李君三

一種蜂窩芯材料透氣速率檢測(cè)系統(tǒng)

李君三1，2

（1. 國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

本文設(shè)計(jì)了一套蜂窩芯材料在真空環(huán)境下的透氣速率檢測(cè)裝置，用于模擬星體在發(fā)射過程中，蜂窩芯腔體內(nèi)空氣逸散情況。采用壓差法測(cè)試了不同真空度下蜂窩芯的透氣速率，同時(shí)制備了有色氣體使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可視化，可以判斷出蜂窩芯板的透氣死點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為蜂窩芯材料的工程應(yīng)用提供了一定的數(shù)據(jù)支持。

透氣速率；蜂窩材料；真空度；密封

1 引言

蜂窩芯材料由于其具有較好的比剛度和承載效能，因此被廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域。由于內(nèi)部存在蜂窩狀孔隙，在航天器發(fā)射之前，其孔隙中完全浸潤(rùn)有空氣，當(dāng)航天器進(jìn)入太空過程中，存在于孔隙中的空氣需要通過蜂窩芯材料的小孔逸散出來，逸散速率是衡量材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，有必要設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)裝置，模擬航天器進(jìn)入太空后的環(huán)境，得出氣體逸散速率，為實(shí)際工程提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

蜂窩芯材料的宏觀結(jié)構(gòu)及芯層細(xì)觀結(jié)構(gòu)性能的研究自50年代以來就得到了充分發(fā)展，研究范圍不斷拓廣。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)蜂窩芯材料的研究重點(diǎn)主要集中在力學(xué)效能方面。Allen[1]最早使用有限元的方法模擬蜂窩芯材料的力學(xué)性能。Gibson[2]提出胞元模型理論，忽略胞壁在和方向厚度不同，采用材料力學(xué)公式推導(dǎo)出等蜂窩結(jié)構(gòu)的二維等效彈性參數(shù)的解析式。馮旭等[3]通過工程實(shí)例做出對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)而探討了對(duì)于剛度理論的理解，并闡述了如何合理布置構(gòu)件提高結(jié)構(gòu)剛度。Jody W. C. Pang 等[4，5]通過對(duì)復(fù)合材料層壓板的彈性預(yù)應(yīng)力研究，利用彈性預(yù)應(yīng)力減少翹曲，提高剛度，進(jìn)而提高機(jī)械性能。H. T. Corten 等[6]致力于研究如何有效改善復(fù)合材料的剛度，發(fā)現(xiàn)用少量高模量纖維取代玻璃纖維能夠有效改善其剛度，隨后對(duì)其進(jìn)行深層次研究。趙志敏等[7]設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，論證了光纖埋入能夠有效改善結(jié)構(gòu)剛度性能，并且發(fā)現(xiàn)了光線埋入與剛度性能之間的相互關(guān)系。而關(guān)于蜂窩芯材料氣體逸散速率相關(guān)的研究，目前尚未見報(bào)道。

2 蜂窩材料透氣速率檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 蜂窩芯試件制作

為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的參照性，實(shí)驗(yàn)需要采用同種規(guī)格的蜂窩芯板。被測(cè)的蜂窩芯試件大小為500mm×500mm×25mm，上下兩面采用有機(jī)玻璃板密封，左右兩側(cè)采用鋁合金條密封，前后兩側(cè)不做處理，為了后續(xù)透氣速率檢測(cè)提供氣體逸散通道，試件如圖1所示。

圖1 蜂窩芯試件制作

2.2 檢測(cè)原理

采用壓差法檢測(cè)蜂窩芯材料的透氣速率，用兩個(gè)氣體緩沖腔，一個(gè)腔體保持一定的真空狀態(tài)，另一個(gè)腔體保持一定的氣壓，然后計(jì)算固定量的氣體通過蜂窩芯板的時(shí)間，得到氣體的逸散速率，原理如圖2所示。

1—控制器 2，3，4，5—真空傳感器 6，7—測(cè)試腔體 8，10，11，14—電磁閥 9—壓力表 12—?dú)飧?13—煙霧發(fā)生器 15—真空泵

用真空泵將蜂窩芯板和兩個(gè)緩沖腔體抽到一定的真空度，為了增加氣體的供應(yīng)量，系統(tǒng)中采用了一個(gè)氣罐，同時(shí)為了將整個(gè)測(cè)試流程可視化，采用煙霧發(fā)生器將煙霧充入氣罐。采用4個(gè)真空計(jì)記錄兩側(cè)腔體的實(shí)時(shí)壓力，當(dāng)系統(tǒng)的真空度到達(dá)目標(biāo)位時(shí)，通過切斷電磁閥與氣源的通道保持一定的壓力，然后接通氣罐和緩沖腔，氣體充入，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，到兩個(gè)緩沖腔氣壓達(dá)到平衡的時(shí)候，停止計(jì)時(shí)，計(jì)算透氣速率和透氣時(shí)間。

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保持整個(gè)系統(tǒng)的真空度是確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的重要前提，方案中真空腔體上的密封圈采用非封閉式的，此種情況會(huì)在兩個(gè)密封圈結(jié)合處存在縫隙，此縫隙需要采用膠粘的方式密封，并且由于壓蓋的壓力，會(huì)導(dǎo)致橡膠密封圈輕微變性，擠壓涂膠表面，達(dá)到更好的密封效果。腔體的密封如圖3所示。

圖3 左右兩側(cè)腔體密封示意圖

此試驗(yàn)中需要制備有色氣體，整個(gè)試驗(yàn)裝置可以分為有色氣體制備模塊、真空腔體模塊以及抽真空裝置模塊。有色氣體制備模塊包括煙霧發(fā)生器、儲(chǔ)氣罐、電磁通斷閥、壓力表以及一些管路附件，真空腔體模塊包括真空腔主體、待測(cè)試件、橡膠密封圈、壓蓋、真空計(jì)、壓力表以及相關(guān)附件。

3 測(cè)試結(jié)果及討論

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，試驗(yàn)過程中應(yīng)保證真空腔體部分良好的密封性，其漏率應(yīng)該在蜂窩芯材料透氣速率允許的誤差范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)中采用的是保壓狀態(tài)下測(cè)試不同時(shí)間段的真空度，從而間接反映出試驗(yàn)裝置的密封性。

將整個(gè)測(cè)試腔體用真空泵抽到測(cè)試的真空度，真空泵停止工作，開始進(jìn)入保壓狀態(tài)，通過查看不同時(shí)間下四個(gè)通道的氣壓值檢測(cè)真空腔體的密封性，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 檢測(cè)裝置密封性能

由表1中的數(shù)據(jù)可知，蜂窩芯材料透氣速率檢測(cè)裝置腔體密封性良好，其對(duì)蜂窩芯材料的透氣速率造成的影響值遠(yuǎn)小于允許的誤差，證明本透氣速率檢測(cè)裝置得出的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，誤差在允許的范圍內(nèi)。分別對(duì)同一塊蜂窩芯材料在不同初始真空度下進(jìn)行透氣速率測(cè)試，透氣時(shí)間及透氣速率結(jié)果如表2所示。

表2 不同真空度下透氣速率檢測(cè)

同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中不允許蜂窩芯板存在透氣死點(diǎn)現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)裝置中采用有色氣體測(cè)試，其透氣死點(diǎn)可以很直觀地反應(yīng)出來，由于有色氣體存在細(xì)小的顆粒，為了驗(yàn)證煙霧的細(xì)小顆粒不會(huì)堵塞蜂窩芯板的透氣小孔，實(shí)驗(yàn)中分別比較了有煙和無煙兩種情況下透氣速率的快慢，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯谟袩熀蜔o煙的狀況下，蜂窩芯材料的透氣速率幾乎一致，說明煙霧中的小顆粒不會(huì)堵塞蜂窩芯板的透氣小孔，本實(shí)驗(yàn)中采用的煙霧氣體完全符合試驗(yàn)要求。

表3 有無煙霧透氣速率對(duì)比

4 結(jié)束語

論文設(shè)計(jì)了一套用于檢測(cè)蜂窩材料透氣速率的系統(tǒng)，在滿足密封條件的前提下，測(cè)試了給定蜂窩芯板設(shè)計(jì)的透氣時(shí)間和透氣速率，從得到數(shù)據(jù)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較好；同時(shí)采用煙霧氣體檢測(cè)蜂窩芯材料的透氣死點(diǎn)，并分別通過有煙和無煙兩種狀態(tài)下得到透氣速率結(jié)果可知，煙霧不會(huì)堵塞蜂窩芯材料的透氣小孔，表明蜂窩芯材料具有較好的氣體逸散性能，實(shí)驗(yàn)為蜂窩芯材料的工程應(yīng)用提供了一定的數(shù)據(jù)支持。

1 Allen H G. Analysis and Design of Structural Sandwich Panel[M]. Pergamon Press, 1969

2 Gibson L J, Ashby M F. Cellular solid: Structure and Properties[M]. Pergamon Press, 1988

3 馮旭，孫玚，趙申. 剛度及力的傳遞路徑對(duì)剛度的影響[J]. 山西建筑，2011 (4)：20～21

4 Tuttle M E. A mechanical/thermal analysis of prestressed composite laminates[J]. J Compos Mater, 1988, 22(8): 780～786

5 Tuttle M E, Koehler R T, Keren D. Controlling thermal stresses in composites by means of fiber prestress[J]. J Compos Mater, 1996, 30(4): 486～502

6 Corten H T. Composite Materials: Testing and Design[M]. ASTM, 2012.2

7 趙志敏，邱振芳，林有義. 光纖埋入對(duì)復(fù)合材料剛度的影響[J]. 航空學(xué)報(bào)，1998，19(1)：99～103

Detection System of Honeycomb Core Material Air Permeability Rate

Li Junsan1，2

(1.School of Systems Engineering, National University of Defense Technology, Changsha410073; 2.China Academy of Space Technology, Beijing 100094)

In this paper, through the design of the permeability detection device of the honeycomb core material, using the pressure difference method to test the air permeability rate under different initial vacuum degrees. At the same time, the colored gas was prepared to visualize the entire experiment process, and could be used to detect the air permeable dead point of the honeycomb core board. The experimental results of the paper provide data support for the engineering application of honeycomb core materials.

air permeability rate；honeycomb core material；vacuum；sealing

李君三（1975），碩士，航天工商管理專業(yè)；研究方向：空間飛行器制造質(zhì)量管理、生產(chǎn)線建設(shè)、軍品研制能力結(jié)構(gòu)調(diào)整等。

2020-06-05