鋁蜂窩材料溫度環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究

黃江平，滿劍鋒，楊建中，葉耀坤，劉榮強(qiáng)，鄧宗全

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001； 2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

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鋁蜂窩材料溫度環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究

黃江平1，滿劍鋒2，楊建中2，葉耀坤2，劉榮強(qiáng)1，鄧宗全1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001； 2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

摘要:為了解不同溫度下鋁蜂窩材料的緩沖性能，對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括高低溫靜壓試驗(yàn)(將鋁蜂窩材料分別在高、低溫箱中保溫2 h后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮)和高低溫貯存試驗(yàn)(將鋁蜂窩材料置于溫度逐漸升高的高低溫箱中保溫9 h后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮)。高低溫靜壓試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁蜂窩材料強(qiáng)度隨溫度升高而降低；高低溫貯存試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁蜂窩材料強(qiáng)度基本不變，未發(fā)生失效。說明鋁蜂窩材料環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，可在極端環(huán)境下工作。

關(guān)鍵詞:鋁蜂窩；環(huán)境適應(yīng)性；高低溫試驗(yàn)；貯存試驗(yàn)

1引言

鋁蜂窩材料是一種多孔固體材料，具有密度小、比吸能大、壓縮變形能力大且變形可控等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是理想的緩沖吸能材料，在航空航天[3-4]、軌道交通被動(dòng)防護(hù)[5]、船舶[6-7]等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于鋁蜂窩作為緩沖材料的工作溫度范圍較廣，如應(yīng)用于月球著陸器時(shí)，其工作溫度范圍一般為-180℃～+150℃[8]；應(yīng)用于軌道列車時(shí)，工作溫度范圍一般為-40℃～+40℃。為了解鋁蜂窩材料在不同溫度下的緩沖性能，需對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)研究，包括高低溫對(duì)鋁蜂窩材料緩沖性能的影響及鋁蜂窩材料在高低溫下的貯存性能。

2高低溫對(duì)鋁蜂窩材料緩沖性能的影響

2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解鋁蜂窩材料在不同溫度下(-60℃～+80℃)的緩沖性能，主要為強(qiáng)度隨溫度的變化。

2.2試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境材料評(píng)價(jià)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)平臺(tái)為長春科新試驗(yàn)儀器有限公司W(wǎng)DW3100微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)遵循GB/T2423.1-2008[9]。試驗(yàn)所用鋁蜂窩樣件通過拉伸法制備，基體材料為5052鋁箔以及黑龍江科學(xué)院石油化學(xué)研究院研制的J71粘結(jié)劑。試驗(yàn)方法規(guī)劃如下：

1)對(duì)鋁蜂窩樣件進(jìn)行五次試驗(yàn)，樣件編號(hào)為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5，樣件規(guī)格如表1所示，建立樣件編號(hào)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示；

2)每個(gè)編號(hào)的樣件室溫下壓縮10 mm后停止；

3)將室溫下壓縮后的鋁蜂窩材料分別置于-60℃、-30℃、0℃、60℃、80℃的溫度下保溫兩小時(shí)后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮至壓潰。圖1為高低溫試驗(yàn)示意圖。

表1　鋁蜂窩樣件規(guī)格

注：鋁蜂窩樣件截面不是嚴(yán)格的矩形，需對(duì)四條邊進(jìn)行長度測(cè)量，表中長1、長2、寬1、寬2意義如圖2所示。

表2　鋁蜂窩樣件與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1　鋁蜂窩材料高低溫試驗(yàn)示意圖Fig.1　Schematic diagram of high-low temperature test

圖2　鋁蜂窩樣件Fig.2　Test samples

2.3鋁蜂窩材料高低溫試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)將鋁蜂窩材料先在常溫下壓縮，得出鋁蜂窩樣件在常溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，再將壓縮后的樣件置于相應(yīng)溫度下保溫兩小時(shí)后進(jìn)行壓潰，得出在相應(yīng)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，鋁蜂窩材料高低溫靜態(tài)壓縮曲線如圖3～7所示(為保證長溫下的壓縮強(qiáng)度與高低溫下的壓縮強(qiáng)度的可比性，本文試驗(yàn)先在常溫下將同一個(gè)蜂窩樣件壓縮10 mm,然后再將壓縮后的樣件在相應(yīng)溫度下保溫后進(jìn)行壓實(shí)，所以儲(chǔ)存后的樣件應(yīng)變會(huì)劇增)。通過對(duì)兩條曲線進(jìn)行分析比較得出溫度變化對(duì)鋁蜂窩材料緩沖性能的影響。溫度變化對(duì)鋁蜂窩材料強(qiáng)度的影響如表3所示。

圖3　樣件Y1應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress-strain curve of sample Y1

圖4　樣件Y2應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4　Stress-strain curve of sample Y2

圖5　樣件Y3應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5　Stress-strain curve of sample Y3

圖6　樣件Y4應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6　Stress-strain curve of sample Y4

圖7　樣件Y5應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7　Stress-strain curve of sample Y5

由試驗(yàn)結(jié)果可知，鋁蜂窩材料強(qiáng)度隨溫度升高而降低，組成鋁蜂窩的基體材料包括鋁箔基材(5052H38)及粘結(jié)劑，因此可由鋁箔基材及粘結(jié)劑對(duì)溫度的敏感性進(jìn)行分析。表4為不同溫度下鋁箔基材屈服強(qiáng)度變化。

表3　溫度變化對(duì)鋁蜂窩材料強(qiáng)度的影響

注：σc為樣件在常溫下的壓縮強(qiáng)度，σT為在相應(yīng)溫度下保溫兩小時(shí)后的壓縮強(qiáng)度。

表4不同溫度下鋁箔基材屈服強(qiáng)度變化

Table 4The yield strength of aluminum under different temperatures

溫度-80℃28℃24℃100℃強(qiáng)度/MPa262255255248強(qiáng)度偏差2.7%00-2.7%

由表4可知，鋁箔基材屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低。在-80℃時(shí)，鋁箔強(qiáng)度與常溫下(24℃～28℃)的偏差為+2.7%，在100℃時(shí)，鋁箔強(qiáng)度與常溫下的偏差為-2.7%，在-60℃～+80℃的溫度范圍內(nèi)，鋁箔強(qiáng)度變化小于6%。因此，不同溫度下蜂窩強(qiáng)度的偏差并不完全由鋁箔強(qiáng)度變化所致，還與粘結(jié)劑有關(guān)。

制備鋁蜂窩所采用的粘結(jié)劑為黑龍江石化研究院研制的牌號(hào)為J71的粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑固化后為樹脂材料，樹脂材料在高溫時(shí)軟化，強(qiáng)度降低，在低溫時(shí)脆硬，強(qiáng)度升高[10]。鋁箔及粘結(jié)劑強(qiáng)度在高低溫下共同且一致的變化最終導(dǎo)致了蜂窩強(qiáng)度隨溫度的變化。

美國HEXCEL公司[11]測(cè)試了不同基體材料蜂窩強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，如圖8所示。當(dāng)蜂窩基體材料為5052時(shí)，蜂窩強(qiáng)度隨溫度升高而降低。

圖8　美國HEXCEL公司測(cè)試蜂窩強(qiáng)度隨溫度變化曲線[9]Fig.8　The curve of honeycomb strength changes with temperature tested by HEX Corporation[8]

由表3可知，鋁蜂窩材料在-60℃～+80℃的溫度范圍內(nèi)，與常溫下的強(qiáng)度偏差最大為-12%，整體偏差為22%。不同的應(yīng)用場(chǎng)合所允許的偏差范圍不同，如鋁蜂窩材料應(yīng)用于月球著陸器中時(shí)，所允許最大偏差為20%。應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，確定合適的允許偏差。

3鋁蜂窩高低溫環(huán)境貯存性能

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解鋁蜂窩材料在-160℃～+180℃的溫度環(huán)境下貯存后是否失效。

3.2試驗(yàn)方法

將鋁蜂窩樣件置于-160℃～+180℃的環(huán)境中貯存，恢復(fù)常溫后進(jìn)行靜態(tài)壓縮。試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)樣件同鋁蜂窩材料高低溫試驗(yàn)。試驗(yàn)規(guī)劃如下：

1)在常溫下將鋁蜂窩樣件壓縮10 mm；

2)將壓縮后的鋁蜂窩樣件置于保溫箱內(nèi)，并將溫度降至0℃；

3)在0℃下保溫15 min后溫度降低20℃，再保溫15 min，繼續(xù)降低20℃，以此類推，直至溫度降為-160℃；

4)當(dāng)溫度降為-160℃并保溫15 min后，溫度升高20℃，再保溫15 min；繼續(xù)升溫20℃，以此類推，直至溫度升高至+180℃；

5)待溫度升高至180℃并保溫15 min后，停止加熱，使保溫箱內(nèi)溫度自然冷卻至室溫(約20℃)，將鋁蜂窩樣件壓潰。

溫度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。圖10為鋁蜂窩樣件在常溫下及經(jīng)高低溫貯存后的強(qiáng)度曲線。由圖10可知，在-160℃～+180℃的溫度下貯存后，鋁蜂窩強(qiáng)度下降，與常溫下強(qiáng)度偏差僅為2.6%，說明鋁蜂窩樣件在-160℃～+180℃下貯存后并未失效。

圖9　環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)溫度變化圖Fig.9　The temperature variations of environmental adaptability test

圖10　鋁蜂窩溫度適應(yīng)性曲線Fig.10　The strength curve of environmental adaptability test

4結(jié)論

由鋁蜂窩材料高低溫試驗(yàn)可知，鋁蜂窩材料強(qiáng)度隨溫度升高而降低。主要有兩方面原因：鋁箔基材屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低；粘結(jié)劑隨溫度升高而軟化，強(qiáng)度降低，隨溫度降低而硬化，強(qiáng)度升高。由鋁蜂窩材料高低溫貯存試驗(yàn)可知，在-160℃～+180℃的溫度環(huán)境下貯存后，鋁蜂窩材料強(qiáng)度偏差僅為2.6%，說明鋁蜂窩材料在極端溫度環(huán)境下貯存后不失效。

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Experimental Research on Thermal Environment Adaptability of Aluminum Honeycomb

HUANG Jiangping1, MAN Jianfeng2, YANG Jianzhong2,YE Yaokun2, LIU Rongqiang1, DENG Zongquan1

(1.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001, China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094, China)

Abstract:In order to obtain the cushioning properties of aluminum honeycomb at different temperatures, the experimental study on the environmental adaptability was carried out including high-low temperature static compression test and high-low temperature storage test. The high-low temperature static compression test was carried out by compressing the aluminum honeycomb after being insulated in a constant temperature incubator for 2 hours and the results showed that the compression strength of aluminum honeycomb decreased as the temperature increased. The high-low temperature storage test was carried out by compressing the aluminum honeycomb after being insulated in a variable temperature incubator for 9 hours and the results showed that the strength of the aluminum honeycomb was basically the same, and no failure occurred. All the tests showed that the aluminum honeycomb had wide environmental adaptability and could work under extreme conditions.

Key words:aluminum honeycomb; environmental adaptability; high-low temperature test; storage test

收稿日期：2015-11-05；修回日期：2016-04-20

作者簡介：黃江平(1988-)，女，博士研究生，研究方向?yàn)橹懢彌_機(jī)構(gòu)。E-mail: jp.huang@hit.edu.cn

中圖分類號(hào)：TB31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0312-04