陸志遠(yuǎn)，羅玉清，王萌，楊進(jìn)軍

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 北京 101300)

0 引言

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料體系經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，具有一定的技術(shù)能力和生產(chǎn)能力，但在民機(jī)復(fù)合材料領(lǐng)域的發(fā)展仍處于初始階段，目前C919、CR929飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仍然采用國(guó)外的材料體系，國(guó)內(nèi)針對(duì)民機(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)的材料體系也處于起步階段，特別是地板類結(jié)構(gòu)用高密度芳綸紙蜂窩[1]。

芳綸紙蜂窩是一種形狀與蜂巢極為相似的復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)高模、阻燃、耐高溫、低介電損耗等一系列優(yōu)良性能，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、高鐵、船舶等領(lǐng)域[2-4]。

高密度蜂窩與低密度蜂窩主要區(qū)別在浸膠過(guò)程，通過(guò)浸膠過(guò)程使蜂窩的孔壁包裹上一層浸漬樹(shù)脂，從而使蜂窩達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的精確密度，最終使蜂窩獲得滿足使用要求的力學(xué)性能及物理性能[5]。浸漬高密度蜂窩與浸漬中、低密度蜂窩存在明顯差異，這些差異會(huì)對(duì)浸膠工藝的密度均勻性控制帶來(lái)極大的影響。本文選用ACCH-1-1.83-128規(guī)格高密度芳綸紙蜂窩，研究分析高密度蜂窩的制備工藝技術(shù)，測(cè)試蜂窩物理性能及不同環(huán)境力學(xué)性能，給出研究結(jié)論，即制備的高密度芳綸紙蜂窩滿足商用飛機(jī)地板的應(yīng)用需求。

1 研究方案

1.1 原材料

芳綸紙：NOMEX?T412。浸漬樹(shù)脂：F01-36型號(hào)，醇溶型酚醛樹(shù)脂，符合Q/CYQ 267標(biāo)準(zhǔn)要求。芯條膠：J-80B型號(hào)，環(huán)氧-酚醛類樹(shù)脂，符合CB/HSY 標(biāo)準(zhǔn)要求。輔料：乙酸乙酯、食用酒精。部分原材料具體規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 原材料

1.2 高密度蜂窩制備技術(shù)

采用圖1所示過(guò)程制備高密度芳綸紙蜂窩(規(guī)格：ACCH-1-1.83-128，其中ACC代表公司牌號(hào)，H代表蜂窩，1代表六邊形孔格，1.83代表孔格邊長(zhǎng)，128代表蜂窩密度)，與傳統(tǒng)低密度間位蜂窩制備過(guò)程相同，但小孔格高密度芳綸紙蜂窩在浸膠過(guò)程易產(chǎn)生蜂窩缺陷，需要相應(yīng)的調(diào)整工藝，制備出的蜂窩如圖2所示。

圖1 高密度芳綸紙蜂窩制作工藝路線

圖2 高密度芳綸紙蜂窩芯材示意圖

1.3 測(cè)試方法

高密度蜂窩的主要物理參數(shù)測(cè)試方法如下：密度測(cè)試按照ASTM C271/C271M《Standard Test Method for Density of Sandwich Core Meterial》規(guī)定測(cè)定；水遷移按照ASTM F1645《Standard Test Method for water Migration in Honeycomb Core Materials》規(guī)定測(cè)定；尺寸穩(wěn)定性按照ASTM D6772《Standard Test Method forDimensional Stability of Sandwich Core Materials》規(guī)定測(cè)定；燃燒性能測(cè)試按照CCAR-25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》R4附錄F部分測(cè)試方法測(cè)試。

高密度蜂窩的主要力學(xué)性能測(cè)試方法如下：平面壓縮強(qiáng)度及模量按照ASTM C 365《夾層芯子平壓性能試驗(yàn)方法》，剪切強(qiáng)度及模量按照ASTM C 273《夾層芯子剪切性能試驗(yàn)方法》規(guī)定測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 高密度蜂窩制備技術(shù)

2.1.1 拉伸定型

在壓制后的蜂窩疊板上取15 mm高蜂窩疊條用于膠線分離強(qiáng)度的測(cè)試，每個(gè)蜂窩疊條在長(zhǎng)度方向上分三等份，標(biāo)記為左、中、右，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為JC/T 781-2006，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 ACCH-1-1.83-128蜂窩膠線分離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(N/cm)

從膠線分離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果上看，蜂窩疊條長(zhǎng)度方向上3次取樣測(cè)試結(jié)果均達(dá)到5.0 N/cm左右，滿足拉伸定型的工藝要求。

定型前后分別測(cè)量蜂窩塊三個(gè)方向的尺寸，計(jì)算尺寸變化率，表3中L為定型前的蜂窩尺寸，L′為定型后的蜂窩尺寸，ΔL=(L′-L)/L×100%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 ACCH-1-1.83-128定型前后蜂窩尺寸變化表 單位：mm

經(jīng)過(guò)3批次蜂窩定型尺寸變化率測(cè)試，拉伸后，白蜂窩在定型溫度下保持一定時(shí)間，在溫度的影響下，3個(gè)方向的尺寸均會(huì)有一定的變化。從圖3可以看出，定型后蜂窩的孔格較為規(guī)整。

圖3 定型后蜂窩孔格

2.1.2 浸膠固化

根據(jù)白蜂窩密度與目標(biāo)密度的差值，調(diào)整膠液密度，確定高密度蜂窩的浸膠次數(shù)，整理擬合浸膠過(guò)程提升速度與上膠量之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 浸膠過(guò)程提升速度與蜂窩上膠量關(guān)系圖

由圖中曲線看出，浸膠提升速度與蜂窩上膠量相關(guān)性較強(qiáng)，擬合后R2=0.9741，數(shù)值越接近1，相關(guān)性越強(qiáng)，擬合后提升速度與蜂窩濕稱增重呈二次函數(shù)關(guān)系，擬合方程式如下所示：

y=0.0357x2+5.817x+30.66

2.1.3 片切

高密度芳綸紙蜂窩中硬脆性的酚醛樹(shù)脂含量較高，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致蜂窩片切較為困難[6]，集中體現(xiàn)在蜂窩表面的粗糙情況和厚度公差。通過(guò)合理調(diào)整片切的工藝參數(shù)，片切后蜂窩的表面光滑，基本無(wú)毛刺(圖5)，結(jié)合表4數(shù)據(jù)可以看出，高密度芳綸紙蜂窩孔格規(guī)整，孔格尺寸接近目標(biāo)孔格尺寸，均在工藝指標(biāo)值的要求范圍內(nèi)。

圖5 合理調(diào)整參數(shù)后蜂窩片切的形貌

表4 固化后蜂窩孔格尺寸(mm)

2.2 高密度蜂窩物理性能分析

2.2.1 密度

對(duì)制作的高密度芳綸紙蜂窩進(jìn)行密度測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM C271/C271M，式樣尺寸大小為75 mm×75 mm×12.7 mm，每批次測(cè)試數(shù)量為5個(gè)，每批次平均值見(jiàn)表5。由表5中數(shù)據(jù)可知，密度測(cè)試值均滿足名義密度±10%的要求，且穩(wěn)定性也較好。對(duì)于蜂窩而言，其最終密度由浸膠工序中的上膠量決定。從表5中數(shù)據(jù)也可以看出，5塊蜂窩的密度都集中在127kg/m3左右，說(shuō)明浸膠過(guò)程較為穩(wěn)定，工藝控制較好。

表5 ACCH-1-1.83-128蜂窩物理性能表

2.2.2 水遷移性能

按照ASTM F 1645對(duì)高密度蜂窩進(jìn)行水遷移測(cè)試，先將高密度蜂窩制備為蜂窩夾層板，面板選擇透明塑料，連接器選擇橡膠管，在夾層板的一側(cè)進(jìn)行打孔操作，孔洞僅連接一個(gè)蜂窩孔格，通過(guò)連接器向蜂窩孔格注入恒壓為0.009 MPa蒸餾水，測(cè)試24 h后的水遷移孔格數(shù)。

由表5數(shù)據(jù)可以看出，高密度蜂窩的水遷移孔格數(shù)測(cè)試值為0，24 h不發(fā)生孔格滲透，測(cè)試結(jié)果滿足指標(biāo)值要求。

2.2.3 燃燒性能

燃燒性能一直以來(lái)都是蜂窩產(chǎn)品的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)，按照CCAR-25的測(cè)試方法對(duì)高密度蜂窩進(jìn)行燃燒性能的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。從數(shù)據(jù)可以看出，高密度蜂窩的自熄時(shí)間、滴落物燃燒時(shí)間均為0 s，燒焦長(zhǎng)度均在30 mm以內(nèi)，這說(shuō)明高密度蜂窩的抗燃燒性能優(yōu)異，滿足相應(yīng)規(guī)范的指標(biāo)值要求。

2.2.4 尺寸穩(wěn)定性

制備高密度蜂窩試樣457.2 mm×914 mm(L×W)，將試樣放在烘箱里，在(177±5)℃的條件下保溫90 min，之后取出試樣冷卻至(23±3)℃，測(cè)量記錄試樣的尺寸變化，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。高密度蜂窩經(jīng)過(guò)一系列工序加工后，蜂窩孔格在沒(méi)有外界應(yīng)力施加情況下不易發(fā)生變形，但在實(shí)際使用的不同溫度環(huán)境下，蜂窩孔格可能會(huì)因?yàn)闅埩舻膬?nèi)應(yīng)力導(dǎo)致變形，產(chǎn)生蜂窩整體變形。由測(cè)試結(jié)果可以看出，高密度蜂窩兩個(gè)方向的尺寸變化率均在±1.0%以下，形變較小，滿足指標(biāo)值要求。

2.3 高密度蜂窩力學(xué)性能分析

2.3.1 高密度蜂窩壓縮強(qiáng)度及模量

對(duì)制作的高密度蜂窩進(jìn)行壓縮強(qiáng)度及模量測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 ACCH-1-1.83-128蜂窩壓縮性能(MPa)

由表6所示，ACCH-1-1.83-128規(guī)格蜂窩非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度測(cè)試值為9.96 MPa，穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度測(cè)試值為11.6 MPa，均大于9.7 MPa，滿足商用飛機(jī)地板用蜂窩穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度指標(biāo)要求。

不同溫度環(huán)境下蜂窩壓縮性能有一定降低，濕態(tài)、175 ℃、-55 ℃蜂窩壓縮強(qiáng)度性能保持率分別為99.1%、64.9%、97.3%；濕態(tài)、175 ℃、-55 ℃蜂窩壓縮模量性能保持率分別為92.1%、44.9%、96.1%?？梢钥闯?，高溫對(duì)蜂窩壓縮性能影響較大，性能保持率下降較多，濕態(tài)、低溫環(huán)境對(duì)高密度蜂窩壓縮性能影響較小。

2.3.2 高密度蜂窩剪切強(qiáng)度及模量

對(duì)制作的高密度芳綸紙蜂窩進(jìn)行剪切性能測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

高密度蜂窩一般應(yīng)用于地板類結(jié)構(gòu)，一般不對(duì)蜂窩剪切性能做要求。從表7中蜂窩剪切性能測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，L/W向剪切強(qiáng)度高溫性能保持率在80%～85%，L/W向剪切模量高溫性能保持率在88%～91%，剪切性能保持率高于壓縮性能保持率。這說(shuō)明溫度對(duì)高密度蜂窩壓縮性能的影響高于對(duì)剪切性能的影響。

表7 ACCH-1-1.83-128蜂窩剪切性能(MPa)

3 應(yīng)用

使用低克重碳纖維預(yù)浸料制作夾層板蒙皮，高密度芳綸紙蜂窩為夾芯，制備夾層結(jié)構(gòu)。高性能纖維增強(qiáng)面板與芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料地板可以滿足國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)、通用飛機(jī)、公務(wù)機(jī)等飛機(jī)型號(hào)對(duì)地板結(jié)構(gòu)的需求，如圖6所示。

圖6 ACCH-1-1.83-128芳綸紙蜂窩夾層板

4 結(jié)論

本文選用ACCH-1-1.83-128規(guī)格高密度芳綸紙蜂窩，研究分析高密度蜂窩的制備工藝技術(shù)，測(cè)試蜂窩物理性能及不同環(huán)境力學(xué)性能，形成結(jié)論如下：

(1)蜂窩物理性能均滿足指標(biāo)值要求。

(2)蜂窩滿足商用飛機(jī)地板用穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度指標(biāo)要求。

(3)濕態(tài)、低溫蜂窩壓縮性能保持率90%以上；175 ℃蜂窩性能保持率較低，高溫對(duì)高密度蜂窩壓縮性能影響較大。

(4)剪切性能保持率均在80%以上，溫度對(duì)高密度蜂窩壓縮性能的影響高于對(duì)剪切性能的影響。