用于航天电子设备的PMI 泡沫夹层结构力学性能试验验证

王东，方伟，方勇，卢健钊，毛敏梁

（1.中国电子科技集团公司第十研究所，成都610036；2.浙江中科恒泰新材料科技有限公司，绍兴312369）

0 引言

PMI泡沫是100%的闭孔硬质泡沫，具有低密度、高比强度、高比模量、各向同性以及良好的加工性、热稳定性和耐化学腐蚀性能，已经广泛应用于航空航天、兵器、船舶、轨道交通、医疗设备、体育器材等领域，例如，飞机的桨叶、尾翼、机身壁板、后压力框等，以及运载火箭的整流罩、中间段、贮箱等[1-6]。虽然国外在多年前就将泡沫夹层结构广泛应用于航天器，但国内航天领域对泡沫夹层结构的应用起步较晚，目前仅仅局限于运载火箭结构中，而在空间站、卫星等长期驻守的空间平台尤其是其中的电子设备中鲜有应用。

本文针对应用于空间站的我国首个航天综合一体化电子系统设备的减重需求，选取PMI泡沫作为夹层结构的芯材，制备了碳纤维/PMI/碳纤维结构、铝合金/PMI/铝合金结构；并以该电子设备在发射阶段需要承受的随机振动试验量级为试验条件，对它们的力学性能进行试验验证，并与铝合金结构、碳纤维结构进行对比，以探寻PMI泡沫夹层结构在空间站电子设备中的应用前景。

1 PMI 泡沫材料的性能

在世界范围内的PMI泡沫市场上，德国赢创德固赛公司生产的ROHACELL®系列和日本积水化学公司生产的FORMAC®系列PMI泡沫占据了主导地位。在国内，四川大学、西北工业大学、中国科学院化学研究所、中航工业复合材料技术中心、黑龙江石油化工研究院、湖南塑料研究所等高校和科研院所在PMI泡沫研制方面开展了大量工作，并与民营企业合作，形成了具有自主知识产权的PMI泡沫产品。其中，与中国科学院化学研究所合作创办的浙江中科恒泰新材料科技有限公司已经研发了Cascell®WH、RS、HF、IH等4个系列10余种PMI泡沫产品，具有年产105m3的规模；中航工业复合材料技术中心与福建浩博新材料科技有限公司合作，成功研制出了ACCPMI®系列PMI泡沫材料，具备年产3000m3的生产能力[7-8]。且Cascell®WH系列和ACCPMI®系列产品的性能均不同程度地优于ROHACELL®WF/WF-HT 系列产品[9]。表1所示为Cascell®WH 系列、ACCPMI®系列、ROHACELL®WF/WF-HT 系列产品的基本力学性能对比。

表1 Cascell®WH系列、ACCPMI®系列、ROHACELL®WF/WF-HT 系列PMI泡沫的基本力学性能对比Table 1Basicmechanical propertiesof Cascell®WH,ACCPMI®,ROHACELL®WF/WF-HTseriesPMI

本文选用Cascell®110WH 系列PMI泡沫作为空间站电子设备夹层结构的芯材。除表1所示的力学性能外，Cascell®110WH 系列PMI泡沫在航天电子设备上应用时应予关注的其他性能如表2所示。

对于在真空环境中使用的电子设备，除表1和表2所示的性能外，材料的放气性能将直接关系到其是否符合应用要求。因为材料释放出的物质会沉积在光学部件、热控面板、太阳电池阵等敏感表面上，造成表面污染，严重时会降低观测窗和光学镜头的透明度、改变热控涂层的性能、降低太阳电池片的光吸收率等。为了避免材料在真空环境下放气对航天器部组件造成污染，一般对航天器用结构材料的放气性能要求为[10]：总质量损失＜1%；收集的可凝挥发物＜0.1%。

表2 Cascell®110WH系列PMI泡沫性能参数Table 2Properties of Cascell®110WH seriesPMI

按照QJ 1558B—2016[11]标准对Cascell®110WH试样及胶膜进行了真空放气试验，试验结果见表3，其中TML为真空总质量损失，CVCM 为收集到的可凝挥发物，WVR 为水气回吸量。

表3 Cascell®110WH系列PMI泡沫及胶膜的真空放气性能Table3 Vacuum outgassing performances of Cascell®110WH seriesPMI and glues

由表3可知：PMI泡沫的TML＞1%，但通过比较WVR 发现，其质量损失主要是泡沫内部水气蒸发的结果，且CVCM＜0.1%，满足QJ20290—2014[12]中关于非敏感表面附近航天器用非金属材料的评价指标；2种胶膜的TML和CVCM指标均满足航天器用材料要求。

2 PMI 泡沫夹层结构设计

根据固体力学理论，板的弯曲刚度与其厚度的3次方成正比，厚度越大，板的刚度也就越大，但质量也随之增大。而图1所示的蒙皮+PMI泡沫的夹层结构能在保证结构整体刚度和尺寸的前提下减小结构的整体质量，提高结构比刚度[13-16]。

图1 PMI 泡沫夹层结构形式示意Fig.1The sandwich structure of PMI foam

本文选用Cascell®110WH系列PMI泡沫作为芯材，3K 斜纹碳纤维布/环氧树脂作为预浸料用于上下蒙皮层制备（或用铝板作为上下蒙皮）；阻燃型纤维层压板用于预埋件和封边材料制备；J-47 胶膜用于PMI 泡沫与预埋件的黏结；SJ-2A 结构胶膜用于PMI泡沫与蒙皮的黏结。PMI泡沫芯材厚度为4.2mm，3K 斜纹碳纤维布蒙皮（或铝板）的厚度为0.3mm，胶膜层厚度为0.1mm。

3 实物研制

为了比较PMI泡沫夹层结构与目前航天电子产品中常用的碳纤维结构、铝合金结构的减重性能和动力学性能，本文分别采用碳纤维/PMI泡沫/碳纤维（TP）、铝/PMI泡沫/铝（LP）、碳纤维（TX）、铝合金（AL）4种结构形式，设计制作了空间站某电子设备机箱的前面板、后面板、上盖板、下盖板、大侧盖板及小侧盖板共6种结构件（见图2），它们的最大外形尺寸为588mm（长）×382mm（宽）×5 mm（厚）。其中，铝合金结构和碳纤维结构采用局部加强方式，前面板需要安装光电连接器，故非加强区域厚度为1.5 mm，其他面板和盖板的非加强区域厚度为1mm。

图2 机箱结构件示意Fig.2Schematicdiagram of the cabinet structures

4 性能测试

4.1 减重效果测试

对制作出的机箱结构件进行质量测量，以对比不同结构形式的减重效果。以铝合金结构形式的质量数据为基准，其他3种结构形式的减重效果如表4所示。

由表4可见，碳纤维/PMI泡沫/碳纤维结构、铝/PMI泡沫/铝结构、碳纤维结构均具有较好的减重性能，平均减重比分别为42%、37%、37%。

表4 各种结构形式的减重效果对比Table 4 Comparison of weight reduction for four kinds of structures

4.2 动力学性能测试

为了比较各类结构件的动力学性能，本文采用随机振动试验进行力学响应分析。

4.2.1试验平台搭建

试验采用苏州苏试试验公司的DC-20000-200系列200kN 电动振动系统，将各类结构件分别装夹在振动试验台上，并在结构件的适当位置布设Dytran3224A1系列单轴向压电式加速度传感器，测量结构件的振动响应；用美国DataPhysics公司的DP730系列16通道便携式动态信号分析仪及其自带的信号分析处理软件进行信号采集处理。

4.2.2测试方法

试验所使用的夹具依据某电子设备实际结构形式进行制备，以模拟各结构件的真实安装环境，夹具下侧的平板用于和试验台面的固定，各结构件通过M4不锈钢沉头螺钉固定在振动夹具上。在夹具和结构件上均布置了力学测点，测试采用多点激励、单点响应的原理进行。其中z向试验的力学响应测点布局如图3所示：L1和L2测点位于上盖板上，L3测点位于下盖板上，J1、J6、J7测点位于夹具下部四角处，J2、J4、J5位于夹具上端四角处，J3位于夹具上端中部。

图3 力学响应测点布局示意Fig.3Locationsof the mechanical response measurement points

根据该电子设备需要经历的发射过程确定振动试验条件为总均方根加速度7.5grms，持续时间180s，振动加载条件详见表5。

表5 振动试验条件Table5The vibration test conditions

4.2.3试验结果

各种结构形式结构件上同一测点的力学响应对比如图4所示，从图中给出的L1和L3测点的响应数据来看：铝/PMI 泡沫/铝结构、碳纤维/PMI泡沫/碳纤维结构的响应量级较小，碳纤维结构和铝合金结构的响应量级较大；碳纤维结构的一阶频率最低、铝合金结构的一阶频率稍高、铝/PMI泡沫/铝结构和碳纤维/PMI泡沫/碳纤维结构的一阶频率较高。

图4 各种结构形式实物上同一测点力学响应对比Fig.4Mechanical response at the sametest point for four structural forms

为了对比各结构件在试验前后的响应变化，在鉴定级随机振动试验前后均进行了10～2000 Hz频率范围内加速度功率谱密度恒为0.001g2/Hz的特征扫描，响应曲线如图5～图8所示（以L1和L3两测点为代表，图中蓝色曲线为试验前的，红色曲线为试验后的）。

图5 碳纤维/PMI 泡沫/碳纤维结构试验前后扫频随机振动响应数据对比Fig.5Dynamicresponse of TPstructure before and after sweeprandom vibration

图6 铝/PMI 泡沫/铝结构试验前后扫频随机振动响应数据对比Fig.6Dynamicresponse of LPstructure before and after sweeprandom vibration

图7 碳纤维结构试验前后扫频随机振动响应数据对比Fig.7Dynamicresponse of carbon fiber structure beforeand after sweeprandom vibration

从4种结构形式结构件在试验前后的扫频随机振动响应数据来看，碳纤维/PMI 泡沫/碳纤维结构、铝/PMI泡沫/铝结构在响应量级、各阶频率点上均十分接近，而碳纤维结构和铝合金结构的频率点发生了偏移，响应量级的变化较大。

为了测试温度冲击对PMI泡沫夹层结构的影响，在力学测试后，对碳纤维/PMI泡沫/碳纤维结构、铝/PMI泡沫/铝结构、碳纤维结构的结构件进行了温度冲击试验，试验条件见表6。

表6 温度冲击试验条件Table 6Temperature shock test condition

为了对比各结构件在温度冲击试验后的力学响应变化，再次进行了10～2000Hz 频率范围内加速度功率谱密度恒为0.001g2/Hz 的特征扫描，各结构件的响应曲线与图5～图8中鉴定随机振动试验后的扫频振动数据几乎一致。由此可见，温度冲击对PMI 泡沫结构件的基本力学性能没有影响。

5 结束语

本文以空间站某电子设备用结构件为依托，设计制备了碳纤维/PMI 泡沫/碳纤维、铝/PMI泡沫/铝夹层结构件，并将它们与碳纤维和铝合金结构件进行对比测试，包括质量测量、力学试验测试、温度冲击试验测试，结果表明：这2 种PMI泡沫夹层结构具有显著的减重效果，相比于铝合金结构件，减重约40%；具有较高的阻尼和比刚度特性，相比于铝合金结构件，力学响应量级降低40%～50%；具备适应高低温冲击的能力。此外，通过真空出气性能测试，验证了PMI 泡沫夹层结构所用的PMI泡沫芯材和胶膜能够满足航天器非敏感表面附近的使用要求。

本文的研究内容，为空间站电子设备的轻量化设计奠定了基础，对扩大PMI泡沫材料的应用范围具有指导意义。