高膨胀比发泡胶视比重测试技术的研究

左 洋，谢玉萍，马 宁，陈 怡，王 哲，祁俊峰

（1.北京卫星制造厂，北京 100094；2.国家蛋白质中心，北京 102206）

0 引言

随着航天器载荷轻量化需求的不断加大，航天器结构在满足一定强度和尺寸稳定性的前提下，通过应用不同的航天材料，尽量减轻质量。为适应新材料和轻量化结构的需求，一方面，采用轻质高强的有色金属材料和复合材料，如镁合金、钛合金、碳纤维复合材料等；另一方面，采用轻质结构，如泡沫夹层结构、蜂窝夹层结构、整体壁板结构、桁架结构等。发泡胶因密度小、质量轻、比强度高等优势，适应新材料和轻量化结构的需求，广泛应用到航天器用结构材料中[1-2]。

发泡胶属于胶粘剂的一种，但是必须在模具里加热才能成型，加热时像海绵，能够在较宽的温度范围内承受机械应力，在较苛刻的物理化学环境中使用的高性能高分子材料。一般能承受一定的外力作用，有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下能保持其优良性能[3-4]。随着星、船等航天器研制任务的快速增长和航天器减重的迫切需求，高膨胀比发泡胶以密度小、质量轻、强度高、良好的稳定性等优势被应用，但视比重（发泡胶在标准体积中固化后的质量）一项制约着发泡胶的使用，现有检测条件不能满足视比重的测试要求，外协测试周期长并且产生大量费用。为了解决高膨胀比发泡胶视比重测试准确度和测试精度的难题，满足航天器减重要求，更好地适应复合材料的工艺成型过程要求，对现有的测试方法进行改进，是非常现实和必要的。

1 难点分析

发泡胶因其良好的固化和填充效果，起到支承增强材料的良好效果，广泛应用到航天器复合材料中。复合材料的性能与发泡胶的类型、取向和用量、发泡胶的种类、成形工艺及其相容性有关。在发泡胶的使用过程中，视比重制约着发泡胶的减重效果，在保证复合材料强度和尺寸稳定性的基础上，影响后续的加工和成型工艺、发泡胶的用量[4]。

发泡胶在升温固化过程中能自动发泡，引起体积膨胀，充满所处部件的不规则空间，使其黏接在一起，形成一个完整的受力体系。J-78D2发泡胶因其高膨胀比，温度升高到一定程度时，会出现大面积、无规则的膨胀性流动现象，在保温阶段固化成型的过程中流动性最强，膨胀的过程中会出现受力变形的现象。发泡胶的这些固有特性制约着视比重的测试过程和测试结果。

通常采用的测试工艺为：将一定质量的发泡胶装入具有固定尺寸的铝管中，加热、保温使其固化，然后称质量，铝管两边采用普通施压物进行施压，用质量除以管间体积，计算得到视比重。图1为施压测试时发泡胶固化照片，可以看到，施压不均匀造成发泡胶膨胀并无规则流动，一些固化后的发泡胶流到铝管口的外围，固化后的发泡胶强度高，不容易去除，这些固有特性影响到视比重测试时标准体积参与计算的发泡胶质量，不仅造成测试结果不准确，而且制约着测试效率的提高。

图1 施压测试时发泡胶固化照片Fig.1 The diagram of foaming adhesive solidification during pressure test

表1为施压固化的六次试验数据，可以看出，试验结果均超出了标准中J-78D2发泡胶视比重的理论范围0.45±0.05 g/cm，呈现规律性偏高的试验现象。在发泡胶的视比重试验过程中的技术难点主要包括四个方面：

（1）如何控制发泡胶发泡过程中因施压不均匀造成发泡胶的膨胀并无规则流动的现象；

（2）如何解决固化过程中发泡胶流到铝管口的外围，极不容易去除，造成测试结果偏高的现象；

（3）如何控制发泡工艺，使发泡胶能够一次脱模，减少铝管过多消耗的难题；

（4）如何改进测试工艺，在保证测试准确性的前提下，提高测试效率。

表1 发泡胶测试数据Table1 Test data of foam rubber

2 解决方案

为了解决发泡胶在受热固化成型保温阶段的无规则膨胀流动现象，以保证发泡胶测试阶段的稳定性，提高测试精度。根据Q/HSY157-2010标准中对J-78D2高膨胀比发泡胶膜视比重测试要求，分别设计了测试装置的上、下盖板和胶样发泡柱体，完成了发泡胶测试装置的功能性设计和机械结构设计。图2、3分别为发泡胶测试装置组合、分解示意图。可以看出，通过规则尺寸的铝管（内径为25 mm，高为30 mm）限定了一定量的高膨胀比发泡胶固化成型的容积；通过工装铝管上盖板均匀分布的5 mm小孔和工装上、下盖板围绕发泡小孔周围螺栓的紧固作用，保证了铝管内发泡胶在升温和保温阶段均匀出泡；通过铝管四周沿着小孔方向的内穿螺栓均匀施力和紧固作用，抵消了发泡胶发泡过程中的作用力，不仅确保发泡的均匀性和有序性，而且确保固化成型效果和脱模效果。

图2 发泡胶测试装置组合示意图Fig.2 The combination schematic diagram of foaming adhesive test device

基于发泡胶工装的基础，根据相关技术标准的要求又做了大量试验，从工艺上解决发泡胶发泡过程中的技术难点。经过反复的对比，最终确定了一套测试工艺：

（1）取内径为25 mm、高为30 mm的铝管，在铝管内壁均匀贴上聚酰亚胺脱模剂，将发泡胶8～10 g紧密而均匀地帖敷在铝管内壁，然后装入工装的凹槽中，再用内穿螺栓紧固；

（2）将样品放置在烘箱中，从室温开始升温，升温速度为1～3℃/min，加热到85～90℃，保温4～5 h；

（3）固化完毕后关闭电源，试件随着烘箱自然冷却到50℃以下时方可取出。根据管间体积及存在于管间的胶量，可以计算出固化后发泡胶的比重。

图4为发泡胶测试装置工作示意图，图5为发泡胶一次发泡、出膜示意图。可以看出发泡胶测试装置的工作状态和发泡胶在铝管内一次发泡、固化、脱模、出样的全过程。改进后，发泡胶均匀在管间成型，能够有规则的一次出膜，这样为视比重地定量计算提供了准确的参数。测试一组发泡胶的工作时间从6 h以上降为4 h左右，工作效率提升了50%。表2为试验后的六组测试数据。对比表1和表2，可以看出，改进后，试验结果与标准中J-78D2发泡胶视比重的理论范围吻合性较好。

相对误差能够反映测试结果的准确度，标准偏差能够反映测试结果的精密度，计算如式（1）和式（2）。为了进一步对比改进前后的试验数据，将表1和表2的数据分别进行了分析，求出六组试验的相对误差和标准偏差，如表3和表4。

式中：xi为试样第i次视比重测试结果，g/cm3；μ为n次试样测试结果的平均值，g/cm3。

图4 发泡胶测试装置工作示意图Fig.4 The working schematic diagram of foaming adhesive test device

图5 发泡胶一次发泡、出膜示意图Fig.5 Foaming adhesive once foaming，film out schematic diagram

表2 发泡胶测试数据Table2 Test data of foaming adhesive

表3 改进前发泡胶试验数据Table3 Test data of foamed adhesive before improvement

表4 改进后发泡胶试验数据Table4 Test data of foaming adhesive after improvement

图6、7为改进前后发泡胶视比重测试数据图，图8为改进前后发泡胶视比重相对误差、标准偏差柱状图。

图6 发泡胶视比重测试数据图Fig.6 Test data of tap density of foaming adhesive

结合表3、4和图6、7结果可以明显看出：

（1）改进前，发泡胶的测试数据均高于理论测试值的上限（0.50 g/cm3），最大相对误差达到21.11%；

（2）改进后，发泡胶的测试数据均下降到理论上限以内，最大相对误差在4%以内；

（3）改进前，发泡胶的测试数据明显高于理论中间值（0.45 g/cm3）；

（4）改进后，发泡胶的测试数据与理论中间值基本保持一致。

图7 发泡胶视比重相对误差测试数据图Fig.7 Test data of the relative error of foaming adhesive’s tap density

图8 发泡胶视比重相对误差、标准偏差柱状图Fig.8 The histogram of the relative error and standard deviation of foaming adhesive’s tap density

以上数据说明在受力均匀的前提下，管间的发泡胶固化充分、发泡规整，参与计算的发泡胶量能够准确限定于标准体积中。改进后视比重测试数据的相对误差出现大幅度下降，六组数据的相对误差均下降到4%以下，平均相对偏差从16.52%降为2.45%，标准偏差从3.67下降到0.57。这说明改进后的六组测试数据更接近真实值，与标准中J-78D2发泡胶视比重的理论范围吻合性很好，数据分布较均匀、离散性较好。这一点从图8的相对误差、标准偏差柱状图中能够明显体现出来。

3 结论

基于以上测试数据，视比重测试的技术改进成果主要包括以下几个方面：

（1）视比重测试数据与理论值的平均相对误差从16.52%降为2.45%，数据准确度明显提高，测试结果与理论值吻合程度高；

（2）视比重测试数据标准偏差从3.67降为0.57，数据离散性较好；

（3）发泡胶发泡、固化、脱模、出样一次完成，自动化程度高，检测效率提高50%以上；

（4）提升了的检测能力和水平，能够大幅节省生产成本和外协费用。

改进后，视比重测试数据平均相对误差和标准偏差大幅度下降，数据准确度明显提高，这些指标证明了改进后的测试工艺够满足发泡胶的测试精度要求。试验过程中发泡胶发泡、固化、脱模、出样一次完成，脱模后的铝管可以重复利用，在减小生产成本的基础上提高生产效率。针对重要型号蜂窝夹层结构上使用的高膨胀比发泡胶，形成了一项发泡胶视比重检测技术，该技术方法在保证型号测量任务完成的同时，从经济、技术水平上都达到了很好的效果。

运用此套工装和测试工艺，不仅提高此种牌号发泡胶视比重的测试能力，解决了发泡胶发泡过程中因为施压不均匀造成发泡胶膨胀并无规则流动的难题，提高了测试准确度，完善了发泡胶的发泡、固化工艺，在减小生产成本的基础上生产效率提高了50%。而且能够为后续多个牌号发泡胶的固化、使用、测试（如固化时间、发泡率等测试）提供技术上的准备，通用性和实用性强。