀察結果，特別是當樣品降低到液氮暴露時。 當記錄雜訊觀測值時，主要在樣品冷卻期間聽到爆裂聲。 雖然不能保證，但這些爆裂聲的存在為未來的環氧樹脂和支架故障提供了乙個很好的指標。 此外，5 次對峙故障中有 6 次發生在 11 次8公斤以上。 在測試的 65 個樣品中，有 24 個（不包括支撐斷裂）通過了拉伸和剪下測試。
圖6不鏽鋼樣品上的環氧失效。
CTD CryoBond 621、MasterBond EP29LPSP 和 SCOTCHWELD 2216 對樣品材料最不敏感，同時在低溫下提供良好的環氧樹脂粘接強度。 需要注意的是，MasterBond EP29LPSP 需要高溫才能固化，而 CTD CryoBond 621 和 ScotchWeld 2216 在室溫下固化。 （福林塑料**環氧樹脂）。
測試了15種環氧樹脂在低溫下的拉伸和剪下粘結強度。 該測試的目的是確定哪種環氧樹脂在低溫下能為將 MLI 固定在標準罐材料上的聚醚醯亞胺 （PEI） 軸承提供良好的粘合強度。 在進行測試之前，開發的測試方法對每個樣品都使用了緩慢的冷卻期。 每個樣品都是通過將 MLI 支架粘合到金屬表面製成的。 熱電偶貼在每個樣品的背面，以監測整個測試過程中的溫度。 然後通過在記錄觀察結果的同時從樣品上懸掛質量增加的重量來執行測試。
結果表明，在測試的 15 種環氧樹脂中，只有 CTD Cryobond 621、MasterBond EP29LPSP 和 ScotchWeld 在多種樣品材料的拉伸和剪下測試中通過了所有重量。 需要注意的是，MasterBond EP29LPSP 需要高溫才能固化，而 CTD CryoBond 621 和 ScotchWeld 2216 在室溫下固化。 總體而言，這些結果為選擇用於將MLI系統連線到低溫儲罐的環氧樹脂提供了有用的見解。
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