航空用芳綸紙蜂窩性能差異性研究

劉 杰，郝 巍，羅玉清，馬科峰

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

0 引言

芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是將纖維增強(qiáng)面板與芳綸紙蜂窩芯材相結(jié)合，使其具有比強(qiáng)度高、比模量大、質(zhì)量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用［1］。目前制作芳綸紙蜂窩芯材的原材料主要來(lái)自于美國(guó)杜邦公司所生產(chǎn)的Nomex間位芳綸紙和Kevlar對(duì)位芳綸紙，國(guó)內(nèi)中國(guó)煙臺(tái)氨綸集團(tuán)有限公司、昊天龍邦公司和華南理工大學(xué)已經(jīng)可以生產(chǎn)出與美國(guó)杜邦公司外觀(guān)、工藝以及性能相近的間位芳綸紙和對(duì)位芳綸紙［2－3］。近幾年，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)芳綸紙蜂窩及其夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，其中有一部分研究是針對(duì)對(duì)芳綸紙蜂窩的力學(xué)性能和制作工藝的［4－5］，文獻(xiàn)［6－8］報(bào)道了用數(shù)學(xué)模型分析研究對(duì)芳綸紙蜂窩及其夾層結(jié)構(gòu)的功能，并取得了一定成果，但將斷口微觀(guān)形貌與宏觀(guān)性能相結(jié)合的研究報(bào)道較少。

本研究針對(duì)間位芳綸紙蜂窩和對(duì)位芳綸紙蜂窩在性能上的差異，對(duì)國(guó)產(chǎn)間位芳綸紙蜂窩和對(duì)位芳綸紙蜂窩進(jìn)行了全面力學(xué)性能試驗(yàn)和斷口形貌觀(guān)察，從微觀(guān)形貌上分析造成兩種蜂窩性能差異的原因。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)所用蜂窩由北京航空材料研究院生產(chǎn)，其結(jié)構(gòu)為正六邊形(圖1)，規(guī)格為1.83－29、2.75－32、1.83－48的間位和對(duì)位芳綸紙蜂窩。蜂窩規(guī)格中，1.83和2.75表示蜂窩的孔格尺寸 d，29、32和48表示蜂窩的密度，單位為kg/m3。試驗(yàn)中分別對(duì)不同規(guī)格蜂窩按GB/T1453—2005進(jìn)行非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度試驗(yàn);剪切強(qiáng)度及模量試驗(yàn)按GB/T 1455—2005進(jìn)行;平面拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)按ASTM C297進(jìn)行。制作蜂窩前，對(duì)芳綸紙的表面狀態(tài)進(jìn)行電鏡觀(guān)察，試驗(yàn)后對(duì)平面拉伸失效后的蜂窩進(jìn)行斷口觀(guān)察。

圖1 正六邊形蜂窩示意圖Fig.1 Hexagonal honeycomb

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度

圖2為室溫非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度對(duì)比圖，圖3為高溫(180℃)非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度對(duì)比圖。從圖中可以看出，同規(guī)格間位芳綸紙蜂窩的非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度比對(duì)位芳綸紙蜂窩的強(qiáng)度低12%～30%;同規(guī)格蜂窩的高溫非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度比室溫非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度低14% ～38%，其中2.75－32和1.83－48規(guī)格的蜂窩高溫性能下降明顯。

圖2 室溫非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.2 Non－stabilized compressive strength at room temperature

圖3 高溫(180℃)非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.3 Non－stabilized compressive strength(180 ℃)

2.2 剪切強(qiáng)度及模量

表1為3個(gè)規(guī)格的兩種蜂窩L向剪切性能和W向剪切性能測(cè)試結(jié)果。整體來(lái)看，芳綸紙蜂窩的剪切強(qiáng)度隨著蜂窩密度的增加而增加。在相同試驗(yàn)條件下，同規(guī)格間位芳綸紙蜂窩的剪切強(qiáng)度及模量明顯低于對(duì)位芳綸紙蜂窩:間位1.83－29規(guī)格蜂窩的剪切強(qiáng)度比對(duì)位同規(guī)格蜂窩的強(qiáng)度低35% ～40%，模量低50%以上;間位1.83－48規(guī)格蜂窩的剪切強(qiáng)度比對(duì)位同規(guī)格蜂窩的強(qiáng)度低10% ～25%，模量低40%以上;間位2.75－32規(guī)格蜂窩的剪切強(qiáng)度比對(duì)位同規(guī)格蜂窩的強(qiáng)度低15%～25%，模量低45%以上。以上數(shù)據(jù)表明，對(duì)位芳綸紙蜂窩的剪切性能優(yōu)于間位芳綸紙蜂窩，其中剪切模量接近間位芳綸紙蜂窩的2倍。

2.3 平面拉伸強(qiáng)度

圖4為室溫平面拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖，圖5為高溫(180℃)平面拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖，從圖中可以看出，同規(guī)格對(duì)位芳綸紙蜂窩的平面拉伸強(qiáng)度約為間位芳綸紙蜂窩強(qiáng)度的2～3倍;同規(guī)格蜂窩的高溫平面拉伸強(qiáng)度約為室溫平面拉伸強(qiáng)度的60%。

2.4 芳綸紙表面形貌及拉伸斷口觀(guān)察

圖6、圖7分別為間位芳綸紙和對(duì)位芳綸紙的表面形貌，圖中深色部分為漿粕，淺色發(fā)白部分為芳綸纖維。圖8和圖9分別為間位芳綸紙蜂窩和對(duì)位芳綸紙蜂窩的室溫拉伸斷口形貌，從圖中可以看出，間位蜂窩的拉伸斷口較為平齊，纖維拔出較少，纖維斷面平整;對(duì)位蜂窩的拉伸斷口上可見(jiàn)大量的纖維拔出，拔出纖維長(zhǎng)短不一，纖維斷裂后呈絲狀。

3 分析與討論

間位芳綸紙是采用間苯二胺與間苯二甲酸或

表1 剪切性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Shear performance results

圖4 室溫平面拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.4 Plane tensile strength at room temperature

圖5 高溫(180℃)平面拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.5 Plane tensile strength(180 ℃)

圖6 間位芳綸紙表面形貌Fig.6 Surface morphology of meta－aramid paper honeycomb

圖7 對(duì)位芳綸紙表面形貌Fig.7 Surface morphology of para－aramid paper honeycomb

間苯二氯代甲酸制造而成，具有高強(qiáng)度、低變形、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、阻燃等優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)位芳綸紙采用的是對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酸或?qū)Ρ蕉却姿嶂圃於?，與間位芳綸紙相比，對(duì)位芳綸紙具有更高的強(qiáng)度和模量［9－10］。造成本研究選用的兩種芳綸紙蜂窩性能上差異的主要原因是原材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，兩種芳綸紙的性能結(jié)果見(jiàn)表2，從表中可以看出，對(duì)位芳綸紙的橫向抗張強(qiáng)度約為間位芳綸紙的3倍，而斷裂伸長(zhǎng)率僅為間位芳綸紙的1/3。在壓縮和剪切過(guò)程中，芳綸紙蜂窩主要是基體承載，固化后蜂窩的基體包括芳綸紙中的漿粕和固化后的酚醛樹(shù)脂，而漿粕是由相應(yīng)的芳綸纖維加工而成［11］，由此可以判斷，由對(duì)位芳綸纖維所制作的漿粕性能優(yōu)于由間位芳綸所制作的漿粕。當(dāng)對(duì)位芳綸漿粕作為基體時(shí)，就會(huì)造成對(duì)位芳綸紙蜂窩的剪切性能(強(qiáng)度和模量)和壓縮性能高于間位芳綸紙蜂窩的性能，但由于漿粕纖維短小，它作為基體時(shí)對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，這可能是間位芳綸紙蜂窩的壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度并未比對(duì)位蜂窩低太多的原因;而平面拉伸過(guò)程中，蜂窩主要是纖維承載，拉伸過(guò)程中主要考核芳綸紙的橫向抗張強(qiáng)度，而對(duì)位芳綸紙的強(qiáng)度約為間位芳綸紙的3倍，這就造成同規(guī)格對(duì)位芳綸紙蜂窩的平面拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于間位芳綸紙蜂窩。

圖8 間位芳綸紙蜂窩拉伸斷口形貌Fig.8 Facture morphology of meta－aramid paper honeycomb

表2 芳綸紙性能結(jié)果Table 2 Performance results of aramid paper

在對(duì)平面拉伸失效后的芳綸紙蜂窩進(jìn)行電鏡觀(guān)察后發(fā)現(xiàn)，兩種芳綸紙蜂窩的斷口形貌存在較大差異，造成對(duì)位與間位芳綸紙蜂窩拉伸斷口形貌存在差異的原因可能是:間位芳綸紙蜂窩中的纖維強(qiáng)度與纖維與基體之間的界面強(qiáng)度(界面包括纖維與漿粕、纖維與固化后的酚醛樹(shù)脂)基本相當(dāng)，拉伸過(guò)程中纖維不能從基體中拔出，纖維與基體同時(shí)發(fā)生斷裂，造成間位芳綸紙蜂窩拉伸失效后的斷面較為平整;對(duì)位芳綸纖維強(qiáng)度較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于纖維與基體之間的界面強(qiáng)度，拉伸過(guò)程中，纖維與纖維之間的漿粕以及固化后的樹(shù)脂首先發(fā)生破壞，隨后才發(fā)生纖維的斷裂和拔出。由于對(duì)位芳綸纖維強(qiáng)度和模量均較高，樹(shù)脂基體破壞后，芳綸纖維繼續(xù)承載，在發(fā)生充分的變形后，纖維發(fā)生斷裂，造成斷口處拔出纖維長(zhǎng)短不一。

4 結(jié)論

1)間位芳綸紙蜂窩的各項(xiàng)力學(xué)性能明顯低于對(duì)位芳綸紙蜂窩的力學(xué)性能，其中非穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度低12% ～30%，剪切強(qiáng)度相差較少，但剪切模量?jī)H為對(duì)位芳綸紙蜂窩的50%左右，拉伸強(qiáng)度僅為對(duì)位芳綸紙蜂窩的40%～50%。

2)芳綸纖維自身結(jié)構(gòu)的不同是造成兩種蜂窩性能差異的主要原因。

3)芳綸紙蜂窩平面拉伸斷口觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，間位芳綸紙蜂窩的纖維與基體強(qiáng)度基本相當(dāng)，而對(duì)位芳綸紙蜂窩的纖維強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體強(qiáng)度。

［1］王興業(yè)，楊孚標(biāo)，曾竟成，等.夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:4－8.

［2］郝巍，羅玉清.國(guó)產(chǎn)對(duì)位芳綸紙蜂窩性能的研究［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2009，34(6):2l－25.

［3］Yam L H，Yan Y J，Jiang J S.Vibration－based damage detection for composite structures using wavelet transform and neural network identification［J］.Composite structure，2003，60:403－412.

［4］郝巍，李勇，羅玉清.中、高密度Nomex蜂窩力學(xué)性能研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2002，22(2):41－45.

［5］羅玉清，郝巍.影響Nomex蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度因素的研究［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2006，34(3):27－30.

［6］趙宏杰，嵇培軍，胡本慧，等.蜂窩夾層復(fù)合材料的吸波性能［J］.宇航材料工藝，2010，2:72－74.

［7］Aminanda Y，Castanie B，Barrau J J，et al.Experimental analysis and modeling of the crushing of honeycomb cores［J］.Applied Composite Materials，2005，12:213－227.

［8］Jeong W K.Sound transmission through lined，composite panel structures:transversely isotropic poro－elastic model［D］.Purdue University，2005:2－8.

［9］王玉瑛，吳榮煌.蜂窩材料及孔格結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2000，20(3):172－177.

［10］黃鈞銘，孫茂健，朱敏英，等.蜂窩結(jié)構(gòu)材料用國(guó)產(chǎn)芳綸紙性能分析［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2008，33(6):33－38.

［11］王曙中.芳綸漿粕和芳綸紙的發(fā)展概況［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2009，34(4):15－19.