高密度蜂窝制备技术研究及其应用

2022-06-24陆志远罗玉清王萌杨进军

高科技纤维与应用 2022年2期

陆志远，罗玉清，王萌，杨进军

(中航复合材料有限责任公司北京 101300)

0 引言

国内复合材料体系经过几十年的发展，具有一定的技术能力和生产能力，但在民机复合材料领域的发展仍处于初始阶段，目前C919、CR929飞机的复合材料结构仍然采用国外的材料体系，国内针对民机复材结构的材料体系也处于起步阶段，特别是地板类结构用高密度芳纶纸蜂窝[1]。

芳纶纸蜂窝是一种形状与蜂巢极为相似的复合材料，具有轻质、高强高模、阻燃、耐高温、低介电损耗等一系列优良性能，已广泛应用于航空、航天、高铁、船舶等领域[2-4]。

高密度蜂窝与低密度蜂窝主要区别在浸胶过程，通过浸胶过程使蜂窝的孔壁包裹上一层浸渍树脂，从而使蜂窝达到预先设计的精确密度，最终使蜂窝获得满足使用要求的力学性能及物理性能[5]。浸渍高密度蜂窝与浸渍中、低密度蜂窝存在明显差异，这些差异会对浸胶工艺的密度均匀性控制带来极大的影响。本文选用ACCH-1-1.83-128规格高密度芳纶纸蜂窝，研究分析高密度蜂窝的制备工艺技术，测试蜂窝物理性能及不同环境力学性能，给出研究结论，即制备的高密度芳纶纸蜂窝满足商用飞机地板的应用需求。

1 研究方案

1.1 原材料

芳纶纸：NOMEX®T412。浸渍树脂：F01-36型号，醇溶型酚醛树脂，符合Q/CYQ 267标准要求。芯条胶：J-80B型号，环氧-酚醛类树脂，符合CB/HSY 标准要求。辅料：乙酸乙酯、食用酒精。部分原材料具体规格见表1。

表1 原材料

1.2 高密度蜂窝制备技术

采用图1所示过程制备高密度芳纶纸蜂窝(规格：ACCH-1-1.83-128，其中ACC代表公司牌号，H代表蜂窝，1代表六边形孔格，1.83代表孔格边长，128代表蜂窝密度)，与传统低密度间位蜂窝制备过程相同，但小孔格高密度芳纶纸蜂窝在浸胶过程易产生蜂窝缺陷，需要相应的调整工艺，制备出的蜂窝如图2所示。

图1 高密度芳纶纸蜂窝制作工艺路线

图2 高密度芳纶纸蜂窝芯材示意图

1.3 测试方法

高密度蜂窝的主要物理参数测试方法如下：密度测试按照ASTM C271/C271M《Standard Test Method for Density of Sandwich Core Meterial》规定测定；水迁移按照ASTM F1645《Standard Test Method for water Migration in Honeycomb Core Materials》规定测定；尺寸稳定性按照ASTM D6772《Standard Test Method forDimensional Stability of Sandwich Core Materials》规定测定；燃烧性能测试按照CCAR-25《运输类飞机适航标准》R4附录F部分测试方法测试。

高密度蜂窝的主要力学性能测试方法如下：平面压缩强度及模量按照ASTM C 365《夹层芯子平压性能试验方法》，剪切强度及模量按照ASTM C 273《夹层芯子剪切性能试验方法》规定测试。

2 结果与分析

2.1 高密度蜂窝制备技术

2.1.1 拉伸定型

在压制后的蜂窝叠板上取15 mm高蜂窝叠条用于胶线分离强度的测试，每个蜂窝叠条在长度方向上分三等份，标记为左、中、右，测试标准为JC/T 781-2006，测试数据见表2。

表2 ACCH-1-1.83-128蜂窝胶线分离强度测试结果(N/cm)

从胶线分离强度测试结果上看，蜂窝叠条长度方向上3次取样测试结果均达到5.0 N/cm左右，满足拉伸定型的工艺要求。

定型前后分别测量蜂窝块三个方向的尺寸，计算尺寸变化率，表3中L为定型前的蜂窝尺寸，L′为定型后的蜂窝尺寸，ΔL=(L′-L)/L×100%，测试结果见表3。

表3 ACCH-1-1.83-128定型前后蜂窝尺寸变化表单位：mm

经过3批次蜂窝定型尺寸变化率测试，拉伸后，白蜂窝在定型温度下保持一定时间，在温度的影响下，3个方向的尺寸均会有一定的变化。从图3可以看出，定型后蜂窝的孔格较为规整。

图3 定型后蜂窝孔格

2.1.2 浸胶固化

根据白蜂窝密度与目标密度的差值，调整胶液密度，确定高密度蜂窝的浸胶次数，整理拟合浸胶过程提升速度与上胶量之间的关系，如图4所示。

图4 浸胶过程提升速度与蜂窝上胶量关系图

由图中曲线看出，浸胶提升速度与蜂窝上胶量相关性较强，拟合后R2=0.9741，数值越接近1，相关性越强，拟合后提升速度与蜂窝湿称增重呈二次函数关系，拟合方程式如下所示：

y=0.0357x2+5.817x+30.66

2.1.3 片切

高密度芳纶纸蜂窝中硬脆性的酚醛树脂含量较高，同时也会导致蜂窝片切较为困难[6]，集中体现在蜂窝表面的粗糙情况和厚度公差。通过合理调整片切的工艺参数，片切后蜂窝的表面光滑，基本无毛刺(图5)，结合表4数据可以看出，高密度芳纶纸蜂窝孔格规整，孔格尺寸接近目标孔格尺寸，均在工艺指标值的要求范围内。

图5 合理调整参数后蜂窝片切的形貌

表4 固化后蜂窝孔格尺寸(mm)

2.2 高密度蜂窝物理性能分析

2.2.1 密度

对制作的高密度芳纶纸蜂窝进行密度测试，测试标准为ASTM C271/C271M，式样尺寸大小为75 mm×75 mm×12.7 mm，每批次测试数量为5个，每批次平均值见表5。由表5中数据可知，密度测试值均满足名义密度±10%的要求，且稳定性也较好。对于蜂窝而言，其最终密度由浸胶工序中的上胶量决定。从表5中数据也可以看出，5块蜂窝的密度都集中在127kg/m3左右，说明浸胶过程较为稳定，工艺控制较好。

表5 ACCH-1-1.83-128蜂窝物理性能表

2.2.2 水迁移性能

按照ASTM F 1645对高密度蜂窝进行水迁移测试，先将高密度蜂窝制备为蜂窝夹层板，面板选择透明塑料，连接器选择橡胶管，在夹层板的一侧进行打孔操作，孔洞仅连接一个蜂窝孔格，通过连接器向蜂窝孔格注入恒压为0.009 MPa蒸馏水，测试24 h后的水迁移孔格数。

由表5数据可以看出，高密度蜂窝的水迁移孔格数测试值为0，24 h不发生孔格渗透，测试结果满足指标值要求。

2.2.3 燃烧性能

燃烧性能一直以来都是蜂窝产品的一项关键性指标，按照CCAR-25的测试方法对高密度蜂窝进行燃烧性能的测试，测试结果见表5。从数据可以看出，高密度蜂窝的自熄时间、滴落物燃烧时间均为0 s，烧焦长度均在30 mm以内，这说明高密度蜂窝的抗燃烧性能优异，满足相应规范的指标值要求。

2.2.4 尺寸稳定性

制备高密度蜂窝试样457.2 mm×914 mm(L×W)，将试样放在烘箱里，在(177±5)℃的条件下保温90 min，之后取出试样冷却至(23±3)℃，测量记录试样的尺寸变化，测试结果见表5。高密度蜂窝经过一系列工序加工后，蜂窝孔格在没有外界应力施加情况下不易发生变形，但在实际使用的不同温度环境下，蜂窝孔格可能会因为残留的内应力导致变形，产生蜂窝整体变形。由测试结果可以看出，高密度蜂窝两个方向的尺寸变化率均在±1.0%以下，形变较小，满足指标值要求。

2.3 高密度蜂窝力学性能分析

2.3.1 高密度蜂窝压缩强度及模量

对制作的高密度蜂窝进行压缩强度及模量测试，数据见表6。

表6 ACCH-1-1.83-128蜂窝压缩性能(MPa)

由表6所示，ACCH-1-1.83-128规格蜂窝非稳定型压缩强度测试值为9.96 MPa，稳定型压缩强度测试值为11.6 MPa，均大于9.7 MPa，满足商用飞机地板用蜂窝稳定型压缩强度指标要求。

不同温度环境下蜂窝压缩性能有一定降低，湿态、175 ℃、-55 ℃蜂窝压缩强度性能保持率分别为99.1%、64.9%、97.3%；湿态、175 ℃、-55 ℃蜂窝压缩模量性能保持率分别为92.1%、44.9%、96.1%。可以看出，高温对蜂窝压缩性能影响较大，性能保持率下降较多，湿态、低温环境对高密度蜂窝压缩性能影响较小。

2.3.2 高密度蜂窝剪切强度及模量

对制作的高密度芳纶纸蜂窝进行剪切性能测试，数据见表7。

高密度蜂窝一般应用于地板类结构，一般不对蜂窝剪切性能做要求。从表7中蜂窝剪切性能测试数据可以看出，L/W向剪切强度高温性能保持率在80%～85%，L/W向剪切模量高温性能保持率在88%～91%，剪切性能保持率高于压缩性能保持率。这说明温度对高密度蜂窝压缩性能的影响高于对剪切性能的影响。