用于航天電子設(shè)備的PMI 泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗驗證

王東，方偉，方勇，盧健釗，毛敏梁

（1.中國電子科技集團公司第十研究所，成都610036；2.浙江中科恒泰新材料科技有限公司，紹興312369）

0 引言

PMI泡沫是100%的閉孔硬質(zhì)泡沫，具有低密度、高比強度、高比模量、各向同性以及良好的加工性、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、船舶、軌道交通、醫(yī)療設(shè)備、體育器材等領(lǐng)域，例如，飛機的槳葉、尾翼、機身壁板、后壓力框等，以及運載火箭的整流罩、中間段、貯箱等[1-6]。雖然國外在多年前就將泡沫夾層結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航天器，但國內(nèi)航天領(lǐng)域?qū)ε菽瓓A層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起步較晚，目前僅僅局限于運載火箭結(jié)構(gòu)中，而在空間站、衛(wèi)星等長期駐守的空間平臺尤其是其中的電子設(shè)備中鮮有應(yīng)用。

本文針對應(yīng)用于空間站的我國首個航天綜合一體化電子系統(tǒng)設(shè)備的減重需求，選取PMI泡沫作為夾層結(jié)構(gòu)的芯材，制備了碳纖維/PMI/碳纖維結(jié)構(gòu)、鋁合金/PMI/鋁合金結(jié)構(gòu)；并以該電子設(shè)備在發(fā)射階段需要承受的隨機振動試驗量級為試驗條件，對它們的力學(xué)性能進行試驗驗證，并與鋁合金結(jié)構(gòu)、碳纖維結(jié)構(gòu)進行對比，以探尋PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)在空間站電子設(shè)備中的應(yīng)用前景。

1 PMI 泡沫材料的性能

在世界范圍內(nèi)的PMI泡沫市場上，德國贏創(chuàng)德固賽公司生產(chǎn)的ROHACELL?系列和日本積水化學(xué)公司生產(chǎn)的FORMAC?系列PMI泡沫占據(jù)了主導(dǎo)地位。在國內(nèi)，四川大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心、黑龍江石油化工研究院、湖南塑料研究所等高校和科研院所在PMI泡沫研制方面開展了大量工作，并與民營企業(yè)合作，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PMI泡沫產(chǎn)品。其中，與中國科學(xué)院化學(xué)研究所合作創(chuàng)辦的浙江中科恒泰新材料科技有限公司已經(jīng)研發(fā)了Cascell?WH、RS、HF、IH等4個系列10余種PMI泡沫產(chǎn)品，具有年產(chǎn)105m3的規(guī)模；中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心與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，具備年產(chǎn)3000m3的生產(chǎn)能力[7-8]。且Cascell?WH系列和ACCPMI?系列產(chǎn)品的性能均不同程度地優(yōu)于ROHACELL?WF/WF-HT 系列產(chǎn)品[9]。表1所示為Cascell?WH 系列、ACCPMI?系列、ROHACELL?WF/WF-HT 系列產(chǎn)品的基本力學(xué)性能對比。

表1 Cascell?WH系列、ACCPMI?系列、ROHACELL?WF/WF-HT 系列PMI泡沫的基本力學(xué)性能對比Table 1Basicmechanical propertiesof Cascell?WH,ACCPMI?,ROHACELL?WF/WF-HTseriesPMI

本文選用Cascell?110WH 系列PMI泡沫作為空間站電子設(shè)備夾層結(jié)構(gòu)的芯材。除表1所示的力學(xué)性能外，Cascell?110WH 系列PMI泡沫在航天電子設(shè)備上應(yīng)用時應(yīng)予關(guān)注的其他性能如表2所示。

對于在真空環(huán)境中使用的電子設(shè)備，除表1和表2所示的性能外，材料的放氣性能將直接關(guān)系到其是否符合應(yīng)用要求。因為材料釋放出的物質(zhì)會沉積在光學(xué)部件、熱控面板、太陽電池陣等敏感表面上，造成表面污染，嚴(yán)重時會降低觀測窗和光學(xué)鏡頭的透明度、改變熱控涂層的性能、降低太陽電池片的光吸收率等。為了避免材料在真空環(huán)境下放氣對航天器部組件造成污染，一般對航天器用結(jié)構(gòu)材料的放氣性能要求為[10]：總質(zhì)量損失＜1%；收集的可凝揮發(fā)物＜0.1%。

表2 Cascell?110WH系列PMI泡沫性能參數(shù)Table 2Properties of Cascell?110WH seriesPMI

按照QJ 1558B—2016[11]標(biāo)準(zhǔn)對Cascell?110WH試樣及膠膜進行了真空放氣試驗，試驗結(jié)果見表3，其中TML為真空總質(zhì)量損失，CVCM 為收集到的可凝揮發(fā)物，WVR 為水氣回吸量。

表3 Cascell?110WH系列PMI泡沫及膠膜的真空放氣性能Table3 Vacuum outgassing performances of Cascell?110WH seriesPMI and glues

由表3可知：PMI泡沫的TML＞1%，但通過比較WVR 發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量損失主要是泡沫內(nèi)部水氣蒸發(fā)的結(jié)果，且CVCM＜0.1%，滿足QJ20290—2014[12]中關(guān)于非敏感表面附近航天器用非金屬材料的評價指標(biāo)；2種膠膜的TML和CVCM指標(biāo)均滿足航天器用材料要求。

2 PMI 泡沫夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)固體力學(xué)理論，板的彎曲剛度與其厚度的3次方成正比，厚度越大，板的剛度也就越大，但質(zhì)量也隨之增大。而圖1所示的蒙皮+PMI泡沫的夾層結(jié)構(gòu)能在保證結(jié)構(gòu)整體剛度和尺寸的前提下減小結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)比剛度[13-16]。

圖1 PMI 泡沫夾層結(jié)構(gòu)形式示意Fig.1The sandwich structure of PMI foam

本文選用Cascell?110WH系列PMI泡沫作為芯材，3K 斜紋碳纖維布/環(huán)氧樹脂作為預(yù)浸料用于上下蒙皮層制備（或用鋁板作為上下蒙皮）；阻燃型纖維層壓板用于預(yù)埋件和封邊材料制備；J-47 膠膜用于PMI 泡沫與預(yù)埋件的黏結(jié)；SJ-2A 結(jié)構(gòu)膠膜用于PMI泡沫與蒙皮的黏結(jié)。PMI泡沫芯材厚度為4.2mm，3K 斜紋碳纖維布蒙皮（或鋁板）的厚度為0.3mm，膠膜層厚度為0.1mm。

3 實物研制

為了比較PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)與目前航天電子產(chǎn)品中常用的碳纖維結(jié)構(gòu)、鋁合金結(jié)構(gòu)的減重性能和動力學(xué)性能，本文分別采用碳纖維/PMI泡沫/碳纖維（TP）、鋁/PMI泡沫/鋁（LP）、碳纖維（TX）、鋁合金（AL）4種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計制作了空間站某電子設(shè)備機箱的前面板、后面板、上蓋板、下蓋板、大側(cè)蓋板及小側(cè)蓋板共6種結(jié)構(gòu)件（見圖2），它們的最大外形尺寸為588mm（長）×382mm（寬）×5 mm（厚）。其中，鋁合金結(jié)構(gòu)和碳纖維結(jié)構(gòu)采用局部加強方式，前面板需要安裝光電連接器，故非加強區(qū)域厚度為1.5 mm，其他面板和蓋板的非加強區(qū)域厚度為1mm。

圖2 機箱結(jié)構(gòu)件示意Fig.2Schematicdiagram of the cabinet structures

4 性能測試

4.1 減重效果測試

對制作出的機箱結(jié)構(gòu)件進行質(zhì)量測量，以對比不同結(jié)構(gòu)形式的減重效果。以鋁合金結(jié)構(gòu)形式的質(zhì)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，其他3種結(jié)構(gòu)形式的減重效果如表4所示。

由表4可見，碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結(jié)構(gòu)、鋁/PMI泡沫/鋁結(jié)構(gòu)、碳纖維結(jié)構(gòu)均具有較好的減重性能，平均減重比分別為42%、37%、37%。

表4 各種結(jié)構(gòu)形式的減重效果對比Table 4 Comparison of weight reduction for four kinds of structures

4.2 動力學(xué)性能測試

為了比較各類結(jié)構(gòu)件的動力學(xué)性能，本文采用隨機振動試驗進行力學(xué)響應(yīng)分析。

4.2.1試驗平臺搭建

試驗采用蘇州蘇試試驗公司的DC-20000-200系列200kN 電動振動系統(tǒng)，將各類結(jié)構(gòu)件分別裝夾在振動試驗臺上，并在結(jié)構(gòu)件的適當(dāng)位置布設(shè)Dytran3224A1系列單軸向壓電式加速度傳感器，測量結(jié)構(gòu)件的振動響應(yīng)；用美國DataPhysics公司的DP730系列16通道便攜式動態(tài)信號分析儀及其自帶的信號分析處理軟件進行信號采集處理。

4.2.2測試方法

試驗所使用的夾具依據(jù)某電子設(shè)備實際結(jié)構(gòu)形式進行制備，以模擬各結(jié)構(gòu)件的真實安裝環(huán)境，夾具下側(cè)的平板用于和試驗臺面的固定，各結(jié)構(gòu)件通過M4不銹鋼沉頭螺釘固定在振動夾具上。在夾具和結(jié)構(gòu)件上均布置了力學(xué)測點，測試采用多點激勵、單點響應(yīng)的原理進行。其中z向試驗的力學(xué)響應(yīng)測點布局如圖3所示：L1和L2測點位于上蓋板上，L3測點位于下蓋板上，J1、J6、J7測點位于夾具下部四角處，J2、J4、J5位于夾具上端四角處，J3位于夾具上端中部。

圖3 力學(xué)響應(yīng)測點布局示意Fig.3Locationsof the mechanical response measurement points

根據(jù)該電子設(shè)備需要經(jīng)歷的發(fā)射過程確定振動試驗條件為總均方根加速度7.5grms，持續(xù)時間180s，振動加載條件詳見表5。

表5 振動試驗條件Table5The vibration test conditions

4.2.3試驗結(jié)果

各種結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)件上同一測點的力學(xué)響應(yīng)對比如圖4所示，從圖中給出的L1和L3測點的響應(yīng)數(shù)據(jù)來看：鋁/PMI 泡沫/鋁結(jié)構(gòu)、碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量級較小，碳纖維結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量級較大；碳纖維結(jié)構(gòu)的一階頻率最低、鋁合金結(jié)構(gòu)的一階頻率稍高、鋁/PMI泡沫/鋁結(jié)構(gòu)和碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結(jié)構(gòu)的一階頻率較高。

圖4 各種結(jié)構(gòu)形式實物上同一測點力學(xué)響應(yīng)對比Fig.4Mechanical response at the sametest point for four structural forms

為了對比各結(jié)構(gòu)件在試驗前后的響應(yīng)變化，在鑒定級隨機振動試驗前后均進行了10～2000 Hz頻率范圍內(nèi)加速度功率譜密度恒為0.001g2/Hz的特征掃描，響應(yīng)曲線如圖5～圖8所示（以L1和L3兩測點為代表，圖中藍(lán)色曲線為試驗前的，紅色曲線為試驗后的）。

圖5 碳纖維/PMI 泡沫/碳纖維結(jié)構(gòu)試驗前后掃頻隨機振動響應(yīng)數(shù)據(jù)對比Fig.5Dynamicresponse of TPstructure before and after sweeprandom vibration

圖6 鋁/PMI 泡沫/鋁結(jié)構(gòu)試驗前后掃頻隨機振動響應(yīng)數(shù)據(jù)對比Fig.6Dynamicresponse of LPstructure before and after sweeprandom vibration

圖7 碳纖維結(jié)構(gòu)試驗前后掃頻隨機振動響應(yīng)數(shù)據(jù)對比Fig.7Dynamicresponse of carbon fiber structure beforeand after sweeprandom vibration

從4種結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)件在試驗前后的掃頻隨機振動響應(yīng)數(shù)據(jù)來看，碳纖維/PMI 泡沫/碳纖維結(jié)構(gòu)、鋁/PMI泡沫/鋁結(jié)構(gòu)在響應(yīng)量級、各階頻率點上均十分接近，而碳纖維結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)的頻率點發(fā)生了偏移，響應(yīng)量級的變化較大。

為了測試溫度沖擊對PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)的影響，在力學(xué)測試后，對碳纖維/PMI泡沫/碳纖維結(jié)構(gòu)、鋁/PMI泡沫/鋁結(jié)構(gòu)、碳纖維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件進行了溫度沖擊試驗，試驗條件見表6。

表6 溫度沖擊試驗條件Table 6Temperature shock test condition

為了對比各結(jié)構(gòu)件在溫度沖擊試驗后的力學(xué)響應(yīng)變化，再次進行了10～2000Hz 頻率范圍內(nèi)加速度功率譜密度恒為0.001g2/Hz 的特征掃描，各結(jié)構(gòu)件的響應(yīng)曲線與圖5～圖8中鑒定隨機振動試驗后的掃頻振動數(shù)據(jù)幾乎一致。由此可見，溫度沖擊對PMI 泡沫結(jié)構(gòu)件的基本力學(xué)性能沒有影響。

5 結(jié)束語

本文以空間站某電子設(shè)備用結(jié)構(gòu)件為依托，設(shè)計制備了碳纖維/PMI 泡沫/碳纖維、鋁/PMI泡沫/鋁夾層結(jié)構(gòu)件，并將它們與碳纖維和鋁合金結(jié)構(gòu)件進行對比測試，包括質(zhì)量測量、力學(xué)試驗測試、溫度沖擊試驗測試，結(jié)果表明：這2 種PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有顯著的減重效果，相比于鋁合金結(jié)構(gòu)件，減重約40%；具有較高的阻尼和比剛度特性，相比于鋁合金結(jié)構(gòu)件，力學(xué)響應(yīng)量級降低40%～50%；具備適應(yīng)高低溫沖擊的能力。此外，通過真空出氣性能測試，驗證了PMI 泡沫夾層結(jié)構(gòu)所用的PMI泡沫芯材和膠膜能夠滿足航天器非敏感表面附近的使用要求。

本文的研究內(nèi)容，為空間站電子設(shè)備的輕量化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，對擴大PMI泡沫材料的應(yīng)用范圍具有指導(dǎo)意義。